汽車空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲分析

趙玉壘 趙偉豐 劉二寶 解苗苗 陳明柱

（1.長城汽車股份有限公司，河北省汽車工程技術(shù)研究中心；2.雷沃重工股份有限公司）

汽車內(nèi)的噪聲水平已成為舒適性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。空調(diào)出風(fēng)口與駕駛室相連，暖通空調(diào)（HVAC）的噪聲直接進(jìn)入駕駛室內(nèi)，尤其是新能源汽車，由于沒有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的背景噪聲，空調(diào)噪聲成為車內(nèi)的主要噪聲源[1]。HVAC系統(tǒng)由進(jìn)氣殼體、空調(diào)箱、鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)道和出風(fēng)口組成，鼓風(fēng)機(jī)是主要噪聲源。伴隨著鼓風(fēng)機(jī)性能的提升，氣動(dòng)噪聲占主導(dǎo)的次要噪聲源（如風(fēng)道和出風(fēng)口）凸顯出來[2]。風(fēng)道存在不必要的凸起結(jié)構(gòu)、彎曲曲率設(shè)計(jì)不合理、截面突變等問題，出風(fēng)口也存在凹槽、末端截面突擴(kuò)、縫隙狹小等問題，這些均容易產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。因此，對(duì)風(fēng)道和出風(fēng)口的降噪研究具有現(xiàn)實(shí)意義，在設(shè)計(jì)階段預(yù)測空調(diào)系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲，可降低汽車開發(fā)成本與風(fēng)險(xiǎn)。文章以空調(diào)的吹面風(fēng)道和出風(fēng)口為研究對(duì)象，通過噪聲振動(dòng)試驗(yàn)測試以及頻譜分析，找出噪聲峰值的產(chǎn)生原因，利用計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)（CAA）對(duì)風(fēng)道和出風(fēng)口進(jìn)行仿真分析，找出噪聲源分布，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的合理性，為后期空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的試驗(yàn)和仿真優(yōu)化提供思路，達(dá)到降低氣動(dòng)噪聲的目標(biāo)。

1 氣動(dòng)噪聲的發(fā)聲機(jī)理

發(fā)出噪聲的聲源是振動(dòng)的物體，機(jī)械噪聲的聲源一般是受激振動(dòng)的固體，對(duì)于氣動(dòng)噪聲來說，聲源是不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的氣體。氣動(dòng)噪聲具有隨機(jī)的特征，是流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的非定常壓力脈動(dòng)，并以波動(dòng)形式向外傳播，在給定的條件下，氣動(dòng)噪聲的發(fā)聲過程具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性而并不具有動(dòng)力學(xué)規(guī)律性[3]。

1.1 氣動(dòng)噪聲的聲源分類

氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生有2種情況，一是自由流體運(yùn)動(dòng)相互間的作用力，另一種是氣固體間的相互作用[4]。文獻(xiàn)[5]中對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲控制進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，將電學(xué)分析問題的技巧應(yīng)用到氣動(dòng)噪聲中，針對(duì)氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，把氣動(dòng)噪聲的聲源分為單極子、偶極子和四極子聲源3種類型，如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)噪聲的聲源分類

單極子反應(yīng)的是流體單元體積膨脹或壓縮產(chǎn)生的聲源，可看成一個(gè)脈動(dòng)球（如圖1a所示），在球表面上每一點(diǎn)的聲壓幅值和相位均相同；偶極子反映的是作用在流體上的力產(chǎn)生的聲源，由2個(gè)距離很接近，相位差為180°的單極子構(gòu)成（如圖1b所示）；四極子反映的是湍流渦流產(chǎn)生的聲源，可看成2個(gè)相位不同的偶極子共同作用（如圖1c所示），由于軸向不同，四極子聲源可分為橫向四極子和縱向四極子2種。

在現(xiàn)實(shí)流體流動(dòng)過程中，聲源為單極子、偶極子和四極子噪聲的集合體，3種聲源的聲功率分別正比于馬赫數(shù)的4次方、6次方和8次方。在低速氣體的非穩(wěn)態(tài)流場中，出現(xiàn)單極子聲源，聲功率較小。當(dāng)氣體的流速較高時(shí)，固體邊界在流體上產(chǎn)生波動(dòng)表面壓力，產(chǎn)生偶極子聲源（如圖2所示）。當(dāng)氣體的流速更大時(shí)，由渦流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生噪聲，出現(xiàn)四極子聲源（如圖3所示）。

圖2 壁面上的噪聲源

圖3 風(fēng)道內(nèi)的渦流

在空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲分析中，風(fēng)道和出風(fēng)口的內(nèi)表面可看成是剛性的，因此單極子源噪聲近似為0；四極子源噪聲與偶極子源噪聲強(qiáng)度之比正比于馬赫數(shù)的平方，由于空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口內(nèi)氣體的速度較低，所以四極子源噪聲遠(yuǎn)小于偶極子源噪聲。因此汽車空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲研究主要是針對(duì)偶極子噪聲源的特性。

1.2 風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲頻率特性

空調(diào)的風(fēng)道和出風(fēng)口產(chǎn)生的噪聲復(fù)雜，由許多不同頻率的聲音復(fù)合在一起，需利用頻譜分析的方法找出噪聲源，并判斷噪聲傳播的路徑。

由于氣流經(jīng)過風(fēng)道和出風(fēng)口后，在這些結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面上產(chǎn)生偶極子聲源，其振幅在直線方向上與“邊界層厚度/半徑”呈線性關(guān)系[6]。在風(fēng)道和出風(fēng)口內(nèi)，管道截面突變（突擴(kuò)或突縮），因氣流分離產(chǎn)生渦流或旋流，形成局部阻力。壁面上的噪聲源和風(fēng)道內(nèi)的渦流，均產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。氣動(dòng)噪聲是一種寬頻噪聲，在很寬的頻域內(nèi)均有較強(qiáng)的聲壓值，頻率計(jì)算公式為：

式中：fi——?dú)鈩?dòng)噪聲的頻率，Hz；

St——斯特勞哈爾數(shù)，當(dāng)200＜Re（雷諾數(shù)）＜2×105時(shí)，St=0.2；

U——?dú)怏w與風(fēng)道表面的相對(duì)速度，m/s；

L——特征長度，即風(fēng)道的內(nèi)表面投影于垂直速度平面上的寬度，m；

i——諧波信號(hào)，i=1，2，3……。

2 風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲測試

風(fēng)道和出風(fēng)口的噪聲產(chǎn)生因素有很多，有氣體流動(dòng)引起的，也有風(fēng)道的振動(dòng)引起的。現(xiàn)階段，具備對(duì)空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲的仿真和優(yōu)化能力，分析結(jié)果能決定設(shè)計(jì)走向，但需要試驗(yàn)驗(yàn)證。在排除一些噪聲干擾因素的條件下，探索風(fēng)道和出風(fēng)口噪聲產(chǎn)生的原因是本測試的重點(diǎn)。

2.1 試驗(yàn)裝置

為了對(duì)風(fēng)道和出風(fēng)口的噪聲和振動(dòng)進(jìn)行量化分析，在消聲室內(nèi)搭建了專門的臺(tái)架[7]，如圖4所示。風(fēng)道和出風(fēng)口采用實(shí)車的系統(tǒng)件，低噪聲的風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)可提供不同風(fēng)量的氣流，消聲室的背景噪聲低于30 dB，在供風(fēng)管道內(nèi)加入穿孔板，既可均勻氣流，又可降低風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)對(duì)消聲室的噪聲影響。在供風(fēng)管道的外表面包裹鋁箔膠帶或阻尼膠，避免氣流的泄露，減小由管道振動(dòng)引起的噪聲。

圖4 汽車空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口氣動(dòng)噪聲測試臺(tái)架

采用4種不同的風(fēng)量，并用風(fēng)速儀測試出風(fēng)口的風(fēng)速。測試設(shè)備包括LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、1/2英寸傳聲器單元（ICP）、加速度傳感器、防風(fēng)球、BNC線等，用B&K標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)校準(zhǔn)器（1 000 Hz和114 dB）對(duì)傳聲器單元進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。采樣帶寬≥12 800 Hz，分辨率為1 Hz，輸出格式為線性自功率譜。消聲室內(nèi)的傳聲器位于出風(fēng)口前90 cm，這是實(shí)車的出風(fēng)口和主駕右耳之間的平均距離，并在各出風(fēng)口布置傳聲器單元。在空調(diào)風(fēng)道上布置加速度傳感器，并在距離加速度傳感器5 cm位置布置傳聲器單元。需注意，出風(fēng)口的氣體不直接吹向傳聲器單元。

2.2 噪聲的頻譜特性

空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的噪聲主要分布在≤2 000 Hz的中低頻，圖5示出房間內(nèi)和消聲室內(nèi)的噪聲頻譜曲線對(duì)比。從圖5可看出，消聲室內(nèi)的噪聲由離散噪聲和寬頻噪聲疊加而成，離散噪聲存在明顯階次，在基頻和倍頻處有較高的聲壓值。風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速N=1 195 r/min，風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)Z=15，所以葉片的旋轉(zhuǎn)特征頻率（基頻）f=NZ/60=299 Hz。基頻（299 Hz）和倍頻（597 Hz和897 Hz）剛好與圖5中的聲壓峰值相對(duì)應(yīng)，由此判斷，外房間的風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生離散噪聲，并通過管道傳到消聲室內(nèi)。通過軟件的回放和濾波，得出離散噪聲為消聲室內(nèi)空調(diào)臺(tái)架嘯叫和異響的主要原因。寬頻噪聲又稱為渦流噪聲，對(duì)應(yīng)風(fēng)道和出風(fēng)口內(nèi)的渦流分離頻率，從圖5可看出，除了離散噪聲產(chǎn)生的階次，寬頻噪聲在很寬的頻域范圍內(nèi)有較大的聲壓值。

圖5 房間內(nèi)和消聲室內(nèi)的噪聲頻譜對(duì)比

圖6 示出風(fēng)道內(nèi)氣流引起的噪聲和振動(dòng)頻譜曲線。從圖6可以看出，在300 Hz以下，房間內(nèi)的聲壓峰值和風(fēng)道的振動(dòng)峰值在相同頻率段，可判斷風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生的氣流引起風(fēng)道振動(dòng)，房間內(nèi)的噪聲傳入消聲室，并通過風(fēng)道在消聲室內(nèi)傳播；在300～1 000 Hz頻段內(nèi)，風(fēng)道振動(dòng)點(diǎn)附近的麥克風(fēng)有較多聲壓峰值，但房間內(nèi)不存在聲壓峰值，因此風(fēng)道和出風(fēng)口本身產(chǎn)生二次噪聲，并通過風(fēng)道和出風(fēng)口向外輻射。

圖6 風(fēng)道內(nèi)氣流引起的噪聲和振動(dòng)頻譜曲線

圖7 示出消聲室內(nèi)麥克風(fēng)的噪聲頻譜曲線。由圖7可知，在不同風(fēng)量下，風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)的風(fēng)機(jī)葉片基頻分別為 170，230，299，362 Hz，2 階倍頻和 3 階倍頻均存在明顯峰值。風(fēng)道和出風(fēng)口的頻率大于300 Hz時(shí)，存在較多的聲壓峰值，進(jìn)一步說明，消聲室內(nèi)的噪聲由離散噪聲和寬頻噪聲疊加而成，風(fēng)道和出風(fēng)口本身產(chǎn)生二次噪聲。

圖7 消聲室內(nèi)麥克風(fēng)的噪聲頻譜曲線

3 風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲仿真

采用試驗(yàn)方法研究氣動(dòng)噪聲要耗費(fèi)大量的人力和物力，而氣動(dòng)噪聲的仿真能捕捉流場細(xì)節(jié)，清楚顯示渦流的形成、發(fā)展以及破裂的過程，快速找到內(nèi)部噪聲源和研究噪聲輻射過程，對(duì)風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行定性分析和優(yōu)化。試驗(yàn)和仿真是2種不同的研究手段，兩者相輔相成。

3.1 仿真和試驗(yàn)的一致性

圖8示出試驗(yàn)和仿真的1/3倍頻的一致性對(duì)比。從圖8可以看出，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢吻合，在315 Hz處均出現(xiàn)聲壓峰值，一致性較好。利用風(fēng)速儀測試了各出風(fēng)口的風(fēng)速，并和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示，誤差在5%以內(nèi)。考慮到試驗(yàn)過程存在一定的測試誤差，并且在仿真過程中，對(duì)計(jì)算模型做了很多假設(shè)處理和簡化，因此誤差在合理范圍內(nèi)。可認(rèn)為，仿真模型運(yùn)用的方法合理，可用于后期指導(dǎo)風(fēng)道和出風(fēng)口的設(shè)計(jì)以及改進(jìn)工作。

圖8 風(fēng)道和出風(fēng)口產(chǎn)生噪聲的試驗(yàn)和仿真對(duì)比（1/3倍頻）

表1 出風(fēng)口位置的試驗(yàn)和仿真風(fēng)速對(duì)比m/s

3.2 風(fēng)道和出風(fēng)口的仿真分析

圖9示出出風(fēng)口附近的渦流分布圖。從圖9可以看出，該位置存在負(fù)壓區(qū)，氣體流速較大并伴隨著渦流的產(chǎn)生，渦流的強(qiáng)度是產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的重要原因。在風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)，盡量減少內(nèi)部的負(fù)壓區(qū)，消除渦流區(qū)，風(fēng)道平滑過渡，利于對(duì)壓損、風(fēng)量和噪聲的控制。

圖9 出風(fēng)口位置產(chǎn)生的渦流（瞬態(tài)計(jì)算）

寬頻噪聲能表示氣動(dòng)聲源向外輻射噪聲的強(qiáng)弱水平。圖10示出寬頻噪聲的聲功率云圖。

圖10 風(fēng)道和出風(fēng)口寬頻噪聲聲功率云圖

從圖10能清楚看到空間噪聲源的強(qiáng)弱分布。用Curle表面聲功率（面聲源）計(jì)算偶極子聲源產(chǎn)生的原因，可表示風(fēng)道或出風(fēng)口在流體上產(chǎn)生的波動(dòng)表面壓力。用Proundman聲功率（體聲源）可評(píng)估各向同性湍流產(chǎn)生的四極子噪聲源，說明渦流或旋流產(chǎn)生的噪聲。在風(fēng)道和出風(fēng)口的仿真分析過程中，寬頻噪聲常用來進(jìn)行方案的優(yōu)化和篩選，如果一個(gè)方案聲源的聲功率比另一個(gè)方案大，那么這個(gè)方案產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲就大。

4 結(jié)論

文章對(duì)空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了有效預(yù)測。在消聲室內(nèi)測試了不同風(fēng)量條件下的空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口噪聲特性，討論了試驗(yàn)臺(tái)架的噪聲源和噪聲輻射，并利用氣動(dòng)噪聲仿真方法，模擬了風(fēng)道和出風(fēng)口內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)和噪聲特性，試驗(yàn)值和仿真值的一致性較好，仿真方法能用于預(yù)測空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的噪聲水平。在汽車開發(fā)日程中，該方法可評(píng)估風(fēng)道和出風(fēng)口的幾何模型噪聲分布值，優(yōu)化設(shè)計(jì)并降低氣動(dòng)噪聲水平。后期，這種仿真方法可用于整個(gè)HVAC系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲預(yù)測，包括鼓風(fēng)機(jī)（用旋轉(zhuǎn)機(jī)械的計(jì)算模型）、空調(diào)箱以及駕駛室。