大排量摩托車冷卻風扇噪聲測試與選型分析

嚴天雄， 吳曉佳， 賈志超， 劉進偉， 黃國鵬

(隆鑫通用動力股份有限公司 技術中心， 重慶 400052)

隨著科技進步和人民生活水平逐步提高，摩托車的功能也逐步由原來的代步工具轉變?yōu)榧夹g先進的機動車輛，使其具有個性化和娛樂化的功能[1]。市場上以休閑娛樂為主的350～1 000 cc大排量摩托車逐漸涌現(xiàn)，大排量摩托車將會越來越受到人們的青睞，行業(yè)前景較好[2-5]。

摩托車出行越來越普遍，同時會帶來一定的環(huán)境噪聲污染問題，隨著摩托車排量的增大，噪聲污染問題會越來越嚴重[6-7]。冷卻風扇噪聲作為摩托車噪聲源的組成部分之一，需要重點關注。目前汽車冷卻風扇噪聲技術的研究比較成熟，已經(jīng)可以實現(xiàn)對汽車冷卻風扇的噪聲預測。羅來彬等[8]建立了汽車風扇及加換熱器后的噪聲預測通用性模型，可快速預測汽車冷卻風扇的噪聲。 馬金英等[9]研究了乘用車冷卻風扇氣動噪聲數(shù)值計算方法，經(jīng)試驗驗證該方法可以對噪聲進行合理的預測，可為前期方案的優(yōu)化提供參考。彭志剛等[10]尋找了一種能夠快速預測汽車冷卻風扇組件(CFM)離散噪聲的方法，理論預測結果與試驗較為吻合，該方法有助于在CFM設計早期縮短設計周期，提高工作效率。王媛文等[11]提出了一種汽車發(fā)電機冷卻風扇旋轉噪聲預測方法，能夠實現(xiàn)修改前后風扇旋轉噪聲的預測，為風扇葉片周向分布角度設計提供依據(jù)。Kim等[12]通過實驗設計和數(shù)值分析為車輛用交流發(fā)電機開發(fā)了一種新的冷卻風扇，數(shù)值預測結果與測試結果比較一致。然而摩托車風扇噪聲相關的研究較少，郭東劭等[13]通過對摩托車風扇噪聲測試和頻譜分析，確認風扇引起空氣壓力脈動產生了 “嗚嗚”的嘯叫聲，通過重新設計葉尖形狀，經(jīng)主觀評價嘯叫聲得到明顯改善。張力偉等[14]對電動摩托車用強制風冷差速電機噪聲測試分析，確定電機噪聲超標的主要原因是風扇氣動噪聲所致，并提出了旋轉風扇氣動噪聲的降噪措施，為電動摩托車降噪提供了技術思路。

鑒于大排量摩托車冷卻風扇噪聲研究很少。以某500 cc大排量摩托車風扇為測試對象，運用LMS Test.Lab測試系統(tǒng)進行噪聲測試分析，明確了冷卻風扇噪聲對駕駛員耳旁和四周環(huán)境噪聲的貢獻量，通過選型分析鎖定整車噪聲更低的風扇方案，提升了摩托車的騎乘舒適性，減少了環(huán)境噪聲污染。

1 摩托車發(fā)動機冷卻風扇噪聲機理

1.1 風扇結構介紹

風扇按結構分為離心式風扇、軸流式風扇和螺旋式風扇3類。摩托車發(fā)動機冷卻風扇通常采用是軸流式風扇，某500 cc排量的復古型摩托車發(fā)動機冷卻風扇結構如圖1所示。該風扇共有10片扇葉，扇葉等距分布且?guī)饩壿?，風扇的葉輪直徑為140 mm，輪轂直徑為50 mm，輪轂比為0.357。

圖1 摩托車發(fā)動機冷卻風扇結構

1.2 風扇噪聲產生機理

軸流式風扇噪聲主要分為葉片旋轉階次噪聲和渦流噪聲，風扇在旋轉時，周期性地與氣體作用，導致周圍氣體壓力脈動而產生的噪聲稱為葉片旋轉階次噪聲，其主要為偶極子聲源，特征頻率為[15]

(1)

式中：fi為噪聲頻率；n為風扇的轉速；z為風扇的葉片數(shù)；i=1，2，…，為諧波次數(shù)。

渦流噪聲是指風扇在旋轉過程中，葉片帶動周圍空氣產生無規(guī)律的相互作用，形成渦流，從而產生寬頻的渦流噪聲，由于黏滯力的作用，渦流不斷產生、潰散和消失，導致空氣質量和動量的脈動引起噪聲[16]。

2 風扇噪聲貢獻量測試分析

發(fā)動機冷卻風扇噪聲是摩托車主要噪聲源之一，噪聲過大會影響騎乘人員的乘坐舒適性和帶來環(huán)境噪聲污染問題，甚至影響騎乘安全[17]。噪聲貢獻量測試的目的是明確風扇噪聲對駕駛員耳旁噪聲的影響大小，以及對摩托車周圍環(huán)境噪聲的影響程度。

2.1 試驗方法介紹

2.1.1 試驗設備及環(huán)境

噪聲測試需要用到的測試設備包括數(shù)采前端、測試軟件、聲學傳感器、聲音校準儀及其他附件(如信號傳輸線纜、卷尺、三腳架)等。數(shù)采前端為SIEMENS公司32通道的SCADAS Mobile設備(圖2)，測試軟件為與數(shù)采設備配套的LMS Test.Lab，聲學傳感器為GRASS公司型號為46AE的麥克風，聲音校準儀為GRASS公司型號為42AB的麥克風校準器。

噪聲試驗環(huán)境為半消聲室內，消聲室的背景噪聲為32.6 dB(A)。

圖2 噪聲數(shù)采前端

2.1.2 試驗工況和測點位置

摩托車發(fā)動機冷卻風扇在整車狀態(tài)下的噪聲測試定義3種工況，見表1。工況1為發(fā)動機不啟動，穩(wěn)壓電源提供原車風扇電壓(14 V)的直流電，該工況模擬停車后風扇單獨運轉的噪聲；工況2為發(fā)動機怠速啟動，穩(wěn)壓電源不通電，該工況模擬客戶啟動評價狀態(tài)；工況3為發(fā)動機怠速啟動，穩(wěn)壓電源提供原車風扇電壓的直流電，該工況模擬車輛騎行中等紅綠燈狀態(tài)。

表1 摩托車風扇噪聲測試工況

摩托車噪聲評價通常有兩種狀態(tài)：騎行狀態(tài)和車輛自然放置狀態(tài)。①騎行狀態(tài)測試：駕駛人員在正常的騎行坐姿下(確保車輛處于豎直狀態(tài))，在駕駛員左右耳旁布置兩個麥克風采集噪聲，如圖3所示，主要考慮耳旁噪聲對駕駛人員身體健康和主觀感受的影響[18]。②車輛自然放置狀態(tài)：在側支架支起接觸地面后，在與散熱器平面成45°，距離散熱器1 m，距離地面1 m高的位置布置4個傳感器采集噪聲，分別定義為右前、右后、左前和左后，如圖4所示，主要考慮對環(huán)境噪聲的影響。

圖3 駕駛員耳旁噪聲測試

圖4 摩托車四周噪聲測試

2.1.3 試驗步驟及信號采集設置

1)檢查車輛的完整性，將摩托車置于半消聲室內中心位置。

2)按照2.1.2中的測點要求布置麥克風，用信號傳輸線將麥克風、數(shù)采前端和測試電腦連接起來。

3)打開LMS Test.Lab測試軟件，校準麥克風的靈敏度，保證測試精度。

4)設置采集參數(shù)，采用頻率設置為20 480 Hz，采樣分辨率為1 Hz，采樣時間為20 s，設置完成后可進行噪聲信號采集。

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.2.1 駕駛員耳旁噪聲數(shù)據(jù)分析

車輛騎行狀態(tài)下駕駛員耳旁噪聲的測試結果見表2。由工況1和工況2相比可知，僅風扇啟動時，駕駛員左耳側噪聲為66 dB(A)；除風扇外其他聲源傳播到駕駛員左耳側噪聲為68.8 dB(A)，二者相差2.8 dB(A)。僅風扇啟動時，駕駛員右耳側噪聲為66.3 dB(A)；除風扇外其他聲源傳播到駕駛員右耳側噪聲為68 dB(A)，二者相差1.7 dB(A)。表明風扇噪聲對駕駛員耳旁噪聲的貢獻較其他所有聲源小。工況2和工況3為風扇啟動前后噪聲對比，風扇啟動后，駕駛員左側耳旁噪聲增加1.8 dB(A)。右側耳旁噪聲增加2.1 dB(A)，表明摩托車風扇噪聲對駕駛員耳旁噪聲的影響不可忽略。

表2 駕駛員耳旁噪聲值 單位：dB(A)

駕駛員耳旁噪聲1/3倍頻程圖如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，風扇啟動與否對駕駛員耳旁噪聲低頻段基本沒有影響，在低頻有兩個比較明顯的噪聲峰值，對應中心頻率分別80 Hz和100 Hz，是由其他聲源引起的。風扇對駕駛員耳旁噪聲的影響主要集中在1 000～3 000 Hz，該頻段是駕駛員聽覺比較敏感的頻段。因此，對大排量摩托車來說，風扇噪聲需要重點關注。

圖5 左耳側噪聲1/3倍頻程圖

圖6 右耳側噪聲1/3倍頻程圖

2.2.2 摩托車周圍環(huán)境噪聲影響分析

車輛自然側置狀態(tài)下車輛周圍的噪聲測試結果見表3。工況1和工況2相比可知，僅風扇啟動時，摩托車四周的平均噪聲為69.4 dB(A)，僅發(fā)動機啟動時，摩托車四周的平均噪聲為69.8 dB(A)，說明風扇噪聲對摩托車四周環(huán)境噪聲的影響與其他所有聲源相當。工況2和工況3相比可知，在發(fā)動機啟動的基礎上，當風扇啟動后，摩托車四周環(huán)境噪聲平均值為72.8 dB(A)，與風扇未啟動相比噪聲增加了3 dB(A)，說明風扇對摩托車四周環(huán)境的噪聲影響較大。

表3 車輛周圍噪聲值 單位：dB(A)

摩托車四周噪聲1/3倍頻程圖如圖7～圖10所示。從圖7中可以看出，風扇對右前側噪聲的影響主要集中在1 000～4 000 Hz，尤其是在中心頻率1 600 Hz最大峰值處，風扇噪聲比較突出。從圖8可以看出，風扇對左前側噪聲的影響主要集中在800 Hz以上的頻段，尤其在主要噪聲峰值對應的2 000、2 500、3 150 Hz頻率處，風扇噪聲比較突出。從圖9和圖10可以看出，噪聲最大的峰值不是來源風扇噪聲，風扇對右后側和左后側的噪聲影響相對較小。

圖7 右前噪聲1/3倍頻程圖

圖8 左前噪聲1/3倍頻程圖

圖9 右后噪聲1/3倍頻程圖

圖10 左后噪聲1/3倍頻程圖

綜上分析來看，風扇對摩托車車頭前部噪聲的影響大于車頭后部，這與摩托車結構布置和放置狀態(tài)有一定關系?？傊?，從大排量摩托車對環(huán)境噪聲的影響來看，風扇噪聲的影響需要引起關注。

3 風扇選型分析

為了提升摩托車的騎乘舒適性，風扇供應商提供了兩種風扇單品樣件以供整車上進行選型匹配，實物樣件如圖11所示。

圖11 單品風扇實物樣件

3.1 風扇轉速測試對比分析

根據(jù)式(1)可知，風扇的轉速是風扇噪聲的關鍵影響因素之一。測試時，將風扇組件固定在簡易工裝上，利用穩(wěn)壓電源給風扇提供穩(wěn)定14 V電壓，利用光電傳感器采集風扇運轉過程中的轉速大小，如圖12所示。

圖12 風扇轉速和噪聲測試

單品風扇的轉速測試結果見表4，1#風扇的轉速比原狀態(tài)低532.7 r/min，轉速降低明顯。2#風扇比原狀態(tài)風扇的轉速高了57.3 r/min，轉速比較接近。測得風扇的轉速大小后根據(jù)式(1)能夠計算出風扇葉片旋轉時階次噪聲，1#風扇、2#風扇和原狀態(tài)風扇的一階噪聲分別為820.9、919.3、909.7 Hz，二階噪聲分別為1 641.8、1 838.6、1 819.4 Hz。

表4 風扇轉速 單位：r/min

3.2 單品風扇噪聲測試對比分析

單品風扇的噪聲測試如圖12所示。在距離風扇組件1 m處與風扇進、出風側45°位置布置兩傳感器進行噪聲測試。

單品風扇的噪聲測試結果見表5，3種風扇進風側噪聲均高于出風側，主要原因是風扇罩改變了噪聲的傳播方向，對噪聲起到了一定的掩蔽作用。與原狀態(tài)風扇相比，1#選型風扇進、出風側噪聲分別降低了5.6 dB(A)和4 dB(A)，2#選型風扇進、出風側噪聲分別降低了2.6 dB(A)和1.3 dB(A)，1#選型風扇的噪聲最低，兩種選型風扇方案的噪聲均優(yōu)于原狀態(tài)。

表5 單品風扇噪聲對比測試值單位：dB(A)

3種風扇進風側的噪聲1/3倍頻程圖如圖13所示。原狀態(tài)風扇噪聲主要分布在中心頻率為1 600、2 000、2 500 Hz頻段，主要集中在風扇葉片旋轉二階噪聲附近。在主要噪聲源的中高頻段，兩種選型方案風扇的噪聲均有降低，在低頻段選型風扇噪聲有所增加，但對噪聲Overall值影響不大。

圖13 進風側噪聲1/3倍頻程圖

3種風扇出風側的噪聲1/3倍頻程圖如圖14所示，原狀態(tài)風扇噪聲主要分布在中心頻率為1 000、1 600、2 000 Hz頻段。在主要噪聲源的中高頻段，1#選型方案風扇的噪聲均有降低，在低頻部分頻段選型風扇噪聲有所增加，但對噪聲Overall值影響不大。2#選型方案風扇的噪聲中高頻段除中心頻率1 250 Hz外均有降低，在低頻部分頻段選型風扇噪聲有所增加，但對噪聲Overall值影響不大。進、出風側噪聲存在一定的差異，可能與風扇罩的結構影響有關。

圖14 出風側噪聲1/3倍頻程圖

3.3 整車噪聲測試對比分析

為了評價選型風扇在整車上的噪聲表現(xiàn)，分別將選型的兩種風扇換裝到整車上與原狀態(tài)進行對比測試，測試工況為表1中測試工況1和測試工況3，其中工況2為同一狀態(tài)，無須重復測試。

風扇掛整車后騎行狀態(tài)的噪聲對比測試結果見表6，3種風扇掛整車上駕駛員耳旁噪聲表現(xiàn)與單品風扇的噪聲趨勢一致，掛原狀態(tài)風扇噪聲最大，掛1#選型風扇噪聲最低，掛2#選型風扇噪聲居中。在騎行工況3下，1#選型風扇駕駛員左側耳旁噪聲比原狀態(tài)降低2.4 dB(A)，右側耳旁噪聲降低2.1 dB(A)，2#選型風扇駕駛員左側耳旁噪聲比原狀態(tài)降低1.5 dB(A)，右側耳旁噪聲降低1.4 dB(A)。因此兩種選型風扇掛裝整車后對駕駛員耳旁噪聲都有改善，1#選型風扇降噪效果更佳。

表6 風扇掛整車騎行狀態(tài)噪聲對比測試值 單位：dB(A)

風扇掛整車側置狀態(tài)的噪聲對比測試結果見表7。在工況1下，摩托車掛1#選型風扇、2#選型風扇和原狀態(tài)風扇四周的噪聲平均值分別為60.6、63、69.4 dB(A)，3種風扇對環(huán)境噪聲影響從大到小排序為原狀態(tài)>選型2#>選型1#。與整車掛原狀態(tài)風扇相比，掛1#選型風扇噪聲降低了8.8 dB(A)，掛2#選型風扇噪聲降低了6.3 dB(A)，對環(huán)境噪聲的改善均比較明顯。

在工況3下，摩托車掛1#選型風扇、2#選型風扇和原狀態(tài)風扇四周的噪聲平均值分別為71.3、70.7、72.8 dB(A)，3種風扇對環(huán)境噪聲影響從大到小排序為原狀態(tài)>選型1#>選型2#。與整車掛原狀態(tài)風扇相比，掛1#選型風扇噪聲降低了1.5 dB(A)，掛2#選型風扇噪聲降低了2.1 dB(A)，對環(huán)境噪聲均有一定的改善。

風扇選型除了考慮噪聲性能外，還必須要保證基本的散熱性能。在對3種風扇掛整車散熱性能評估過程中，發(fā)現(xiàn)掛1#選型風扇后，車輛在長時間熱車后停車怠速時冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)開鍋的情況，不能滿足散熱要求，整車掛2#選型風扇和原狀態(tài)風扇均沒有出現(xiàn)開鍋現(xiàn)象，能滿足散熱要求。

表7 風扇掛整車側置狀態(tài)噪聲對比測試值 單位：dB(A)

綜合分析來看，1#選型風扇的噪聲表現(xiàn)最佳，但不能滿足散熱要求，2#選型風扇的噪聲表現(xiàn)次之，原狀態(tài)風扇噪聲表現(xiàn)最差，二者均能滿足散熱要求，因此選定2#選型風扇作為整車定型方案。

4 結論

1)運用LMS Test.Lab測試系統(tǒng)對某500 cc大排量摩托車風扇噪聲測試分析，明確了冷卻風扇噪聲對駕駛員耳旁的貢獻量和四周環(huán)境噪聲的影響。

2)通過選型分析確定了整車的風扇方案，騎行工況駕駛員耳旁噪聲比原狀態(tài)降低1.5 dB(A)左右，提升了大排量摩托車的騎乘舒適性，同時減少了摩托車對環(huán)境噪聲的污染。

3)風扇噪聲測試方法和風扇選型分析方法在大排量摩托車冷卻風扇選型和匹配方面具有一定的參考價值。