VA One在eVTOL噪声分析与优化中的应用

VA One在eVTOL噪声分析与优化中的应用

随着城市空中交通（UAM）的快速发展，电动垂直起降飞行器（eVTOL）的噪声问题成为影响公众接受度与法规合规的核心挑战。与传统飞行器相比，eVTOL需在低空密集区域运行，其噪声控制直接关系到商业化进程。VA One 是工业领域振动噪声的标杆产品，凭借其高效建模与多物理场耦合能力，成为eVTOL噪声预测与优化的关键技术工具。

eVTOL噪声

01、eVTOL主要噪声源

eVTOL的噪声源可以大致分为结构噪声（Structural Borne Noise）和空气噪声（Air Borne Noise）两大类，结构噪声指系统振动引起的通过结构向舱内及舱外传播的噪声，空气噪声主要指通过空气介质传播的噪声。对eVTOL而言，结构噪声源主要包括电动力总成工作时产生的振动噪声、旋翼不平衡引起的结构振动等；空气噪声源主要包括旋翼旋转过程中与空气的相互作用产生的气流噪声，包括湍流边界层噪声及尾流噪声等；另外eVTOL还包括电动力总成运行时间电磁力波引起的高频振动噪声等。

02、eVTOL主要噪声挑战

舱内声学舒适性: 作为未来新型交通出行工具，eVTOL对舱内舒适性上具有极高的要求，舱内声学舒适性需要达到豪华车型噪声水平，同时为提升其视野开阔性，大面积应用玻璃结构也对舱内噪声水平带来较大的噪声挑战。

舱外辐射声挑战：基于eVTOL在低空密集区域运行的环境，如果辐射噪声过大，必然会引起居民的抱怨及噪声污染，故而不同国家和地区都出台了相应的严格噪声法规，如下图所示，eVTOL必须满足这类噪声法规要求才能在其市场推广，故而满足相应的法规要求是eVTOL外场辐射噪声的主要挑战。

VA One对eVTOL噪声的解决方案

VA One全频段振动噪声分析软件包含低频结构及声学有限元（FE Structural&Acoustic）、声学边界元（Acoustic BEM）、统计能量分析（SEA）、混合FE-SEA、声线法（RTD）等多个核心求解器以及声学包设计及优化、气动噪声仿真分析等多个模块，完全覆盖eVTOL的NVH性能仿真。

图 VA One SEA各模块

01、eVTOL舱内噪声预测及优化分析

旋翼噪声是eVTOL舱内噪声的主要噪声源，在传播路径上主要是通过空气介质传递到eVTOL玻璃面以及蒙皮上并向舱内传播，从而引起舱内关心位置的噪声响应。对于该类噪声的预测一般结合CFD+VA One联合仿真的手段实现，通过CFD模拟方法表征旋翼激励（任何旋转致噪声均可通过宽带内的多个噪声源表征），再利用VA One BEM+SEA方法即可得到舱内关系位置的噪声响应，如下图所示。

对于舱内噪声的高频噪声优化分析，VA One提供了完备的声学包设计及优化方法、声学玻璃性能验证等。对于eVTOL声学包的设计及优化，VA One提供了基于Biot 参数设计及利用吸声系数&插入损失的方法等定义声学包，并内置了SQP/MMA/Global GA等优化方法可对声包进行优化设计，从而保证在满足NVH性能的前提下进行轻量化及降本的设计方案验证。通过对比不同的玻璃设计方案进而优化从玻璃路径传递到舱内噪声的噪声水平。

02、eVTOL辐射噪声预测

对于eVTOL对外声场的辐射噪声，VA One提供了声学边界元法及声线法可对其进行预测。对于声学边界元法，VA One包含标准边界元法及H-matrix方法对模型进行计算，其中H-Matrix方法可大幅度降低复杂模型的计算时间及对计算机资源的要求。对于声线法，VA One可根据模型预估声射线数，同时考虑模型结构中的声衍射现象，具有很高的计算效率。

实际应用案例

目前，在北美及欧洲地区，VA One已经广泛用于eVTOL舱内及舱外噪声的预测，并且通过与试验对标发现，预测结果与试验结果具有很好的吻合，能满足工程分析的需求，下面以某公司的实际应用为例简要说明。

01、eVTOL 舱内噪声预测

基于以上介绍方法，利用CFD LES计算模型提取旋翼噪声激励源，并在VA One中搭建声学边界元模型计算旋翼噪声辐射到eVTOL表面的噪声响应，并进一步搭建eVTOL SEA模型将边界元计算结果加载到SEA模型上作为激励源进行分析，从而完成舱内中高频噪声的预测。详细资料请参考ESI公开发表的论文：Engineering process for eVTOL interior sound predictions, Rabah Hadit,Weimin Thor. Inter-noise 2023

02、eVTOL 舱外噪声预测

如2.2中所述，可利用边界元法及声线法预测eVTOL对外场的辐射噪声，分析结果表明，声线法与边界元法计算具有相似的精度。更多信息请参考：Application of Accelerated H-Matrix Boundary Element Methods to Predict Exterior eVTOL Acoustics, Chadwyck T .Musser, Rabah Hadit. Inter-noise 2023

应用优势与行业价值

1. 全周期降本增效：早期设计阶段识别噪声风险，减少物理样机迭代次数。

2. 用户体验提升：优化舱内声学舒适度，增强市场竞争力。

3. 法规合规保障：在数字设计阶段让NVH工程师提前介入开发流程，利用虚拟仿真的手段预测辐射噪声并提出优化方法，从而规避不能满足法规的风险。

VA One提供了eVTOL噪声问题从概念设计到认证的全流程解决方案，可覆盖eVTOL舱内噪声预测及其对外场的辐射噪声，有助于eVTOL公司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使能工具。更多内容请咨VA One技术支持团队：tao.ma@keysight.com

关于ESI

ESI集团是Keysight Technologies的一部分，提供基于预测物理建模和虚拟样机专业知识的可靠且定制的解决方案。主要在汽车、陆上运输、航空航天和国防以及重工业领域，ESI软件使工程师能够模拟机械设计、智能制造流程和以人为中心的工作流程，从而在产品生命周期的早期做出更好的决策。Keysight是一家标普500公司，提供市场领先的设计、仿真和测试解决方案，帮助工程师在整个产品生命周期中更快、更低风险地开发和部署产品。