VA One在eVTOL噪聲分析與優化中的應用

隨著城市空中交通（UAM）的快速發展，電動垂直起降飛行器（eVTOL）的噪聲問題成為影響公眾接受度與法規合規的核心挑戰。與傳統飛行器相比，eVTOL需在低空密集區域運行，其噪聲控制直接關系到商業化進程。VA One 是工業領域振動噪聲的標桿產品，憑借其高效建模與多物理場耦合能力，成為eVTOL噪聲預測與優化的關鍵技術工具。

eVTOL噪聲

01eVTOL主要噪聲源

eVTOL的噪聲源可以大致分為結構噪聲（Structural Borne Noise）和空氣噪聲（Air Borne Noise）兩大類，結構噪聲指系統振動引起的通過結構向艙內及艙外傳播的噪聲，空氣噪聲主要指通過空氣介質傳播的噪聲。對eVTOL而言，結構噪聲源主要包括電動力總成工作時產生的振動噪聲、旋翼不平衡引起的結構振動等；空氣噪聲源主要包括旋翼旋轉過程中與空氣的相互作用產生的氣流噪聲，包括湍流邊界層噪聲及尾流噪聲等；另外eVTOL還包括電動力總成運行時間電磁力波引起的高頻振動噪聲等。

02eVTOL主要噪聲挑戰

艙內聲學舒適性:作為未來新型交通出行工具，eVTOL對艙內舒適性上具有極高的要求，艙內聲學舒適性需要達到豪華車型噪聲水平，同時為提升其視野開闊性，大面積應用玻璃結構也對艙內噪聲水平帶來較大的噪聲挑戰。

艙外輻射聲挑戰：基于eVTOL在低空密集區域運行的環境，如果輻射噪聲過大，必然會引起居民的抱怨及噪聲污染，故而不同國家和地區都出臺了相應的嚴格噪聲法規，如下圖所示，eVTOL必須滿足這類噪聲法規要求才能在其市場推廣，故而滿足相應的法規要求是eVTOL外場輻射噪聲的主要挑戰。

VA One對eVTOL噪聲的解決方案

VA One全頻段振動噪聲分析軟件包含低頻結構及聲學有限元（FE Structural&Acoustic）、聲學邊界元（Acoustic BEM）、統計能量分析（SEA）、混合FE-SEA、聲線法（RTD）等多個核心求解器以及聲學包設計及優化、氣動噪聲仿真分析等多個模塊，完全覆蓋eVTOL的NVH性能仿真。

圖 VA One SEA各模塊

01eVTOL艙內噪聲預測及優化分析

旋翼噪聲是eVTOL艙內噪聲的主要噪聲源，在傳播路徑上主要是通過空氣介質傳遞到eVTOL玻璃面以及蒙皮上并向艙內傳播，從而引起艙內關心位置的噪聲響應。對于該類噪聲的預測一般結合CFD+VA One聯合仿真的手段實現，通過CFD模擬方法表征旋翼激勵（任何旋轉致噪聲均可通過寬帶內的多個噪聲源表征），再利用VA One BEM+SEA方法即可得到艙內關系位置的噪聲響應，如下圖所示。

對于艙內噪聲的高頻噪聲優化分析，VA One提供了完備的聲學包設計及優化方法、聲學玻璃性能驗證等。對于eVTOL聲學包的設計及優化，VA One提供了基于Biot 參數設計及利用吸聲系數&插入損失的方法等定義聲學包，并內置了SQP/MMA/Global GA等優化方法可對聲包進行優化設計，從而保證在滿足NVH性能的前提下進行輕量化及降本的設計方案驗證。通過對比不同的玻璃設計方案進而優化從玻璃路徑傳遞到艙內噪聲的噪聲水平。

02eVTOL輻射噪聲預測

對于eVTOL對外聲場的輻射噪聲，VA One提供了聲學邊界元法及聲線法可對其進行預測。對于聲學邊界元法，VA One包含標準邊界元法及H-matrix方法對模型進行計算，其中H-Matrix方法可大幅度降低復雜模型的計算時間及對計算機資源的要求。對于聲線法，VA One可根據模型預估聲射線數，同時考慮模型結構中的聲衍射現象，具有很高的計算效率。

實際應用案例

目前，在北美及歐洲地區，VA One已經廣泛用于eVTOL艙內及艙外噪聲的預測，并且通過與試驗對標發現，預測結果與試驗結果具有很好的吻合，能滿足工程分析的需求，下面以某公司的實際應用為例簡要說明。

01eVTOL 艙內噪聲預測

基于以上介紹方法，利用CFD LES計算模型提取旋翼噪聲激勵源，并在VA One中搭建聲學邊界元模型計算旋翼噪聲輻射到eVTOL表面的噪聲響應，并進一步搭建eVTOL SEA模型將邊界元計算結果加載到SEA模型上作為激勵源進行分析，從而完成艙內中高頻噪聲的預測。詳細資料請參考ESI公開發表的論文：Engineering process for eVTOL interior sound predictions, Rabah Hadit,Weimin Thor. Inter-noise 2023

02eVTOL 艙外噪聲預測

如2.2中所述，可利用邊界元法及聲線法預測eVTOL對外場的輻射噪聲，分析結果表明，聲線法與邊界元法計算具有相似的精度。更多信息請參考：Application of Accelerated H-Matrix Boundary Element Methods to Predict Exterior eVTOL Acoustics, Chadwyck T .Musser, Rabah Hadit. Inter-noise 2023

應用優勢與行業價值

1. 全周期降本增效：早期設計階段識別噪聲風險，減少物理樣機迭代次數。

2. 用戶體驗提升：優化艙內聲學舒適度，增強市場競爭力。

3. 法規合規保障：在數字設計階段讓NVH工程師提前介入開發流程，利用虛擬仿真的手段預測輻射噪聲并提出優化方法，從而規避不能滿足法規的風險。

VA One提供了eVTOL噪聲問題從概念設計到認證的全流程解決方案，可覆蓋eVTOL艙內噪聲預測及其對外場的輻射噪聲，有助于eVTOL公司在產品設計的早期階段，利于虛擬仿真的方法進行NVH設計，是行業突破噪聲瓶頸的關鍵使能工具。

關于ESI

ESI集團是Keysight Technologies的一部分，提供基于預測物理建模和虛擬樣機專業知識的可靠且定制的解決方案。主要在汽車、陸上運輸、航空航天和國防以及重工業領域，ESI軟件使工程師能夠模擬機械設計、智能制造流程和以人為中心的工作流程，從而在產品生命周期的早期做出更好的決策。Keysight是一家標普500公司，提供市場領先的設計、仿真和測試解決方案，幫助工程師在整個產品生命周期中更快、更低風險地開發和部署產品。