某車型空調箱聲品質優化與研究

王若明 鄧雨來 賀其富 邱祥宇 張亞國

摘? 要：從汽車行業IQS調查結果，可以看到用戶對于空調系統噪音的關注度逐步提高。在管控噪音的幅值的同時，對于聲品質也應引起關注。本文結合在開發某款車型空調時遇到的案例，從主觀及客觀測試上對故障進行排查分析，通過對比測試達到改善聲品質的目的，為后續項目的優化改善提供了參考?；谏鲜鰞灮悸?，在新車型新空調箱體開發時，需要關注空調箱體的音品質，涉及到空調結構需提前分析，評估是否存在大的壓降、回流、渦流等風險，開展不同方案的分析測試對比，以達到更好的音品質效果。

關鍵詞：空調箱;聲品質;集流器;防渦圈

中圖分類號：U463.85+1? ? ? 文獻標識碼：? ? ?文章編號：1005-2550（2018）05-0089-06

Optimization And Research On The Sound Quality Of HVAC

WANG Ruo-ming， DENG Yu-lai， HE Qi-fu， QIU Xiang-yu， ZHANG Ya-guo

（ Dong Feng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： From the IQS survey results of the automobile industry， it can be seen that users pay more attention to the noise of air conditioning system. While controlling noise amplitude， attention should be paid to sound quality. This paper in the development of the case， from the subjective and objective tests to stepwise screening analysis of fault， through different scheme contrast test， finally to achieve the purpose of improving the quality of sound， provides reference for the news. Based on the optimization， at the early stage of the development of HVAC， more attention should be concentrated to HVAC sound quality， specifically involves structure， require advance pertinence analysis， evaluation of whether there is a big pressure drop， the problem such as reflux， eddy current， as soon as possible to carry out the different plan contrast analysis and test， in order to achieve better sound quality effect.

1? ? 前言背景

某車型空調系統開發時，整車主觀評價存在明顯的“隆隆”轟鳴音，嚴重影響乘員的舒適性。經對空調箱體單體進行測試評價，此異音仍然存在，該異音與空調系統或壓縮機是否運行無關。經對空調箱單體進行不同工況下測試評估，發現該異音在某一狀態下尤為明顯，如下圖1。具體工況如下，吹腳除霜、全熱、外循環、風量為8檔。

測量在該工況下的噪音分貝值為59dB（A），小于目標要求64dB（A），異音在噪音分貝大小上沒有超標，但其聲品質很差，影響用戶的舒適性。

2? ? 原因分析及改善驗證

2.1? ?初步排查

分析空調箱體噪音，首先需要了解汽車空調系統噪音的主要噪音源及表現。汽車空調系統的主要噪音源包括：氣流噪音、運動機構噪音、制冷劑流動噪音、振動與結構強度[1]。

氣流噪音：主要是鼓風機或風扇，風機工作過程中旋轉產生的強烈的壓力脈動導致噪音。亦可解釋為，當氣體與氣體、氣體與其他物體（固體或液體）之間做高速相對運動時，由于粘滯作用引起了氣體擾動，就產生空氣動力性噪聲。空氣動力噪聲主要包括旋轉噪聲和旋渦噪聲，空調箱體的空氣動力性噪聲就是兩者互相疊加的結果[2]。

其他噪音形式及對應表現如下：運動機構噪音，也稱為機械噪聲，主要是空調箱模式、冷暖、內外循環、風門連桿機構、鼓風機等所產生的噪音;制冷劑流動噪音，是由制冷劑通過膨脹閥內部各種啟閉件時振動引起的;振動與結構強度，空調零部件等安裝到整車后與整車振動模態、振型、應力分布、安裝點受力情況分析。

根據噪音的主觀感受及初步拆解分析，排除運動機構噪音、制冷劑流動音、振動及結構強度因素，鎖定原因為氣流噪音，氣流噪音的表現形式與噪音頻段關系如下表1。

2.2? ?測試分析

采用相同工況進行單體臺架噪音測試，模擬測試駕駛員右耳噪音，測出該工況下的噪音、頻率、轉速之間關系。測試結果如下圖2，左圖為頻率-噪音圖，右圖為轉速-頻率圖。左圖中綠色線為實測結果，右圖亮線區域為轟鳴區域所在。

由圖分析可以看出，異音區域對應的頻率集中在在104Hz、145Hz、196Hz三個位置，三個頻率點對應位置，為噪音-頻率圖（a）中的波峰位置。同時，在轉速-頻率圖（b）中可以看出，轟鳴區域位置對應的噪音階次為2階、3階、4階。

另外，鼓風機葉片數量為47片，如噪音是由于鼓風機葉片所導致，則對應的噪音階次與47成整數倍關系，實際在圖中可以看出，并無47階次噪音，因素排除。

空調箱體的空氣動力性噪聲，是旋轉噪聲和旋渦噪聲兩者互相疊加的結果。當葉輪旋轉時，在葉片出口處，沿著周向氣流的速度和壓力都是不均勻的，這種不均勻的氣流作用在蝸殼上，產生壓力隨時間的脈動噪音。噪聲產生機理與流動分離和旋渦密切相關，要改善優化該噪音，需評估分析該鼓風機+蝸殼結構，針對性改善優化流體分離及旋渦點。

一種文獻研究觀點，離心通風機蝸殼寬度遠大于葉輪出口寬度，氣流進入蝸殼后不會立刻完全充滿進口段的整個空間，氣流進入蝸殼后擴壓度變大，氣體從葉輪出口到機殼通道經歷了減速擴壓過程，導致二次流渦旋產生[3]?？照{蝸殼結構斷面如下圖3，左圖（c）（d）為文獻研究結果，在蝸殼寬度明顯大于葉輪出口寬度時，在集流器、葉輪前蓋、蝸殼之間會形成明顯渦流;通過增加防渦圈，能夠有效降低該區域渦旋的強度（e）（f），改善氣流流動均勻性。與未加防渦圈的風機相比，加防渦圈后風機，大尺度旋渦得到有效抑制、旋渦旋轉強度明顯降低，內部流暢更加均勻化[4]。

本車型蝸殼的結構斷面如下圖4，通過實際斷面（g）和流場仿真（h）可以明顯看出，在集流器、葉輪前蓋、蝸殼之間明顯有氣流回流以及二次流渦旋產生。

另一種文獻研究觀點，氣流在風機集流口流動時，會產生渦流及邊界剝離并形成低壓區，使得周圍的氣體聚集產生旋渦，下圖5。氣流流動主要分為三個階段：階段一為集流口喉部之前的漸縮平穩段;階段二為氣流從集流口喉部到葉輪入口邊界分離，并在輪盤中心拐角處形成較大渦流;階段三是葉輪入口到出口，受第二階段影響明顯，見（i）（j）。優化后的集流口，不僅使流動在漸縮段平穩，而且在漸擴段不再發生邊界層分離[5]。改善集流器流道，有助于改善流動損失。集流器用于將氣體導向多翼葉輪，一般將集流器做成圓弧外形或錐形，集流器設計好的風機可使壓力系數最多可以提高一成左右[6]。通過改善集流口結構，能改善葉輪內氣流流動狀態，降低渦流及流動損失，見下圖（k）。

基于上述分析，集流口設計不好會產生渦流及邊界剝離，最終形成低壓區。對問題蝸殼內流場仿真，可以通過圖5中（l）看出，在深藍色區域存在明顯的負壓區/低壓區，位置區域鎖定。

上述兩種觀點，在問題箱體中均存在，需要針對性的改善應對。

2.3? ?方案制定

基于上述理論分析及仿真結果，參照上述研究結論，針對性增加防渦圈及集流器。

防渦圈結構：在工程可行及使用安全范圍內，涉及防渦圈相對葉輪前蓋的徑向間隙，以及防渦圈相對于葉輪前蓋出風面（下圖中紅色虛線）的軸向間隙?？紤]到不同區域的間隙，不同區域定義有所差異，詳細見下圖6。

不同角度區域間隙控制定義如下圖（m）：A區域考慮到葉輪偏擺，軸向間隙控制設計為-5mm（等于葉輪前蓋厚度），同葉輪邊緣平齊，如下圖（n），徑向為2.7mm;B區域徑向間隙2.7mm，軸向區域可能存在兩種趨勢，一種同葉輪出風面平齊，如下圖（o），還有一種是高于出風面，下圖（p）;C區域包含過渡區域及漸開區域，軸向間隙控制同B，漸開區域徑向間隙保持5mm;D區域涉及到同蝸舌的關系，有同蝸舌位置連接和不連接兩種差異，無間隙連接到蝸舌時采用漸開對接，有間隙時防渦圈與蝸舌間隙平均約5mm。E區域由于離蝸舌過近，無法布置防渦圈，結構斷面如圖（q）。

集流器結構：根據項目經驗及文件研究結論，集流器設計為圓弧外形，優先考慮負壓區域，內徑相對于外徑內收10mm，如下圖7中（r）與（s）差異。

2.4? ?測試驗證

綜合上述影響因素，對影響因素進行正交設計，并進行主觀及客觀評價，詳見下表2。

根據主觀評價結果，挑選差異明顯的方案進行客觀對比測試：原始方案、改善方案二、改善方案三，圖示結構差異如下。

原始方案，圖8：無任何改善措施的原始方案，無防渦圈及集流器

改善方案二，圖9： 防渦圈高于出風端面14mm，蝸舌位置無間隙，有集流器

改善方案三，圖10： 防渦圈與出風端面平齊，蝸舌位置有間隙，平均約5mm，有集流器

主觀評價：空調箱體總成進行單體主觀評價，相比原始方案“隆隆”轟鳴音，兩種改善方案均有不同的改善，但在音品質上改善方案三更優，在整車上主觀評價效果同單體一致。

客觀測試：臺架上測試對比改善效果，如圖11，從噪音-頻率圖上可以明顯看出，相對原始方案三個頻率點上，兩種改善均不同程度降低了該點的波峰，其中改善方案三更為明顯，改善幅值分別為15dB@104Hz，10dB@145Hz，8dB@196Hz。同時，在頻率-轉速圖上，兩種改善方案的亮線區域明顯弱化改善，改善方案二亮線區域仍存在，改善方案三亮線區域基本消去。

綜合主觀及客觀測試結果，改善方案三效果明顯，三個頻率點峰值明顯改善，轟鳴亮線區域明顯改善，主觀評價轟鳴基本消除，改善方案明顯可行。

3? ? 總結

本文結合在開發某款車型空調時遇到的實際案例，從主觀及客觀測試上，通過設計不同防渦圈及集流器方案，達到明顯改善聲品質的效果。研究改善表明，防渦圈及集流器在改善氣流回流，以及優化二次渦旋上改善明顯，集流器在優化氣流改善負壓上效果明顯?；谏鲜鰞灮悸罚谛萝囆涂照{箱體開發時，需關注空調箱體的音品質，涉及到葉輪與蝸殼需針對性分析，評估壓降、回流、渦流等風險，并開展不同方案對比測試，以達到更好的音品質效果。

參考文獻：

[1]吳波.汽車空調系統開發過程中的噪音控制.汽車實用技術，2016，（1）：4-5.

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[3]李曉麗，楚武利等.防渦圈對離心風機性能的影響.機械科學與技術，2011，30（7）：1183-1186.

[4]王松嶺，雷泳等.電廠離心風機容積損失的數值分析.華北電力大學學報，第33卷第1期 2006，33（1）：60-63.

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