電動汽車空調系統振動噪聲分析

羅穎 許偉康 俞曉勇

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

在能源清潔和環境保護的雙重需求驅動下，電動汽車成為汽車發展的重要方向之一[1-2]。電動汽車與傳統燃油車相比，由于能源使用方式不同，其空調系統存在差異。傳統汽車空調系統以發動機輸出的機械能為驅動力，帶動開啟式空調壓縮機工作以實現制冷作用；電動汽車直接通過電池組為空調系統提供電能，帶動全封閉式電動壓縮機工作以實現空調系統制冷。與傳統燃油車相比，電動汽車空調系統制冷量不受汽車行駛速度的影響，可以更方便、精確地調節車內空氣溫度。但汽車空調系統在為乘客提供乘坐舒適性的同時，也是一個不可忽略的振動源和噪聲源[3-4]。電動汽車電機噪聲與傳統燃油車發動機噪聲相比有了明顯的降低，因此使得空調系統噪聲變得更加突出，尤其在汽車怠速或低速行駛時，空調系統噪聲成為電動車的主要噪聲源。文章從振動噪聲角度出發，分析了電動汽車空調系統的主要噪聲源，探討了電動汽車空調系統噪聲評價的一般方法與常用的空調系統噪聲識別技術，結合具體電動車空調系統研發，給出了空調系統振動噪聲的改善案例。

1 電動汽車空調系統噪聲源分析

電動汽車空調系統主要由電動壓縮機、冷凝器、蒸發器、冷凝風機、鼓風機、連接管路等部件組成。空調系統運行時的噪聲源主要包括兩大類：1）風機與風道噪聲，主要是冷凝器風機和空調箱鼓風機工作過程中產生的風噪，以及風機振動與振動傳遞引起的機械結構件振動噪聲；2）壓縮機振動噪聲，包括壓縮機工作時自身發出的輻射噪聲及壓縮機振動引起的結構件振動產生的噪聲。

1.1 冷凝風機噪聲

冷凝風機噪聲包括氣流噪聲和機械結構性噪聲。氣流噪聲主要由風機葉片切割空氣以及高速氣流流經結構件時引起的空氣紊流產生。風機葉片高速旋轉，產生周期性波動的氣體流動，氣體流動產生氣流噪聲；葉片切割氣流以及高速氣流遇到障礙物形成旋渦，產生湍流噪聲。氣流噪聲通常為寬頻噪聲，其噪聲值與風機轉速正相關。

風機運轉中如存在旋轉件動不平衡、軸承磨損、葉片剛性不足等，均會產生周期性不平衡力，導致風機自身的結構振動，產生機械結構性噪聲。風機振動通過連接部件傳遞給車架，引起車架相關零件的振動，帶來額外的結構振動噪聲。冷凝風機電機也會發出一定的電磁噪聲，但因電機功率小，電磁噪聲相較于其他聲源十分微弱，基本可以忽略。

冷凝風機氣流噪聲通常與風扇轉速、葉片形狀、葉片數量、扇葉直徑、風扇罩形狀等有關。機械結構性噪聲與電機轉子、葉片、軸承等運動件的平衡設計與加工質量有關。冷凝風機噪聲主要產生于車外，風機結構性振動至車內的傳遞路徑較遠，對車內噪聲影響較小。

1.2 鼓風機與風道噪聲

鼓風機負責將流經蒸發器的低溫氣體輸送至車內，實現車內降溫，鼓風機和風道是汽車空調箱的主要構成部分。鼓風機通過風道與車內直接連通，其噪聲可以直接被車內乘客感知，相較于冷凝風機，空調系統研發中對鼓風機的振動噪聲要求更高。

汽車空調系統的鼓風機多為離心風機，其有1 個高速轉動的轉子，轉子上的葉片帶動空氣高速旋轉，離心力使空氣在漸開形狀的機殼內沿著葉片流向出口。鼓風機轉速的變化造成氣體壓力的變化，風機葉輪壓出氣流、空調箱流道內氣體的渦流、進口氣流的紊流等都會產生噪聲。特別是氣體循環流動時，空調箱內吹出來的氣流又通過進風口送回空調箱，致使進氣噪聲增大。

當氣流流經空調箱風道時，風道內的隔板、風門、格柵，以及風道橫截面的變大或變小等，均會增大氣體的湍流，產生氣體湍流聲。由于空調箱風道結構復雜，以及調節氣流的風門結構種類繁多，氣流流經風道時產生的噪聲是空調系統重要的噪聲源之一[5-6]。此外，鼓風機運轉同樣會產生一定的機械結構性噪聲。

1.3 壓縮機振動與噪聲

壓縮機是制冷系統的動力源，也是最主要的噪聲源。一方面，壓縮機周期性地吸入、排出制冷劑，在壓縮機內部及制冷回路中形成周期性的壓力脈動與管道振動；另一方面，壓縮機內部電機轉子及其他旋轉部件的不平衡慣性力、閥片的啟閉拍擊、相對運動部件之間的摩擦等，使壓縮機自身產生較大的振動噪聲，同時壓縮機的振動和噪聲通過結構連接件傳遞到車內，影響駕乘人員的主觀感受。壓縮機振動噪聲及其傳遞路徑，如圖1 所示。

圖1 電動汽車空調系統壓縮機振動噪聲及傳遞路徑圖

2 電動汽車空調系統噪聲評價

汽車行駛中噪聲種類較多，包括胎噪、風噪、電機電磁噪聲等，空調系統噪聲相對不明顯，而在汽車怠速時，胎噪、風噪、動力電機噪聲基本消失，空調系統噪聲成為主要的噪聲源，因此汽車空調系統噪聲評測通常在怠速工況下進行，且以車內噪聲為主、車外為輔。

2.1 怠速工況空調穩定運行中的噪聲

怠速工況下車內相對安靜，駕駛員及乘客對空調運行噪聲十分敏感[7]。試驗室測試及評價怠速工況空調系統噪聲時，通過設定壓縮機、冷凝風機、鼓風機等的轉速來測試空調系統穩定運行時車內、外噪聲。

為更好地測評風機與壓縮機各自對車內噪聲的影響，通常設定壓縮機在低轉速運行，調節鼓風機擋位，評價不同擋位下鼓風機對車內噪聲的影響；設定鼓風機于最小風量擋位，切換壓縮機轉速，評價不同轉速下壓縮機對車內噪聲的影響。

車內噪聲可以采用駕駛員位置A 計權聲壓級評價駕乘人員的聽覺體驗，限定最高許用值；用轉向盤與座椅的振動值，反映駕乘人員的振動體感。亦可對電動壓縮機全部轉速下的車內振動噪聲進行掃描測試，識別共振轉速，優選振動小和噪聲低的轉速，減少壓縮機對車內振動噪聲的影響。

2.2 壓縮機啟動與停機過程中的噪聲

通常空調壓縮機啟動和停機過程的振動噪聲比穩定運行時大。壓縮機啟動和停機時間較短，通常在1 s或數秒鐘內完成，其產生的噪聲屬于典型的非穩態噪聲。對于非穩態噪聲，通常測量隨時間變化的聲壓級，限定啟停過程中的最大聲壓級，避免啟動和停機過程中噪聲過大。

由于人耳對聲音的感知尤其是瞬態變化聲音的感知非常復雜，除了常用的聲壓級評價指標外，也常引入聲品質評價方法，主要包括聲品質客觀參量分析與主觀評價。客觀參量分析主要通過一組心理聲學參數來量化人對聲品質的感受，常用的心理聲學參數有響度、尖銳度、抖動度、音調比等，采用心理聲學參數分析，可以定量地反映聽覺感受的差別；噪聲主觀評價是對聲信號進行主觀判斷與評價。在汽車空調系統噪聲評價中，最簡單的方法即為人員在現場測試聽聲，直接給出關于可接受程度的評價；對于非在線測評也可以采用數字人工頭對噪聲進行錄音，通過原聲回放對噪聲進行評價，達到與現場評價類似的效果。

3 電動汽車空調系統噪聲源識別技術

噪聲源識別主要是辨識重要噪聲源并對其特性加以測量，確定引起噪聲的主要原因和發出噪聲的主要部件。針對不同噪聲類別有不同的識別方法，電動汽車空調系統噪聲源識別中常用的方法分為3 類：1）簡易試驗方法，包括主觀判斷法、分離運行法等；2）噪聲信號處理技術，常用的包括頻譜分析法、階次分析法等；3）聲陣列技術，包括聲強測試技術、聲全息測試技術等。

3.1 簡易試驗方法

主觀判斷法，即通過個人主觀感知判斷噪聲的主要來源。它要求噪聲源識別者對于空調系統主要噪聲產生的原理有一定的了解，同時要有足夠的振動噪聲問題分析經驗。主觀判斷法不能定量地給出噪聲源的貢獻大小，對于存在多個噪聲源的情況，辨識難度大，對辨識者的辨識能力要求高。

分離運行法，即依次讓部件獨立運行，通過聲學測量與計算，判定各部件對空調系統總體噪聲的貢獻程度。分離運行法需要進行系統的試驗設計，評估部件分離運行與一體運行時的差異。但此方法不適用于部件不能獨立運行、部件之間存在振動噪聲強耦合的情況。

3.2 噪聲信號處理技術

頻譜分析法，以時域信號的頻域特性分析為基礎，通過時/頻域轉換，在頻域內獲得比時域更多、更豐富的噪聲特征信息。頻譜分析法包括自功率譜與互功率譜分析。自功率譜反映了噪聲信號的平均功率在各個頻率上的分布；互功率譜描述了2 個噪聲信號之間的關聯程度。

階次分析法，是針對周期性信號的倍頻特性提出的一種時頻分析方法。由于旋轉機械振動（如電動壓縮機轉子轉動、冷凝風機葉片旋轉等）的周期性，使得它在振動噪聲信號分析中應用廣泛。

3.3 聲陣列技術

聲陣列技術主要借助聲強測試、全息理論等，通過對離散空間點的噪聲測試來重構網格面上的噪聲分布，達到識別主要噪聲部件的目的。其包括聲強測試技術、聲全息測試技術等。

基于聲強法的聲陣列技術是通過將整個聲源面劃分成由多個小塊構成的網格，在各個網格節點上運用聲強探頭測量聲強值，經過插值與理論推算，得到不同頻率下整個聲源面的聲壓分布云圖，進而幫助判斷發出噪聲的主要部位與相關零件。

聲全息測試技術重點關注2 個面：1）貼近噪聲源的重建面；2）噪聲測試采樣面。聲全息測量時，直接測量采樣面上各采樣點的聲波幅值與相位信息，然后利用聲場傳播理論推算重建面上的聲場分布。聲全息技術根據具體分析理論與適用場合的差異，分為常規聲全息、近場聲全息和遠場聲全息等。

4 空調系統噪聲改進與試驗

4.1 振動噪聲測量分析

在某電動車樣車階段，測試該車怠速工況下駕駛員位置噪聲與轉向盤振動，評估空調系統振動噪聲水平，發現空調壓縮機在某些轉速下車內噪聲偏大，且主觀感覺轉向盤振動偏大、雙手緊握轉向盤時有輕微麻木感。振動噪聲測試數據，如表1 所示。

表1 某電動車樣車振動噪聲測試參數表

由表1 可知，在壓縮機轉速為4 000 r/min 時車內振動噪聲明顯偏大，初步懷疑原因為4 000 r/min 轉速附近壓縮機與車內振動傳遞路徑上的部件共振，據此對壓縮機全部轉速下車內振動噪聲進行掃描測試，得到車內噪聲-壓縮機轉速特性曲線，如圖2 所示。

圖2 某電動樣車車內振動噪聲-壓縮機轉速特性曲線圖

由圖2 可知，在4 200 r/min 處存在明顯的噪聲峰值，且通過監測空調壓縮機至車內振動傳遞路徑上各部件的振動，在轉速為4 200 r/min 時用于固定空調壓縮機的橫梁振動明顯，進而利用模態試驗確認該橫梁存在70 Hz 的固有頻率。

針對車內轉向盤振動整體大的問題，利用頻譜分析法查看發現，轉向盤主要振動大的頻率與壓縮機運行頻率相同，初步判定振動大的原因為壓縮機基頻振動向車內的傳遞。轉向盤減振可從減小振源激勵和降低振動傳遞2 個方向入手，其中控制振動源是解決NVH 問題最直接、最根本的方法，傳遞路徑上相關部件較多、設計變更難度大，文章從降低壓縮機振動激勵著手，解決轉向盤振動偏大問題。

4.2 空調系統設計改進

為了使壓縮機在常用的轉速頻率下避開其連接橫梁的固有頻率，設計了多種改進方案，以提高結構連接強度，并利用結構有限元仿真方法對改進方案進行模態分析，提升固有頻率。改進后的車內噪聲-壓縮機轉速特性曲線，如圖3 所示。

圖3 改進后某電動車內振動噪聲-壓縮機轉速特性曲線圖

在減小壓縮機振動激勵方面，主要進行了兩方面改進。1）優化壓縮機配重，減小旋轉不平衡慣性力。壓縮機轉動部件高速旋轉過程中，不平衡慣性力是導致壓縮機基頻振動的重要原因，對于以旋轉運動為主的電動汽車空調壓縮機，優化配重可以從設計源頭上減小不平衡慣性力激勵，降低振動。2）提高零件加工質量，減少因加工造成的動不平衡，主要包括提高電機轉子沖片磨具的精度，提升轉子動平衡水平，優化旋轉件的加工工藝，改用組合加工提高尺寸精度和位置精度，提高零件的一致性；減少零件加工中的裝夾次數，盡量一次裝夾，減少因零件加工導致的質心位置波動。壓縮機改進后，各使用轉速擋位下轉向盤振動測試數據，如表2 所示。從表2 可以看出，車內振動有了明顯的改善。

表2 某電動車壓縮機改進后振動測試參數表

5 結論

文章以電動汽車空調系統振動噪聲問題為研究對象，分別對風機與風道噪聲、壓縮機振動與噪聲的產生機理進行分析, 對于振動噪聲的評價方法進行了探討，得出：

1）解決傳遞路徑上的共振對于解決空調壓縮機的振動噪聲有較大貢獻；

2）減小振動源的激勵可以減小空調系統的振動噪聲，其中可以主要從解決壓縮機平衡配重、提高加工工藝及減小動不平衡的方向進行研究。