渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)閥片敲擊音及聲品質(zhì)指標(biāo)研究

冀軍鶴，石緯緯，徐飛飛，易豐收

(南京奧特佳新能源科技有限公司 中央研究院，江蘇 南京 210000)

1 引言

渦旋式壓縮機(jī)由于體積小、噪聲振動(dòng)小等特點(diǎn)，在汽車(chē)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。隨著居民生活水平的提高，私家車(chē)越來(lái)越普及，同時(shí)空調(diào)壓縮機(jī)的搭載量得到日益提升。壓縮機(jī)作為車(chē)內(nèi)溫度調(diào)節(jié)裝置的核心零部件，工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲振動(dòng)不可忽視，嚴(yán)重時(shí)可引起車(chē)主投訴并造成索賠等一系列影響。

渦旋式壓縮機(jī)設(shè)有閥片，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)中心腔壓力逐漸升高，當(dāng)中心腔壓力高于背壓時(shí)，壓縮機(jī)開(kāi)始排氣；當(dāng)中心腔的體積達(dá)到最小時(shí)排氣結(jié)束，閥片進(jìn)而周期性的開(kāi)啟與關(guān)閉并產(chǎn)生“嗒嗒音”[1]。

針對(duì)某批市場(chǎng)返回機(jī)出現(xiàn)的“嗒嗒音”伴隨金屬敲擊感、主觀評(píng)價(jià)不可接受事宜，通過(guò)優(yōu)化加工工藝，將閥片底部?jī)商幤矫驺娖降姆绞娇刂屏饲脫舾?。最終，將噪聲原始信號(hào)聲壓級(jí)、復(fù)雜寬帶噪聲選取茲維克爾響度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)響度)及粗糙度與主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析[2]，由壓縮機(jī)輻射噪聲的頻譜特征可知，聲壓級(jí)與響度關(guān)聯(lián)性較好，但兩者均不能作為評(píng)價(jià)閥片敲擊音的聲品質(zhì)指標(biāo)；粗糙度是聲音受到幅值調(diào)制時(shí)的聲品質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)，其值越大表明調(diào)制程度越深，這里可作為“嗒嗒音”受到敲擊音調(diào)制的聲品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。

2 敲擊音問(wèn)題識(shí)別

2.1 噪聲信號(hào)采集

隨機(jī)抽取一臺(tái)返回機(jī)進(jìn)行臺(tái)架噪聲試驗(yàn)，以便確認(rèn)問(wèn)題是否復(fù)現(xiàn)。測(cè)試工況模擬實(shí)車(chē)：壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速1000 r/min，吸排氣壓力分別為絕壓0.28 MPa、1.6 MPa，吸氣溫度8.7 ℃，傳聲器布置在壓縮機(jī)后方1 m位置。

2.2 主觀評(píng)價(jià)及頻譜分析

待工況穩(wěn)定后，壓縮機(jī)運(yùn)行噪聲除正常的排氣“嗒嗒音”外、同時(shí)存在敲擊音。其他參數(shù)不變的情況下，調(diào)整吸氣溫度，發(fā)現(xiàn)敲擊音隨吸氣溫度增大顯得更難以接受。同樣的測(cè)試工況下，完成了正常抽檢機(jī)的噪聲信號(hào)采集與頻譜分析，如圖1所示為返回機(jī)與抽檢機(jī)的colormap對(duì)比，結(jié)果表明返回機(jī)頻譜存在典型的寬帶特征、且粗糙特征明顯。

圖1 返回機(jī)與抽檢機(jī)噪聲colormap對(duì)比

3 解決措施介紹及改善效果驗(yàn)證

3.1 機(jī)理分析

通過(guò)上述頻譜分析及主觀評(píng)價(jià)可知，本文研究的敲擊音伴隨排氣“嗒嗒音”周期性出現(xiàn)、且具有沖擊性質(zhì)，推測(cè)為排氣側(cè)零部件之間的配合撞擊引起。

圖2為排氣側(cè)結(jié)構(gòu)實(shí)物照片，排氣閥片根部靠螺栓及特殊膠水進(jìn)行固定，頭部靠自重對(duì)排氣孔進(jìn)行密封；限位器起到限制閥片行程的作用。當(dāng)壓縮機(jī)工作時(shí)，閥片受排氣孔排出氣體的沖擊力作用上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在特定條件下會(huì)產(chǎn)生敲擊支撐面或限位器的可能[4]。排除了敲擊限位器的可能性后，對(duì)支撐面處進(jìn)行分析驗(yàn)證。

圖2 排氣側(cè)實(shí)物照片

最終通過(guò)先目測(cè)后三坐標(biāo)測(cè)量的方法，鎖定了固定面與支撐面存在高度差是閥片產(chǎn)生敲擊支撐面的根源。如圖3所示，以毛坯面為參考平面，由于特殊的加工方式使得頭部支撐面始終高于根部固定面，導(dǎo)致在特定的質(zhì)量流量及流速條件下，產(chǎn)生閥片敲擊支撐面的可能。對(duì)比測(cè)量抽檢機(jī)與返回機(jī)此處的高度差，兩者分別為0.03 mm與0.15 mm。

圖3 高度差說(shuō)明照片

3.2 措施介紹及改善效果評(píng)估

通過(guò)改變加工方式，將支撐面與固定面(由兩個(gè)加工工序完成)優(yōu)化為一刀銑的方式控制了敲擊音的產(chǎn)生。對(duì)返回機(jī)按照此種方式加工后進(jìn)行上述試驗(yàn)，主觀評(píng)價(jià)表明“嗒嗒音”的敲擊感已察覺(jué)不到，處理前后噪音colormap對(duì)比如圖4所示，整個(gè)頻帶能量改善明顯。

圖4 返回機(jī)處理前后噪聲colormap對(duì)比

4 敲擊音聲品質(zhì)指標(biāo)研究

聲品質(zhì)指標(biāo)研究是通過(guò)客觀參數(shù)規(guī)范聲音的主觀可接受程度，根據(jù)聲音頻譜及主觀感受，選取合適的客觀參數(shù)與主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行對(duì)比分析，最終找到一種合適的客觀參數(shù)用于聲品質(zhì)指標(biāo)[5]。

4.1 客觀參數(shù)選取及關(guān)聯(lián)性分析

提取噪聲原始信號(hào)的聲壓級(jí)、響度與粗糙度作為分析對(duì)象，將其測(cè)試結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行對(duì)比分析。為了節(jié)約篇幅，這里僅列出了四組樣本的測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，分別是返回機(jī)、正常抽檢機(jī)、抽檢機(jī)(加抽)與返回機(jī)高度差銑平。

由圖5所示的聲壓級(jí)頻譜可知，噪聲能量主要集中在1～1.5 kHz左右，由等響曲線可知，人耳對(duì)于高頻噪聲1～5 kHz左右比較敏感[6]，故聲壓級(jí)與響度關(guān)聯(lián)性應(yīng)較好。

圖5 聲壓級(jí)頻譜圖

結(jié)合圖6聲壓級(jí)時(shí)域信號(hào)與圖7響度時(shí)域信號(hào)的測(cè)試結(jié)果可知，聲壓級(jí)最大的狀態(tài)為抽檢機(jī)(加抽)，其響度亦最大，反之亦然，這表明聲壓級(jí)與響度的關(guān)聯(lián)性與理論相符。

圖6 聲壓級(jí)時(shí)域信號(hào)

圖7 響度時(shí)域信號(hào)

如圖8所示為幾組樣本的粗糙度時(shí)域信號(hào)。由此可知，粗糙度最大的樣本為返回機(jī)，這表明它與響度及聲壓級(jí)關(guān)聯(lián)性較差。

圖8 粗糙度時(shí)域信號(hào)

4.2 主客觀相關(guān)性分析及聲品質(zhì)指標(biāo)建立

表1匯總了上述客觀參數(shù)的測(cè)試結(jié)果、高度差信息及主觀感受結(jié)果，以便更直觀分析客觀參數(shù)與主觀評(píng)價(jià)的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而選擇合適的參數(shù)作為聲品質(zhì)指標(biāo)。這里將主觀評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為5個(gè)刻度，分別為好、良好、一般、可接受、差，依次表示聲音可接受度降低。

由表1可知，聲壓級(jí)與響度雖關(guān)聯(lián)性較好，但無(wú)法客觀評(píng)價(jià)敲擊音的主觀感受；相反，粗糙度大小與主觀感受呈正相關(guān)性，表現(xiàn)為主觀感受越差、粗糙度愈大，且高度差愈大；反之亦然，這表明粗糙度可作為敲擊音的聲品質(zhì)指標(biāo)。抽檢機(jī)(加抽)的粗糙度為0.7Asper，噪聲主觀感受為可接受狀態(tài)。故內(nèi)部制訂以此水平作為敲擊音可接受的臨界狀態(tài)，當(dāng)粗糙度大于0.7Asper時(shí)不可接受。

表1 噪聲客觀參數(shù)與主觀評(píng)價(jià)一覽表

5 結(jié)語(yǔ)

(1)本文對(duì)市場(chǎng)返回機(jī)出現(xiàn)的異常敲擊音進(jìn)行研究，通過(guò)頻譜分析及三坐標(biāo)測(cè)量的方法，識(shí)別出閥片根部固定面與頭部支撐面的高度差是產(chǎn)生敲擊音的根本原因，優(yōu)化兩處加工面的加工工藝、將其高度差消除后敲擊音消失，主觀評(píng)價(jià)噪聲表現(xiàn)較好。

(2)對(duì)敲擊音的聲品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行研究，旨在建立此類(lèi)聲音的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范同類(lèi)聲音的可接受度。通過(guò)客觀參數(shù)與主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的分析方法可知，噪聲粗糙度大小與主觀感受關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，表現(xiàn)為噪聲粗糙度越大，高度差越大，主觀感受越差，因此可將粗糙度作為敲擊音的聲品質(zhì)指標(biāo)，內(nèi)部制訂當(dāng)粗糙度不大于0.7Asper時(shí)可接受。

(3)由壓縮機(jī)的噪聲頻譜分析可知，響度與聲壓級(jí)關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，但兩者無(wú)法同主觀感受建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(4)由于測(cè)量誤差及試驗(yàn)資源等原因，本文僅對(duì)高度差與粗糙度進(jìn)行了定性分析，而未對(duì)兩者的定量關(guān)系開(kāi)展研究。后續(xù)如有條件，可建立兩者的回歸模型，便于預(yù)測(cè)不同高度差范圍噪聲的主觀感受水平。