汽車空調箱鼓風機噪聲源識別的實驗研究

張 靜，王洪強，張繼鑫，吳貴超，覃旗開，鄭 東

（1.西南交通大學 機械工程學院，成都610031；2.先進驅動節能技術教育部工程研究中心，成都610031；3.南方英特空調有限公司，重慶401120)

隨著我國汽車產業的快速發展和人們生活水平的日益提高，對汽車的NVH 性能的要求也越來越高[1]。汽車空調箱作為汽車內部的重要部件，其振動噪聲水平對乘駕舒適性有重要影響。此外，對于目前處于快速發展的純電動、燃料電池新能源汽車而言，沒有了柴油（或汽油）發動機振動噪聲的掩蓋，其空調箱的噪聲將會尤為突出[2]。因此，對于汽車空調箱的噪聲產生機理、傳播路徑、以及控制技術的研究具有極其重要的意義。

李啟良等通過臺架試驗的方法對某車型空調系統氣動噪聲以及出風口分配量進行了研究[3]。N Humbad研究了適用于評估HVAC氣沖噪聲、鼓風機電機噪聲和執行器噪聲的車輛級和臺架噪聲測試方法，并提出了一種新的噪聲分析技術[4]。張筱璐等通過頻譜分析中的CPB 和FFT 分析方法,確定空調室內機異常噪聲的來源和頻譜特性與壓縮機相關，再通過聲強分析,對近場噪聲源進行準確定位[5]。盧喜等人運用分別運行法、頻譜法和聲強法分析了JSS-96 系列旋葉式汽車空調壓縮機噪聲的產生機理[6]。陳志勇等對汽車壓縮機系統進行了試驗診斷與分析,包括樣車摸底試驗、壓縮機安裝狀態的剛體模態試驗、壓縮機在消聲室中的臺架試驗等，最終確定了異常噪聲的原因[7]。

大量研究者對汽車空調箱氣動噪聲及壓縮機系統進行了實驗研究，但對汽車空調箱鼓風機噪聲源識別的研究較少。鼓風機是汽車空調箱的主要噪聲源[8]。其噪聲性能易被乘客直觀感受到，而與車輛的品質聲掛鉤。因此有效地控制汽車空調箱鼓風機噪聲是降低汽車噪聲的關鍵。要控制噪聲，首先必須找出其主要噪聲源，識別噪聲源傳播路徑。

本文結合相干分析法[9]、局部屏蔽法、以及聲壓法，利用頻譜分析確定異常噪聲頻譜特性[10]，進行識別噪聲源識別和傳播路徑分析，通過局部屏蔽法和聲壓法識別噪聲的產生機理，在此基礎上提出并驗證了空調箱鼓風機噪聲抑制方法。

1 基本測試原理

1.1 相干性分析

描述系統輸入或輸出的2個頻域信號的相關程度的時值函數就是相干函數。相干函數可以用來檢測頻響函數計算的有效性。在實際工程中，實測的輸入輸出兩者的相干函數通常都小于1，計算的有效性要求相應的相干函數值大于0.75。

本文是利用實驗測得的噪聲和振動信號進行相干分析，計算兩者的相干程度，從而確定噪聲源的位置。

常相干函數是相干函數的基礎，表達式為

式中：f為頻率；γij(f)為輸入信號Xi(f)和Xj(f)的常相干函數；H2ij(f)為輸入信號Xi(f)到Xj(f)的頻響函數；Gii(f)為輸入信號Xi(f)的自譜；Gjj(f)為輸出信號Xj(f)的自譜；Gij(f)為Xi(f)與Xj(f)的互譜[11]。

1.2 局部屏蔽法

由于被測體結構復雜，所以很難識別具體的噪聲傳播位置，所以采用隔聲材料或者隔振墊進行局部屏蔽，逐一檢測出噪聲源傳播路徑。通過聲壓法測出局部屏蔽后的被測體噪聲聲壓級，分析對比局部屏蔽前后的測試結果，識別出噪聲傳播路徑。

1.3 聲壓法

式中：

K1i——第i點，背景噪聲修正值；

N——測點數；

K2——環境反射修正值；

K3——溫度、氣壓修正值。

然后，根據上述結果再確定聲功率Lw：

式中：

Lw——A計權聲功率級，dB；

S——測量表面面積，m2；

S0——基準面積，S0=1m2。

聲壓法測試簡單高效，但受聲源及測試條件影響較大，因而實驗在消聲室中進行[12]。

2 空調箱噪聲源識別實驗系統

2.1 測試件結構

空調箱主要由分配箱、蝸殼、鼓風機等構成，其中鼓風機是空調箱噪聲的主要影響因素。本實驗在空調箱鼓風機額定工況下進行，其額定轉速為3 350 r/min，基頻為56 Hz。如圖1所示為實驗中用到空調箱殼體和永磁直流鼓風機，

圖1 蝸殼和永磁直流電機

2.2 測試環境

測量實驗在半消聲室中進行，實驗室滿足GB/T 3767-1996《聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級反射面上方近似自由場的工程法》要求的聲學性能。模擬整車環境將試驗汽車空調箱安裝固定在臺架上[13]，測量裝置在消聲室中的實物照片如圖2所示。

2.3 試驗儀器和測點布置

試驗采用LMS 數據采集系統，2 個傳聲器和若干個加速度傳感器，試驗所需器材見表1所示。

圖2 半消聲室內空調箱臺架試驗安裝圖

表1 實驗儀器

試驗參考行業標準JB/T 4330-1999《制冷和空調設備噪聲的測定》中規定，在空調箱前方左右方各布置一個傳聲器采集其噪聲信號，左側麥克風位置為測點1（與進風口較近），右側麥克風位置為測點2（與出風口較近），如圖3所示。

圖3 麥克風安裝位置

分別在進風口、出風口、電機布置振動傳感器，傳感器布置如圖4示，其中各傳感器方向在圖中標出。

3 實驗結果及分析

為了避免背景噪聲過大影響試驗結果，試驗之前需要對背景噪聲進行測試，測試聲壓級為28.5 dB（A）～29.8 dB（A），遠遠低于汽車空調運行的各個狀態的噪聲值，故測試結果真實可信，無需進行修正。

圖4 傳感器布置圖

圖5 各測點噪聲信號和振動信號對比圖

3.1 噪聲源識別

通過相干性分析法，利用上述搭建的實驗臺進行測試，測得到麥克風處的噪聲信號和進、出風口及電機的振動信號，如圖5所示。

由圖5（a）可以看出，出風口振動信號和噪聲信號在頻率在56 Hz 和664 Hz 同時出現峰值；頻率為56 Hz、664 Hz 時，出風口振動信號與噪聲信號相干性系數較高；由圖5（b）可以得到，進風口振動信號和噪聲信號在頻率在56 Hz、2 401 Hz和3 365 Hz同時出現峰值；頻率為56 Hz、2 401 Hz和3 365 Hz時，進風口振動信號與噪聲信號相干性系數較高；由圖5（c）可以得到，電機振動信號和噪聲信號在頻率在56 Hz、664 Hz和3 365 Hz同時出現峰值；頻率為56、664 Hz 和3 365 Hz，電機振動與噪聲信號相干性系數較高。

表1 各位置振動信號與噪聲信號相干系數

圖6 電機升速工況空調箱噪聲信號

由表1可以看出，電機振動信號與噪聲信號相干系數最大。并測得電機升速工況空調箱噪聲信號如圖6所示，圖中出現明顯的12 階、60 階的噪聲信號。綜上所述，可以得出12 階、60 階的噪聲是電機的電磁振動引起；但是并未具體證明噪聲是從電機如何傳播的，所以后面利用局部屏蔽法識別噪聲傳播路徑。

3.2 傳播路徑識別

3.2.1 加隔聲罩屏蔽法

為了驗證電磁噪聲是否從電機端蓋輻射出來，本實驗在電機端蓋（噪聲輻射面）處加裝橡膠隔聲罩（安裝時，隔聲罩與電機端蓋剛好接觸不對電機施加任何外力作用），并對比有無隔聲罩的實驗結果，判斷電機端蓋是否輻射噪聲。實驗裝置如圖7所示，實驗對比結果如圖8所示。

圖7 方案一電機端隔聲罩

由測試結果（圖8）可以看出，電機加上隔聲罩后12 階次、24 階次以及60 階次噪聲均明顯降低，因此這3 個階次的噪聲均是由電機產生，并通過電機端蓋輻射出來；

3.2.2 加硅膠墊片屏蔽法

為了抑制電機傳遞到空調箱的噪聲，本實驗通過在電機與蝸殼連接處加上硅膠墊片的方法來實現降噪，如圖9所示。實驗對比結果如圖10所示。

圖8 方案一測試結果

通過該實驗得出，12 階、60 階電磁噪聲不僅從電機端蓋輻射出來，也由電機傳遞給蝸殼所引起的局部結構振動而輻射出來。

所以可通過優化電機與其外殼的固定方式，抑制電磁噪聲。

圖9 電機與蝸殼連接處加硅膠墊片

圖10 方案二測試結果

4 結語

本文通過相干分析法、局部屏蔽法、以及聲壓法研究表明12、60階的噪聲信號和電機振動信號相干系數最大，且12、60 階的噪聲是由電機的電磁振動引起的。12階、60階電磁噪聲不僅從電機端蓋輻射出來，也由電機傳遞給蝸殼所引起的局部結構振動而輻射出來。對此，本文提出了一種電機與其外殼的固定方式，減少了電機傳遞給蝸殼所引起的局部結構振動，最終抑制了電磁噪聲的傳播。