燃料電池公交車定置噪聲分析及降噪

曹精明

畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，工學(xué)碩士，現(xiàn)就職于濰坊內(nèi)燃機(jī)質(zhì)量檢驗(yàn)中心有限公司，任高級工程師，主要形究方向?yàn)檎駝优c噪聲控制。

摘" 要：由于燃料電池公交車在定置狀態(tài)下的噪聲較大，對車內(nèi)噪聲和車后噪聲以及相關(guān)振動數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻率分析和相干分析。分析表明，車內(nèi)噪聲主要是空壓機(jī)振動，通過車架等中間路徑，傳播到車內(nèi)，引起噪聲;車后噪聲則主要是空壓機(jī)噪聲通過空氣直接傳播，另外排氣口噪聲也對車后噪聲由較大影響。針對車內(nèi)噪聲和車后特點(diǎn)，分別采取對空壓機(jī)隔振和聲學(xué)包裹空壓機(jī)及其管路，優(yōu)化消音器等措施，車內(nèi)噪聲降低6.4dB（A），車后噪聲降低8.7dB（A）。

關(guān)鍵詞：燃料電池;空壓機(jī);噪聲;頻譜分析;相干分析

中圖分類號：U464.93" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2022）04-0069-06

Noise Analysis and Reduction of Fuel Cell Bus in Parking State

CAO Jing-ming1， GAO Wen-jin2， ZHANG Fu-liang2， WANG Yu-jie1

（1.Weifang Internal Combustion Engine Quality Inspection Center Co.， Ltd， Weifang 261061， China; 2.Weichai Power Co.， Ltd， Weifang 261061， China）

Abstract： Frequency of vehicle interior noise， vehicle rear noise and relative vibration was analyzed， about a fuel cell bus with big noise in parking state， and the coherence analysis of the signals was given. The result show that vehicle interior noise was caused by air compressor vibration transmitted to vehicle interior by some intermediate paths such as frame; vehicle rear noise mainly consisted of emission noise of air compressor and exhaust noise of fuel cell. Considering the noise feature， to isolate air compressor vibration， to wrap air compressor and its pipes and to optimize muffler have reduced vehicle interior noise by 6.4dB（A）， vehicle rear noise by 8.7dB（A）.

Key Words：" Fuel Cell; Air Compressor; Noise; Frequency Analysis; Coherence Analysis

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，燃料電池汽車具有效率高，污染小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，續(xù)航里程不低于內(nèi)燃機(jī)車，加氫成本也越來越低，燃料電池汽車越來越具有競爭力[1][2]。

燃料電池堆本身電能的轉(zhuǎn)化過程幾乎不產(chǎn)生振動，因此非常安靜，但維持燃料電池堆的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要一套復(fù)雜的溫度濕度和壓力的維護(hù)保障系統(tǒng)，這些維護(hù)保障系統(tǒng)有空氣壓縮機(jī)（簡稱空壓機(jī)），風(fēng)扇，泵，閥和管路等設(shè)備，從而產(chǎn)生了振動和噪聲[3][4]。國內(nèi)燃料電池車一般都同時匹配有動力電池作儲能和回收能量用途，在定置充電狀態(tài)，除了燃料電池系統(tǒng)會產(chǎn)生噪聲[5][6]，動力電池由于處于充電狀態(tài)發(fā)熱，其散熱系統(tǒng)也可能工作，從而產(chǎn)生噪聲。本文對某燃料電池公交車的定置充電，對其噪聲進(jìn)行測試，并進(jìn)行降噪研究。

1" " 整車噪聲及振動測試

燃料電池公交車定置充電狀態(tài)下，空壓機(jī)工作并為電堆提供進(jìn)氣，空壓機(jī)工作時壓縮空氣會產(chǎn)生振動，并輻射噪聲。電堆工作時需要將反應(yīng)后的空氣和水排出，會產(chǎn)生排氣噪聲[7] [8] [9]。

本文研究用的樣車，燃料電池的電堆與空壓機(jī)系統(tǒng)分開布置，二者通過橡膠進(jìn)氣管連接，整車大致結(jié)構(gòu)如圖1所示。空壓機(jī)為螺桿式，空壓機(jī)系統(tǒng)的安裝支架與車架之間采用金屬墊，接近剛性連接。因此空壓機(jī)所產(chǎn)生的振動會通過車架直接作用在車身板件上，容易引起車身板件振動并向車內(nèi)輻射噪聲。而空壓機(jī)壓氣噪聲，排氣噪聲會通過空氣傳播到車后以及車內(nèi)。

為采集全面的數(shù)據(jù)，布置麥克風(fēng)測點(diǎn)及振動測點(diǎn)如圖1。麥克風(fēng)為丹麥GRAS聲學(xué)傳感器，振動加速度傳感器為美國PCB傳感器。在車內(nèi)后排座椅處布置麥克風(fēng)測點(diǎn)1（下文車內(nèi)噪聲與后排座椅處噪聲同義），在空壓機(jī)上布置振動加速度傳感器測點(diǎn)2，在車架處布置振動加速度傳感器測點(diǎn)3，在后艙空間空壓機(jī)附近布置麥克風(fēng)測點(diǎn)4，在車后0.5米處及排氣口分別布置麥克風(fēng)測點(diǎn)5和麥克風(fēng)測點(diǎn)6。

采用Simcenter testlab數(shù)采系統(tǒng)采集振動與噪聲信號。

整車處于駐車充電狀態(tài)，燃料電池分別以5kW增加功率，一直到額定功率，每個功率穩(wěn)定1分鐘，記錄各個功率下的數(shù)據(jù)。期間動力電池散熱系統(tǒng)未啟動。

2" " 噪聲分析

分析燃料電池45kW狀態(tài)的數(shù)據(jù)，此時空壓機(jī)轉(zhuǎn)速為9120r/min。空壓機(jī)旋轉(zhuǎn)的基頻及其諧頻按公式（1）算出，可得轉(zhuǎn)頻為152 Hz。

f=i×（n/60），i=1，2，…，n" " " " （1）

公式（1）中：f 為頻率，Hz;n為空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min;諧波次數(shù)i為正整數(shù)。

螺桿式空壓機(jī)具有4條螺紋，則壓氣基頻及其諧頻按公式（2）算出，可得壓氣的基頻為608Hz。

f=4×i×（n/60），i=1，2，…，n" " " "（2）

式中各參數(shù)含義同公式（1）。

分析測點(diǎn)1車內(nèi)噪聲，測點(diǎn)2空壓機(jī)振動，測點(diǎn)3車架振動的頻譜，如圖2。

從頻譜圖上來看，噪聲能量主要集中在空壓機(jī)旋轉(zhuǎn)基頻（152Hz）及其倍頻（456Hz），壓氣基頻（608Hz）及其倍頻（1216Hz，1824Hz）處，車內(nèi)噪聲主要頻率與空壓機(jī)出氣口主要振動頻率，車架主要振動頻率高度一致。

分析各頻率下的空壓機(jī)振動能量與車內(nèi)噪聲大小，如圖3，在456Hz、608Hz、1216Hz下噪聲相對152Hz、1824Hz更大，對應(yīng)頻率下的振動能量也更大，體現(xiàn)出較明顯的相關(guān)性。

因此可初步判斷車內(nèi)噪聲的一條重要傳遞途徑是是——空壓機(jī)的振動傳遞到車身上，車身板件振動向車內(nèi)外輻射噪聲。

對比測點(diǎn)4空壓機(jī)輻射噪聲頻譜，如圖4，主要噪聲能量集中在1216Hz，2432Hz，（壓氣頻率的2倍頻及4倍頻），與車內(nèi)噪聲能量分布頻率有顯著的不同。

分析各頻率下噪聲大小，如圖5，608Hz下空壓機(jī)噪聲只比車內(nèi)噪聲高10dB（A）。152Hz、456Hz下空壓機(jī)噪聲能量甚至比車內(nèi)噪聲還低。這說明空氣輻射不是車內(nèi)噪聲的主要傳遞路徑。

對比測點(diǎn)4空壓機(jī)輻射噪聲頻譜，測點(diǎn)5車后0.5米噪聲頻率，測點(diǎn)6排氣口噪聲頻率，如圖6。車后0.5米最大噪聲是1216Hz，與空壓機(jī)輻射噪聲一致。另外，在300Hz～800Hz之間噪聲能量較大，而排氣口噪聲在該頻率范圍能量最大。這說明車后0.5米處噪聲會同時受空壓機(jī)輻射噪聲和排氣口噪聲影響。

3" " 相干分析

相干分析可以量化車內(nèi)噪聲、車后噪聲與噪聲源的相關(guān)性，因此對各測點(diǎn)的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步相干分析處理。

相干分析是在頻域內(nèi)描述激勵信號x（t）與響應(yīng)信號y（t）的相關(guān)性，反應(yīng)了信號y（t）中的頻率成分在多大程度上來源于信號x（t）。x（t）與y（t）相干系數(shù)

xy（ f ）定義如公式（3）：

（3）

式中：Sxy（ f ）為x（t）與y（t）的互功率譜;Sx（ f ）為x（t）的自功率譜;Sy（ f ）為y（t）的自功率譜。

xy（f）為無量綱，數(shù)值在0～1之間，數(shù)值越大則相關(guān)性越強(qiáng)，當(dāng)值為0時表示兩個信號完全不相關(guān)，當(dāng)值為1時表示兩個信號完全相關(guān)。

分別分析車內(nèi)噪聲如下三條傳遞路徑的相干性：

1. 空壓機(jī)振動（測點(diǎn)2）——車架振動（測點(diǎn)3）——車內(nèi)噪聲（測點(diǎn)1）;

2. 空壓機(jī)噪聲（測點(diǎn)4）——車內(nèi)噪聲（測點(diǎn)1）;

3. 排氣口噪聲（測點(diǎn)6）——車內(nèi)噪聲（測點(diǎn)1）。

車內(nèi)噪聲與各測點(diǎn)的相干系數(shù)見表1，由于車內(nèi)噪聲能量主要集中在152Hz，456Hz， 608Hz，1216Hz，1824Hz等頻率，故對比這幾個頻率下的相干系數(shù)。

由表1可知，測點(diǎn)1與測點(diǎn)2和測點(diǎn)3各個頻率下的相干系數(shù)均在0.85以上，而與測點(diǎn)4和測點(diǎn)6的相干系數(shù)均在0.4以下，這說明車內(nèi)噪聲的主要傳遞路徑是第1條，屬于結(jié)構(gòu)傳遞噪聲。

分析車后0.5米處噪聲與空壓機(jī)噪聲相干系數(shù)，如圖7，1216Hz左右相干系數(shù)為0.85，其它頻率下相干系數(shù)很小，說明車后0.5米處噪聲1216Hz主要由空壓機(jī)輻射噪聲貢獻(xiàn)。

分析車后0.5米處噪聲與排氣口噪聲相干系數(shù)，如圖8，在300Hz～700Hz范圍內(nèi)相干系數(shù)最大，在0.75～0.85之間，說明該范圍內(nèi)的噪聲能量主要由排氣噪聲貢獻(xiàn)。值得注意的是，在1216Hz附近相干系數(shù)為0.6，說明該頻率下的排氣噪聲對車后噪聲也有一定貢獻(xiàn)。

4" " 降噪驗(yàn)證

4.1" "車內(nèi)噪聲降噪

由于車內(nèi)噪聲主要是結(jié)構(gòu)傳遞噪聲，可通過改善結(jié)構(gòu)傳遞路徑來降低噪聲。分析發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)的原金屬隔振墊剛度大，隔振能力弱，振動容易通過隔振墊傳遞到車梁，車廂，激發(fā)車內(nèi)噪聲，因此改用橡膠隔振墊，降低傳遞率。

改進(jìn)前后的車內(nèi)噪聲曲線對比如圖9（縱軸每格為2dB（A））所示，30kW以上，隔振后車內(nèi)噪聲降低4.8dB（A）～6.4dB（A）。30kW以下，由于空壓機(jī)振動水平較低，降噪幅值在1dB（A）～2.5dB（A）之間。

分析45kW下，隔振改進(jìn)前后車內(nèi)噪聲頻譜，如圖10，各頻率下噪聲能量均顯著變?nèi)酢?/p>

改進(jìn)前后的后側(cè)0.5米噪聲曲線如圖11（縱軸每格為5dB（A））所示，隔振后，后側(cè)0.5m噪聲水平基本不變。

分析45kW下，隔振改進(jìn)前后車內(nèi)噪聲頻譜，如圖12，各頻率下噪聲能量幾乎不變。

進(jìn)一步驗(yàn)證車外噪聲以空氣輻射噪聲為主，可采取隔聲等措施降噪。

4.2" "車外噪聲降噪

4.2.1 空壓機(jī)輻射噪聲優(yōu)化

由于空壓機(jī)可以通過本體，與之相連的進(jìn)氣管，出氣管等產(chǎn)生噪聲輻射，因此依次用隔音棉包裹空壓機(jī)，中冷器及出氣管，進(jìn)氣管。

各次包裹的后側(cè)0.5m噪聲曲線如圖13（縱軸每格為5dB（A）），后側(cè)噪聲依次下降。下降最多的是包裹中冷器及出氣管，約2dB（A）。其次是空壓機(jī)，約1dB（A）。再次是進(jìn)氣管約1dB（A），總共下降4dB（A）左右。

包裹空壓機(jī)及其管路對車內(nèi)后排噪聲影響較小相差不超過1dB（A），如圖14（縱軸每格為2dB（A））。

4.2.2 排氣噪聲優(yōu)化

通過更換消音器對排氣噪聲進(jìn)行優(yōu)化，新消音器的排氣噪聲對比如圖15（縱軸每格為5dB（A））。新消音器消聲效果顯著優(yōu)于原消聲器，最大達(dá)到10dB（A）。

4.2.3 后側(cè)噪聲綜合降噪水平

采取包裹和消音器方案，后側(cè)噪聲各個功率下噪聲都有下降，降噪范圍在4dB（A）～8.8dB（A），如圖16（縱軸每格為5dB（A））。

4.3" "各測點(diǎn)總降噪量

后排座椅位置，排氣口，車后0.5米噪聲在各個功率下都不同程度減小，其中后排座椅位置最大降噪量6.4dB（A），排氣口噪聲最大降噪量10.2dB（A），車后0.5m噪聲最大降噪量8.7dB（A），如圖17：

5" " 結(jié)論

經(jīng)以上分析，得到結(jié)論如下：

（1）通過頻譜分析和相干分析確認(rèn)，后排座椅噪聲主要為空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)傳遞噪聲，后側(cè)噪聲主要為空壓機(jī)及其管路的空氣傳播噪聲和排氣噪聲;

（2）針對車內(nèi)噪聲特點(diǎn)，通過采用提高空壓機(jī)隔振率的措施降低車內(nèi)噪聲6dB（A）以上;

（3）對車后噪聲則采用聲學(xué)包裹空壓機(jī)及其管路和優(yōu)化排氣消音器等措施，車后噪聲降低8dB（A）以上。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動——理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]葉勝望，梁焱財(cái)，王霽宇等. 燃料電池汽車氫噴射噪聲分析及優(yōu)化[J]. 上海汽車，2017，（11）：3～5.

[3]韋開君，左曙光，吳旭東等. 燃料電池車用離心壓縮機(jī)窄帶嘯叫噪聲實(shí)驗(yàn)測試與分析[J]. 振動與沖擊，2017， 36（7）：14～19.

[4]李明，劉楠，韓鐵禮等. 燃料電池有軌電車?yán)鋮s裝置降噪設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報，2017， 36（7）：14～19.

[5]Sangwon Choi，Yongsug Tak，Jonghoon Kim. Noise Suppressed Output Voltage Comparison Based on Two Rules of the Mlwt and SC-Ulwt for a PEM Fuel Cell[J]. Meeting Abstracts，2017，MA2017-01（1）：86-86.

[6]左曙光，范珈璐，韋開君等. 燃料電池車用離心風(fēng)機(jī)噪聲特性試驗(yàn)分析[J]. 振動與沖擊，2014， 33（19）：181～186.

[7]周大為，左曙光，劉敬芳等. 燃料電池車用可調(diào)頻微穿孔消聲器試驗(yàn)研究[J]. 汽車工程，2019， 41（1）：80～85.

[8]E. A. Astafev，A. E. Ukshe，E. V. Gerasimova，et al. Electrochemical noise of a hydrogen-air polymer electrolyte fuel cell operating at different loads[J]. Journal of Solid State Electrochemistry，2018，22（6）：1839-1849.

[9]Sangkeun Ahn，Hyeongcheol Koh，Jongho Lee，et al. Dependence between the vibration characteristics of the proton exchange membrane fuel cell and the stack structural feature[J]. Environmental Research，2019，173：48-53.

專家推薦語

周" "正

國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（湖北）總工程師 研究員級高級工程師

本文對燃料電池公交車定置噪聲問題的分析比較細(xì)致，數(shù)據(jù)收集詳實(shí)，該文推薦的方法實(shí)用性較好，對相關(guān)車型的車內(nèi)噪聲問題分析和解決方法有很好的借鑒意義。