某MPV車怠速車內噪聲控制與聲品質提升

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]。怠速工況車內噪聲的主要來源有汽車發(fā)動機、進排氣系統(tǒng)、變速器、冷卻風扇、空調系統(tǒng)等[3]。怠速車內噪聲會影響駕乘人員的舒適性，甚至引起對車輛產品質量的投訴。因此，乘用車的怠速車內噪聲問題已成為各生產企業(yè)關注的焦點，越來越多的學者開始關注如何降低怠速車內噪聲以及如何改善怠速車內聲品質的問題[4-8]。

本文針對某MPV車怠速空調開啟工況車內噪聲及其聲品質開展提升和改善工作。通過試驗測試發(fā)現(xiàn)，怠速空調開啟工況車內噪聲級偏大，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車怠速空調關閉和開啟工況的車內噪聲，初步判斷該MPV車怠速空調開啟工況車內噪聲的主要來源是冷卻系統(tǒng)及空調系統(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，再通過實施相應的整改措施，達到降低怠速空調開啟車內噪聲并改善聲品質的目的。

1 冷卻系統(tǒng)及空調系統(tǒng)噪聲機理分析

1.1 冷卻系統(tǒng)噪聲機理分析

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

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

(1)

式中：n為風扇轉速(r/min)；Z為風扇葉片數(shù)。

2) 渦流噪聲。冷卻風扇旋轉時使周圍空氣產生渦流，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扇的工作條件(即轉速、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，冷卻風扇、護風罩等振動也會引起機械噪聲，如風扇平衡不良、結構剛性不足引起的振動噪聲等。

1.2 空調系統(tǒng)噪聲機理分析

目前的車載空調系統(tǒng)絕大部分是基于壓縮機制冷的原理進行工作。由于空調系統(tǒng)在工作時，內部同時存在氣體和液體，使得空調系統(tǒng)工作時氣動噪聲、結構噪聲以及液體噪聲同時存在[10]。

氣動噪聲包括鼓風機噪聲、風道噪聲、壓縮機吸排氣噪聲等，主要表現(xiàn)為500 Hz以上的中高頻段；結構噪聲主要是由壓縮機振動，以及壓縮機振動引起的相關聯(lián)結構振動產生的噪聲，主要表現(xiàn)為500 Hz以下的中低頻段?？照{系統(tǒng)的噪聲、氣動噪聲占主導地位，結構噪聲為輔。

2 怠速空調開工況車內噪聲特性分析

首先，針對該MPV車的怠速空調開啟工況車內噪聲進行主觀評價后發(fā)現(xiàn)：車內聲壓級偏大，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，聲品質較差。

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

圖1 車內噪聲測點布置

圖2 怠速空調開啟工況車內噪聲頻譜圖

由圖2可知：車內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頻帶內存在寬頻帶噪聲，500 Hz以上中高頻噪聲貢獻也比較大。

針對該車怠速空調開啟工況車內噪聲偏大、聲品質較差的現(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噪聲的來源，并采取相應的措施。

2.1 冷卻風扇噪聲特性分析

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

為明確冷卻風扇對車內噪聲的貢獻，本文采用獨立運行法，將冷卻風扇外接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)冷卻風扇單體噪聲，同時采集車內DR位置的噪聲信號，以及冷卻風扇安裝位置的振動信號。圖3為冷卻風扇車外噪聲測點，圖4為冷卻風扇安裝位置振動測點。

圖3 冷卻風扇車外噪聲

圖4 冷卻風扇安裝位置振動

冷卻風扇獨立運行工況時，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DR位置的噪聲貢獻為41.56 dB(A)。

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

分析冷卻風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)在風扇的工作頻率27 Hz及其通過頻率135 Hz。因此，可以判斷車內噪聲在135 Hz的貢獻來自冷卻風扇，傳遞路徑包括空氣聲傳播和結構振動傳遞。

圖5 不同工況車內噪聲頻譜圖

圖6 冷卻風扇殼體振動

2.2 鼓風機噪聲特性分析

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

通過測試鼓風機獨立運行工況車內噪聲，并對比怠速空調開工況車內噪聲(如圖7)，可以看出：鼓風機獨立運行時，車內DR位置噪聲級達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機運行引起，從而判斷鼓風機對車內噪聲的貢獻為寬頻帶噪聲，且噪聲貢獻偏大，建議對鼓風機進行整改。

圖7 鼓風機獨立運行工況車內噪聲頻譜圖

2.3 空調壓縮機及其管路振動特性分析

怠速空調開啟工況時，主觀感覺車內存在明顯的“咕嚕咕?！甭?，初步判斷與空調壓縮機相關?？照{壓縮機作為動態(tài)的旋轉機構，自身會產生一系列的振動噪聲問題。因此，對空調壓縮機及其附件的振動噪聲特性展開詳細的分析。通過測試壓縮機本體及其高低壓管的振動信號，并與車內噪聲信號對比，分析其頻率成分，明確了車內“咕嚕咕嚕”聲的來源。

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

圖8 空調壓縮機及其附件振動頻譜

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

3 某MPV車怠速車內噪聲控制

3.1 冷卻風扇振動噪聲特性改善

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

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

圖9 冷卻風扇優(yōu)化前后車內噪聲

3.2 鼓風機聲品質的提升與改善

壓縮機是空調制冷系統(tǒng)的心臟。考慮到壓縮機的作用，同時參考車內競品車空調鼓風機的風量，重新標定該MPV車空調鼓風機1擋的風量，在不影響空調制冷性能的前提下，將1擋風量由160 m3/s調整至130 m3/s。表1為鼓風機風量調整對不同工況下車內噪聲的貢獻，圖10為鼓風機風量調整前后車內噪聲對比。

表1 鼓風機風量調整對車內噪聲的貢獻

空調鼓風機風量調整后，對比分析鼓風機獨立運行工況對車內噪聲的貢獻。如圖10(a)可以看出，車內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以上的寬頻帶內能量有較大幅度的下降。

圖10 鼓風機風量調整前后車內噪聲對比

3.3 空調壓縮機振動特性改善

主觀評價壓縮機啟動后，車內噪聲明顯增大，且車內存在明顯“咕嚕咕?！甭暤膯栴}。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，壓縮機高、低壓管振動明顯，振動通過管路向車身傳遞，進而引起車身振動向車內輻射噪聲。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果，發(fā)現(xiàn)壓縮機引起的車內噪聲問題可以得到明顯改善。圖11為壓縮機高、低壓管質量塊綁配位置。

圖11 壓縮機高、低壓管質量塊綁配位置

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

圖12 綁配質量塊后怠速空調開時車內噪聲頻譜圖

4 結束語

本文針對某MPV車怠速空調開啟工況車內噪聲偏大、聲品質較差的現(xiàn)象，通過研究車內噪聲的產生機理，運用獨立運行法、頻譜分析法等手段判斷出車內噪聲偏大、聲品質較差的原因是由于冷卻系統(tǒng)、空調系統(tǒng)(鼓風機、壓縮機及其附件)工作等因素引起。通過采取調整冷卻風扇動平衡量、調整冷卻風扇安裝位置隔振墊硬度、降低鼓風機風量、壓縮機高低壓管增加配重等方案，使得該車怠速空調開啟工況車內噪聲從49.9 dB(A)降至46.7 dB(A)，聲品質得到了明顯提升。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)及調校均具有一定的指導意義。