混合動(dòng)力低地板車?yán)鋮s風(fēng)機(jī)降噪試驗(yàn)研究

王 奇，周 信，李志輝，肖新標(biāo)，詹雪燕

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

混合動(dòng)力燃料電池低地板車是一種新型城市軌道交通車輛，它采用氫燃料電池為清潔能源，具有污染低、能源可再生等優(yōu)勢(shì)，是未來城市軌道交通的發(fā)展方向之一。由于混合動(dòng)力電池箱工作溫度限制[1]，需要冷卻風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備對(duì)電池箱進(jìn)行降溫，但冷卻風(fēng)機(jī)引發(fā)了較大的噪聲污染。相關(guān)測(cè)試表明，關(guān)閉冷卻風(fēng)機(jī)后，其車外靜置噪聲最高可降低15 dB(A)。同時(shí)，車外聲源也會(huì)影響車內(nèi)噪聲。張捷等[2]通過測(cè)試指出控制車外聲源噪聲能有效降低車內(nèi)噪聲水平。冷卻風(fēng)機(jī)噪聲作為混合動(dòng)力低地板車靜置乃至低速運(yùn)行時(shí)的主導(dǎo)聲源，是混合動(dòng)力低地板車噪聲控制的關(guān)鍵所在。對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備進(jìn)行降噪處理，能有效降低混合動(dòng)力燃料電池車的噪聲水平。

冷卻風(fēng)機(jī)的核心部件是電機(jī)，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)于電機(jī)噪聲的機(jī)理和控制已經(jīng)做了大量試驗(yàn)研究。前蘇聯(lián)И.Г.舒波夫[3]指出，在有通風(fēng)裝置的電機(jī)中，氣流產(chǎn)生的噪聲會(huì)超過其他所有噪聲源，產(chǎn)生空氣動(dòng)力噪聲的主要原因有：風(fēng)扇噪聲、旋轉(zhuǎn)噪聲、氣流噪聲以及笛聲（純音）等，不同類型噪聲的控制方法并不相同；Anders FRID等進(jìn)行了一系列的測(cè)試考察了風(fēng)機(jī)組件對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)了兩種結(jié)構(gòu)處理方式能夠降低噪聲值[4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究：陳永校、劉橋梁等針對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的控制，分別提出在風(fēng)道口附近、風(fēng)機(jī)機(jī)殼內(nèi)側(cè)放置降噪材料[5–6]。但是以上的試驗(yàn)研究并沒有具體考慮粘貼降噪材料類型以及粘貼位置對(duì)降低噪聲值的影響。本文以燃料電池低地板車?yán)鋮s風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，基于試驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)研究和對(duì)比分析冷卻風(fēng)機(jī)在不同運(yùn)行工況和減振降噪控制措施下的輻射噪聲響應(yīng)特性，探尋其低噪聲設(shè)計(jì)方法或高效降噪措施方案。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 冷卻風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)-電機(jī)

研究冷卻風(fēng)機(jī)的降噪措施，首先要了解冷卻風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，在冷卻風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)降噪的目的。如圖1為冷卻風(fēng)機(jī)實(shí)物結(jié)構(gòu)。

圖1 冷卻風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試

由圖1可知，冷卻風(fēng)機(jī)包含兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)，其中每個(gè)電機(jī)固定放置在內(nèi)腔中，內(nèi)腔一側(cè)與散熱片相連，其余三面和底部均保持光滑、封閉，頂部通過柵格實(shí)現(xiàn)氣體流通。冷卻風(fēng)機(jī)工作時(shí)，電機(jī)周圍的冷空氣與散熱片進(jìn)行熱交換，然后通過柵格流出，從而實(shí)現(xiàn)降溫目的。綜合冷卻風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)以及國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)論可知，可能影響冷卻風(fēng)機(jī)噪聲的因素有：箱體振動(dòng)聲輻射、氣流在內(nèi)腔流通引起的氣動(dòng)噪聲以及氣流經(jīng)過頂部的柵格引起的氣流噪聲。

箱體振動(dòng)聲輻射和內(nèi)腔氣動(dòng)噪聲可能與光滑側(cè)壁和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且電機(jī)的轉(zhuǎn)速和個(gè)數(shù)均會(huì)影響到兩種噪聲的水平；氣流噪聲可能與柵格結(jié)構(gòu)有關(guān)?？紤]到這些因素的影響，本文采用B&K振動(dòng)噪聲采集系統(tǒng)，測(cè)試風(fēng)機(jī)在不同運(yùn)行工況（轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)數(shù)量、柵格影響）和減振降噪控制措施（不同降噪處理方案）下的輻射噪聲響應(yīng)特性，探尋其低噪聲設(shè)計(jì)方法或高效降噪措施方案。

1.2 測(cè)試概況

如圖2所示，將聲學(xué)傳感器布置在距風(fēng)機(jī)中心為1 m的位置，測(cè)點(diǎn)高度為1 m。分別在風(fēng)機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)條件下、加減速運(yùn)行條件測(cè)試60 s。

圖2 冷卻風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試示意圖

2 影響因素調(diào)查

2.1 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，引發(fā)的箱體振動(dòng)將越大，箱體振動(dòng)聲輻射也會(huì)隨之越大；同時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，氣流速度越大，引起的氣動(dòng)噪聲會(huì)越大。因此，本文首先研究冷卻風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的噪聲特性以及變化規(guī)律。圖3給出了風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的A計(jì)權(quán)噪聲總聲壓級(jí)。

由圖3可知，冷卻風(fēng)機(jī)的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而接近于線性地增大，最低為77.5 dB(A)，最高為101.1 dB(A)。噪聲總聲壓級(jí)在轉(zhuǎn)速為2433 r/min時(shí)突然增大，其原因可能是風(fēng)機(jī)箱體在該轉(zhuǎn)速產(chǎn)生了模態(tài)共振，導(dǎo)致振動(dòng)聲輻射噪聲突然增大。

為了了解噪聲的聲能量分布，從而進(jìn)一步了解風(fēng)機(jī)內(nèi)各噪聲能量的分布情況。選取3種典型轉(zhuǎn)速（低速、中速、高速）的噪聲作為代表進(jìn)行1/3倍頻程頻譜特性分析，如圖4所示。

定義頻率聲壓級(jí)最大值以下10 dB(A)范圍內(nèi)的頻段區(qū)域?yàn)樵肼曪@著頻段，由圖4可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速為1156 r/min時(shí)，聲能量主要集中在160 Hz～6300 Hz；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2898 r/min時(shí)，聲能量主要集中在中心頻率315 Hz～3150 Hz的1/3倍頻帶。在1/3倍頻程的各個(gè)頻段內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，聲壓級(jí)幅值加大，且頻率越高差距越大；轉(zhuǎn)速越高，聲能量分布顯著頻段越集中且趨向于高頻。

考慮冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的旋轉(zhuǎn)噪聲，其產(chǎn)生原因?yàn)椋猴L(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)受到風(fēng)葉周期性力的作用，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，從而產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)噪聲，其頻率是葉片每秒打擊空氣質(zhì)點(diǎn)的次數(shù)，如下式

圖3 冷卻風(fēng)機(jī)噪聲總聲壓級(jí)

圖4 1/3倍頻程頻譜特性

其中：Zb是葉片數(shù)，取值為9，n為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，單位為r/min。k為階數(shù)，取值1、2、3…[5]。

為了解其旋轉(zhuǎn)噪聲的階次特性，對(duì)其窄帶頻譜進(jìn)行分析。圖5給出了風(fēng)機(jī)以1156 r/min和2898 r/min勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)的A計(jì)權(quán)頻譜圖（上圖）和0～2898 r/min加速運(yùn)行過程中的時(shí)頻特性圖（下圖），階次圖中，橫軸為頻率（單位：Hz），縱軸為轉(zhuǎn)速（單位：r/min），色標(biāo)為加速度幅值（單位：dB re 1 m/s2），斜線亮帶代表階次，對(duì)應(yīng)頻率隨著速度變化。

由圖5可知，風(fēng)機(jī)前3階旋轉(zhuǎn)頻率產(chǎn)生的噪聲最為明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1156 r/min時(shí)，基頻為169 Hz，前3階頻率分別為：169 Hz、339 Hz和508 Hz，其對(duì)應(yīng)的頻率噪聲聲壓級(jí)分別為64.4 dB(A)、63.8 dB(A)和47.0 dB(A)；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2898 r/min時(shí)，基頻增加至428 Hz，前3 階頻率增大為：429 Hz、857 Hz、1286 Hz，其對(duì)應(yīng)的頻率噪聲聲壓級(jí)分別為92.0 dB(A)、89.9 dB(A)和 79.6 dB(A)。

圖5 噪聲頻譜及時(shí)頻特性

總體來看，隨著速度的增加，旋轉(zhuǎn)基頻增加；由風(fēng)機(jī)前3階旋轉(zhuǎn)頻率產(chǎn)生的噪聲在整個(gè)頻譜分布圖上最為明顯。且隨著階次的增加，各階次對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)幅值有所下降，3階以后的高階次旋轉(zhuǎn)頻率產(chǎn)生的噪聲不明顯。

綜合圖4的聲能量分布和圖5的噪聲窄帶頻譜特性可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1156 r/min時(shí)，以160 Hz和315 Hz為中心頻率的頻段聲能量較高的原因是包含了前兩階旋轉(zhuǎn)噪聲。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，仍具有這種現(xiàn)象，說明旋轉(zhuǎn)噪聲對(duì)低頻區(qū)域影響較大。

通過對(duì)風(fēng)機(jī)的噪聲特性進(jìn)行分析可知，冷卻風(fēng)機(jī)噪聲呈現(xiàn)為顯著的純音加寬中頻頻譜特性，純音成分由旋轉(zhuǎn)基頻在內(nèi)的前3階旋轉(zhuǎn)頻率主導(dǎo)，寬中頻噪聲由風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲和箱體振動(dòng)聲輻射噪聲組合而成；降低噪聲水平，主要從降低寬中頻噪聲和純音兩個(gè)方面考慮。因此，對(duì)風(fēng)機(jī)的減振降噪措施，以降低顯著頻段噪聲和前3階次旋轉(zhuǎn)噪聲為主。

2.2 風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)影響

冷卻風(fēng)機(jī)包含兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)，當(dāng)只運(yùn)行其中1個(gè)電機(jī)時(shí)，噪聲水平將會(huì)下降。本節(jié)探討風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)對(duì)噪聲的影響。車輛運(yùn)行過程中，風(fēng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速一般為1140 r/min～1160 r/min左右[7]，當(dāng)降溫需求較大時(shí)，轉(zhuǎn)速可達(dá)到2900 r/min左右。因此分別測(cè)試轉(zhuǎn)速為1156 r/min時(shí)，單風(fēng)機(jī)運(yùn)行、雙風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲水平，并將噪聲差值進(jìn)行分析對(duì)比。

與雙風(fēng)機(jī)運(yùn)行方案相比，單機(jī)運(yùn)行時(shí)的冷卻風(fēng)機(jī)A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)降低2.0 dB(A)。根據(jù)獨(dú)立聲源疊加原理，聲源數(shù)量減半，噪聲級(jí)將降低3 dB(A)，但是，測(cè)試結(jié)果顯示降低量?jī)H有2 dB(A)，這說明箱體的振動(dòng)聲輻射對(duì)總輻射噪聲貢獻(xiàn)較大，對(duì)箱體粘貼降噪復(fù)合材料將能起到較好的降噪效果。

根據(jù)單、雙機(jī)運(yùn)行工況的頻譜差異，圖6給出了1/3倍頻程噪聲降低量。

圖6 1/3倍頻程頻譜特性噪聲降低量

由圖6可知，在以160 Hz～6300 Hz為中心頻率的噪聲顯著頻段范圍內(nèi)，噪聲降低值最大的前3個(gè)頻段的中心頻率依次是：160 Hz（降噪量6.7 dB(A)）、4000 Hz（4.1 dB(A)）、315 Hz（3.9 dB(A)）。在顯著頻段范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)噪聲的降低值在中心頻率為400 Hz以下的低頻和2000 Hz以上的高頻區(qū)較大，中間頻段較低。

表1給出了前3階頻率對(duì)應(yīng)的噪聲峰值水平。

表1 風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)對(duì)階次噪聲影響/(dB(A))

由表1可知，單個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，前3階頻率對(duì)應(yīng)噪聲總聲壓級(jí)分別為49.6 dBA、49.2 dB(A)和47.5 dB(A)，相對(duì)于雙機(jī)方案分別降低了14.8 dB(A)、14.6 dB(A)和–0.5 dB(A)。前2階頻率對(duì)應(yīng)噪聲降低幅度較大。

由于前兩階頻率分別為169 Hz、339 Hz，這導(dǎo)致了噪聲1/3倍頻程在中心頻率400 Hz以下的低頻區(qū)降低幅度較大。但噪聲是寬中頻噪聲，其顯著頻帶的中心頻率是160 Hz～6300 Hz，前兩階旋轉(zhuǎn)噪音所影響的頻段為400 Hz以下的低頻，對(duì)400 Hz以上高頻段影響不大。因此，雖然前兩階旋轉(zhuǎn)噪聲顯著降低，但噪聲總值變化并不顯著。

2.3 柵格對(duì)噪聲的影響

當(dāng)氣流遇到出風(fēng)口的柵格障礙時(shí)，會(huì)在障礙附近產(chǎn)生紊流，由此引發(fā)氣流噪聲。在去掉柵格后，柵格附近的紊流消失，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)噪聲降低。本節(jié)主要研究由柵格引起氣流噪聲的影響。分別測(cè)試轉(zhuǎn)速為1156 r/min，有、無柵格時(shí)的噪聲水平，并將噪聲差值進(jìn)行分析對(duì)比。

與有柵格方案相比，無柵格的冷卻風(fēng)機(jī)A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)降低0.4 dB(A)；根據(jù)有、無柵格運(yùn)行工況的頻譜差異，圖7給出了1/3倍頻程噪聲降低量。

由圖7可知，在以160 Hz～6300 Hz為中心頻率的噪聲顯著頻段范圍內(nèi)，噪聲降低值最大的前3個(gè)頻段的中心頻率依次是：4000 Hz（降噪量2.8 dB(A)）、160 Hz（1.4 dB(A)）、1600 Hz（0.8 dB(A)）。在顯著頻段范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)噪聲的降低值在中心頻率為160 Hz的低頻段和4000 Hz的高頻段較大，其余頻段較低。

表2給出了前3階頻率對(duì)應(yīng)的噪聲峰值水平。

表2 柵格對(duì)階次噪聲影響/(dB(A))

由表2可知，去掉柵格后，前3階頻率對(duì)應(yīng)噪聲總聲壓級(jí)分別為63.3 dB(A)、63.5 dB(A)和47.5 dB(A)，相對(duì)于有柵格分別降低了1.1 dB(A)、0.3 dB(A)和–0.5 dB(A)。第1階頻率噪聲降低值相對(duì)較大，導(dǎo)致在中心頻率160 Hz處降低幅度相對(duì)其他頻率較大。顯著頻率段噪聲降低值在0附近波動(dòng)，說明柵格對(duì)寬中頻的氣動(dòng)噪聲和箱體振動(dòng)聲輻射影響較小，主要影響第1階旋轉(zhuǎn)噪聲。

2.4 風(fēng)機(jī)箱體振動(dòng)響應(yīng)

箱體振動(dòng)聲輻射主要是由機(jī)箱的振動(dòng)引起的，減少風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)和去掉柵格都會(huì)對(duì)箱體振動(dòng)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致箱體振動(dòng)聲輻射發(fā)生變化。本節(jié)分析風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)和柵格對(duì)箱體振動(dòng)的影響，從而探究箱體振動(dòng)聲輻射變化規(guī)律。

表3和圖8分別給出了不同工況下風(fēng)機(jī)箱體振動(dòng)有效值和1/3倍頻程振動(dòng)值。

表3 風(fēng)機(jī)箱體振動(dòng)水平/(m·s-2)

圖8 1/3倍頻程振動(dòng)特性

由表3和圖8可知，與雙機(jī)工況相比，單機(jī)運(yùn)行時(shí)，箱體的縱、橫、垂向振動(dòng)有效值分別降低0.37 m/s2、–0.08 m/s2、0.04 m/s2。在顯著頻率段內(nèi)，縱向振動(dòng)在160 Hz～200 Hz減小，橫向振動(dòng)在160 Hz～200 Hz頻段略微增大，垂向振動(dòng)在315 Hz～630 Hz頻段減小。雙機(jī)與單機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)水平相當(dāng)，說明箱體振動(dòng)聲輻射變化不大。由此得出：減少風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)對(duì)箱體輻射噪聲影響較小。

與有柵格工況相比，去掉柵格后，箱體的縱、橫、垂向振動(dòng)有效值分別降低1.11 m/s2、0.03 m/s2、0.02 m/s2。在顯著頻率段內(nèi)，縱向振動(dòng)在160 Hz～200 Hz頻段減小，橫向振動(dòng)略微減小，垂向振動(dòng)在315 Hz～630 Hz頻段減小，其余頻段振動(dòng)相當(dāng)。去除柵格后，箱體縱向振動(dòng)降低較大，橫向和垂向振動(dòng)水平變化較小，說明箱體振動(dòng)聲輻射略微減小。由此得出：去掉柵格對(duì)箱體輻射噪聲影響較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了上一節(jié)柵格對(duì)箱體聲輻射影響較小的結(jié)論。

3 噪聲控制措施調(diào)查

3.1 降噪材料降噪機(jī)理

冷卻風(fēng)機(jī)的噪聲主要是空氣噪聲，由于改變結(jié)構(gòu)的方式需要經(jīng)歷設(shè)計(jì)-制造-驗(yàn)證的周期，時(shí)間成本較高，考慮使用降噪材料進(jìn)行降噪處理，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)寬頻帶噪聲均有降噪效果，因此能有效降低風(fēng)機(jī)噪聲中不同成分，如氣動(dòng)噪聲、箱體聲輻射等。

降噪材料分為吸聲材料和隔聲材料，其中，吸聲材料內(nèi)部有大量的互相連通的向外敞開的微孔，當(dāng)聲音傳入吸聲材料時(shí)，引起空隙中的空氣振動(dòng)。由于摩擦和空氣的黏滯阻力，使得聲能量衰減。隔聲材料是密實(shí)無孔隙，有較大的質(zhì)量。當(dāng)聲音傳入隔聲材料時(shí)，透射出的聲能量減弱，從而降低外部噪聲。試驗(yàn)證明，綜合兩種材料可以更有效的保證降噪效果。典型的吸聲、隔聲材料組合使用的降噪原理如圖9所示。

圖9 降噪機(jī)理示意圖

當(dāng)聲音先通過吸聲材料時(shí)，被吸收一部分，然后聲音被隔聲材料反射回來導(dǎo)致能量進(jìn)一步被吸收，最終只有部分能量投射出去，從而實(shí)現(xiàn)降噪目的。

3.2 降噪材料粘貼位置

由于風(fēng)機(jī)內(nèi)腔一側(cè)需要與散熱片連通，其余3面以及底面處于密閉狀態(tài)，因此可以考慮在底板、邊板和側(cè)板不同位置附加降噪材料，用以控制噪聲。但這些位置是否都能有效降低噪聲，可以進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。選擇14.8 mm厚的復(fù)合隔聲吸音材料作為降噪材料，分別測(cè)試降噪材料不同粘貼位置時(shí)的噪聲水平，并將噪聲差值進(jìn)行分析對(duì)比。測(cè)試方案見表4。

表4 降噪材料位置對(duì)噪聲影響試驗(yàn)

實(shí)際工作中，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著工作需求改變，因此對(duì)其他轉(zhuǎn)速下的降噪材料不同粘貼位置的A計(jì)權(quán)噪聲總聲壓級(jí)降低值進(jìn)行分析，其結(jié)果見表5。

由表5可知，不同轉(zhuǎn)速下A計(jì)權(quán)噪聲總聲壓級(jí)降低值最高可達(dá)2.0 dB(A)，說明粘貼降噪材料對(duì)降低噪聲有效果。但噪聲降低值并不隨轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)線性變化，其原因在于降噪材料主要抑制箱體的振動(dòng)聲輻射，當(dāng)轉(zhuǎn)速不同，電機(jī)激發(fā)的箱體振動(dòng)聲輻射主頻段存在差異，導(dǎo)致降噪材料降噪情況存在變化。

綜合來看，方案3的噪聲降低值不如其他兩種方案，其原因可能是通過底殼反射路徑的聲能量與通過其他途徑傳播的聲能量相比較小。方案4的噪聲降低值最大，說明在側(cè)、邊和底板粘貼降噪材料最優(yōu)。

選取轉(zhuǎn)速為1156 r/min時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，根據(jù)方案2、3、4與標(biāo)準(zhǔn)方案（方案1）的頻譜差異，圖10給出了1/3倍頻程噪聲降低量。

表5 不同轉(zhuǎn)速下粘貼位置影響/dB(A)

圖10 1/3倍頻程噪聲降低值

由圖10可知，在以160 Hz～6300 Hz為中心頻率的噪聲顯著頻段范圍內(nèi)，方案2中噪聲降低值最大的前3個(gè)頻段的中心頻率依次是：4000 Hz（降噪量 2.8 dB(A)）、160 Hz（2.0 dB(A)）、315 Hz（1.8 dB(A)）。方案3降低值最大的前3依次是：4000 Hz（2.8 dB(A)）、3150 Hz（1.3 dB(A)）、315 Hz（1.0 dB(A)）。方案4降低值最大的前3依次是：4000 Hz（3.1 dB(A)）、3150 Hz（1.4 dB(A)）、5000 Hz（1.5 dB(A)）。

對(duì)比方案2和方案4在噪聲能量顯著的頻段內(nèi)的降噪效果可知，方案2在400 Hz以下的低頻區(qū)表現(xiàn)較好，方案4在高頻區(qū)尤其是中心頻率為5000 Hz的頻段表現(xiàn)較好。說明在底板附加降噪材料對(duì)低頻區(qū)影響不大；側(cè)、邊、底板組合使用對(duì)中心頻率為5000 Hz處的噪聲抑制效果明顯影響大于單獨(dú)粘貼側(cè)、邊板或底板，其原因可能是材料質(zhì)量抑制了箱體振動(dòng)聲輻射噪聲。

表6給出了不同粘貼位置前3階頻率對(duì)應(yīng)的噪聲峰值水平。

表6 不同粘貼位置對(duì)階次噪聲影響/dB(A)

由表6可知，方案2的前3階頻率對(duì)應(yīng)噪聲總聲壓級(jí)分別為 62.4 dB(A)、59 dB(A)和 51.3 dB(A)，相對(duì)于方案1分別降低了2 dB(A)、4.8 dB(A)和–4.3 dB(A)；方案3的前3階頻率對(duì)應(yīng)噪聲總聲壓級(jí)分別為64.3 dB(A)、59.4 dB(A)和43.7 dB(A)，相對(duì)于方案1分別降低了0.1 dB(A)、4.4 dB(A)和3.3 dB(A)；方案4的前3階頻率對(duì)應(yīng)噪聲總聲壓級(jí)分別為63.6 dB(A)、60.8 dB(A)和52.9 dB(A)，相對(duì)于方案1分別降低了0.8 dB(A)、3 dB(A)和–5.9 dB(A)。方案2的前兩階頻率噪聲降低值均高于方案4，這是方案2的1/3倍頻程噪聲降低值在400 Hz以下低頻區(qū)表現(xiàn)優(yōu)于方案4的原因。

3.3 不同降噪材料

不同降噪材料的降噪原理和降噪效果各不相同。目前普遍認(rèn)為使用不同降噪材料的組合或者復(fù)合材料在降噪方面表現(xiàn)更為優(yōu)秀。因此，本節(jié)比較在側(cè)、邊、底板粘貼不同降噪材料后的冷卻風(fēng)機(jī)的噪聲水平。測(cè)試方案見表7。

表7 不同降噪材料對(duì)噪聲影響

對(duì)不同轉(zhuǎn)速下粘貼不同降噪材料的噪聲總值差值進(jìn)行分析，其結(jié)果見表8。

表8 不同轉(zhuǎn)速下降噪材料的噪聲總值差值/dB(A)

由表8可知，不同轉(zhuǎn)速下，A計(jì)權(quán)噪聲總聲壓級(jí)降低值不同，最高可達(dá)2.6 dB(A)（轉(zhuǎn)速為2434 r/min），說明降噪材料能夠有效抑制噪聲，綜合來看，降噪材料3（降噪材料5.0 mm+吸聲材料10 mm）最優(yōu)。

選取轉(zhuǎn)速為1156 r/min時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，根據(jù)不同附加材料方案與無附加材料方案的頻譜差異，圖11給出了1/3倍頻程噪聲降低量。

由圖11可知：在以160 Hz～6300 Hz為中心頻率的噪聲顯著頻段范圍內(nèi)，附加降噪材料1中噪聲降低值最大的前3個(gè)頻段的中心頻率依次是：4000 Hz（3.14.7 dB(A)）、5000 Hz（1.5 dB(A)）、315 Hz（1.2 dB(A)）。附加降噪材料2降低值最大的前3依次是：160 Hz（2.8 dB(A)）、4000 Hz（2.1 dB(A)）、315 Hz（1.9 dB(A)）。附加降噪材料3降低值最大的前3依次是 ：4000 Hz（3.4 dB(A)）、800 Hz（1.4 dB(A)）、1000 Hz（1.9 dB(A)）。

在噪聲能量顯著的頻段內(nèi)，附加材料1和附加材料3后噪聲降低值分布基本一致，附加材料2后噪聲降低值在160 Hz～315 Hz的低頻區(qū)表現(xiàn)較其他兩種材料更優(yōu)。而在630 Hz以上的高頻區(qū)，附加材料2的表現(xiàn)不如附加其余兩種材料。

表9給出了不同降噪材料前3階頻率對(duì)應(yīng)的噪聲峰值水平。

圖11 1/3倍頻程噪聲降低值

表9 降噪材料對(duì)階次噪聲影響

由表9可知，附加材料1后，前3階頻率對(duì)應(yīng)噪聲聲壓級(jí)分別為63.6 dB(A)、60.8 dB(A)和52.9 dB(A)，相對(duì)于無降噪材料方案分別降低了0.8 dB(A)、3 dB(A)和–5.9 dB(A)；附加材料2后，前3階頻率對(duì)應(yīng)噪聲聲壓級(jí)分別為61.0 dB(A)、58.2 dB(A)和47.5 dB(A)，相對(duì)于無降噪材料方案分別降低了3.4 dB(A)、5.6 dB(A)和–0.5 dB(A)；附加材料3后，前3階頻率對(duì)應(yīng)噪聲聲壓級(jí)分別為63.5 dB(A)、61.0 dB(A)和49.5 dB(A)，相對(duì)于無降噪材料方案分別降低了0.9 dB(A)、2.8 dB(A)和–2.5 dB(A)。降噪材料2的前兩階頻率噪聲降低值均高于其余兩種材料，這是降噪材料2的1/3倍頻程噪聲降低值在400 Hz以下低頻區(qū)表現(xiàn)優(yōu)于其余兩種材料的原因。

4 結(jié)語

本文基于試驗(yàn)測(cè)試方法，系統(tǒng)研究和對(duì)比分析冷卻風(fēng)機(jī)在不同運(yùn)行工況（轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)數(shù)量、柵格影響）和減振降噪控制措施（不同降噪處理方案）下的輻射噪聲響應(yīng)特性，探尋其低噪聲設(shè)計(jì)方法或高效降噪措施方案。主要結(jié)論如下：

（1）冷卻風(fēng)機(jī)噪聲呈現(xiàn)為顯著的純音加寬中頻頻譜特性，純音成分由旋轉(zhuǎn)基頻在內(nèi)的前3階旋轉(zhuǎn)頻率主導(dǎo)，寬中頻噪聲由風(fēng)機(jī)氣動(dòng)和箱體振動(dòng)聲輻射噪聲組合而成；隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，旋轉(zhuǎn)基頻和A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)線性增長(zhǎng)。在保證冷卻效果的前提下，盡量降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是控制其噪聲響應(yīng)的有效手段。

（2）風(fēng)機(jī)數(shù)量減半，輻射噪聲僅下降2 dB(A)，說明箱體振動(dòng)聲輻射對(duì)總輻射噪聲影響顯著；柵格對(duì)輻射噪聲影響很小，去掉柵格，輻射噪聲降低0.4 dB(A)；

（3）最佳的降噪方案為在底板、側(cè)板和邊板粘貼降噪材料5.0 mm和吸聲材料10 mm，可降低噪聲2.6 dB(A)。

鑒于冷卻風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，從測(cè)試結(jié)果看來，在不改變風(fēng)機(jī)和箱體整體結(jié)構(gòu)的情況下，可實(shí)現(xiàn)約3 dB(A)的降噪效果，這與國(guó)外同行研究結(jié)論基本一致。若想進(jìn)一步控制冷卻風(fēng)機(jī)噪聲，必須對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)本身做針對(duì)性的低噪聲優(yōu)化，尤其是葉片、受流方式和電機(jī)。

[1]甄大偉，黃烈威，李明，等.100%低地板輕軌車混合動(dòng)力電源箱冷卻方案設(shè)計(jì)研究[J].鐵道機(jī)車車輛，2014，34(1)：50-53.

[2]張捷，肖新標(biāo)，溫澤峰，等.100%低地板列車車內(nèi)聲源識(shí)別試驗(yàn)研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2014，34(4)：19-23.

[3]И.Г.舒波夫著，沈官秋.電機(jī)的噪聲和振動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

[4]ANDERS FRID.Coolingfansinrailwayvehicleapplication of noise control measures to a roof-mounted engine cooler[J].Fan Noise,2007,September:17-19.

[5]陳永校.電機(jī)噪聲的分析和控制[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1987：213-215.

[6]劉橋梁，馮成戈，王曉東，等.空調(diào)風(fēng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及控制途徑[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2004(4)：56-59.

[7]頓小紅.動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)檢修與維護(hù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011：22-46.