旋葉式汽車空調壓縮機的噪聲源識別

(牡丹江富通汽車空調有限公司 黑龍江 牡丹江 157000)

在汽車制冷系統中，空調壓縮機通常被認為是這個系統最重要的部分，其制冷劑能夠推動循環狀態。近年來，人們對汽車舒適性的要求越來越高，特別是對于空調壓縮機噪音的設計，以及當汽車處于空轉狀態時，人們對于噪聲控制的需求很高。從目前國內外汽車質量層面上來看，關于汽車空調壓縮機的噪聲產生問題非常普遍，但在這方面研究較少，主要采用實驗方法進行具體分析，空調壓縮機噪聲控制可以通過噪聲源識別和壓縮機特性分析來開發。

一、旋葉式空調壓縮機噪聲產生的機理

圖中所示的是壓縮機系統測試臺，其中包括電機和壓縮機，噪聲源包括氣流機械和電機噪聲。電動機噪聲包括脈動氣流和電磁噪聲，并且壓縮機在進氣和排氣以及滑動件之間產生沖擊，同時制冷劑引起機械和氣流噪聲。可以看出汽車空調壓縮機存在許多噪聲源，為了有效地降低這些噪聲，首先需要識別噪聲源。從電機噪聲的角度來看，主要是由于軸與軸承之間的滑動，電磁噪聲和由于部件摩擦引起的機械噪聲。電磁噪聲是由作用在轉子和定子之間的電磁力產生的脈沖力波和旋轉濾波器，并且通過氣隙產生振動。此外，噪聲輻射被稱為電磁噪聲，電機的諧波磁場，機器和由磁場產生的電磁力波的振幅頻率，并且定子的振動特性，包括機械阻抗的固有頻率，具有非常密切的關系。此外，還與電機聲學特征有一定的聯系。從機械噪聲的角度來看，主要是由旋轉機械系統的不平衡引起的噪聲和振動引起的。根據公式，fn= nf0= nN/60，其旋轉機頻率是轉子振動基頻的整數倍，當壓縮機處于工作狀態時，由于切割，敲擊諸如閥板之類的部件會導致爆破噪聲超過兩千赫茲。壓縮機中各種部件的相對滑動也可以產生這種摩擦噪聲，我們從氣流噪聲產生角度來看，在受到外界作用力的情況下，轉子旋轉過程中部件上的五個劃件受到油壓差和離心力的作用，劃件邊緣會附著在氣缸壁上。由于它是橢圓形的圓柱體，當轉子葉片旋轉時，它根據圓柱體的形狀而膨脹和縮回，這引起新月形體積的顯著變化，并實現諸如壓縮機的吸入和排出的各種功能。在壓縮機的抽吸過程中產生機械噪聲，并且氣流從進氣管進入吸氣室，進氣管又與一些劃線激勵的轉子碰撞，這產生噪聲。由于沒有設置吸氣閥，在吸氣中速度和氣壓較低，對滑片和轉子沖擊力較小，所產生噪音也相對較小。排氣噪聲是壓縮機能量大的噪聲源，比壓縮機噪聲更嚴重。排氣管沖入排氣管，形成復雜光譜和高能量的噪音。根據排氣中發生噪聲的因素，我們分析了排氣噪聲的成分。首先，有排氣壓力脈動和排氣口噴射噪音，閥件可以穿過氣流引起爆震或渦流噪聲。

二、壓縮機系統實驗研究

為了進一步分析旋轉葉片式空調壓縮機產生的噪聲，確定噪聲源和噪聲的原因，我們通過操作方法分離壓縮機和電機噪聲。根據噪聲譜結果，獲得壓縮機噪聲頻率，并且通過壓縮機表面的近場聲強找到表面噪聲輻射部分。在實驗過程中，由于電動機和壓縮機是一體化的，電動機噪聲會在一定程度上影響壓縮機噪聲測試。為了能夠準確地找到汽車空調壓縮機中的噪聲源，有必要識別電動機噪聲。我們可以運用去運行法分離電機和壓縮機這兩種噪聲，分析各自噪聲的頻率成分，從三個工況下進行電機，皮帶，壓縮機噪聲分離。具體包括電機噪聲測試為去掉電機皮帶，使電機處于空轉狀態，這種情況下，壓縮機不運行，可以認為產生的是皮帶和電機噪聲。當離合器關閉時，壓縮機返回運行狀態，此時存在壓縮機，皮帶和電機噪音。在這三種情況下，電動機速度等于壓縮機的正常工作狀態，所得到的頻率圖如下圖所示。

圖1 電機以及皮帶產生的噪聲頻譜圖

圖2 壓縮機工作狀態下噪聲頻譜圖

通過壓縮機的噪聲頻譜，我們可以知道當電機獨立運行時噪聲為71.93分貝。當處于4000赫茲以下時為白噪聲特征，沒有明顯的峰值，斷開離合器后，壓縮機噪聲值為73.35分貝，處于4000赫茲以下時沒有明顯噪聲分值。在正常情況下，壓縮機噪聲為81.88分貝，并且在4000 Hz以下存在顯著的峰值頻率，并且在這種情況下噪聲峰值頻率是進氣和排氣頻率的整數倍。此外，當壓縮機處于正常運行狀態時，產生的噪聲主要包括進排氣脈動噪聲，對不同轉速下進行壓縮機測試時，我們發現產生的噪聲也是進氣和排氣脈動噪聲，但轉速越高，噪聲就越大。該結果是與旋轉葉片機械系動聲學理論保持一致的。

為了能夠進一步驗證壓縮機主要噪聲來源，包括排氣和吸氣噪聲，以及這兩種噪聲所產生的貢獻大小，我們采用聲強法進行進一步的驗證。聲強法能夠準確進行聲源的定位，以及估算聲功率級，是當前使用比較普遍的噪聲來源識別方法。根據國際標準，待測壓縮機周圍有假想的矩形包絡面，網格點的數量應盡可能密集，測量點應盡可能包括一些主要的輻射部分。這種測量結果是比較好的，在實際測量過程中需要對壓縮機左側，后端，右側，頂面進行聲強測試，測量范圍為3 cm，網格大小為1.5 x1.5 cm，處于半消聲空間進行測試，本體噪聲為20分貝，頻率為100 Hz，使用聲強測試系統和聲強分析軟件進行測試。當壓縮機處于1000轉每分鐘時，聲強結果如下圖所示。

我們可以看到頂部聲強輪廓的聲強在總吸入口處相對較大，聲強達到70.5分貝，右聲強等高線慢慢收斂。主要是由于排氣口和右側排氣閥的影響，左右側聲強度輪廓的聲強集中在兩側的排氣閥上，輪廓線收斂得更快。吸入口左側的會聚很慢，表明主要噪聲源是吸入口，右側滑輪收斂緩慢。說明從整體上來看，皮帶輪也會產生一定的噪聲影響。此外，我們發現氣液分離器功率強大，其次是總排氣。

通過實驗分析，我們發現旋葉式汽車空調壓縮機噪聲包括電機，氣流和機械噪聲，由于汽車沒有電機驅動，因此可以忽略電機噪聲的影響。排氣噪聲占據主要部分，對整體噪音影響很大。還可以增加葉片的數量，改變排氣閥的噴嘴的形狀，并降低旋轉速度以實現噪聲控制。

小結

總而言之，我們通過對旋葉式汽車空調壓縮機進行噪聲源識別，利用聲強法以及運行法等，詳細分析了噪聲產生來源，為下一步有效控制旋葉式汽車空調壓縮機噪聲提供參考依據。