基于快速診斷的空調系統引起車內異響研究

楊　誠，賴天華，周曉斌，孫煥坤，趙　毅

基于快速診斷的空調系統引起車內異響研究

楊誠，賴天華，周曉斌，孫煥坤，趙毅

（重慶大學 汽車工程學院，重慶 400044）

汽車空調系統是引起車內異響的主要原因之一，針對某款SUV汽車在開啟空調后車內出現明顯“嗚嗚”異響聲的現象，應用傳遞路徑分析和增量分析相結合方法進行快速診斷。在實車上進行噪聲測試分析，運用頻譜分析法和聲學互動濾波技術確定引起車內異響主要激勵源為空調系統的壓縮機；結合對異響傳遞路徑和增量綜合分析，快速確定車內異響主要輻射源為膨脹閥和蒸發器，并采取減振降噪措施，有效降低了車內所存在的異響，降噪效果達2.5 dB（A）。

聲學；快速診斷；車內異響；傳遞路徑分析；增量分析法；空調系統

隨著生活水平的不斷提高，人們對車內NVH性能的要求也越來越高，車內異響正逐步成為人們關注的對象。汽車空調系統作為汽車的重要組成部分，也是產生車內異響的重要原因之一。文獻［1-2］從理論上闡述了壓縮機振動噪聲的產生機理，文獻［3］就斜盤式壓縮機的振動噪聲特性進行了研究，文獻［4］對擺盤式壓縮機的振動噪聲進行研究，文獻［5］應用聲強法測試汽車空調產生的噪聲，文獻［6-7］研究壓縮機振動對車內噪聲的影響，文獻［8-10］采用傳統方法對汽車空調引起車內異響做了研究。

本文針對某款SUV汽車在開啟空調時車內出現“嗚嗚”的聲響，在實車上進行車內噪聲測試試驗與相關部件振動測試試驗，結合大量的試驗數據與理論分析，將一種快速的車內異響診斷的綜合方法運用到此款SUV汽車空調系統引起的車內異響分析中，可以大大減小時間成本，提高工作效率，為工廠解決實際問題提供了一種快速有效的手段。

1　車內噪聲測試分析

1.1車內異響頻譜分析

針對空調系統開啟時，車內具有明顯的“嗚嗚”的異響聲。根據GB-T18697-2002《聲學-汽車車內噪聲測量方法》，利用PULSE振動噪聲分析系統測定該車怠速工況下的噪聲頻譜，測量時在駕駛員右耳處布置麥克風。

如圖1所示，車內噪聲頻譜存在明顯峰值頻率，利用“聲學互動濾波”技術進行互動濾波識別異響頻率。分別設置好相應的頻帶衰減器，對原始時間信號進行濾波及濾波后的數據回放試聽，通過20位NVH工作者的試聽評價，有超過85%的人認為在207 Hz濾波后試聽，異響明顯減弱，聲音品質顯著改善。由此可以認為，該車異響噪聲的主要頻率在207 Hz附近。

圖1　怠速開空調時駕駛員右耳噪聲頻譜

1.2異響源的查找

該車空調系統壓縮機采用旋葉式壓縮機，其葉片數為5個，怠速時壓縮機轉速為1 250 r/min，根據轉頻公式求出其轉頻為20.83 Hz，不難發現異響頻率恰好在壓縮機10倍頻附近。因此，車內異響的激勵源可能是空調系統壓縮機。

為了明確該異響頻率是否與壓縮機有關，采用分別運行法進行試驗驗證。試驗采集行駛加速時車內噪聲，通過對比開關空調行駛加速車內噪聲彩色等高圖（圖2、圖3），發現不論空調開啟或是關閉，加速行駛車內噪聲在頻率200 Hz附近都有共振現象。進而確認車內噪聲異響是由共振引起的。

圖2　關空調加速行駛時車內噪聲彩色等高圖

圖3　開空調加速行駛時車內噪聲彩色等高圖

仔細對比圖2和圖3發現，空調開啟后車內噪聲在200 Hz處有增強的趨勢。經分析認為：空調壓縮機產生的工作頻率與結構共振頻率基本一致，從而使該結構共振更加明顯，使該單頻噪聲傳到車內。

2　傳遞路徑分析評估

當空調系統的壓縮機作為激勵源時，可把壓縮機引起車內異響的傳遞路徑簡化為壓縮機噪聲通過空氣直接傳到車內（傳遞路徑1）和空調制冷劑的壓力脈動或管路的結構振動導致車內異響（傳遞路徑2）兩種傳遞路徑。

2.1傳遞路徑試驗分析

針對壓縮機噪聲對車內異響的影響，采用B&K測試與分析系統，在壓縮機處與靠近防火墻的膨脹閥處布置麥克風，采集噪聲信號。通過總值分析、倍頻程分析對傳遞路徑1（壓縮機噪聲影響路徑）中防火墻的聲學性能進行評價，從而對傳遞路徑1進行評估。

如圖4和圖6示，分別對比開空調加速壓縮機和車內噪聲、膨脹閥噪聲與車內噪聲可以得出：車內噪聲的變化趨勢與壓縮機和膨脹閥噪聲的變化趨勢并不相同，說明壓縮機噪聲與車內異響聲并無直接關系。經過防火墻的吸聲、隔聲后，開空調加速情況下壓縮機處噪聲降低33 dB（A）以上，靠近防火墻的膨脹閥處噪聲降低29 dB（A）以上，說明防火墻具有很好的吸聲、隔聲性能。

圖4　開空調加速行駛時壓縮機噪聲和車內噪聲總值分析

利用1/3倍頻程進一步確定該異響頻率是否有可能通過空氣聲傳到車內。如圖5和圖7所示，在1/3倍頻程頻譜圖中可以發現：開空調加速過程中，在207 Hz附近經過防火墻的吸聲、隔聲作用后，壓縮機處噪聲降低24 dB（A）以上，膨脹閥噪聲降低18 dB（A）以上，說明防火墻對異響頻率聲能具有很好的吸聲、隔聲性能，進而表明該異響頻率不是通過空氣聲傳到車內。

圖5　開空調加速行駛時壓縮機噪聲和車內噪聲1/3倍頻程圖

圖6　開空調加速行駛時膨脹閥噪聲和車內噪聲總值分析

圖7　開空調加速行駛時膨脹閥噪聲和車內噪聲1/3倍頻程圖

綜上可以得出：車內異響并不是由于壓縮機噪聲經空氣聲傳入的，從而否定了傳遞路徑1。

2.2分別運行法對傳遞路徑2分析評估

利用分別運行法，分別采集拆除空調系統高低壓管前后加速行駛工況下車內噪聲。從拆掉高低壓管前后車內噪聲加速行駛譜陣，如圖3、圖8所示，可以看出車內仍存在200 Hz左右異響共振。因此，可以判定車內異響頻率為結構共振引起的，并非空調制冷劑的壓力脈動或管路的結構振動引起的，需要對振動傳遞路徑進一步分析。

圖8　拆掉高低壓管加速行駛車內噪聲聲彩色等高圖

3　增量分析法快速尋找空調系統共振部件

3.1增量分析法基本理論

對于線性單輸入單輸出系統，系統的輸入和輸出，由振動理論可得，在時域可以表示為

x（t）——系統輸入；h（t）——系統響應；y（t）——系統輸出。

在頻域可以表示為

x（f）——系統輸入；h（f）——系統響應；y（f）——系統輸出。

對式（2）兩邊取對數得對數功率譜

即ΔxdB=ΔydB，也就是說對于線性單輸入單輸出系統，對數功率譜的輸入的變化等于輸出的變化。

若輸入為振動加速度，而輸出為聲壓的變化，此處忽略振動物體本身發射聲音的條件（物體的大小、質量、材料內阻尼和邊界條件等）。測取的振動加速度常常轉化為振動速度，因為振動發出的噪聲大小與振動速度成正比，即振動速度級變化等于聲壓級變化，公式如下

式中p為聲壓，v為振動速度。

3.2增量分析法確定共振部件

增量分析法是基于線性單輸入單輸出系統而提出的。隨著工況的變化，分析某一頻率或所關注的某一頻帶的系統輸入與輸出的能量變化量是否相等。若相等則證明系統的輸出是由該輸入引起的，這就是單輸入單輸出的線性系統。

然而，通常將車內振動視為多輸入單輸出系統。基于對車內噪聲的頻譜分析與傳遞路徑評估，發現車內噪聲實為某一頻帶內的共振頻率，通過增量分析法可以快速地識別出異響輻射源。故把其假定為單輸入單輸出系統，進而可以通過公式（4）所述理論分析車內異響輻射源。選取的加速度測點有壓縮機排氣端、高壓管、膨脹閥管和膨脹閥四處。

增量分析可以進一步區分膨脹閥、膨脹閥管、高壓管等處對車內異響的影響程度。通常選取異響差異較大的兩種工況，在頻譜上的表現為兩種工況的異響峰值與頻段能量差異較大。鑒于環境溫度對車內異響具有較大的影響，分析的工況選為：常溫（25℃左右）、高溫（40℃左右）。因為振動速度級變化等于聲壓級變化，將采集的各點振動加速度轉化成振動速度，通過各點的振動速度譜分析異響頻率處的噪聲輻射源。

如表1所示，壓縮機車內噪聲、膨脹閥加速度、膨脹閥管加速度、高壓管加速度峰值和頻段能量在常溫和高溫時的變化。車內噪聲的峰值變化為2.9 dB（A），與之相近的為膨脹閥加速度2.1 dB（A）。車內噪聲異響頻段能量變化為2.9 dB（A），無與之相近測點。因此與車內噪聲關聯密切為膨脹閥。因膨脹閥與蒸發器安裝位置接近且都與駕駛室相通，因此車內異響輻射源確定為膨脹閥和蒸發器處發出的。

表1　常溫（25℃左右）、高溫（40℃左右）數據對比（單位：dB（A）

4　改進措施及應用

通過分析得出車內主要異響源是由膨脹閥及蒸發器的振動引起的，需采取減振降噪措施，如添加約束、黏貼阻尼材料等。采取黏貼減振膠墊的方法，能有效抑制膨脹閥與蒸發器的振動，從而減小其輻射的噪聲及對駕駛室內其它異響源的影響。

采集應用措施前后車內的噪聲信號，比較措施應用后的效果。圖9所示為膨脹閥、蒸發器添加減振膠墊前后車內噪聲頻譜，可以看出膨脹閥、蒸發器添加減振膠墊后車內噪聲異響峰值降低2.5 dB（A），異響頻段能量降低2.1 dB（A）。

圖9　改進前后車內噪聲頻譜

5　結語

針對某國產SUV開空調時產生“嗚嗚”的異響聲，綜合運用測試技術方法與數據處理手段快速確定異響的主要傳遞路徑。在此基礎上，把車內噪聲問題簡化成單輸入單輸出系統，運用增量分析法快速識別出主要噪聲輻射源，并對主要異響源進行減振降噪處理，處理前后異響峰值聲壓級降低2.5 dB（A），基本消除車內異響頻率，有效解決該車內異響問題。

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Study on Car InteriorAbnormal Noise Caused byAir Conditioning System Based on Rapid Diagnosis

YANGCheng，LAI Tian-hua，ZHOU Xiao-bin，SUN Huan-kun，ZHAOYi
（College of Mechanical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Automobile air-conditioning system is one of the subsystems of vehicles which can cause interior abnormal noise.For the obvious“whining”noise occurs in a SUV car when its air-conditioning system is on，transfer path analysis method and incremental analysis method are applied to rapid diagnosis.The noise test analysis is done in a real car.Utilizing the frequency analysis method and the acoustic interactive filtering technology，it is found that the main excitation source which induces the interior abnormal noise is the compressor of the air-conditioning system.With the noise transmission path and increment comprehensive analyses，it is found that the key radiation noise sources are the expansion valve and the evaporator.With the use of some vibration control measures，the interior abnormal noise of the car is reduced by 2.5 dB（A）.

acoustics；rapid diagnosis；interior abnormal noise；transfer path analysis；increment analysis；airconditioning system

TB533+.2

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.032

1006-1355（2016）03-0155-04

2015-12-08

中央高校基本業務費資助項目（106112013CDJZR13110047）

楊誠（1964-），男，湖北，博士，副教授，主要研究方向為汽車振動與噪聲控制。

賴天華，男，碩士生。E-mail：1170556915@qq.com