eVTOL舱内噪声响应分析的仿真流程

来源：是德科技CAE

上一节中介绍了eVTOL旋翼噪声的表征以及通过声学BEM模型分析旋翼噪声到eVTOL机体外表面的噪声传播分析流程，本节将在上节内容的基础上继续介绍eVTOL舱内噪声响应分析的仿真流程，同时根据贡献量分析获取对舱内噪声响应贡献较大的路径并进行优化，旨在提升eVTOL NVH 工程师建立全流程舱内高频空气噪声分析的能力。

一、SEA基本理论概述

统计能量分析（Statistical Energy Analysis）是目前行业解决高频空气噪声唯一有效的数值分析方法，其通过功率流平衡方程描述系统中能量储存、耗散及传递的过程，如下图（右）所示。SEA理论中描述子系统吸收并储存能量的最小单元为子系统，通过模态密度（Modal density）表征其储存能量的能力，用内损耗因子（Damping Loss Factor）表示子系统自身对能量的耗散能力，耦合损耗因子(Coupling Loss Factor)表示子系统之间能量传递的强弱，以上三个参数统称为统计能量三大参数，也奠定了 SEA分析复杂系统高频空气声响应的基础，外界对分析系统的激励或载荷会转换为功率的形式输入给对应的子系统。SEA理论认为能量在系统内是保守的，故而可基于此建立功率流平衡方程，通过求解该方程即可获得每个子系统的能量，进而借助能量与各动力学响应指标的关系转换为对应的输出。为便于更加直观地了解SEA基本理论，可参考下图（左）中“蓄水池”原理进行理解。

在SEA理论中，复杂系统通常被划分为不同的子系统进行分析，子系统必须能储存振动能量，且认为只有一些相似共振模态组成一群共振运动的子系统才可以储存能量，因此一群相似模态就可以视为统计能量分析中的一个子系统，此即模态相似准则，如对于一个平板子系统而言，可以简单认为是由空间弯曲子系统以及面内伸缩即剪切子系统构成。模态相似准则是SEA分析中划分子系统的重要依据，在对实际结构进行建模时，还要根据边界及内外部声腔子系统的划分对结构子系统进行灵活处理。另外，SEA模型分析准确的前提是分析带宽内子系统的模态数要足够高，理论上要求≥5，实际工程项目中认为≥3亦可满足分析的需求。

二、eVTOL SEA 模型

借助VA ONE GUI及SEA 求解器对eVTOL 进行高频SEA模型的建模，VA ONE支持采用网格建立SEA模型，即将网格模型直接转化为 各SEA结构子系统，也支持采用节点信息建立SEA分析模型，本次演示模型采用eVTOL 网格上的节点信息建立SEA 模型。

eVTOL有限元网格模型如下图（左）所示，对FE mesh模型进行相关简化后，以FE Geometry的形式导入到VA ONE中，根据网格节点创建对应的SEA的节点，由于SEA分析支持粗略简化，即不需要对结构的详细特征进行完整的描述，故而在创建SEA结构子系统节点时，节点只需要描述结构的轮廓特征即可，之后再选择对应的子系统类型，如平板子系统或曲面板类型建立结构子系统；对于eVTOL舱内空间，在SEA模型中模拟为多个子声腔，如驾驶员头部及腿部声腔等，舱外声学空间用半无限流体SIF 描述。对于各结构子系统属性的设置，VA ONE支持各向同性以及各向异性材料的建模，也支持各类复合材料的建模，如eVTOL中采用碳钎维材料以达到轻量化设计的目的，对于该类复合材料结构，可以采用Composite属性对其进行建模，对于前挡及侧窗玻璃，可以采用Laminate的形式模拟其声学玻璃的建模。完成eVTOL结构及声腔子系统建模后，利用Auto connect工具实现子系统之间的耦合，保证传递路径的准确性。对于舱内声学包的建模，通过Biot参数建立声学材料再应用到对应的结构子系统上。

对于激励的加载，可按理想载荷工况及实际载荷工况分类讨论，对于静态理想工况分析，可在边界元模型中在旋翼中心位置加载单位载荷激励分析其向机体外表面的声辐射，进而加载到SEA模型中进行求解，最后指导舱内声学包的设计等；对于实际载荷工况，可按照起飞阶段工况和巡航工况讨论，在起飞阶段，舱内的高频噪声响应主要来自旋翼噪声，因此只需要考虑该噪声源即可；在巡航阶段，除旋翼噪声外，还要考虑不同巡航速度下湍流噪声源的影响。在VA ONE中可采用DAF(Diffuse Acoustic Field)模拟旋翼噪声辐射到机体外表面的声激励，用TBL(Turbulent Boundary Layer)或GSP(General Surface Pressure)模拟湍流载荷激励，DAF声载荷激励谱则来自上节中介绍的基于BEM 计算的结果，TBL或GSP的激励谱则通过CFD计算得到，加载激励后进行求解即可得到关心区域的平均声压级响应，下图为在巡航工况下加载TBL及DAF后驾驶员头部声腔的声压级响应。

三、eVTOL舱内噪声优化分析

可利用VA ONE中的贡献量分析脚本对舱内噪声计算结果进行分析，从而获得对关心声腔贡献量较大的传递路径。下图所示为驾驶员头部声腔贡献量分析结果，从图中可以获悉前门侧窗玻璃在整个分析频带内对其都有较大的贡献，在100Hz-2000Hz范围内，后门侧窗玻璃对其贡献较大；另外在中高频段来自顶棚及地板的噪声对驾驶员头部声腔也有较大的贡献。

玻璃结构的大面积应用可以提高eVTOL的视野，但是也对舱内噪声带来较大的调整，为降低通过玻璃路径传递到舱内的噪声，可采用声学玻璃提高其传递损失达到该路径上降噪的效果，下图为普通夹层玻璃和声学夹层玻璃设计方案对驾驶员头部声腔声压级响应降噪效果对比，可以看到在中高频段采用声学夹层玻璃可以显著提高舱内噪声舒适性。对于玻璃结构自身隔声量的计算，亦可采用VA ONE VTL(Virtual Transmission Loss)进行计算，分析不同玻璃结构设计方案其隔声性能，进而得到玻璃结构最优的设计方案。通过顶棚及地板传递到舱内的噪声，可通过吸隔声材料进行降噪，即通过设计声学包方案达到降噪的效果，eVTOL声学包的设计与汽车类似，此处不再赘述，感兴趣的小伙伴可再后台留言或私信详细交流。

四、最后

以上即为本节分享的全部内容，结合上节内容即为完整的eVTOL 舱室噪声仿真分析的全流程。VA ONE提供了eVTOL噪声问题从概念设计到量产阶段的全流程解决方案，有助于eVTOL OEM在产品设计的早期阶段，利于虚拟仿真的方法进行NVH设计，是行业突破噪声瓶颈的关键分析工具，更多咨询可通过邮件联系我们：[e-mail]

作者简介

马涛

VA One解决方案专家

毕业于重庆大学车辆工程专业，硕士研究生，研究方向为汽车NVH性能。曾就职于东风等汽车主机厂，熟悉整车NVH性能开发流程，擅长声学包及风噪性能分析等。2022年起担任VA One中国区技术专家，负责推进VA One在中国市场的应用及部署、对用户进行高级培训等工作，致力于推动虚拟样机解决方案在工程领域中的应用。