汽車空調(diào)消聲器的應(yīng)用

孫強(qiáng)，陳昌瑞，郭艷

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

NVH，即噪音(Noise)、振動(dòng)(Vibration)、聲振粗糙度(Harshness)，通俗稱為乘坐的“舒適感”。 汽車空調(diào)運(yùn)行就不可避免地會(huì)帶來(lái)噪聲，且在汽車噪聲產(chǎn)生的諸多部位中，汽車空調(diào)系統(tǒng)是引起重大噪聲的部件之一。在主機(jī)廠的新車質(zhì)量研究中，空調(diào)系統(tǒng)噪聲問(wèn)題已引起客戶廣泛關(guān)注，居于新車質(zhì)量問(wèn)題Top10內(nèi)。因此，如何使汽車空調(diào)噪聲減小以達(dá)到消費(fèi)者的要求，是汽車設(shè)計(jì)者亟需解決的重要問(wèn)題，也是提升現(xiàn)代汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵一環(huán)。

在汽車空調(diào)NVH設(shè)計(jì)中冷媒脈動(dòng)會(huì)帶來(lái)的噪聲，對(duì)乘員艙舒適性產(chǎn)生影響。徐鑫莉[1]對(duì)斜盤式壓縮機(jī)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了闡述，由于吸進(jìn)氣過(guò)程是有間隔的，不連續(xù)就產(chǎn)生了氣流的波動(dòng)，高速氣流噴射時(shí)與空氣激烈混合產(chǎn)生了噪聲。并通過(guò)在壓縮機(jī)排氣上增加消聲器改善排氣脈動(dòng)噪聲。鄭淳允[2]在壓縮機(jī)吸氣口增加一個(gè)直徑 40mm，長(zhǎng)度為 50mm的消音器消聲器，在（1250-2000）Hz噪聲降低明顯。

以上文章對(duì)脈動(dòng)機(jī)理及消聲器設(shè)計(jì)未做闡述。本文擬對(duì)以上內(nèi)容做闡述，分析。

1 冷媒脈動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理

汽車空調(diào)壓縮機(jī)不連續(xù)是脈動(dòng)產(chǎn)生的主要原因之一，系統(tǒng)中吸氣管及排氣管中主要是氣體，液體管中主要是液態(tài)制冷劑，均屬于流體工質(zhì)研究范圍。流體工質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生紊流，而紊流中流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡雜亂無(wú)章，互相交錯(cuò)，而且迅速地變化，流體微團(tuán)(旋渦渦體)在順流方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還作橫向和局部逆向運(yùn)動(dòng)，與它周圍的流體發(fā)生混摻。紊流流動(dòng)是由大小不等的渦體所組成的無(wú)規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，它的最本質(zhì)的特征是“紊動(dòng)”，即隨機(jī)的脈動(dòng)。它的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)都是隨機(jī)的。若取管路某一固定空間點(diǎn)來(lái)觀察，在恒定紊流中，x方向的瞬時(shí)流速ux隨時(shí)間的變化可以通過(guò)脈動(dòng)流速儀測(cè)定記錄下來(lái)，其示意圖如圖1所示。

圖1 紊流的瞬時(shí)流

從圖1中可以看出，瞬時(shí)流速ux可以視為由時(shí)均流速與脈動(dòng)流速兩部分構(gòu)成，即：

上式中是以AB線為基準(zhǔn)的，在該線上方時(shí)為正，在該線下方時(shí)為負(fù)，其值隨時(shí)間而變，故稱為脈動(dòng)流速。當(dāng)縱坐標(biāo)是壓力時(shí)圖1可表示為壓力脈動(dòng)圖。從以上分析可看出空調(diào)管路中的脈動(dòng)是系統(tǒng)的固有屬性之一，不能完全消除，只能通過(guò)增加消聲器，增加管路直徑（降低制冷劑流速），降低管路內(nèi)壁面粗糙度等手段，措施，降低冷媒脈動(dòng)。其中在壓縮機(jī)及管路中增加消聲器是常見(jiàn)應(yīng)用措施。

2 汽車空調(diào)常用消聲器簡(jiǎn)介

消聲裝置通常被用來(lái)降低與內(nèi)燃機(jī)排氣管、高壓氣體或蒸汽排氣孔、壓縮機(jī)及風(fēng)扇相關(guān)的噪聲。消音器是阻礙聲音傳播而允許氣流順利通過(guò)的一種消聲裝置[3]。在汽車空調(diào)中應(yīng)用的消聲器主要有擴(kuò)張式消聲器、共振腔式消聲器（赫姆霍茲消聲器）和微穿孔板式消聲器。消聲器的聲學(xué)性能可以用傳遞損失、插入損失和末端降噪量等進(jìn)行評(píng)價(jià)，且其值的大、小代表聲學(xué)性能的好、壞，對(duì)于汽車空調(diào)系統(tǒng)中重點(diǎn)關(guān)注消聲量（TL）及頻率之間的關(guān)系，針對(duì)在不同頻段的噪聲選擇合適的消聲器。

2.1 擴(kuò)張式消聲器

擴(kuò)張式消聲器（圖 2）由一個(gè)擴(kuò)張腔和兩邊與之相連的的管道組成。它的設(shè)計(jì)原理是利用聲波在管道截面的突變，使得阻抗不匹配而使聲波發(fā)生反射從而引起噪聲量的減小。

圖2 擴(kuò)張消聲器示意圖

圖中S1為原聲學(xué)管道的橫截面積，S2為擴(kuò)張室的橫截面積，擴(kuò)張式消聲器的消聲量主要由擴(kuò)張室與原管道橫截面積的比值m決定，又稱擴(kuò)張比。簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器的消聲量可表示為：

其中k表示波數(shù)，從中可以看出，對(duì)于指定的簡(jiǎn)單擴(kuò)張式消聲器，不同頻率處其消聲量是不同的。

擴(kuò)張式消聲器還通常增加內(nèi)插管的，以提高其消聲性能（圖3）。

圖3 內(nèi)插管擴(kuò)張消聲器示意圖

擴(kuò)張式消聲器插入內(nèi)插管的傳遞損失可表示為：

2.2 共振腔式消聲器

共振腔式消聲器是由一個(gè)或若干密閉空腔通過(guò)小孔與管道相連而組成的，其基本原理為亥姆赫茲共振器。如圖4密閉空腔相當(dāng)于空氣彈簧，連接空腔與管道的小孔，其里面的空氣柱相當(dāng)于活塞，當(dāng)有聲波通過(guò)時(shí)，由于聲壓差的存在，氣體在空腔內(nèi)往復(fù)地進(jìn)行著膨脹與壓縮的過(guò)程，聲能在空氣與空氣、空氣與孔壁之間反復(fù)的摩擦過(guò)程中轉(zhuǎn)化成熱能，消耗掉了。共振腔式消聲器其頻率選擇特性特別明顯，只對(duì)共振頻率附近的頻率段有消聲效果（圖5），對(duì)其他頻率段消聲效果較差。

圖4 共振腔式消聲器示意圖

消聲頻率f，消聲量TL及其特性曲線如（c為聲速，Sc為短管截面積，V為消聲器容積，Sm為主管截面積，lc為短管長(zhǎng)度，fr為消聲器的共振頻率）。

圖4 共振腔式消聲器消聲量示意圖

2.3 微穿孔板式消聲器

微穿孔板式消聲器借鑒了共振腔式消聲器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)在管道或薄板等結(jié)構(gòu)上鉆許多孔徑一般在小于微孔（圖5）。其具有高聲阻、低聲質(zhì)量的特點(diǎn)，使用雙層多存微穿孔板結(jié)構(gòu)可以達(dá)到更好的消聲效果。傳遞損失TL可表示（2-4）

圖5 穿孔管消聲器示意圖

其中G為傳導(dǎo)率，為n個(gè)小孔的傳導(dǎo)率之和，S為內(nèi)管的截面積；So為管壁上小孔的截面積；Sc為擴(kuò)張腔截面積；

3 汽車空調(diào)消聲器應(yīng)用實(shí)例

3.1 案例1：擴(kuò)張消聲器應(yīng)用

某車型在NVH測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，怠速開(kāi)空調(diào)狀態(tài)在181Hz有噪聲峰值。

圖6 怠速開(kāi)空調(diào)噪聲頻譜

整車相關(guān)狀態(tài)參數(shù)見(jiàn)表1：

表1 整車狀態(tài)參數(shù)

對(duì)于旋葉式壓縮機(jī)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖 7，由定子，轉(zhuǎn)子，5個(gè)滑片組成。轉(zhuǎn)子截面為正圓形，氣缸內(nèi)表面為扁圓形的雙工作腔結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上開(kāi)有5槽，滑片置于其中可來(lái)回滑動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于離心力和背壓腔壓力的共同作用，滑片被甩出，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，容積大小周期變化。

圖7 旋葉式壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)脈動(dòng)頻率：（800/60）×1.36×5×2=181.33 Hz，與測(cè)試的181Hz對(duì)應(yīng)，可確認(rèn)此頻率是由壓縮機(jī)激勵(lì)所導(dǎo)致。

在不改變傳動(dòng)比及壓縮機(jī)的前提小，通過(guò)在系統(tǒng)中增加消聲器來(lái)消除脈動(dòng)噪聲，擴(kuò)張消聲器在汽車空調(diào)中較為常用，本案例通過(guò)此消聲器給與解決。

樣件測(cè)試前選擇3款消聲器，見(jiàn)表2，

表2 消聲器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

圖8 消聲器樣品圖

按照（2-1）計(jì)算各消聲器的消聲頻率，曲線見(jiàn)圖9。

圖9 消聲器消聲量曲線

從圖中看出 3#消聲器消聲頻率及消聲量較好。選擇 3#消聲器裝在壓縮機(jī)排氣管中圖 10，優(yōu)化后的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖11。

圖10 優(yōu)化后空調(diào)管

圖11 怠速開(kāi)空調(diào)噪聲頻譜

經(jīng)測(cè)試181HZ基本無(wú)峰值，181Hz處的噪聲由優(yōu)化前的40dB（A），降低至28 dB（A）。滿足要求。

3.2 案例2：微穿孔消聲器的應(yīng)用

在汽車空調(diào)中通過(guò)擴(kuò)張式消聲器可以解決很大部分壓縮機(jī)脈動(dòng)噪聲，但部分車型受空間布置限制等影響，應(yīng)用困難，因此，微穿孔消聲器也在汽車空調(diào)中有應(yīng)用，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可裝在空調(diào)橡膠管路中對(duì)空間基本無(wú)影響（圖12）。

圖12 汽車空調(diào)微穿孔消聲器

某車型在怠速開(kāi)空調(diào)狀態(tài)有異音，經(jīng)測(cè)試異響頻率 117 Hz。整車狀態(tài)參數(shù)見(jiàn)表。

表3 整車狀態(tài)參數(shù)

壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)脈動(dòng)頻率：（800/60）×1.25×7=116.67Hz，與測(cè)試的117Hz對(duì)應(yīng)，可確認(rèn)此頻率是由壓縮機(jī)激勵(lì)所導(dǎo)致。

增加微孔消聲器測(cè)試見(jiàn)圖13：

增加微孔消聲器后，全頻段噪聲均有降低，主觀評(píng)價(jià)無(wú)異音。

圖13 噪聲對(duì)比測(cè)試

3 總結(jié)

本文介紹了冷媒脈動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，冷媒脈動(dòng)是系統(tǒng)中的固有屬性之一，只能減弱，無(wú)法徹底消除。在汽車空調(diào)中通過(guò)消聲器的使用來(lái)降低系統(tǒng)脈動(dòng)，介紹了幾種汽車空調(diào)中常用消聲器及消聲頻率計(jì)算，并通過(guò)兩個(gè)實(shí)際應(yīng)用案例降低了汽車空調(diào)脈動(dòng)，消除異音。本文對(duì)冷媒脈動(dòng)消聲器選擇上有參考借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐鑫莉.汽車空調(diào)壓縮機(jī)脈動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因分析與解決方案,汽車零部件研究及開(kāi)發(fā) 2012,10月（69-70）.

[2] 鄭淳允.汽車空調(diào)壓縮機(jī)引起車內(nèi)噪聲的解決方法,機(jī)電工程技術(shù)2010年第39卷第07期,（160-162）.

[3] 蔡克強(qiáng).汽車消聲器聲學(xué)性能分析研究,合肥工業(yè)大學(xué),2010.