航空公司不断面临增加经济舱运力的必要性，更多的乘客搭乘不仅有利于航空公司的业务，也有利于环境，满载的飞机增多意味着空中的飞机量会相对减少。但疫情原因将大量乘客组织起来带给工程师设计、分析飞机内部结构存在很大难度。 

我们采访到ESI集团 两位工程师。来自法国马赛的产品经理Christian Marca和来自英国全球业务开发部的Trevor Edwards，他们致力于研究客舱的舒适性和振动声学。

 噪声

  如果你听到一架军用飞机起落的声音，就会知道喷气发动机有多响，超过100分贝的噪音会使人耳朵出血。相比之下，商用飞机的噪声小很多，甚至不会吵醒睡在飞机舱壁或飞行路线房子里的婴儿。商用飞机的发动机是隔音的，它们的内部填充了噪音吸收材料，噪音管理的有效性，体现在机舱内最大的声音只是头顶行李架的碰撞声。

  为什么行李架没有安装隔音装置？一块由发动机频率或风引起共振的平板，发出的声音跳过振动分析，最有可能的一定是发动机频率。

  那些专门研究飞机声学和机舱固定装置结构完整性的工程师们所做就是创造奇迹。Trevor 的工作就是研究来自喷气发动机和风导致的噪音。他将自己在振动声学方面的经验归结为一个简短的报告，将商用喷气式飞机的噪声源分为了三种类型。

  发动机噪声是由风扇和涡轮叶片发出的，同时也来自燃烧和高温废气。噪音可以从源头直接被听到，但发动机的振动也会通过机身结构传递到飞机上，并作为机舱内固定装置的共振频率被捕捉—行李箱的碰撞声。起飞时发动机噪音最高，而尾部安装的发动机比又会比固定在机翼下的发动机产生更多的振动。

一架商用飞机在空气动力学上形状是光滑的整体，在细节上并不完全正确，仔细看会看到层流气流中的所有物体，以及所有突出或下沉的东西，比如铆钉、触角或探针。Trevor说，提供Wi-Fi的卫星天线罩，可能会由于边界层的扰动而形成激波细胞。

设想在飞机外部有一个无声的层流，会发现在巡航条件下，边界层中出现的足够多的湍流使它成为机舱内部噪音的主要来源。湍流边界层(TBL)通过机身外壳进入飞机，然后进入空腔，通过结构框架构件、隔离器、装饰板、地板梁，这种噪音在机舱内随处可见。

Trevor说“ ESI 的软件可以建模所有这些组件，包括装载箱，外壳本身，纵桁，侧壁，地板面板窗户等。它们的结构特性也将被用来决定如何处理噪音和振动。”

声音及安全

为什么歌曲在空中听起来不如在地面听起来效果好？

研究乘客周围的“声音区”绝非小事。这涉及到安全问题，必须能够确保乘客可以听到飞行员和机组人员的广播。

声学研究可能会迷失在过多的细节中。在商用喷气式飞机的铆钉或空气分子水平上进行计算将使超级计算机不堪重负。

Trevor表示“用离散模型进行分析，无论是有限元还是边界元，都是计算上的噩梦，统计能量分析(SEA)等方法为高频分析提供了一种计算效率高的方法，声线法扩展了这种能力，包括解决声音的方向性。”

声线法可以处理多种紧凑的声源，包括指向性，你可以放置任意形状的障碍，并判断噪音控制的效果和他们的能量扩散。通过声线法，您可以使用不同的反射模型来表示声场，声线法实现了多阶衍射。

对于声音的追踪，您可以从飞机外部的CAD模型开始，然后创建包括噪声控制件的模型，可以输入各种声源并运用声线法分析，结果可以作为载荷用于有限元、边界元法或统计能量仿真。

利用声线法，我们可以分析语音清晰度，预测瞬时激励的响应，同时，也支持计算背景噪声和噪声控制件的影响。射线追踪可以预测语言清晰度指数，找到最佳的声源位置。

  所以机舱内各个角落都能够听到安全和紧急通告吗?

我们采用了直接策略和间接策略来评估语言清晰度指数。我们的最新版本可以处理更复杂的形状的反射。

结构模拟

即使是在硬着陆的时候，也不用担心飞机座椅会被重量破坏。航空座椅经历了过一系列严格的模拟，面对过最糟糕的情况—在一次迫降中，它的重力达到了16Gs。试验用到的坠机假人就是ESI系统中的虚拟假人。

模拟座椅即使系在超重乘客身上也能在坠机中幸存—这也是为什么脚和背包空间很小的原因。当然头等舱可以舒展身体的原因是座位的设计会考虑到娱乐系统、灯光和电源。

航空公司得意于刚性但轻便的座位，他们把节省下来的每一盎司都转化为节省的燃料，把多出的每一个座位都转化为收入。如果可以，甚至会考虑站票，据《纽约时报》报道，自1978年以来，平均座位之间的距离缩短了3英寸，而空中客车公司也透露了一个站立的概念“座位”。

机舱设计

头等舱彰显奢华，经济舱则彰显包装效率。当然，带扬声器的软垫座椅和平躺的座椅必然舒服。ESI软件可以模拟由结构、电线、电机和带有扬声器的娱乐系统组成的机电系统。

为了帮助模拟环境，ESI VA One多物理声音模拟，专门用于航空应用：

1.2D到3D自动建立SEA模型
2.语音清晰度
3.隔声优化
4.气动噪声
5.混合建模
6.机身传递损失

ESI软件还可以解决飞行员的舒适度问题，飞行员是飞机上最重要的人物之一。飞行员的模型模拟可以确保位置符合长途飞行，并确保操控能够触手可及。

实际人体分析存在的问题

目前的飞机内饰开发过程有其优点和局限性。，设计初期使用真人模拟成本昂贵，各种体型、大小、年龄都有，现场舒适度测试中获得正确的选择简直就是一场选角噩梦。而测量人体模型的腰围、增加他们的身高、限制他们的机动性，都要相对容易得多。

使用人体模型可以缩短飞机内部设计师的时间，增加迭代次数，并更具创新性。和真人一样，人体模型可以用来确定座位上的高压区域，这些区域与飞行长度直接相关，与少数真人的测试案例相比，模拟可以更快地跨越更大的维度范围。

ESI内部应用提供了各种形态的模型，提供一个虚拟人体标本的数据库。它们被固定在相同的位置，比如在模拟飞行员时，手伸向控制器的坐姿，可以移动到不同的姿势和位置，拥有一个虚拟模型可以实现完全的可重复性。

ESI软件来查找，该软件会显示50%的欧洲经济舱男性乘客坐垫上的压力点。

 人体模型身体各个区域的温度可以测试飞机机舱中的气候系统

资质

航空业在认证方面面临着来自美国联邦航空局和欧洲航空安全局的变化：

1. 测试假人将从FAA Hybrid II改为FAA Hybrid III；

2. 正在计划中的新复合座椅结构将有一个认证协议；

3. 在认证过程中引入了模拟。

座椅认证越来越具有挑战性，这个过程对成本、要求很高。因此，在设计过程中对乘客舒适度进行测试有些滞后，无法对舒适度做出改变。飞机制造商波音公司正在推动一项“智能”认证，其中包括更多的虚拟原型设计，在NAFEMS的演示中列出了目前认证协议中的15到19项测试。

多年来，由于对认证的需求不断增加，测试的成本大大增加。其实可以用虚拟原型减轻的项目成本。这个过程可以自动化，这也将节省时间，减少延误。形状变形和优化可以用软件来完成。形状和材料可以被优化。迭代可以发生得更快，增加获得最优设计的机会。

以头部损伤规范(HIC)为例，我们能够使用一个虚拟原型来确定两个并排驾驶的安全气囊的有效性，在没有安全气囊的情况下，分析显示HIC为876，而旁边飞行员的HIC只有115。

法国公司Expliseat SAS在飞机座椅上使用 ESI软件。钛制座椅给了他们很大的帮助。该公司称赞ESI在物理测试暴露出设计缺陷后能够迅速进行重新设计。

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