eVTOL旋翼噪声表征以及BEM求解过程

来源：是德科技CAE

随着城市空中交通(UAM)概念的兴起，电动垂直起降飞行器(eVTOL)作为其核心载体，正经历前所未来的发展热潮。由于eVTOL在城市低空环境下运行，其噪声问题也尤为突出，eVTOL噪声问题直接关系到公众对eVTOL的接受度、噪声法规符合性以及最终的适航认证等。对于eVTOL舱内声学舒适性而言，终端市场一般期望eVTOL的舱内噪声水平能达到豪华舒适性汽车的水平，这也给eVTOL开发商带来较大的挑战。如果能在eVTOL开发前期，通过仿真的方法预测舱内噪声水平并采取降噪优化措施，对eVTOL开发成本、合规性以及开发周期都会带来较大的优势，本文将结合eVTOL噪声源特点，介绍基于VA ONE仿真分析eVTOL舱内噪声的方法。

一、VA ONE介绍

VA ONE 是原ESI Group于2005年推出的一款全频段振动噪声分析软件，其将有限元(FEM)、声学边界元（Acoustic BEM）、统计能量法(SEA)及声线法(Ray Tracing)等多个核心求解器集成在同一个GUI界面，用户可根据自己的分析需求选择合适的求解器对系统的振动噪声问题进行求解，目前VA ONE已广泛应用在汽车、轨道交通、航空航天及船舶等领域。VA ONE 中的SEA是分析高频空气声激励导致的系统NVH问题的行业标杆求解器，其快速高效地求解效率极大的满足目前各个行业不断缩短地开发周期的需求。

对于eVTOL舱内噪声仿真，可结合VA ONE 声学BEM求解器以及SEA求解器分析其舱内噪声水平；对于降噪设计，VA ONE 提供了不同的NCT(Noise Control Treatment)建模方法模拟声学包设计方案，也提供了诸如Global GA/MMA等优化方法对声学包进行优化，从而在达成eVTOL噪声性能的前提下，满足轻量化以及经济型的设计要求。针对eVTOL舱内噪声仿真分析，VA ONE分析流程如下所示：

1基于CFD仿真分析提取叶片噪声源及机舱表面湍流载荷激励

2基于VA ONE BEM 分析旋翼噪声到机舱表面的噪声传播

3基于VA ONE SEA 分析舱内噪声响应分析

4基于VA ONE HF Foam及优化模块对舱内噪声进行降噪方案设计

eVTOL舱内噪声分析流程

由于涉及内容较多，本文讨论的内容将分为两节进行阐述，本节内容主要介绍eVTOL旋翼噪声表征以及BEM求解过程，eVTOL舱内噪声的响应分析及优化将在下节内容中展开介绍。

二、eVTOL旋翼噪声表征

对于eVTOL而言，从结构来讲，其噪声源包括电机辐射噪声、电动力总成振动噪声、旋翼不平衡引起的结构振动、旋翼辐射噪声等，其中旋翼噪声是主要的噪声源；从工况角度，在起飞阶段，由于eVTOL运行速度较低，舱内噪声响应主要来自外部旋翼工作时与空气相互作用产生的噪声；在巡航阶段，除旋翼噪声外，由于运行速度较高，机舱表面还受到湍流载荷的激励。

按照FWH理论，旋转机械周围产生的流动区域可等效为一个静止流体区域和分布在其表面的噪声源系统，可采用该方法对eVTOL旋翼噪声源进行表征。采用OpenFoam CFD软件对旋翼进行建模，为提高计算效率，在CFD模型中仅建立两个共轴反向旋转的旋翼模型，旋翼转速设置为2000RPM，计算域采用旋转网格，网格尺寸随着与旋翼的距离增大而增大，湍流模型选择LES 模拟，FWH面可根据分析的需求设置在旋翼不同距离的近场范围内。计算模型及结果如下图所示，可以看到在叶片通过频率以及整谐波频率处存在明显的峰值，同时为验证FWH类比法提取的噪声源的精度，在CFD软件中用提取的噪声源计算在同一区域的SPL响应，结果显示在叶片通过频率（BDF）以下，FWH声类比方法和CFD计算的结果吻合度较好，但是跃过BDF后，CFD计算受到网格尺寸的限制，很难捕获到高频短波噪声的传递信息，故而其SPL响应较低，FWH声类比方法能恢复声场的守恒特性，故而精度更高。最终用FWH类比法提取的旋翼噪声在VA ONE中转化为指向性声源CAS加载在eVTOL BEM模型中分析其向机体表面噪声传播的过程。对于eVTOL的巡航工况，除用上述方法获取旋翼不同旋转速度下的旋翼噪声外，还要考虑机体外表面的湍流载荷激励，湍流噪声在CFD软件中的表征与汽车行业提取侧窗脉动载荷激励类似，此处不再赘述。

三、eVTOL BEM 分析

eVTOL BEM 分析模型主要用于模拟旋翼噪声传递到机舱外表面的过程，即利用BEM进行外声场分析。建立eVTOL 外覆盖件结构及旋翼边界元网格模型，认为机舱表面为刚性边界，即满足迪利克雷边界条件，机身表面边界元尺寸参数满足在最高分析频率每个波长至少有6个单元，同时将eVTOL各关键外表面作为Data Recovery面（DR面代表响应面，后续分析中需要将DR面上的响应作为载荷加载在SEA各结构子系统上，故而建议DR面的划分和SEA模型中eVTOL外覆盖件的SEA结构子系统一一对应）。在4个旋翼中心点处分别加载CAS声源，并导入上一步中提取的声源激励。通过求解获得各个面上的平均声压级响应，当然也可以在各数据接收面上设置各类虚拟传感器获得具体关心位置的响应。

众所周知，BIE 方程通常为满秩非对称的稠密矩阵，在求解BEM模型时，求解器需要对每个面元进行积分求解，并储存计算结果，这就导致采用常规BEM 求解器计算BEM模型时，计算效率低下且对计算机的内存带来较大的挑战。为改善常规BEM求解器求解大型复杂BEM模型的弊端，VA ONE 为BEM模型的求解开发了H-Matrix求解器，即采用“分块”的方法。在H-Matrix矩阵表达式中，整个矩阵的显示形式并不存在，而是以分块低秩的形式存储，H-Matrix只对远场的矩阵块进行低秩近似（或压缩储存，即使采用的是低秩近似，但不改变原始矩阵块的秩，且在软件算法中设置了原矩阵块和近似矩阵块的误差阈值，从而达到控制模型计算精度的效果），对近场的矩阵块直接求解（稠密储存），即将BIE 方程转化为“全局满秩+远场近似”的方法进行求解，从而大幅降低计算量，进而提高计算效率，同时也保证工程分析精度的要求。H-Matrix方法尤其对大型复杂BEM模型求解具有很大的优势，推荐对于节点数超过3万的BEM模型采用该方法进行求解。在本次eVTOL演示案例中亦采用H-Matrix BEM求解器进行计算。

求解完成后即可在VA ONE中通过Engineering Unit查看各DR面的平均声压级响应，也可通过Contour Plot功能绘制各DR面上的声压级云图显示， 该结果将最终映射到eVTOL SEA模型中作为声载荷激励分析其向内传播噪声的过程，BEM外声场计算结果如下图所示。

四、最后

以上即为eVTOL旋翼噪声表征及其向机体外表面覆盖件辐射噪声的仿真流程，在下节内容中我们将介绍基于VA ONE SEA 模型的舱内噪声响应分析及优化过程。