來源：是德科技CAE

上一節中介紹了eVTOL旋翼噪聲的表征以及通過聲學BEM模型分析旋翼噪聲到eVTOL機體外表面的噪聲傳播分析流程，本節將在上節內容的基礎上繼續介紹eVTOL艙內噪聲響應分析的仿真流程，同時根據貢獻量分析獲取對艙內噪聲響應貢獻較大的路徑并進行優化，旨在提升eVTOL NVH 工程師建立全流程艙內高頻空氣噪聲分析的能力。

一、SEA基本理論概述

統計能量分析（Statistical Energy Analysis）是目前行業解決高頻空氣噪聲唯一有效的數值分析方法，其通過功率流平衡方程描述系統中能量儲存、耗散及傳遞的過程，如下圖（右）所示。SEA理論中描述子系統吸收并儲存能量的最小單元為子系統，通過模態密度（Modal density）表征其儲存能量的能力，用內損耗因子（Damping Loss Factor）表示子系統自身對能量的耗散能力，耦合損耗因子(Coupling Loss Factor)表示子系統之間能量傳遞的強弱，以上三個參數統稱為統計能量三大參數，也奠定了 SEA分析復雜系統高頻空氣聲響應的基礎，外界對分析系統的激勵或載荷會轉換為功率的形式輸入給對應的子系統。SEA理論認為能量在系統內是保守的，故而可基于此建立功率流平衡方程，通過求解該方程即可獲得每個子系統的能量，進而借助能量與各動力學響應指標的關系轉換為對應的輸出。為便于更加直觀地了解SEA基本理論，可參考下圖（左）中“蓄水池”原理進行理解。

在SEA理論中，復雜系統通常被劃分為不同的子系統進行分析，子系統必須能儲存振動能量，且認為只有一些相似共振模態組成一群共振運動的子系統才可以儲存能量，因此一群相似模態就可以視為統計能量分析中的一個子系統，此即模態相似準則，如對于一個平板子系統而言，可以簡單認為是由空間彎曲子系統以及面內伸縮即剪切子系統構成。模態相似準則是SEA分析中劃分子系統的重要依據，在對實際結構進行建模時，還要根據邊界及內外部聲腔子系統的劃分對結構子系統進行靈活處理。另外，SEA模型分析準確的前提是分析帶寬內子系統的模態數要足夠高，理論上要求≥5，實際工程項目中認為≥3亦可滿足分析的需求。

二、eVTOL SEA 模型

借助VA ONE GUI及SEA 求解器對eVTOL 進行高頻SEA模型的建模，VA ONE支持采用網格建立SEA模型，即將網格模型直接轉化為 各SEA結構子系統，也支持采用節點信息建立SEA分析模型，本次演示模型采用eVTOL 網格上的節點信息建立SEA 模型。

eVTOL有限元網格模型如下圖（左）所示，對FE mesh模型進行相關簡化后，以FE Geometry的形式導入到VA ONE中，根據網格節點創建對應的SEA的節點，由于SEA分析支持粗略簡化，即不需要對結構的詳細特征進行完整的描述，故而在創建SEA結構子系統節點時，節點只需要描述結構的輪廓特征即可，之后再選擇對應的子系統類型，如平板子系統或曲面板類型建立結構子系統；對于eVTOL艙內空間，在SEA模型中模擬為多個子聲腔，如駕駛員頭部及腿部聲腔等，艙外聲學空間用半無限流體SIF 描述。對于各結構子系統屬性的設置，VA ONE支持各向同性以及各向異性材料的建模，也支持各類復合材料的建模，如eVTOL中采用碳釬維材料以達到輕量化設計的目的，對于該類復合材料結構，可以采用Composite屬性對其進行建模，對于前擋及側窗玻璃，可以采用Laminate的形式模擬其聲學玻璃的建模。完成eVTOL結構及聲腔子系統建模后，利用Auto connect工具實現子系統之間的耦合，保證傳遞路徑的準確性。對于艙內聲學包的建模，通過Biot參數建立聲學材料再應用到對應的結構子系統上。

對于激勵的加載，可按理想載荷工況及實際載荷工況分類討論，對于靜態理想工況分析，可在邊界元模型中在旋翼中心位置加載單位載荷激勵分析其向機體外表面的聲輻射，進而加載到SEA模型中進行求解，最后指導艙內聲學包的設計等；對于實際載荷工況，可按照起飛階段工況和巡航工況討論，在起飛階段，艙內的高頻噪聲響應主要來自旋翼噪聲，因此只需要考慮該噪聲源即可；在巡航階段，除旋翼噪聲外，還要考慮不同巡航速度下湍流噪聲源的影響。在VA ONE中可采用DAF(Diffuse Acoustic Field)模擬旋翼噪聲輻射到機體外表面的聲激勵，用TBL(Turbulent Boundary Layer)或GSP(General Surface Pressure)模擬湍流載荷激勵，DAF聲載荷激勵譜則來自上節中介紹的基于BEM 計算的結果，TBL或GSP的激勵譜則通過CFD計算得到，加載激勵后進行求解即可得到關心區域的平均聲壓級響應，下圖為在巡航工況下加載TBL及DAF后駕駛員頭部聲腔的聲壓級響應。

三、eVTOL艙內噪聲優化分析

可利用VA ONE中的貢獻量分析腳本對艙內噪聲計算結果進行分析，從而獲得對關心聲腔貢獻量較大的傳遞路徑。下圖所示為駕駛員頭部聲腔貢獻量分析結果，從圖中可以獲悉前門側窗玻璃在整個分析頻帶內對其都有較大的貢獻，在100Hz-2000Hz范圍內，后門側窗玻璃對其貢獻較大；另外在中高頻段來自頂棚及地板的噪聲對駕駛員頭部聲腔也有較大的貢獻。

玻璃結構的大面積應用可以提高eVTOL的視野，但是也對艙內噪聲帶來較大的調整，為降低通過玻璃路徑傳遞到艙內的噪聲，可采用聲學玻璃提高其傳遞損失達到該路徑上降噪的效果，下圖為普通夾層玻璃和聲學夾層玻璃設計方案對駕駛員頭部聲腔聲壓級響應降噪效果對比，可以看到在中高頻段采用聲學夾層玻璃可以顯著提高艙內噪聲舒適性。對于玻璃結構自身隔聲量的計算，亦可采用VA ONE VTL(Virtual Transmission Loss)進行計算，分析不同玻璃結構設計方案其隔聲性能，進而得到玻璃結構最優的設計方案。通過頂棚及地板傳遞到艙內的噪聲，可通過吸隔聲材料進行降噪，即通過設計聲學包方案達到降噪的效果，eVTOL聲學包的設計與汽車類似，此處不再贅述，感興趣的小伙伴可再后臺留言或私信詳細交流。

四、最后

以上即為本節分享的全部內容，結合上節內容即為完整的eVTOL 艙室噪聲仿真分析的全流程。VA ONE提供了eVTOL噪聲問題從概念設計到量產階段的全流程解決方案，有助于eVTOL OEM在產品設計的早期階段，利于虛擬仿真的方法進行NVH設計，是行業突破噪聲瓶頸的關鍵分析工具，更多咨詢可通過郵件聯系我們：tao.ma@keysight.com

作者簡介

馬濤

VA One解決方案專家

畢業于重慶大學車輛工程專業，碩士研究生，研究方向為汽車NVH性能。曾就職于東風等汽車主機廠，熟悉整車NVH性能開發流程，擅長聲學包及風噪性能分析等。2022年起擔任VA One中國區技術專家，負責推進VA One在中國市場的應用及部署、對用戶進行高級培訓等工作，致力于推動虛擬樣機解決方案在工程領域中的應用。