某車型空調(diào)箱聲品質(zhì)優(yōu)化與研究

王若明 鄧雨來 賀其富 邱祥宇 張亞國

摘? 要：從汽車行業(yè)IQS調(diào)查結(jié)果，可以看到用戶對于空調(diào)系統(tǒng)噪音的關(guān)注度逐步提高。在管控噪音的幅值的同時，對于聲品質(zhì)也應(yīng)引起關(guān)注。本文結(jié)合在開發(fā)某款車型空調(diào)時遇到的案例，從主觀及客觀測試上對故障進(jìn)行排查分析，通過對比測試達(dá)到改善聲品質(zhì)的目的，為后續(xù)項(xiàng)目的優(yōu)化改善提供了參考。基于上述優(yōu)化思路，在新車型新空調(diào)箱體開發(fā)時，需要關(guān)注空調(diào)箱體的音品質(zhì)，涉及到空調(diào)結(jié)構(gòu)需提前分析，評估是否存在大的壓降、回流、渦流等風(fēng)險，開展不同方案的分析測試對比，以達(dá)到更好的音品質(zhì)效果。

關(guān)鍵詞：空調(diào)箱;聲品質(zhì);集流器;防渦圈

中圖分類號：U463.85+1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：? ? ?文章編號：1005-2550（2018）05-0089-06

Optimization And Research On The Sound Quality Of HVAC

WANG Ruo-ming， DENG Yu-lai， HE Qi-fu， QIU Xiang-yu， ZHANG Ya-guo

（ Dong Feng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： From the IQS survey results of the automobile industry， it can be seen that users pay more attention to the noise of air conditioning system. While controlling noise amplitude， attention should be paid to sound quality. This paper in the development of the case， from the subjective and objective tests to stepwise screening analysis of fault， through different scheme contrast test， finally to achieve the purpose of improving the quality of sound， provides reference for the news. Based on the optimization， at the early stage of the development of HVAC， more attention should be concentrated to HVAC sound quality， specifically involves structure， require advance pertinence analysis， evaluation of whether there is a big pressure drop， the problem such as reflux， eddy current， as soon as possible to carry out the different plan contrast analysis and test， in order to achieve better sound quality effect.

1? ? 前言背景

某車型空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)時，整車主觀評價存在明顯的“隆隆”轟鳴音，嚴(yán)重影響乘員的舒適性。經(jīng)對空調(diào)箱體單體進(jìn)行測試評價，此異音仍然存在，該異音與空調(diào)系統(tǒng)或壓縮機(jī)是否運(yùn)行無關(guān)。經(jīng)對空調(diào)箱單體進(jìn)行不同工況下測試評估，發(fā)現(xiàn)該異音在某一狀態(tài)下尤為明顯，如下圖1。具體工況如下，吹腳除霜、全熱、外循環(huán)、風(fēng)量為8檔。

測量在該工況下的噪音分貝值為59dB（A），小于目標(biāo)要求64dB（A），異音在噪音分貝大小上沒有超標(biāo)，但其聲品質(zhì)很差，影響用戶的舒適性。

2? ? 原因分析及改善驗(yàn)證

2.1? ?初步排查

分析空調(diào)箱體噪音，首先需要了解汽車空調(diào)系統(tǒng)噪音的主要噪音源及表現(xiàn)。汽車空調(diào)系統(tǒng)的主要噪音源包括：氣流噪音、運(yùn)動機(jī)構(gòu)噪音、制冷劑流動噪音、振動與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[1]。

氣流噪音：主要是鼓風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇，風(fēng)機(jī)工作過程中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)烈的壓力脈動導(dǎo)致噪音。亦可解釋為，當(dāng)氣體與氣體、氣體與其他物體（固體或液體）之間做高速相對運(yùn)動時，由于粘滯作用引起了氣體擾動，就產(chǎn)生空氣動力性噪聲。空氣動力噪聲主要包括旋轉(zhuǎn)噪聲和旋渦噪聲，空調(diào)箱體的空氣動力性噪聲就是兩者互相疊加的結(jié)果[2]。

其他噪音形式及對應(yīng)表現(xiàn)如下：運(yùn)動機(jī)構(gòu)噪音，也稱為機(jī)械噪聲，主要是空調(diào)箱模式、冷暖、內(nèi)外循環(huán)、風(fēng)門連桿機(jī)構(gòu)、鼓風(fēng)機(jī)等所產(chǎn)生的噪音;制冷劑流動噪音，是由制冷劑通過膨脹閥內(nèi)部各種啟閉件時振動引起的;振動與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，空調(diào)零部件等安裝到整車后與整車振動模態(tài)、振型、應(yīng)力分布、安裝點(diǎn)受力情況分析。

根據(jù)噪音的主觀感受及初步拆解分析，排除運(yùn)動機(jī)構(gòu)噪音、制冷劑流動音、振動及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因素，鎖定原因?yàn)闅饬髟胍簦瑲饬髟胍舻谋憩F(xiàn)形式與噪音頻段關(guān)系如下表1。

2.2? ?測試分析

采用相同工況進(jìn)行單體臺架噪音測試，模擬測試駕駛員右耳噪音，測出該工況下的噪音、頻率、轉(zhuǎn)速之間關(guān)系。測試結(jié)果如下圖2，左圖為頻率-噪音圖，右圖為轉(zhuǎn)速-頻率圖。左圖中綠色線為實(shí)測結(jié)果，右圖亮線區(qū)域?yàn)檗Z鳴區(qū)域所在。

由圖分析可以看出，異音區(qū)域?qū)?yīng)的頻率集中在在104Hz、145Hz、196Hz三個位置，三個頻率點(diǎn)對應(yīng)位置，為噪音-頻率圖（a）中的波峰位置。同時，在轉(zhuǎn)速-頻率圖（b）中可以看出，轟鳴區(qū)域位置對應(yīng)的噪音階次為2階、3階、4階。

另外，鼓風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量為47片，如噪音是由于鼓風(fēng)機(jī)葉片所導(dǎo)致，則對應(yīng)的噪音階次與47成整數(shù)倍關(guān)系，實(shí)際在圖中可以看出，并無47階次噪音，因素排除。

空調(diào)箱體的空氣動力性噪聲，是旋轉(zhuǎn)噪聲和旋渦噪聲兩者互相疊加的結(jié)果。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時，在葉片出口處，沿著周向氣流的速度和壓力都是不均勻的，這種不均勻的氣流作用在蝸殼上，產(chǎn)生壓力隨時間的脈動噪音。噪聲產(chǎn)生機(jī)理與流動分離和旋渦密切相關(guān)，要改善優(yōu)化該噪音，需評估分析該鼓風(fēng)機(jī)+蝸殼結(jié)構(gòu)，針對性改善優(yōu)化流體分離及旋渦點(diǎn)。

一種文獻(xiàn)研究觀點(diǎn)，離心通風(fēng)機(jī)蝸殼寬度遠(yuǎn)大于葉輪出口寬度，氣流進(jìn)入蝸殼后不會立刻完全充滿進(jìn)口段的整個空間，氣流進(jìn)入蝸殼后擴(kuò)壓度變大，氣體從葉輪出口到機(jī)殼通道經(jīng)歷了減速擴(kuò)壓過程，導(dǎo)致二次流渦旋產(chǎn)生[3]。空調(diào)蝸殼結(jié)構(gòu)斷面如下圖3，左圖（c）（d）為文獻(xiàn)研究結(jié)果，在蝸殼寬度明顯大于葉輪出口寬度時，在集流器、葉輪前蓋、蝸殼之間會形成明顯渦流;通過增加防渦圈，能夠有效降低該區(qū)域渦旋的強(qiáng)度（e）（f），改善氣流流動均勻性。與未加防渦圈的風(fēng)機(jī)相比，加防渦圈后風(fēng)機(jī)，大尺度旋渦得到有效抑制、旋渦旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度明顯降低，內(nèi)部流暢更加均勻化[4]。

本車型蝸殼的結(jié)構(gòu)斷面如下圖4，通過實(shí)際斷面（g）和流場仿真（h）可以明顯看出，在集流器、葉輪前蓋、蝸殼之間明顯有氣流回流以及二次流渦旋產(chǎn)生。

另一種文獻(xiàn)研究觀點(diǎn)，氣流在風(fēng)機(jī)集流口流動時，會產(chǎn)生渦流及邊界剝離并形成低壓區(qū)，使得周圍的氣體聚集產(chǎn)生旋渦，下圖5。氣流流動主要分為三個階段：階段一為集流口喉部之前的漸縮平穩(wěn)段;階段二為氣流從集流口喉部到葉輪入口邊界分離，并在輪盤中心拐角處形成較大渦流;階段三是葉輪入口到出口，受第二階段影響明顯，見（i）（j）。優(yōu)化后的集流口，不僅使流動在漸縮段平穩(wěn)，而且在漸擴(kuò)段不再發(fā)生邊界層分離[5]。改善集流器流道，有助于改善流動損失。集流器用于將氣體導(dǎo)向多翼葉輪，一般將集流器做成圓弧外形或錐形，集流器設(shè)計好的風(fēng)機(jī)可使壓力系數(shù)最多可以提高一成左右[6]。通過改善集流口結(jié)構(gòu)，能改善葉輪內(nèi)氣流流動狀態(tài)，降低渦流及流動損失，見下圖（k）。

基于上述分析，集流口設(shè)計不好會產(chǎn)生渦流及邊界剝離，最終形成低壓區(qū)。對問題蝸殼內(nèi)流場仿真，可以通過圖5中（l）看出，在深藍(lán)色區(qū)域存在明顯的負(fù)壓區(qū)/低壓區(qū)，位置區(qū)域鎖定。

上述兩種觀點(diǎn)，在問題箱體中均存在，需要針對性的改善應(yīng)對。

2.3? ?方案制定

基于上述理論分析及仿真結(jié)果，參照上述研究結(jié)論，針對性增加防渦圈及集流器。

防渦圈結(jié)構(gòu)：在工程可行及使用安全范圍內(nèi)，涉及防渦圈相對葉輪前蓋的徑向間隙，以及防渦圈相對于葉輪前蓋出風(fēng)面（下圖中紅色虛線）的軸向間隙。考慮到不同區(qū)域的間隙，不同區(qū)域定義有所差異，詳細(xì)見下圖6。

不同角度區(qū)域間隙控制定義如下圖（m）：A區(qū)域考慮到葉輪偏擺，軸向間隙控制設(shè)計為-5mm（等于葉輪前蓋厚度），同葉輪邊緣平齊，如下圖（n），徑向?yàn)?.7mm;B區(qū)域徑向間隙2.7mm，軸向區(qū)域可能存在兩種趨勢，一種同葉輪出風(fēng)面平齊，如下圖（o），還有一種是高于出風(fēng)面，下圖（p）;C區(qū)域包含過渡區(qū)域及漸開區(qū)域，軸向間隙控制同B，漸開區(qū)域徑向間隙保持5mm;D區(qū)域涉及到同蝸舌的關(guān)系，有同蝸舌位置連接和不連接兩種差異，無間隙連接到蝸舌時采用漸開對接，有間隙時防渦圈與蝸舌間隙平均約5mm。E區(qū)域由于離蝸舌過近，無法布置防渦圈，結(jié)構(gòu)斷面如圖（q）。

集流器結(jié)構(gòu)：根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及文件研究結(jié)論，集流器設(shè)計為圓弧外形，優(yōu)先考慮負(fù)壓區(qū)域，內(nèi)徑相對于外徑內(nèi)收10mm，如下圖7中（r）與（s）差異。

2.4? ?測試驗(yàn)證

綜合上述影響因素，對影響因素進(jìn)行正交設(shè)計，并進(jìn)行主觀及客觀評價，詳見下表2。

根據(jù)主觀評價結(jié)果，挑選差異明顯的方案進(jìn)行客觀對比測試：原始方案、改善方案二、改善方案三，圖示結(jié)構(gòu)差異如下。

原始方案，圖8：無任何改善措施的原始方案，無防渦圈及集流器

改善方案二，圖9： 防渦圈高于出風(fēng)端面14mm，蝸舌位置無間隙，有集流器

改善方案三，圖10： 防渦圈與出風(fēng)端面平齊，蝸舌位置有間隙，平均約5mm，有集流器

主觀評價：空調(diào)箱體總成進(jìn)行單體主觀評價，相比原始方案“隆隆”轟鳴音，兩種改善方案均有不同的改善，但在音品質(zhì)上改善方案三更優(yōu)，在整車上主觀評價效果同單體一致。

客觀測試：臺架上測試對比改善效果，如圖11，從噪音-頻率圖上可以明顯看出，相對原始方案三個頻率點(diǎn)上，兩種改善均不同程度降低了該點(diǎn)的波峰，其中改善方案三更為明顯，改善幅值分別為15dB@104Hz，10dB@145Hz，8dB@196Hz。同時，在頻率-轉(zhuǎn)速圖上，兩種改善方案的亮線區(qū)域明顯弱化改善，改善方案二亮線區(qū)域仍存在，改善方案三亮線區(qū)域基本消去。

綜合主觀及客觀測試結(jié)果，改善方案三效果明顯，三個頻率點(diǎn)峰值明顯改善，轟鳴亮線區(qū)域明顯改善，主觀評價轟鳴基本消除，改善方案明顯可行。

3? ? 總結(jié)

本文結(jié)合在開發(fā)某款車型空調(diào)時遇到的實(shí)際案例，從主觀及客觀測試上，通過設(shè)計不同防渦圈及集流器方案，達(dá)到明顯改善聲品質(zhì)的效果。研究改善表明，防渦圈及集流器在改善氣流回流，以及優(yōu)化二次渦旋上改善明顯，集流器在優(yōu)化氣流改善負(fù)壓上效果明顯。基于上述優(yōu)化思路，在新車型空調(diào)箱體開發(fā)時，需關(guān)注空調(diào)箱體的音品質(zhì)，涉及到葉輪與蝸殼需針對性分析，評估壓降、回流、渦流等風(fēng)險，并開展不同方案對比測試，以達(dá)到更好的音品質(zhì)效果。

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