來源：是德科技CAE

前言

前兩期內容中討論了eVTOL艙室內噪聲仿真分析流程以及降噪優化方法，本文主要闡述eVTOL艙外噪聲的仿真分析。

eVTOL在城市低空環境運行的場景，給城市居民帶來的環境噪聲是eVTOL 開發商必須要解決的問題，如果eVTOL帶來的環境噪聲過大，必然給城市居民帶來嚴重的困擾，可能會激發其對eVTOL的抵觸情緒，如美國舊金山等一些城市居民出于噪聲和安全的擔憂，不允許直升機在緊急情況外降落，故而對于eVTOL這種新型出行工具，為保證其正常的商業化進程，降低其環境噪聲至公眾可接受的程度尤為重要；同時北美及歐洲地區也出臺了相關的噪聲法規約束其環境噪聲，因而通過虛擬仿真的方法預測并解決eVTOL的輻射噪聲是避免項目后期由于噪聲問題導致項目凍結或加長開發周期的重要措施。

一、VA ONE eVTOL 外聲場噪聲解決方案

eVTOL外聲場噪聲可通過VA ONE Acoustic BEM求解器及Ray Tracing方法進行預測。對于Acoustic BEM 模塊，VA ONE 提供了標準邊界元求解器及H-Matrix方法供用戶選擇；Ray Tracing即聲線法可用于巡航工況下在城市界面運行時的外場噪聲分析，可通過在VA ONE GUI界面下搭建城市界面群模型，考慮城市建筑及街道等對eVTOL輻射噪聲的反射及衍射情況，相比于BEM 求解器，聲線法具有求解效率高的優勢。

eVTOL外聲場的輻射噪聲源主要來自旋翼工作時與空氣相互作用產生的噪聲，可通過CFD分析得到其噪聲源頻譜，具體利用CFD 表征旋翼噪聲源的方法可參考《基于VA ONE的eVTOL艙室噪聲仿真分析（一）》，本文對噪聲源的表征不在贅述。利用VA ONE進行eVTOL外場輻射噪聲的分析流程如下圖所示。

二、基于BEM 分析eVTOL外聲場噪聲預測

建立如下圖所示的eVTOL邊界元分析模型，在旋翼中心位置加載CFD計算的旋翼噪聲源，eVTOL機身邊界元網格尺寸滿足最高分析頻率處一個波長內至少6個網格的要求，并將其網格類型設置為剛性，即滿足迪利克雷邊界條件。在eVTOL 前端2米位置處設置Data Recovery面，并在其上布置5個虛擬傳感器，獲取不同位置的聲學響應，如果要獲取機身表面的聲學響應，也可將機身表面的網格進行復制并按照eVTOL外層板結構的分布劃分為不同的數據接收面，這里要說明的一點是一般要求數據接收面的網格尺寸比eVTOL 自身面元網格小，從而保證分析的精度。

對于BEM模型的求解，VA ONE 內置了Standard BEM 求解器即H-Matrix方法進行求解，并且在最新版本的VA ONE中，H-matrix方法支持內外聲場及邊界設置有聲學阻抗模型的求解，且H-Matrix方法在保證精度的同時具有更高的計算效率，在本次演示的eVTOL BEM 模型中，由于模型中節點較多，故而調用H-Matrix方法進行求解計算，計算完成后，VA ONE可輸出機艙外表面各區域的聲學響應。eVTOL 邊界元計算結果如下圖所示，在結果中除查看常規的響應計算結果外，VA ONE 也可輸出模型中各聲源在不同頻域下在數據接收面的聲場云圖。

利用BEM 方法計算eVTOL外場輻射噪聲主要適用于起飛或降落階段對近場噪聲的直接輻射噪聲，如果將周邊環境如城市建筑等考慮在內，其計算效率效率將會大打折扣，同時也對計算機的內存帶來較大的挑戰。因而eVTOL巡航工況下會周圍環境的輻射噪聲不建議采用BEM方法進行求解，而是推薦聲射線法Ray Tracing進行求解。當然，除上述將eVTOL機身表面將設為剛性計算外，如果認為旋翼噪聲輻射到機艙外壁面如前擋玻璃或側窗玻璃并引起其振動，進而考慮機艙外壁面對外場的振動輻射噪聲，也可將eVTOL外壁面板件設置為彈性結構，即建立FE-BEM耦合模型進行計算。

三、基于Ray Tracing的eVTOL外聲場噪聲預測

聲射線法(Ray Tracing)是NVH分析中適用于中高頻噪聲分析的一種幾何方法，其借鑒了幾何光學中光線的概念，將聲波在復雜腔體中的傳播近似為無數條獨立傳播的聲線的運動軌跡，傳播過程中，聲線攜帶的能量會因空氣的吸收以及結構中的阻抗邊界等耗散，當聲線傳遞到模型邊界時會被反射及吸收。在VA ONE中，邊界的反射可設置為漫反射及鏡面反射等不同的條件，為計算結構內某具體位置的聲壓級響應，VA ONE會在DR面上布置不同的接收球體，球體半徑可根據計算的需求進行設置。聲射線法計算聲學響應的準確性與聲射線數密切相關，線數過多，能帶來更高的計算精度但也會增加求解時間，聲線數過少，計算效率高但精度往往無法保證，為平衡計算效率與分析精度，VA ONE 提供了聲射線數預估腳本，該腳本可根據分析頻率及模型的大小預估所需要的聲射線數，進而為用戶提供參考。另外，VA ONE 聲線法當前也考慮了聲衍射對計算結果帶來的影響，常見的聲線法應用場景如下圖所示。

基于VA ONE 聲線法計算eVTOL在巡航工況下的外場輻射噪聲時，在GUI 界面中用SEA平板子系統結構搭建城市建筑群及街道結構，eVTOL 各結構件主要通過SEA結構子系統描述，在上下旋翼位置中心點處加載CAS指向性聲源模擬旋翼噪聲，并將CFD提取的噪聲源激勵譜加載在CAS中作為計算的激勵輸入，對于關心區域的聲學響應，可通過在該區域布置DR面獲取該位空間區域的平均聲壓級響應，也可在DR面上布置虛擬傳感器獲得具體位置的聲學響應。eVTOL聲線法計算模型如下圖所示：

本次演示算例中，將街道及某建筑大樓外立面作為關心區域，并在該區域建立Data Recovery 分析旋翼噪聲輻射到以上兩個區域的噪聲響應，并在DR面上設置虛擬傳感器獲取具體位置的響應，計算結果如下圖所示。由于eVTOL 產生的環境噪聲主要受相關法規的約束，故而可基于法規中的要求設定聲載荷邊界和響應點，從而將Ray tracing 計算結果與法規中的標準要求進行對比，評估eVTOL是否滿足法規的要求。

四、最后

eVTOL產生的環境噪聲污染是影響其普及應用的重要挑戰，eVTOL NVH工程師越早介入項目的開發，越有利于應對相關噪聲法規的要求。

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。