申秀敏，龍 偉，李利明，王 恒， 唐小麗

(重慶金康賽力斯新能源汽車設(shè)計院有限公司， 重慶 401135)

據(jù)統(tǒng)計，乘用車的怠速工況運行時間占整個行駛時間的23.7%，特別是在市區(qū)以及交通擁堵的道路行駛時，駕乘者會更多地感受怠速性能[1-2]。怠速工況車內(nèi)噪聲的主要來源有汽車發(fā)動機(jī)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、變速器、冷卻風(fēng)扇、空調(diào)系統(tǒng)等[3]。怠速車內(nèi)噪聲會影響駕乘人員的舒適性，甚至引起對車輛產(chǎn)品質(zhì)量的投訴。因此，乘用車的怠速車內(nèi)噪聲問題已成為各生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的焦點，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注如何降低怠速車內(nèi)噪聲以及如何改善怠速車內(nèi)聲品質(zhì)的問題[4-8]。

本文針對某MPV車怠速空調(diào)開啟工況車內(nèi)噪聲及其聲品質(zhì)開展提升和改善工作。通過試驗測試發(fā)現(xiàn)，怠速空調(diào)開啟工況車內(nèi)噪聲級偏大，主觀感覺高頻聲明顯且存在顯著的壓耳聲、“咕嚕咕?！眽憾?。采取主觀評價法，對比該MPV車怠速空調(diào)關(guān)閉和開啟工況的車內(nèi)噪聲，初步判斷該MPV車怠速空調(diào)開啟工況車內(nèi)噪聲的主要來源是冷卻系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)。因此，首先通過試驗測試、主觀評價以及頻譜分析等方式診斷出問題原因所在，再通過實施相應(yīng)的整改措施，達(dá)到降低怠速空調(diào)開啟車內(nèi)噪聲并改善聲品質(zhì)的目的。

1 冷卻系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)噪聲機(jī)理分析

1.1 冷卻系統(tǒng)噪聲機(jī)理分析

冷卻系統(tǒng)一般由冷卻風(fēng)扇、護(hù)風(fēng)罩、水泵、散熱器和傳動裝置組成。其中冷卻風(fēng)扇是主要噪聲源，其他部件則會影響風(fēng)扇噪聲的大小。風(fēng)扇噪聲主要是空氣動力噪聲，由旋轉(zhuǎn)噪聲(主要是階次噪聲)、渦流噪聲(主要是葉寬脈動噪聲)組成[9]。

1) 旋轉(zhuǎn)噪聲。由于旋轉(zhuǎn)葉片周期性切割空氣，引起空氣周期性壓力脈動而產(chǎn)生。在葉片等間隔分布情況下基頻(Hz)為

(1)

式中：n為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速(r/min)；Z為風(fēng)扇葉片數(shù)。

2) 渦流噪聲。冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時使周圍空氣產(chǎn)生渦流，這些渦流又因黏滯力作用分裂成一系列獨立的小渦流，這些渦流和渦流的分裂會使空氣發(fā)生擾動，形成壓力脈動，從而激發(fā)出噪聲。渦流噪聲是寬頻帶噪聲，主要取決于葉片形狀和風(fēng)扇的工作條件(即轉(zhuǎn)速、流量和氣流阻礙)。其主要峰值頻率(Hz)為

(2)

式中：K為斯特羅哈爾數(shù)(0.15～0.22)；V為風(fēng)扇線速度(m/s)；d為葉片在氣流入射方向上的厚度(m)。

另外，冷卻風(fēng)扇、護(hù)風(fēng)罩等振動也會引起機(jī)械噪聲，如風(fēng)扇平衡不良、結(jié)構(gòu)剛性不足引起的振動噪聲等。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)噪聲機(jī)理分析

目前的車載空調(diào)系統(tǒng)絕大部分是基于壓縮機(jī)制冷的原理進(jìn)行工作。由于空調(diào)系統(tǒng)在工作時，內(nèi)部同時存在氣體和液體，使得空調(diào)系統(tǒng)工作時氣動噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲以及液體噪聲同時存在[10]。

氣動噪聲包括鼓風(fēng)機(jī)噪聲、風(fēng)道噪聲、壓縮機(jī)吸排氣噪聲等，主要表現(xiàn)為500 Hz以上的中高頻段；結(jié)構(gòu)噪聲主要是由壓縮機(jī)振動，以及壓縮機(jī)振動引起的相關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的噪聲，主要表現(xiàn)為500 Hz以下的中低頻段?？照{(diào)系統(tǒng)的噪聲、氣動噪聲占主導(dǎo)地位，結(jié)構(gòu)噪聲為輔。

2 怠速空調(diào)開工況車內(nèi)噪聲特性分析

首先，針對該MPV車的怠速空調(diào)開啟工況車內(nèi)噪聲進(jìn)行主觀評價后發(fā)現(xiàn)：車內(nèi)聲壓級偏大，有明顯壓耳聲(耳朵能明顯感覺到壓迫感)，且可以明顯感覺有“咕嚕咕嚕”的聲音，聲品質(zhì)較差。

接著，對于該MPV車怠速空調(diào)開啟工況車內(nèi)噪聲在半消聲室內(nèi)進(jìn)行了試驗測試。圖1為車內(nèi)駕駛員右耳(DR)位置噪聲測點布置，圖2是車內(nèi)駕駛員位置噪聲頻譜圖。

圖1 車內(nèi)噪聲測點布置

圖2 怠速空調(diào)開啟工況車內(nèi)噪聲頻譜圖

由圖2可知：車內(nèi)噪聲的聲壓級總值為49.9 dB(A)，高出競品車近4 dB(A)。經(jīng)頻譜分析發(fā)現(xiàn)：噪聲的主要峰值除發(fā)動機(jī)激勵的2階(24 Hz)、4階(48 Hz)外，還有135、195、215、235 Hz。另外，在180～250 Hz及60～130 Hz頻帶內(nèi)存在寬頻帶噪聲，500 Hz以上中高頻噪聲貢獻(xiàn)也比較大。

針對該車怠速空調(diào)開啟工況車內(nèi)噪聲偏大、聲品質(zhì)較差的現(xiàn)象，通過試驗測試對各運行部件采取分別運行法、頻譜分析法以確定車內(nèi)噪聲的來源，并采取相應(yīng)的措施。

2.1 冷卻風(fēng)扇噪聲特性分析

該車?yán)鋮s風(fēng)扇為雙風(fēng)扇，風(fēng)扇葉片數(shù)分別為5葉片和9葉片，工作轉(zhuǎn)速為1 620 r/min。經(jīng)計算風(fēng)扇基頻為27 Hz，通過頻率分別為135、243 Hz。怠速空調(diào)開啟工況時，在車外明顯能主觀感覺到冷卻風(fēng)扇運行的“呼呼”聲。

為明確冷卻風(fēng)扇對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)，本文采用獨立運行法，將冷卻風(fēng)扇外接12 V直流電源使其獨立運行，在車外1 m處測試整車狀態(tài)冷卻風(fēng)扇單體噪聲，同時采集車內(nèi)DR位置的噪聲信號，以及冷卻風(fēng)扇安裝位置的振動信號。圖3為冷卻風(fēng)扇車外噪聲測點，圖4為冷卻風(fēng)扇安裝位置振動測點。

圖3 冷卻風(fēng)扇車外噪聲

圖4 冷卻風(fēng)扇安裝位置振動

冷卻風(fēng)扇獨立運行工況時，車外中部測點噪聲值約67.96 dB(A)(高出同類別競品車近3 dB(A))，對車內(nèi)DR位置的噪聲貢獻(xiàn)為41.56 dB(A)。

圖5為不同工況車內(nèi)噪聲頻譜圖。對比怠速空調(diào)關(guān)工況的車內(nèi)噪聲頻譜圖，發(fā)現(xiàn)怠速空調(diào)開工況以及冷卻風(fēng)扇獨立運行工況時車內(nèi)均存在135 Hz處的噪聲峰值?？梢耘袛啵豪鋮s風(fēng)扇對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)主要是在135 Hz，該頻率下貢獻(xiàn)的噪聲峰值達(dá)35.8 dB(A)，對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)偏大。

分析冷卻風(fēng)扇安裝位置振動頻譜圖(如圖6)可以發(fā)現(xiàn)，振動峰值主要出現(xiàn)在風(fēng)扇的工作頻率27 Hz及其通過頻率135 Hz。因此，可以判斷車內(nèi)噪聲在135 Hz的貢獻(xiàn)來自冷卻風(fēng)扇，傳遞路徑包括空氣聲傳播和結(jié)構(gòu)振動傳遞。

圖5 不同工況車內(nèi)噪聲頻譜圖

圖6 冷卻風(fēng)扇殼體振動

2.2 鼓風(fēng)機(jī)噪聲特性分析

鼓風(fēng)機(jī)是怠速空調(diào)開啟工況車內(nèi)噪聲的一個主要來源。本文采用獨立運行法測試鼓風(fēng)機(jī)對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)，并分析其頻率成分。將鼓風(fēng)機(jī)外接12 V直流電源，使其獨立運行，主觀評價鼓風(fēng)機(jī)運行噪聲及1擋風(fēng)量均明顯高于競爭車。

通過測試鼓風(fēng)機(jī)獨立運行工況車內(nèi)噪聲，并對比怠速空調(diào)開工況車內(nèi)噪聲(如圖7)，可以看出：鼓風(fēng)機(jī)獨立運行時，車內(nèi)DR位置噪聲級達(dá)44.15 dB(A)，高出同級別競爭車6 dB(A)；通過對比噪聲頻譜可以確定車內(nèi)60～130 Hz的寬頻帶噪聲以及500 Hz以上的中高頻噪聲均由鼓風(fēng)機(jī)運行引起，從而判斷鼓風(fēng)機(jī)對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)為寬頻帶噪聲，且噪聲貢獻(xiàn)偏大，建議對鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行整改。

圖7 鼓風(fēng)機(jī)獨立運行工況車內(nèi)噪聲頻譜圖

2.3 空調(diào)壓縮機(jī)及其管路振動特性分析

怠速空調(diào)開啟工況時，主觀感覺車內(nèi)存在明顯的“咕嚕咕?！甭?，初步判斷與空調(diào)壓縮機(jī)相關(guān)?？照{(diào)壓縮機(jī)作為動態(tài)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，自身會產(chǎn)生一系列的振動噪聲問題。因此，對空調(diào)壓縮機(jī)及其附件的振動噪聲特性展開詳細(xì)的分析。通過測試壓縮機(jī)本體及其高低壓管的振動信號，并與車內(nèi)噪聲信號對比，分析其頻率成分，明確了車內(nèi)“咕嚕咕?！甭暤膩碓础?/p>

利用LMS Test.Lab軟件對采集的車內(nèi)噪聲信號進(jìn)行回放與濾波，分析出影響怠速空調(diào)開工況車內(nèi)“咕嚕咕嚕”聲的頻率貢獻(xiàn)是180～250 Hz頻段。根據(jù)空調(diào)壓縮機(jī)的傳動比為1.4，計算出空調(diào)壓縮機(jī)的工作頻率為19.6 Hz，車內(nèi)噪聲在180～250 Hz范圍內(nèi)的峰值均與空調(diào)壓縮機(jī)的工作頻率的倍頻相吻合，分別為195、215、235 Hz。圖8為空調(diào)壓縮機(jī)及其附件振動頻譜。

圖8 空調(diào)壓縮機(jī)及其附件振動頻譜

對比壓縮機(jī)振動與車內(nèi)DR位置噪聲頻譜發(fā)現(xiàn)：車內(nèi)噪聲在180～250 Hz頻段內(nèi)的峰值與壓縮機(jī)的振動相關(guān)性不大，不是壓縮機(jī)本體的振動引起的。對比高、低壓管的振動與車內(nèi)噪聲頻譜發(fā)現(xiàn)：車內(nèi)噪聲在180～250 Hz頻段內(nèi)的噪聲峰值與高低壓管的振動有較高的相關(guān)性。因此，可以判斷車內(nèi)噪聲在180～250 Hz范圍內(nèi)的噪聲峰值是由空調(diào)壓縮機(jī)高、低壓管的壓力脈動所引起。

3 某MPV車怠速車內(nèi)噪聲控制

3.1 冷卻風(fēng)扇振動噪聲特性改善

對于冷卻風(fēng)扇對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)，本文通過兩方面進(jìn)行改進(jìn)：① 通過在冷卻風(fēng)扇殼體增加護(hù)風(fēng)圈以降低風(fēng)扇對車內(nèi)空氣聲的貢獻(xiàn)；② 通過調(diào)整風(fēng)扇動平衡量，同時優(yōu)化冷卻風(fēng)扇與車架之間的連接橡膠墊的剛度，降低風(fēng)扇振動通過安裝點傳遞到車架引起車身振動，進(jìn)而降低因車身振動造成的結(jié)構(gòu)聲向車內(nèi)傳遞。

測試?yán)鋮s風(fēng)扇獨立運行工況時車內(nèi)DR位置噪聲(如圖9所示)。方案實施后，冷卻風(fēng)扇在135Hz處的貢獻(xiàn)由原來的35.8 dB(A)降至22.8 dB(A)，由該頻率導(dǎo)致的車內(nèi)壓耳聲得到了明顯改善。

圖9 冷卻風(fēng)扇優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲

3.2 鼓風(fēng)機(jī)聲品質(zhì)的提升與改善

壓縮機(jī)是空調(diào)制冷系統(tǒng)的心臟?？紤]到壓縮機(jī)的作用，同時參考車內(nèi)競品車空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，重新標(biāo)定該MPV車空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)1擋的風(fēng)量，在不影響空調(diào)制冷性能的前提下，將1擋風(fēng)量由160 m3/s調(diào)整至130 m3/s。表1為鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)整對不同工況下車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)，圖10為鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)整前后車內(nèi)噪聲對比。

表1 鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)整對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)

空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)整后，對比分析鼓風(fēng)機(jī)獨立運行工況對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)。如圖10(a)可以看出，車內(nèi)DR位置的噪聲級有近6 dB(A)的降低，主要是在60～130 Hz以及500 Hz以上的寬頻帶內(nèi)能量有較大幅度的下降。

圖10 鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)整前后車內(nèi)噪聲對比

3.3 空調(diào)壓縮機(jī)振動特性改善

主觀評價壓縮機(jī)啟動后，車內(nèi)噪聲明顯增大，且車內(nèi)存在明顯“咕嚕咕?！甭暤膯栴}。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)高、低壓管振動明顯，振動通過管路向車身傳遞，進(jìn)而引起車身振動向車內(nèi)輻射噪聲。故采取經(jīng)驗措施，在高、低壓降噪管分別綁配0.4、0.3 kg質(zhì)量塊的手段，在路徑上衰減管路的振動。

通過對比方案實施前后的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)引起的車內(nèi)噪聲問題可以得到明顯改善。圖11為壓縮機(jī)高、低壓管質(zhì)量塊綁配位置。

圖11 壓縮機(jī)高、低壓管質(zhì)量塊綁配位置

在高、低壓降噪管分別綁配0.4、0.3 kg質(zhì)量塊，怠速空調(diào)開時車內(nèi)DR位置的噪聲有1.7 dB(A)的降低。對于180～250 Hz頻帶內(nèi)與壓縮機(jī)工作有關(guān)的頻率，總能量有5.5 dB(A)的改善(如圖12)，由壓縮機(jī)引起的車內(nèi)噪聲問題可以得到解決，主觀感覺車內(nèi)“咕嚕咕嚕”聲也得到明顯改善。

圖12 綁配質(zhì)量塊后怠速空調(diào)開時車內(nèi)噪聲頻譜圖

4 結(jié)束語

本文針對某MPV車怠速空調(diào)開啟工況車內(nèi)噪聲偏大、聲品質(zhì)較差的現(xiàn)象，通過研究車內(nèi)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，運用獨立運行法、頻譜分析法等手段判斷出車內(nèi)噪聲偏大、聲品質(zhì)較差的原因是由于冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)(鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)及其附件)工作等因素引起。通過采取調(diào)整冷卻風(fēng)扇動平衡量、調(diào)整冷卻風(fēng)扇安裝位置隔振墊硬度、降低鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量、壓縮機(jī)高低壓管增加配重等方案，使得該車怠速空調(diào)開啟工況車內(nèi)噪聲從49.9 dB(A)降至46.7 dB(A)，聲品質(zhì)得到了明顯提升。本文的研究分析方法和解決思路對車輛其他NVH問題的開發(fā)及調(diào)校均具有一定的指導(dǎo)意義。