燃料電池公交車定置噪聲分析及降噪

曹精明

畢業(yè)于西北工業(yè)大學，工學碩士，現(xiàn)就職于濰坊內燃機質量檢驗中心有限公司，任高級工程師，主要形究方向為振動與噪聲控制。

摘" 要：由于燃料電池公交車在定置狀態(tài)下的噪聲較大，對車內噪聲和車后噪聲以及相關振動數(shù)據(jù)進行了頻率分析和相干分析。分析表明，車內噪聲主要是空壓機振動，通過車架等中間路徑，傳播到車內，引起噪聲;車后噪聲則主要是空壓機噪聲通過空氣直接傳播，另外排氣口噪聲也對車后噪聲由較大影響。針對車內噪聲和車后特點，分別采取對空壓機隔振和聲學包裹空壓機及其管路，優(yōu)化消音器等措施，車內噪聲降低6.4dB（A），車后噪聲降低8.7dB（A）。

關鍵詞：燃料電池;空壓機;噪聲;頻譜分析;相干分析

中圖分類號：U464.93" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2022）04-0069-06

Noise Analysis and Reduction of Fuel Cell Bus in Parking State

CAO Jing-ming1， GAO Wen-jin2， ZHANG Fu-liang2， WANG Yu-jie1

（1.Weifang Internal Combustion Engine Quality Inspection Center Co.， Ltd， Weifang 261061， China; 2.Weichai Power Co.， Ltd， Weifang 261061， China）

Abstract： Frequency of vehicle interior noise， vehicle rear noise and relative vibration was analyzed， about a fuel cell bus with big noise in parking state， and the coherence analysis of the signals was given. The result show that vehicle interior noise was caused by air compressor vibration transmitted to vehicle interior by some intermediate paths such as frame; vehicle rear noise mainly consisted of emission noise of air compressor and exhaust noise of fuel cell. Considering the noise feature， to isolate air compressor vibration， to wrap air compressor and its pipes and to optimize muffler have reduced vehicle interior noise by 6.4dB（A）， vehicle rear noise by 8.7dB（A）.

Key Words：" Fuel Cell; Air Compressor; Noise; Frequency Analysis; Coherence Analysis

與傳統(tǒng)內燃機汽車相比，燃料電池汽車具有效率高，污染小和噪聲低等優(yōu)點，續(xù)航里程不低于內燃機車，加氫成本也越來越低，燃料電池汽車越來越具有競爭力[1][2]。

燃料電池堆本身電能的轉化過程幾乎不產(chǎn)生振動，因此非常安靜，但維持燃料電池堆的正常運轉需要一套復雜的溫度濕度和壓力的維護保障系統(tǒng)，這些維護保障系統(tǒng)有空氣壓縮機（簡稱空壓機），風扇，泵，閥和管路等設備，從而產(chǎn)生了振動和噪聲[3][4]。國內燃料電池車一般都同時匹配有動力電池作儲能和回收能量用途，在定置充電狀態(tài)，除了燃料電池系統(tǒng)會產(chǎn)生噪聲[5][6]，動力電池由于處于充電狀態(tài)發(fā)熱，其散熱系統(tǒng)也可能工作，從而產(chǎn)生噪聲。本文對某燃料電池公交車的定置充電，對其噪聲進行測試，并進行降噪研究。

1" " 整車噪聲及振動測試

燃料電池公交車定置充電狀態(tài)下，空壓機工作并為電堆提供進氣，空壓機工作時壓縮空氣會產(chǎn)生振動，并輻射噪聲。電堆工作時需要將反應后的空氣和水排出，會產(chǎn)生排氣噪聲[7] [8] [9]。

本文研究用的樣車，燃料電池的電堆與空壓機系統(tǒng)分開布置，二者通過橡膠進氣管連接，整車大致結構如圖1所示。空壓機為螺桿式，空壓機系統(tǒng)的安裝支架與車架之間采用金屬墊，接近剛性連接。因此空壓機所產(chǎn)生的振動會通過車架直接作用在車身板件上，容易引起車身板件振動并向車內輻射噪聲。而空壓機壓氣噪聲，排氣噪聲會通過空氣傳播到車后以及車內。

為采集全面的數(shù)據(jù)，布置麥克風測點及振動測點如圖1。麥克風為丹麥GRAS聲學傳感器，振動加速度傳感器為美國PCB傳感器。在車內后排座椅處布置麥克風測點1（下文車內噪聲與后排座椅處噪聲同義），在空壓機上布置振動加速度傳感器測點2，在車架處布置振動加速度傳感器測點3，在后艙空間空壓機附近布置麥克風測點4，在車后0.5米處及排氣口分別布置麥克風測點5和麥克風測點6。

采用Simcenter testlab數(shù)采系統(tǒng)采集振動與噪聲信號。

整車處于駐車充電狀態(tài)，燃料電池分別以5kW增加功率，一直到額定功率，每個功率穩(wěn)定1分鐘，記錄各個功率下的數(shù)據(jù)。期間動力電池散熱系統(tǒng)未啟動。

2" " 噪聲分析

分析燃料電池45kW狀態(tài)的數(shù)據(jù)，此時空壓機轉速為9120r/min?？諌簷C旋轉的基頻及其諧頻按公式（1）算出，可得轉頻為152 Hz。

f=i×（n/60），i=1，2，…，n" " " " （1）

公式（1）中：f 為頻率，Hz;n為空壓機的轉速，r/min;諧波次數(shù)i為正整數(shù)。

螺桿式空壓機具有4條螺紋，則壓氣基頻及其諧頻按公式（2）算出，可得壓氣的基頻為608Hz。

f=4×i×（n/60），i=1，2，…，n" " " "（2）

式中各參數(shù)含義同公式（1）。

分析測點1車內噪聲，測點2空壓機振動，測點3車架振動的頻譜，如圖2。

從頻譜圖上來看，噪聲能量主要集中在空壓機旋轉基頻（152Hz）及其倍頻（456Hz），壓氣基頻（608Hz）及其倍頻（1216Hz，1824Hz）處，車內噪聲主要頻率與空壓機出氣口主要振動頻率，車架主要振動頻率高度一致。

分析各頻率下的空壓機振動能量與車內噪聲大小，如圖3，在456Hz、608Hz、1216Hz下噪聲相對152Hz、1824Hz更大，對應頻率下的振動能量也更大，體現(xiàn)出較明顯的相關性。

因此可初步判斷車內噪聲的一條重要傳遞途徑是是——空壓機的振動傳遞到車身上，車身板件振動向車內外輻射噪聲。

對比測點4空壓機輻射噪聲頻譜，如圖4，主要噪聲能量集中在1216Hz，2432Hz，（壓氣頻率的2倍頻及4倍頻），與車內噪聲能量分布頻率有顯著的不同。

分析各頻率下噪聲大小，如圖5，608Hz下空壓機噪聲只比車內噪聲高10dB（A）。152Hz、456Hz下空壓機噪聲能量甚至比車內噪聲還低。這說明空氣輻射不是車內噪聲的主要傳遞路徑。

對比測點4空壓機輻射噪聲頻譜，測點5車后0.5米噪聲頻率，測點6排氣口噪聲頻率，如圖6。車后0.5米最大噪聲是1216Hz，與空壓機輻射噪聲一致。另外，在300Hz～800Hz之間噪聲能量較大，而排氣口噪聲在該頻率范圍能量最大。這說明車后0.5米處噪聲會同時受空壓機輻射噪聲和排氣口噪聲影響。

3" " 相干分析

相干分析可以量化車內噪聲、車后噪聲與噪聲源的相關性，因此對各測點的數(shù)據(jù)做進一步相干分析處理。

相干分析是在頻域內描述激勵信號x（t）與響應信號y（t）的相關性，反應了信號y（t）中的頻率成分在多大程度上來源于信號x（t）。x（t）與y（t）相干系數(shù)

xy（ f ）定義如公式（3）：

（3）

式中：Sxy（ f ）為x（t）與y（t）的互功率譜;Sx（ f ）為x（t）的自功率譜;Sy（ f ）為y（t）的自功率譜。

xy（f）為無量綱，數(shù)值在0～1之間，數(shù)值越大則相關性越強，當值為0時表示兩個信號完全不相關，當值為1時表示兩個信號完全相關。

分別分析車內噪聲如下三條傳遞路徑的相干性：

1. 空壓機振動（測點2）——車架振動（測點3）——車內噪聲（測點1）;

2. 空壓機噪聲（測點4）——車內噪聲（測點1）;

3. 排氣口噪聲（測點6）——車內噪聲（測點1）。

車內噪聲與各測點的相干系數(shù)見表1，由于車內噪聲能量主要集中在152Hz，456Hz， 608Hz，1216Hz，1824Hz等頻率，故對比這幾個頻率下的相干系數(shù)。

由表1可知，測點1與測點2和測點3各個頻率下的相干系數(shù)均在0.85以上，而與測點4和測點6的相干系數(shù)均在0.4以下，這說明車內噪聲的主要傳遞路徑是第1條，屬于結構傳遞噪聲。

分析車后0.5米處噪聲與空壓機噪聲相干系數(shù)，如圖7，1216Hz左右相干系數(shù)為0.85，其它頻率下相干系數(shù)很小，說明車后0.5米處噪聲1216Hz主要由空壓機輻射噪聲貢獻。

分析車后0.5米處噪聲與排氣口噪聲相干系數(shù)，如圖8，在300Hz～700Hz范圍內相干系數(shù)最大，在0.75～0.85之間，說明該范圍內的噪聲能量主要由排氣噪聲貢獻。值得注意的是，在1216Hz附近相干系數(shù)為0.6，說明該頻率下的排氣噪聲對車后噪聲也有一定貢獻。

4" " 降噪驗證

4.1" "車內噪聲降噪

由于車內噪聲主要是結構傳遞噪聲，可通過改善結構傳遞路徑來降低噪聲。分析發(fā)現(xiàn)空壓機系統(tǒng)的原金屬隔振墊剛度大，隔振能力弱，振動容易通過隔振墊傳遞到車梁，車廂，激發(fā)車內噪聲，因此改用橡膠隔振墊，降低傳遞率。

改進前后的車內噪聲曲線對比如圖9（縱軸每格為2dB（A））所示，30kW以上，隔振后車內噪聲降低4.8dB（A）～6.4dB（A）。30kW以下，由于空壓機振動水平較低，降噪幅值在1dB（A）～2.5dB（A）之間。

分析45kW下，隔振改進前后車內噪聲頻譜，如圖10，各頻率下噪聲能量均顯著變弱。

改進前后的后側0.5米噪聲曲線如圖11（縱軸每格為5dB（A））所示，隔振后，后側0.5m噪聲水平基本不變。

分析45kW下，隔振改進前后車內噪聲頻譜，如圖12，各頻率下噪聲能量幾乎不變。

進一步驗證車外噪聲以空氣輻射噪聲為主，可采取隔聲等措施降噪。

4.2" "車外噪聲降噪

4.2.1 空壓機輻射噪聲優(yōu)化

由于空壓機可以通過本體，與之相連的進氣管，出氣管等產(chǎn)生噪聲輻射，因此依次用隔音棉包裹空壓機，中冷器及出氣管，進氣管。

各次包裹的后側0.5m噪聲曲線如圖13（縱軸每格為5dB（A）），后側噪聲依次下降。下降最多的是包裹中冷器及出氣管，約2dB（A）。其次是空壓機，約1dB（A）。再次是進氣管約1dB（A），總共下降4dB（A）左右。

包裹空壓機及其管路對車內后排噪聲影響較小相差不超過1dB（A），如圖14（縱軸每格為2dB（A））。

4.2.2 排氣噪聲優(yōu)化

通過更換消音器對排氣噪聲進行優(yōu)化，新消音器的排氣噪聲對比如圖15（縱軸每格為5dB（A））。新消音器消聲效果顯著優(yōu)于原消聲器，最大達到10dB（A）。

4.2.3 后側噪聲綜合降噪水平

采取包裹和消音器方案，后側噪聲各個功率下噪聲都有下降，降噪范圍在4dB（A）～8.8dB（A），如圖16（縱軸每格為5dB（A））。

4.3" "各測點總降噪量

后排座椅位置，排氣口，車后0.5米噪聲在各個功率下都不同程度減小，其中后排座椅位置最大降噪量6.4dB（A），排氣口噪聲最大降噪量10.2dB（A），車后0.5m噪聲最大降噪量8.7dB（A），如圖17：

5" " 結論

經(jīng)以上分析，得到結論如下：

（1）通過頻譜分析和相干分析確認，后排座椅噪聲主要為空壓機的結構傳遞噪聲，后側噪聲主要為空壓機及其管路的空氣傳播噪聲和排氣噪聲;

（2）針對車內噪聲特點，通過采用提高空壓機隔振率的措施降低車內噪聲6dB（A）以上;

（3）對車后噪聲則采用聲學包裹空壓機及其管路和優(yōu)化排氣消音器等措施，車后噪聲降低8dB（A）以上。

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專家推薦語

周" "正

國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車質量監(jiān)督檢驗中心（湖北）總工程師 研究員級高級工程師

本文對燃料電池公交車定置噪聲問題的分析比較細致，數(shù)據(jù)收集詳實，該文推薦的方法實用性較好，對相關車型的車內噪聲問題分析和解決方法有很好的借鑒意義。