汽車暖通空調(diào)系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲傳遞特性分析＊

蔣孝文 黃燕 張凡 王洪強(qiáng) 張繼鑫

（1.西南交通大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2.南方英特空調(diào)有限公司，重慶 401120）

主題詞：汽車空調(diào) HVAC系統(tǒng) 葉輪 氣動(dòng)噪聲 階次分析

1 前言

車內(nèi)噪聲已經(jīng)成為重要的舒適性評(píng)價(jià)項(xiàng)目[1]，現(xiàn)代汽車外部噪聲已大幅降低，乘員艙密封效果也得到了顯著提高，汽車暖通空調(diào)（Heating,Ventilating and Air Conditioning，HVAC）系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲逐漸成為車內(nèi)主要噪聲源[2]。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理可將汽車HVAC系統(tǒng)噪聲分為氣動(dòng)噪聲、電磁噪聲和機(jī)械噪聲。氣動(dòng)噪聲來源于HVAC系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)和風(fēng)道[3-6]，是該系統(tǒng)正常工作時(shí)的主要噪聲源，因此，降低汽車HVAC 系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲成為亟待解決的問題。

目前，針對(duì)汽車HVAC 系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲，研究者通過數(shù)值仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證在噪聲特性和噪聲優(yōu)化方面開展了大量研究。Cai J C等[7]通過數(shù)值仿真方法研究了離心風(fēng)機(jī)的葉片通過頻率噪聲，結(jié)果表明，殼體的氣動(dòng)噪聲、葉片氣動(dòng)噪聲和流動(dòng)引起的殼體振動(dòng)輻射噪聲聲功率級(jí)分別為103 dB、93 dB 和79 dB。Chen J 等[8]應(yīng)用大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）和直接邊界元方法的混合數(shù)值計(jì)算方法預(yù)測(cè)汽車HVAC 系統(tǒng)出風(fēng)口風(fēng)道產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，確定其噪聲特性為在370 Hz 處存在峰值的寬頻噪聲，并且發(fā)現(xiàn)中間風(fēng)道對(duì)氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)量最大。Madani V 等[9]試驗(yàn)研究了空調(diào)系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲，發(fā)現(xiàn)低頻噪聲由風(fēng)道產(chǎn)生，500 Hz以上的高頻噪聲由風(fēng)道和離心風(fēng)機(jī)共同產(chǎn)生。李啟良等[10]從汽車空調(diào)的系統(tǒng)層面開展氣動(dòng)噪聲的數(shù)值模擬，并通過整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果。汪怡平等[11]利用LES 湍流模型和專業(yè)聲學(xué)軟件SYSNOISE 計(jì)算汽車空調(diào)出風(fēng)管道氣動(dòng)噪聲的傳播情況。這些研究都集中在對(duì)氣動(dòng)噪聲的數(shù)值仿真，獲得其噪聲源與噪聲特性，鮮有文獻(xiàn)通過試驗(yàn)的方法研究汽車HVAC 系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲特性及其傳遞特性。因此，通過試驗(yàn)識(shí)別汽車HVAC 系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲源，分析其傳遞特性對(duì)于氣動(dòng)噪聲的理論研究與優(yōu)化具有十分重要的指導(dǎo)作用。

本文將采用試驗(yàn)的方法，通過階次分析和頻譜分析，得出汽車HVAC 系統(tǒng)噪聲中的氣動(dòng)噪聲特性，利用相干分析方法確定離散噪聲的來源，并采用隔振、隔聲、消聲和改變殼體阻尼的方法確定離散氣動(dòng)噪聲的傳遞路徑，以期為汽車HVAC系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的優(yōu)化提供切實(shí)可行的依據(jù)。

2 汽車HVAC系統(tǒng)

圖1所示為汽車HVAC系統(tǒng)及鼓風(fēng)機(jī)總成結(jié)構(gòu)，鼓風(fēng)機(jī)與風(fēng)門配合，實(shí)現(xiàn)乘員艙內(nèi)的空氣循環(huán)和風(fēng)量的分配[12]。鼓風(fēng)機(jī)總成的葉輪由43片均勻分布的葉片構(gòu)成，葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)部高速氣流將向蝸殼及葉輪施加非定常力，使固體發(fā)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)，由此產(chǎn)生很大的氣動(dòng)噪聲，這也是汽車空調(diào)系統(tǒng)的主要噪聲源。

圖1 汽車HVAC系統(tǒng)及鼓風(fēng)機(jī)總成結(jié)構(gòu)

3 基本測(cè)試與數(shù)據(jù)分析原理

3.1 相干分析原理

式中，Sx(ω)、Sy(ω)為平穩(wěn)機(jī)械信號(hào)的自功率譜密度函數(shù)；Sxy(ω)為平穩(wěn)機(jī)械信號(hào)的互功率譜密度函數(shù)。

3.2 階次分析原理

汽車HVAC 系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲包含寬頻噪聲和離散噪聲，其中離散噪聲的多數(shù)頻率分量與旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)。對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)這類旋轉(zhuǎn)機(jī)械，階次Z與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系可表示為：

式中，f為信號(hào)的頻率。

階次分析的實(shí)質(zhì)是將非穩(wěn)定的等時(shí)間間隔采樣信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的等角度間隔采樣信號(hào)[14-15]，再對(duì)其進(jìn)行頻譜分析。本文將通過階次分析方法確定鼓風(fēng)機(jī)葉輪對(duì)氣動(dòng)噪聲中的一些離散頻率分量的貢獻(xiàn)量，進(jìn)而確定噪聲源。

3.3 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)在半消聲室進(jìn)行，測(cè)試環(huán)境滿足GB/T 6882—2016《聲學(xué)聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí)和聲能量級(jí)消聲室和半消聲室精密法》的聲學(xué)性能要求，背景噪聲聲壓級(jí)為18 dB(A)，遠(yuǎn)低于汽車空調(diào)運(yùn)行噪聲，無需進(jìn)行結(jié)果修正。試驗(yàn)設(shè)備如表1所示，麥克風(fēng)和三向加速度振動(dòng)傳感器采集汽車HVAC 系統(tǒng)產(chǎn)生的聲壓波動(dòng)和振動(dòng)信號(hào)，通過數(shù)據(jù)線傳輸給Artemis 分析軟件進(jìn)行頻譜分析。為確定氣動(dòng)噪聲源及其傳遞路徑，試驗(yàn)測(cè)試電機(jī)工作電壓12.8 V 全冷吹面內(nèi)循環(huán)工況以及電機(jī)工作電壓3～14 V 的勻加速工況，其中恒電壓工況測(cè)試時(shí)間為10 s，勻加速工況測(cè)試時(shí)間為120 s，圖2 所示為振動(dòng)加速度傳感器和麥克風(fēng)布置位置。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 氣動(dòng)噪聲源識(shí)別

圖3 所示為3 500 r/min 轉(zhuǎn)速下各測(cè)點(diǎn)噪聲和振動(dòng)頻譜，振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)在58 Hz 和2 500 Hz 時(shí)出現(xiàn)較高峰值。將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為振動(dòng)加速度級(jí)La：

式中，a為振動(dòng)加速度有效值；為基準(zhǔn)加速度。

表1 測(cè)試設(shè)備型號(hào)及參數(shù)

圖2 傳感器布置

圖3 麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)噪聲信號(hào)與各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)對(duì)比

圖4所示為勻加速工況下測(cè)得麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)1和麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)2噪聲的色譜，圖中出現(xiàn)43階次亮線，且當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 500 r/min 時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率為2 500 Hz。由階次分析原理可知鼓風(fēng)機(jī)此時(shí)的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)基頻f0=58 Hz。根據(jù)氣動(dòng)噪聲理論，葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)頻率與葉輪葉片個(gè)數(shù)i、轉(zhuǎn)速n的關(guān)系可表示為：

圖4 麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)噪聲色譜

圖4中2 500 Hz峰值頻率正好為基頻的43倍，且鼓風(fēng)機(jī)的葉輪葉片數(shù)為43，推測(cè)2 500 Hz頻率峰值處為葉輪與空氣作用產(chǎn)生的43階氣動(dòng)噪聲。

對(duì)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)2 部分峰值頻率噪聲信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相干分析，結(jié)果如表2所示。2 500 Hz 噪聲與電機(jī)振動(dòng)和進(jìn)風(fēng)口振動(dòng)相關(guān)系數(shù)最高，鼓風(fēng)機(jī)葉輪通過軸系與電機(jī)相連，與麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)2 距離較近，據(jù)此判斷2 500 Hz為葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的43階氣動(dòng)噪聲。

表2 麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)2噪聲信號(hào)峰值頻率和振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)

4.2 43階噪聲傳遞特性分析

鼓風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲一方面隨氣流傳播，另一方面也能作用于殼體輻射噪聲。為確定43 階氣動(dòng)噪聲的傳遞特性，本文從隔振、隔聲、消聲以及改變殼體阻尼角度出發(fā)開展試驗(yàn)。

4.2.1 隔振分析

為了分析43階氣動(dòng)噪聲是否通過空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)殼體向外輻射，通過隔振原理開展如下試驗(yàn)：減小電機(jī)周圍均勻分布的4個(gè)橡膠隔振器壓縮量；在蝸殼與法蘭盤間加裝硅膠墊，將剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接。

在減小隔振器壓縮量試驗(yàn)中，將法蘭盤蓋與法蘭盤之間的連接螺釘擰松2 mm，達(dá)到減小隔振器壓縮的效果，結(jié)構(gòu)如圖5所示。對(duì)更改之后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行噪聲測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。螺釘擰松后，43階氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)在麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)1 處降低3.9 dB(A)，在麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)2 處降低9.3 dB(A)，根據(jù)汽車空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分析可知，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的非定常氣動(dòng)力作用于葉輪，通過軸系傳遞到電機(jī)，并經(jīng)電機(jī)的隔振器傳遞到法蘭盤，向外輻射噪聲。

圖5 電機(jī)端蓋處螺釘擰松示意

圖6 螺釘擰松后試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前文的結(jié)果，非定常氣動(dòng)力將作用于法蘭盤，并向外輻射43 階氣動(dòng)噪聲，為進(jìn)一步驗(yàn)證是否還通過蝸殼向外輻射噪聲，將蝸殼上的螺釘柱下銼3 mm，如圖7所示，并在銼削位置加裝厚度為3 mm的硅膠墊，以此將法蘭盤與蝸殼之間的剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接。

圖7 蝸殼銼削部分示意

測(cè)試結(jié)果如圖8 所示，加裝3 mm 硅膠墊后與原始結(jié)構(gòu)43階噪聲聲壓級(jí)對(duì)比，麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)1處變化不大，麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)2 處降低了2.67 dB(A)。從測(cè)試結(jié)果可知，加裝硅膠墊降低了通過螺釘安裝柱傳遞到蝸殼的作用力，因?yàn)辂溈孙L(fēng)測(cè)點(diǎn)2 與鼓風(fēng)機(jī)的空間距離更近，且麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)1 附近的聲壓還受到分配箱和出風(fēng)口風(fēng)道的影響，所以由鼓風(fēng)機(jī)輻射噪聲產(chǎn)生的聲壓波動(dòng)在麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)2處更為明顯。

從以上隔振分析可知，43階次氣動(dòng)噪聲的傳遞特性之一為：葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的43階次作用力通過軸系傳遞到電機(jī)，經(jīng)電機(jī)的隔振器傳遞到電機(jī)法蘭盤蓋，部分氣動(dòng)力進(jìn)而通過法蘭盤和蝸殼之間的剛性螺釘柱傳遞至空調(diào)箱殼體，進(jìn)而輻射噪聲。因此改變隔振器壓縮量和增加彈性隔振墊能對(duì)43階次氣動(dòng)噪聲有明顯的抑制作用。

圖8 加裝硅膠隔振墊試驗(yàn)結(jié)果

4.2.2 包覆隔聲分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證43階氣動(dòng)噪聲通過法蘭盤和蝸殼的輻射作用，設(shè)計(jì)了使用隔聲材料和吸聲材料對(duì)電機(jī)法蘭盤和蝸殼部分包覆的隔聲試驗(yàn)，如圖9 所示，測(cè)試了工作電壓12.8 V工況下的噪聲信號(hào)。

圖9 包覆隔聲罩示意

表3 所示為包覆隔聲材料測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，包覆小隔聲罩或是大隔聲罩對(duì)43階氣動(dòng)噪聲均有抑制作用，并且包覆大隔聲罩的抑制效果更好，這也證明了前文提到的部分43 階次氣動(dòng)噪聲通過蝸殼輻射產(chǎn)生，但是這部分的貢獻(xiàn)量較小。

表3 各測(cè)試方案43階次氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí) dB(A)

4.2.3 變阻尼分析

鼓風(fēng)機(jī)葉輪上方存在一薄弱的加筋方形平面，結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動(dòng)力將使其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)并輻射噪聲。為抑制這一途徑產(chǎn)生的噪聲，在該方形平面上均勻等厚地貼上膠泥以改變其阻尼，其結(jié)構(gòu)如圖10所示，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。貼膠泥后43階氣動(dòng)噪聲被明顯抑制，且麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)2處的抑制作用優(yōu)于麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)1，這與2 個(gè)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)和該方形平面的空間位置有一定關(guān)系。據(jù)此可以推測(cè)，43 階氣動(dòng)噪聲的另一傳遞特性為葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的非定常氣動(dòng)力作用于該加筋方形平面，引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)而向外輻射噪聲。

圖10 方形平面貼膠泥示意

圖11 方形平面貼膠泥后測(cè)試結(jié)果

4.2.4 消聲分析

隔振、隔聲和變阻尼均能有效抑制43階氣動(dòng)噪聲，但是43階次噪聲仍然存在，并且麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)1處的噪聲聲壓級(jí)高于麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)2處，可認(rèn)為43階氣動(dòng)噪聲必然存在其他傳遞路徑，如通過進(jìn)、出風(fēng)口氣流作用對(duì)2 個(gè)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)位置噪聲的貢獻(xiàn)，因此分別在進(jìn)、出風(fēng)口處加裝消聲器開展消聲試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)如圖12所示。

表4所示為加裝消聲器各方案測(cè)試結(jié)果，加裝消聲器可以削弱43 階氣動(dòng)噪聲。僅在進(jìn)風(fēng)口加裝消聲器時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)2處的抑制效果優(yōu)于麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)1，可以確定進(jìn)風(fēng)口氣流對(duì)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)2處43階氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)量更大，而出風(fēng)口氣流對(duì)于2個(gè)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)附近的影響相當(dāng)，這與其空間位置關(guān)系相符。這也確定了43階氣動(dòng)噪聲的第3種傳遞特性，即葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，隨氣流向外傳播噪聲。

圖12 進(jìn)、出風(fēng)口加裝消聲器

表4 各測(cè)試方案43階次氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí) dB(A)

從傳遞路徑的角度優(yōu)化43 階氣動(dòng)噪聲，可以通過優(yōu)化電機(jī)隔振器和蝸殼剛性螺釘柱的阻尼衰減經(jīng)由電機(jī)傳遞至殼體結(jié)構(gòu)的作用力，或者在進(jìn)、出風(fēng)口流道中設(shè)計(jì)消聲器以吸收氣流中傳播的氣動(dòng)噪聲。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過相干分析和階次分析確定某型汽車HVAC 系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)43 階氣動(dòng)噪聲源為鼓風(fēng)機(jī)葉輪，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)與周圍空氣相互作用而連續(xù)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，并作用于葉輪和殼體。通過隔振、隔聲、消聲和變殼體阻尼試驗(yàn)與頻譜分析的方法得到43階氣動(dòng)噪聲傳遞過程的如下特性：葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的43 階次氣動(dòng)力作用于葉輪并通過電機(jī)軸系傳遞至電機(jī)，經(jīng)電機(jī)隔振器傳遞給法蘭盤和法蘭盤蓋，引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)并輻射噪聲，部分氣動(dòng)力也會(huì)通過法蘭盤與蝸殼之間的剛性螺釘柱傳遞到蝸殼，引起殼體振動(dòng)并向外輻射噪聲；葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動(dòng)力作用在葉輪上方薄弱的方形平面，引起該平面的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，向外輻射噪聲；葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣體壓力脈動(dòng)，隨氣流向外傳播噪聲。