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汽车空调系统噪声源识别的试验研究

发表日期:2020/6/1 11:12:01 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

近年来,随着人们对汽车乘坐的舒适性和可靠性等方面要求的提高,汽车空调的噪声水平(影响汽车舒适性)越来越被厂商所关注。电机作为空调箱噪声的主要来源之一,对其进行噪声优化将有效降低汽车空调的噪声水平。

无刷直流电机代替传统有刷直流电机,不仅可以有效避免电刷和换向器的磨合噪声,还具有结构简单、运行可靠、维护方便、启动转矩大、调速性能好等优点。因此,汽车空调鼓风机已广泛采用无刷直流电机代替传统有刷直流电机。但研究表明,无刷直流电机在某些特定情况下可能产生较大的噪声。所以,对于汽车空调系统的噪声源识别、传递路径、噪声优化方案的研究具有重要意义。

R. P. Leite等采用声质量工程的方法和技术,对某车型采暖通风空调系统的噪声进行了研究,这种噪声对车辆的声学舒适性和整车的质量感知有很大的影响。T. A. Brungart通过声强法试验验证汽车空调箱的噪声源主要分布在低频段。林泽安等采用声强法对汽车空调压缩机声功率级进行测定。李启良等通过数值仿真和台架试验相结合的方法开展某车型空调系统气动噪声研究。F. Brotz等指出,数值计算能够较为准确地给出空调系统噪声源,但还不能较好地预测噪声传播。曾杰明使用 B&K 噪声和振动测试仪确定了无刷直流电机低频噪声为电机换向噪声、高频噪声为径向电磁噪声。

研究人员对汽车空调系统噪声源都做了大量的数值或试验研究,但是对采用无刷直流电机的汽车空调系统的噪声源识别及其传递路径的研究较少。所以,笔者结合频谱分析确定异常噪声频谱特性,通过局部屏蔽法和声压法识别噪声源,并分析其传播路径,在此基础上提出汽车空调系统噪声抑制方法。

1  测试原理和测试方法

笔者研究的汽车空调系统采用的无刷直流电机级数为8,齿槽数为12,鼓风机叶片数为43片。测试系统由2个声传感器、校准仪、LMS数据采集系统和1台计算机等组成。测试在半消声室中进行,实验室满足GB/T 6882—2016《声学 声压法测定噪声源声功率级和声能量级 消声室和半消声室精密法》要求的声学性能。将试验汽车空调箱固定在台架上,试验示意图与实物安装图如图1所示。

图1  半消声室内空调箱试验台架

试验参考行业标准JB/T 4330—1999《制冷和空调设备噪声的测定》的规定,在空调箱前面左右侧各布置一个传声器采集其噪声信号,左侧麦克风位置为测点1(模拟驾驶员位置),右侧麦克风位置为测点2(模拟副驾驶位置),如图2所示。

图2  麦克风安装位置图

1.1  测试原理

首先将声音传感器(麦克风)采集到的声信号转换成电信号,然后将电信号输入数据采集系统(LMS SCADAS)进行处理。由于此时转换得到的电信号较微弱,所以采用信号放大器将电信号放大,根据仪器量程范围,将信号通过衰减器转换成合适的信号,再将信号放大推动下一级电路,然后对信号进行加权,这样就能够准确反映被测信号的实际状态。测量噪声时还需要采用一个与听觉频率特性等效的滤波器,最后将处理好的信号在计算机上输出。

1.2  测试方法

试验开始之前利用标准声学校准仪对测量设备声传感器进行校准。标定后采样频率设定为44 100 Hz,将稳态工况时间设置为10 s。然后,测量背景噪声,应小于25 dB(A);鼓风机以5 V工作电压持续预热10 min。开始测试后采集各个工作电压稳定工况的数据。另外,增加鼓风机在13.5 V工作电压的测试工况,以及每个测试模式下鼓风机的工作电压匀加速(从0 V到15 V)过程,记录时间控制在2 min内。

2  噪声特性分析

对测点进行声压级频谱分析,得到空调箱在不同工况下运行所产生的噪声在2个测点的声压级。无刷直流电机主要通过改变脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比控制金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS管)的导通时间,从而调节电机转速(电机额定转速为3 500 r/min),所以通过调节占空比实现空调箱的不同工况试验。由图3可以看出,占空比为24和10时,测点1和测点2在1 400 Hz和2 494 Hz处同时出现尖锐的峰值;由图4可以看出,在464 Hz,1 400 Hz和2 494 Hz处同时出现噪声阶次亮线。

图3  测点噪声频谱图

图4  鼓风机工作电压匀加速工况空调箱测点噪声信号

1)464 Hz噪声分析:电机级数为8,电机旋转一圈出现8次谐波,由此可初步判断存在8阶电磁噪声,频率为f=8×f 0=464 Hz(f 0为转子的转动基频,f 0=3 500/60=58 Hz)。说明该频率处存在声压级幅值较大的阶次噪声为电磁噪声。

2)1 400 Hz噪声分析:电磁噪声频率为f com=iQn/60(n 为转子转速,i 为谐波次数,Q 为定子齿数),由于电机额定转速为3 500 r/min,Q =12,当i =2时,f com=1 400 Hz。由于基频为58 Hz,1 400 Hz是基频的24倍,该噪声是24阶电磁噪声。测点1和测点2都存在1 400 Hz阶次亮线,说明1 400 Hz处存在声压级幅值较大的24阶次噪声为电磁噪声。

3)2 494 Hz噪声分析:叶片均匀分布,叶轮旋转噪声的频率为fz=Nzi/60(N为叶轮转速(r/min),i =1,2,3……,z 为叶轮叶片数);鼓风机叶片数为43片,2 494 Hz正好是基频的43倍,由此可以判断43阶噪声源为气动噪声。测点1和测点2均在2 494 Hz处存在阶次亮线,说明该频率的噪声为气动噪声。

3  噪声源与传递路径分析

由噪声特性与理论分析基本确定了噪声源,下面将采用局部屏蔽试验进一步对噪声的传递路径进行研究。依次进行电机屏蔽、出风口屏蔽以及进风口屏蔽试验。

3.1  屏蔽电机端部试验

由原始工况分析得知空调箱主要存在声压级幅值较大的8阶和24阶电磁噪声,因此采用电机端部加装隔声罩(图5)的试验方案。测试结果见图6,占空比为24时,测点1和测点2的24阶电磁噪声被抑制,测点1被削弱了10 dB(A),测点2被削弱了14 dB(A)。由图7可以看出,24阶电磁噪声完全被抑制(亮线消失),8阶电磁噪声明显削弱。由此证明,声压级幅值较高的8阶和24阶噪声是由无刷直流电机运行所产生的电磁噪声,噪声主要通过电机端盖传递出来。

图5  电机端部加装隔声罩

图6  电机端部加装隔声罩前/后测点噪声频谱对比

图7  电机端部加装隔声罩后鼓风机工作电压匀加速工况空调箱测点噪声信号

3.2  屏蔽出风口试验

43阶次噪声为气动噪声,并主要通过出风口、进风口以及壳体振动传递。因此,对空调箱出风口加装消声器进行测试,结果如图8所示,可以看出,测点1的43阶气动声压级幅值基本被抑制,降低幅值为13 dB(A),测点2的43阶气动声压级幅值基本没有变化。可见测点1(驾驶员位置)43阶噪声主要受出风口影响。

图8  空调箱出风口加装消声器前/后测点噪声频谱对比

3.3  屏蔽进/出风口试验

屏蔽出风口对测点2的43阶气动噪声影响不大。因此,在出风口和进风口都加装消声器进行测试,结果如图9所示。测点1和测点2的43阶气动噪声完全被抑制,测点1被削弱了13 dB(A),测点2削弱了12 dB(A)。由此可得:43阶气动噪声通过空调箱进风口和出风口传递出来;测点1(驾驶员位置)43阶噪声主要受出风口影响,测点2(副驾驶位置)43阶噪声主要受进风口影响。此外,进风口加装消声器使得气动阻力增大,电机转速增加,阶次噪声频率增大。

图9  空调箱进/出风口加装消声器前/后测点噪声频谱对比

对电磁噪声源及其电磁噪声和气动噪声的传播路径可以提出以下方案减小噪声:

1)电磁噪声的传递路径控制:通过在定子结构外部安装点加装合适刚度的隔振器,削弱定子振动向端盖的传递;电机与蜗壳连接处加装橡胶垫片,实现端盖振动向蜗壳传递等方法对电磁噪声传递路径进行控制,从而达到降噪的效果。

2)气动噪声传递路径控制:进、出风口安装扩张腔消声器、多腔穿孔消声器、微穿孔消声器等对气动噪声传递路径进行控制。

4  结论

为识别采用无刷直流电机的汽车空调系统的噪声源及其传递路径,进行噪声测试、频谱分析、色谱图分析,结果表明:声压级幅值较大的8阶和24阶噪声是电磁噪声源;43阶噪声是由叶轮旋转形成的气动噪声。通过局部屏蔽法可以识别出汽车空调系统的噪声传递路径:8阶和24阶电磁噪声主要通过电机端盖传递出来;43阶气动噪声通过进风口和出风口传递出来,其中驾驶员位置主要受出风口影响,副驾驶位置主要受进风口影响。


本文选自《制冷与空调》2020年4月刊42-46页;作者:沈思思  王洪强  顾国疆  张继鑫  吴贵超  覃旗开  郑东;未经许可,不得转载


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