汽車空調消聲器的應用

2018-05-24 03:26:53孫強陳昌瑞郭艷

汽車實用技術 2018年2期

孫強，陳昌瑞，郭艷

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽合肥 230601）

引言

NVH，即噪音(Noise)、振動(Vibration)、聲振粗糙度(Harshness)，通俗稱為乘坐的“舒適感”。汽車空調運行就不可避免地會帶來噪聲，且在汽車噪聲產生的諸多部位中，汽車空調系統是引起重大噪聲的部件之一。在主機廠的新車質量研究中，空調系統噪聲問題已引起客戶廣泛關注，居于新車質量問題Top10內。因此，如何使汽車空調噪聲減小以達到消費者的要求，是汽車設計者亟需解決的重要問題，也是提升現代汽車市場競爭的關鍵一環。

在汽車空調NVH設計中冷媒脈動會帶來的噪聲，對乘員艙舒適性產生影響。徐鑫莉[1]對斜盤式壓縮機氣動噪聲產生機理進行了闡述，由于吸進氣過程是有間隔的，不連續就產生了氣流的波動，高速氣流噴射時與空氣激烈混合產生了噪聲。并通過在壓縮機排氣上增加消聲器改善排氣脈動噪聲。鄭淳允[2]在壓縮機吸氣口增加一個直徑 40mm，長度為 50mm的消音器消聲器，在（1250-2000）Hz噪聲降低明顯。

以上文章對脈動機理及消聲器設計未做闡述。本文擬對以上內容做闡述，分析。

1 冷媒脈動產生的機理

汽車空調壓縮機不連續是脈動產生的主要原因之一，系統中吸氣管及排氣管中主要是氣體，液體管中主要是液態制冷劑，均屬于流體工質研究范圍。流體工質在管內流動會產生紊流，而紊流中流體質點的軌跡雜亂無章，互相交錯，而且迅速地變化，流體微團(旋渦渦體)在順流方向運動的同時，還作橫向和局部逆向運動，與它周圍的流體發生混摻。紊流流動是由大小不等的渦體所組成的無規則的隨機運動，它的最本質的特征是“紊動”，即隨機的脈動。它的速度場和壓力場都是隨機的。若取管路某一固定空間點來觀察，在恒定紊流中，x方向的瞬時流速ux隨時間的變化可以通過脈動流速儀測定記錄下來，其示意圖如圖1所示。

圖1 紊流的瞬時流

從圖1中可以看出，瞬時流速ux可以視為由時均流速與脈動流速兩部分構成，即：

上式中是以AB線為基準的，在該線上方時為正，在該線下方時為負，其值隨時間而變，故稱為脈動流速。當縱坐標是壓力時圖1可表示為壓力脈動圖。從以上分析可看出空調管路中的脈動是系統的固有屬性之一，不能完全消除，只能通過增加消聲器，增加管路直徑（降低制冷劑流速），降低管路內壁面粗糙度等手段，措施，降低冷媒脈動。其中在壓縮機及管路中增加消聲器是常見應用措施。

2 汽車空調常用消聲器簡介

消聲裝置通常被用來降低與內燃機排氣管、高壓氣體或蒸汽排氣孔、壓縮機及風扇相關的噪聲。消音器是阻礙聲音傳播而允許氣流順利通過的一種消聲裝置[3]。在汽車空調中應用的消聲器主要有擴張式消聲器、共振腔式消聲器（赫姆霍茲消聲器）和微穿孔板式消聲器。消聲器的聲學性能可以用傳遞損失、插入損失和末端降噪量等進行評價，且其值的大、小代表聲學性能的好、壞，對于汽車空調系統中重點關注消聲量（TL）及頻率之間的關系，針對在不同頻段的噪聲選擇合適的消聲器。

2.1 擴張式消聲器

擴張式消聲器（圖 2）由一個擴張腔和兩邊與之相連的的管道組成。它的設計原理是利用聲波在管道截面的突變，使得阻抗不匹配而使聲波發生反射從而引起噪聲量的減小。

圖2 擴張消聲器示意圖

圖中S1為原聲學管道的橫截面積，S2為擴張室的橫截面積，擴張式消聲器的消聲量主要由擴張室與原管道橫截面積的比值m決定，又稱擴張比。簡單擴張式消聲器的消聲量可表示為：

其中k表示波數，從中可以看出，對于指定的簡單擴張式消聲器，不同頻率處其消聲量是不同的。

擴張式消聲器還通常增加內插管的，以提高其消聲性能（圖3）。

圖3 內插管擴張消聲器示意圖

擴張式消聲器插入內插管的傳遞損失可表示為：

2.2 共振腔式消聲器

共振腔式消聲器是由一個或若干密閉空腔通過小孔與管道相連而組成的，其基本原理為亥姆赫茲共振器。如圖4密閉空腔相當于空氣彈簧，連接空腔與管道的小孔，其里面的空氣柱相當于活塞，當有聲波通過時，由于聲壓差的存在，氣體在空腔內往復地進行著膨脹與壓縮的過程，聲能在空氣與空氣、空氣與孔壁之間反復的摩擦過程中轉化成熱能，消耗掉了。共振腔式消聲器其頻率選擇特性特別明顯，只對共振頻率附近的頻率段有消聲效果（圖5），對其他頻率段消聲效果較差。