声学设计 | 沉浸式虚拟仿真环境，助力感知航空声学

本文原刊登于Ansys Blog：《Immersive Soundscapes for Human Perception of Aviation Acoustics》

作者：Scott Granger | Ansys USAF和USSF项目总监

编辑整理：姚翔 | Ansys高级应用工程师

城市空中交通（UAM）是一种新兴的交通方式，旨在满足郊区和城市周围环境中日益增长的航空运输和运营需求。实施UAM的目标是为周围人口密集地区的人员和货物创建安全高效的运输系统。考虑到在物流、国防和人道主义工作中的潜在应用，业界正在开发新一代飞行器，以创建针对UAM任务进行优化的系统。新兴的UAM飞行器采用电池供电，并且在很大程度上实现了自动驾驶功能，因此非常适合商业和国防应用。

UAM的安全性是运营商以及周围居民的首要关注点。由于噪声污染的增加会带来社区健康风险，因此声学是UAM平台在城市环境中的一个关键考虑因素。UAM噪声暴露可能导致的不利健康状况包括疲劳、心理声学影响和耳鸣。在航空业界，基于声学的分析和先进的降噪技术被认为对UAM实践的可持续性至关重要。

为了激励更多的公司开发和应用各种电动垂直起降（eVTOL）技术，美国空军启动了“敏捷至上（Agility Prime）”计划。该计划旨在促进和加速商用功能的应用，与此同时，Infinity Labs也抓住了机遇，将Ansys先进的功能集成到新一代声学分析框架中，从而使UAM行业受益。

Infinity Labs首席创新官兼声学工作首席研究员Nicholas Kuprowicz博士表示：“我最初的想法是设计出类似于谷歌地图的功能，您可以使用谷歌街景进入地图，并查看三维场景。我希望在飞行器声学方面也实现类似的功能，让您可以在任何时间和地点，沉浸在虚拟/仿真环境中，聆听到在附近飞行器的声音。”

Infinity Labs成功展示了高保真度建模和仿真功能，使人类能够在虚拟空域环境中感知飞行器声学。该团队利用包括Ansys Fluent和Ansys Sound在内的商用工具实现了这项功能，并基于eVTOL机身和转子声学对这种方法进行了验证和确认。得益于该功能，Infinity Labs可直接支持政府研究和行业硬件开发工作，并将其应用扩展到更广泛的飞行器类型和操作环境中。由于人类对声学的感知是飞行器航线规划的重要影响因素，该公司预计这项功能在商业和国防领域的应用将获得显著增长。

基本流程的概念很简单：将来自飞行器操作的计算流体动力学（CFD）仿真的压力流场数据输入到听觉化方法中，然后利用该方法可将压力数据转换为观察者所在位置能够感知到的声音。

Infinity Labs通过两种不同的应用建立了该流程，旨在验证和确认此功能：第一种应用是在城市环境中对概念性eVTOL机身和转子设计的飞行操作进行仿真。在这种情况下，他们使用了俄亥俄州超级计算机中心的计算资源，并使用Sound对Fluent和Star-CCM+的仿真结果进行了比较和听觉化处理；

第二个应用是在消声室中对专有转子设计和测试硬件进行物理实验。在第二种情况下，Ansys Cloud的计算资源直接被用于Fluent，并且工程师将仿真的流场特性与高精度实验流场数据进行了比较。此外，工程师还将Sound的仿真结果与在多个接收器位置测量的声谱进行了比较。  

CFD仿真可准确地捕获主要的流场物理特性，听觉化处理则能够逼真地将压力数据转换成可听见的声音。

Kuprowicz博士说道：“结果非常惊人，音频的质量和清晰度简直令人惊艳，尤其是对于虚拟飞行器设计应用而言。它听起来如此真实，我记得我一遍又一遍地播放第一批音频结果——好像连续播放了10次。这个过程简直太美妙了。”

凭借使用成熟而可靠的Ansys功能，Infinity Labs得以快速成功地将飞行器声学分析的新颖想法转变为原型和操作应用。Infinity Labs将继续专注于更广泛类型的飞行器的声学研究，以及探索在数字飞行器设计流程早期阶段声学产生的影响。