上一節(jié)中介紹了eVTOL旋翼噪聲的表征以及通過聲學(xué)BEM模型分析旋翼噪聲到eVTOL機(jī)體外表面的噪聲傳播分析流程，本節(jié)將在上節(jié)內(nèi)容的基礎(chǔ)上繼續(xù)介紹eVTOL艙內(nèi)噪聲響應(yīng)分析的仿真流程，同時(shí)根據(jù)貢獻(xiàn)量分析獲取對(duì)艙內(nèi)噪聲響應(yīng)貢獻(xiàn)較大的路徑并進(jìn)行優(yōu)化，旨在提升eVTOL NVH 工程師建立全流程艙內(nèi)高頻空氣噪聲分析的能力。

一

SEA基本理論概述

統(tǒng)計(jì)能量分析（Statistical Energy Analysis）是目前行業(yè)解決高頻空氣噪聲唯一有效的數(shù)值分析方法，其通過功率流平衡方程描述系統(tǒng)中能量儲(chǔ)存、耗散及傳遞的過程，如下圖（右）所示。SEA理論中描述子系統(tǒng)吸收并儲(chǔ)存能量的最小單元為子系統(tǒng)，通過模態(tài)密度（Modal density）表征其儲(chǔ)存能量的能力，用內(nèi)損耗因子（Damping Loss Factor）表示子系統(tǒng)自身對(duì)能量的耗散能力，耦合損耗因子(Coupling Loss Factor)表示子系統(tǒng)之間能量傳遞的強(qiáng)弱，以上三個(gè)參數(shù)統(tǒng)稱為統(tǒng)計(jì)能量三大參數(shù)，也奠定了 SEA分析復(fù)雜系統(tǒng)高頻空氣聲響應(yīng)的基礎(chǔ)，外界對(duì)分析系統(tǒng)的激勵(lì)或載荷會(huì)轉(zhuǎn)換為功率的形式輸入給對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)。SEA理論認(rèn)為能量在系統(tǒng)內(nèi)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(gè)子系統(tǒng)的能量，進(jìn)而借助能量與各動(dòng)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)的關(guān)系轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)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(jìn)行理解。

在SEA理論中，復(fù)雜系統(tǒng)通常被劃分為不同的子系統(tǒng)進(jìn)行分析，子系統(tǒng)必須能儲(chǔ)存振動(dòng)能量，且認(rèn)為只有一些相似共振模態(tài)組成一群共振運(yùn)動(dòng)的子系統(tǒng)才可以儲(chǔ)存能量，因此一群相似模態(tài)就可以視為統(tǒng)計(jì)能量分析中的一個(gè)子系統(tǒng)，此即模態(tài)相似準(zhǔn)則，如對(duì)于一個(gè)平板子系統(tǒng)而言，可以簡單認(rèn)為是由空間彎曲子系統(tǒng)以及面內(nèi)伸縮即剪切子系統(tǒng)構(gòu)成。模態(tài)相似準(zhǔn)則是SEA分析中劃分子系統(tǒng)的重要依據(jù)，在對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模時(shí)，還要根據(jù)邊界及內(nèi)外部聲腔子系統(tǒng)的劃分對(duì)結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)進(jìn)行靈活處理。另外，SEA模型分析準(zhǔn)確的前提是分析帶寬內(nèi)子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)要足夠高，理論上要求≥5，實(shí)際工程項(xiàng)目中認(rèn)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(duì)eVTOL 進(jìn)行高頻SEA模型的建模，VA ONE支持采用網(wǎng)格建立SEA模型，即將網(wǎng)格模型直接轉(zhuǎn)化為 各SEA結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，也支持采用節(jié)點(diǎn)信息建立SEA分析模型，本次演示模型采用eVTOL 網(wǎng)格上的節(jié)點(diǎn)信息建立SEA 模型。

eVTOL有限元網(wǎng)格模型如下圖（左）所示，對(duì)FE mesh模型進(jìn)行相關(guān)簡化后，以FE Geometry的形式導(dǎo)入到VA ONE中，根據(jù)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的SEA的節(jié)點(diǎn)，由于SEA分析支持粗略簡化，即不需要對(duì)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)特征進(jìn)行完整的描述，故而在創(chuàng)建SEA結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)只需要描述結(jié)構(gòu)的輪廓特征即可，之后再選擇對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)類型，如平板子系統(tǒng)或曲面板類型建立結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)；對(duì)于eVTOL艙內(nèi)空間，在SEA模型中模擬為多個(gè)子聲腔，如駕駛員頭部及腿部聲腔等，艙外聲學(xué)空間用半無限流體SIF 描述。對(duì)于各結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)屬性的設(shè)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(fù)合材料的建模，如eVTOL中采用碳釬維材料以達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的，對(duì)于該類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，可以采用Composite屬性對(duì)其進(jìn)行建模，對(duì)于前擋及側(cè)窗玻璃，可以采用Laminate的形式模擬其聲學(xué)玻璃的建模。完成eVTOL結(jié)構(gòu)及聲腔子系統(tǒng)建模后，利用Auto connect工具實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的耦合，保證傳遞路徑的準(zhǔn)確性。對(duì)于艙內(nèi)聲學(xué)包的建模，通過Biot參數(shù)建立聲學(xué)材料再應(yīng)用到對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)上。

對(duì)于激勵(lì)的加載，可按理想載荷工況及實(shí)際載荷工況分類討論，對(duì)于靜態(tài)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(lì)分析其向機(jī)體外表面的聲輻射，進(jìn)而加載到SEA模型中進(jìn)行求解，最后指導(dǎo)艙內(nèi)聲學(xué)包的設(shè)計(jì)等；對(duì)于實(shí)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(nèi)的高頻噪聲響應(yīng)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(jī)體外表面的聲激勵(lì)，用TBL(Turbulent Boundary Layer)或GSP(General Surface Pressure)模擬湍流載荷激勵(lì)，DAF聲載荷激勵(lì)譜則來自上節(jié)中介紹的基于BEM 計(jì)算的結(jié)果，TBL或GSP的激勵(lì)譜則通過CFD計(jì)算得到，加載激勵(lì)后進(jìn)行求解即可得到關(guān)心區(qū)域的平均聲壓級(jí)響應(yīng)，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(jí)響應(yīng)。

三

eVTOL艙內(nèi)噪聲優(yōu)化分析

可利用VA ONE中的貢獻(xiàn)量分析腳本對(duì)艙內(nèi)噪聲計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，從而獲得對(duì)關(guān)心聲腔貢獻(xiàn)量較大的傳遞路徑。下圖所示為駕駛員頭部聲腔貢獻(xiàn)量分析結(jié)果，從圖中可以獲悉前門側(cè)窗玻璃在整個(gè)分析頻帶內(nèi)對(duì)其都有較大的貢獻(xiàn)，在100Hz-2000Hz范圍內(nèi)，后門側(cè)窗玻璃對(duì)其貢獻(xiàn)較大；另外在中高頻段來自頂棚及地板的噪聲對(duì)駕駛員頭部聲腔也有較大的貢獻(xiàn)。

玻璃結(jié)構(gòu)的大面積應(yīng)用可以提高eVTOL的視野，但是也對(duì)艙內(nèi)噪聲帶來較大的調(diào)整，為降低通過玻璃路徑傳遞到艙內(nèi)的噪聲，可采用聲學(xué)玻璃提高其傳遞損失達(dá)到該路徑上降噪的效果，下圖為普通夾層玻璃和聲學(xué)夾層玻璃設(shè)計(jì)方案對(duì)駕駛員頭部聲腔聲壓級(jí)響應(yīng)降噪效果對(duì)比，可以看到在中高頻段采用聲學(xué)夾層玻璃可以顯著提高艙內(nèi)噪聲舒適性。對(duì)于玻璃結(jié)構(gòu)自身隔聲量的計(jì)算，亦可采用VA ONE VTL(Virtual Transmission Loss)進(jìn)行計(jì)算，分析不同玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案其隔聲性能，進(jìn)而得到玻璃結(jié)構(gòu)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。通過頂棚及地板傳遞到艙內(nèi)的噪聲，可通過吸隔聲材料進(jìn)行降噪，即通過設(shè)計(jì)聲學(xué)包方案達(dá)到降噪的效果，eVTOL聲學(xué)包的設(shè)計(jì)與汽車類似，此處不再贅述，感興趣的小伙伴可再后臺(tái)留言或私信詳細(xì)交流。

四

最后

以上即為本節(jié)分享的全部內(nèi)容，結(jié)合上節(jié)內(nèi)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(shè)計(jì)到量產(chǎn)階段的全流程解決方案，有助于eVTOL OEM在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段，利于虛擬仿真的方法進(jìn)行NVH設(shè)計(jì)，是行業(yè)突破噪聲瓶頸的關(guān)鍵分析工具，更多咨詢可通過郵件聯(lián)系我們：tao.ma@keysight.com