《汽車空調(diào)的氣動(dòng)噪聲分析與降噪方案設(shè)計(jì)》

蔣禹奇

（重慶交通大學(xué) 重慶 400000）

隨著改革開(kāi)放以來(lái)，人們的經(jīng)濟(jì)生活水平愈發(fā)提升，家用汽車早已普及，又因?yàn)榻陙?lái)人們的經(jīng)濟(jì)生活水平不斷提升，對(duì)于自身生活水平的要求不斷提高，傳統(tǒng)類型的汽車已不滿足人們的需求，對(duì)家用汽車的要求愈發(fā)的高，而汽車內(nèi)自帶的空調(diào)其氣動(dòng)噪音是相對(duì)明顯的，因此降低家用汽車空調(diào)氣動(dòng)噪音，是廣大車主非常關(guān)注的問(wèn)題之一。

1 汽車空調(diào)模型的建立及噪音的計(jì)算

1.1 模型設(shè)計(jì)

氣動(dòng)噪聲是指在不受時(shí)間關(guān)系的影響下由氣流直接產(chǎn)生的振幅和頻率雜亂，在統(tǒng)計(jì)上呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)則的聲音，為了保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，在建立汽車空調(diào)系統(tǒng)仿真模型時(shí)保證空調(diào)內(nèi)部產(chǎn)生噪音的部件都顯露在模型中，同時(shí)又因?yàn)橹饕芯繉?duì)象是吹面模式下的氣動(dòng)噪音，為了方便研究需對(duì)空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化調(diào)整，去除短邊合并碎面，選用網(wǎng)格大小為0.5mm至2.0mm大小的三角形的面網(wǎng)格，并在零部件的表面生產(chǎn)3層棱柱網(wǎng)格，生成的體網(wǎng)格為六面體，網(wǎng)格數(shù)量約為2200萬(wàn)，紙濾芯和蒸發(fā)介質(zhì)簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)。而建立計(jì)算域時(shí)，要采用大氣壓力入口和大氣壓力出口，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為模擬汽車空調(diào)最高風(fēng)檔，轉(zhuǎn)速選為3355r/min。

1.2 相關(guān)數(shù)值計(jì)算

為了得到汽車空調(diào)氣動(dòng)噪聲仿真值，計(jì)算壓力與速度耦合是要使用SIMPLE法，穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和多重坐標(biāo)參考技術(shù)，瞬態(tài)計(jì)算要采用LES模型和滑移網(wǎng)格技術(shù)，通過(guò)計(jì)算所得的結(jié)果作為瞬態(tài)計(jì)算的初始值，瞬態(tài)求解的時(shí)間步長(zhǎng)為5*10-5s，總計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為2s，在監(jiān)控出風(fēng)口風(fēng)道的風(fēng)量，在距離風(fēng)口10cm的位置設(shè)立聲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1-P4。

1.3 仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證前文所說(shuō)空調(diào)模型設(shè)計(jì)是否合理，數(shù)值是否正確，量化仿真數(shù)值。在全消音房間按照模型設(shè)計(jì)進(jìn)行汽車空調(diào)模型搭建。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、風(fēng)速儀傳聲器單元等測(cè)試設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，得到出風(fēng)口風(fēng)量的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表1所示，兩者誤差較小，說(shuō)明前文設(shè)計(jì)的空調(diào)模型和數(shù)值計(jì)算方法合理。

表1 出風(fēng)口風(fēng)量仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果（m3/h）

1.4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

由圖1可以得知空調(diào)內(nèi)部在運(yùn)行中產(chǎn)生聲壓級(jí)最大的部件就是鼓風(fēng)機(jī)，其總聲壓級(jí)為60至85dB，空調(diào)箱和風(fēng)道表面的局部聲壓級(jí)為87dB。在圖1的偶極子聲源實(shí)驗(yàn)分布圖中可以看出空調(diào)的偶極子聲源的積分項(xiàng)，從而明確空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中噪聲源的分布和強(qiáng)度，進(jìn)而得到空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中噪聲大和靜壓梯度大的位置是互相對(duì)應(yīng)的。且對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的汽車空調(diào)模型進(jìn)行Proudman聲功率分析，分析其汽車空調(diào)模型聲源強(qiáng)弱的分布，得出鼓風(fēng)機(jī)和風(fēng)道的四極子噪聲源較大，同時(shí)得出汽車空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中鼓風(fēng)機(jī)是內(nèi)部氣流最為紊亂和Proudma聲功率較大的位置，鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)氣流分離嚴(yán)重處產(chǎn)生了渦流，其產(chǎn)生渦流處與四極子噪聲分布區(qū)域基本重合，故得知一定程度上噪聲與渦流的產(chǎn)生呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 表面聲功率圖和偶極子聲源實(shí)驗(yàn)分布圖

2 空調(diào)的降噪方案設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)道的造型設(shè)計(jì)

由前文可知，風(fēng)道是汽車空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生氣動(dòng)噪音的主要來(lái)源之一，這是因?yàn)樵谲囕d空調(diào)正式運(yùn)行的過(guò)程中內(nèi)部氣流流動(dòng)過(guò)大，產(chǎn)生了許多過(guò)大、過(guò)小的渦流，氣體分流情況嚴(yán)重，從而產(chǎn)生啟動(dòng)噪音。而對(duì)風(fēng)道降噪處理就是對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得空調(diào)正式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，減產(chǎn)過(guò)大或過(guò)小的渦流產(chǎn)生，緩解風(fēng)道內(nèi)氣流分流情況，使得四極子噪聲源得到降低，進(jìn)而使汽車空調(diào)正式運(yùn)行時(shí)其氣動(dòng)噪聲降低，達(dá)到降低噪聲的效果。

2.2 風(fēng)道表面包裹吸音棉

除了優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)以外，減少風(fēng)道震動(dòng)，在風(fēng)道表面增加吸音棉也是有效降低汽車空調(diào)氣動(dòng)噪音的有力方法，當(dāng)風(fēng)道包裹吸音棉后噪聲頻譜曲線有著明顯的變化，改變了頻譜曲線的聲壓峰值。當(dāng)頻率大于1415Hz時(shí)，聲壓明顯降低，說(shuō)明在風(fēng)道表面包裹吸音棉能有效降低汽車空調(diào)的氣動(dòng)噪音。

2.3 蝸舌的改進(jìn)

鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣體流動(dòng)相對(duì)復(fù)雜的區(qū)域是蝸舌位置，該位置氣體流動(dòng)紊亂，局部流速大，是汽車空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生氣動(dòng)噪音較為明顯的部位之一，改變鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部蝸舌的形狀對(duì)于汽車降噪有幫助。當(dāng)蝸舌形狀為平角時(shí)，大渦消失，氣動(dòng)流動(dòng)減慢，有利于降低噪音。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了讓人們的駕車更加舒適，對(duì)汽車的空調(diào)進(jìn)行降噪處理是有必要的，本文根據(jù)汽車空調(diào)構(gòu)造原理、氣動(dòng)噪聲仿真理論，對(duì)汽車空調(diào)氣動(dòng)噪音進(jìn)行了研究，根據(jù)研究結(jié)果提出優(yōu)化空調(diào)風(fēng)道、安裝吸音棉、改變渦角形狀進(jìn)行降噪，并通過(guò)Proudman噪聲源模型確認(rèn)了以上方法能夠有效降噪，具有一定的實(shí)用價(jià)值，希望以此為廣大同行提供一份可靠的參考資料。