某純電動商用車怠速工況低噪聲設計

徐小紅　韋尚軍　郭葵　鄭偉光　施朝坤

【摘 要】針對某純電動商用車怠速工況噪聲大的問題，采用分部運轉法，確定主要噪聲源，并結合激勵源特性，分析噪聲源的頻率特性，為低噪聲設計提供理論及實驗依據。針對空壓機低頻窄帶噪聲，分別設計諧振腔、擴張室消聲器，降低進風口噪聲;并通過增加進氣引管，使聲源遠離駕駛室，進一步降低室內外噪聲;設計冷卻風扇四級調速，減少風扇啟動的占空比，降低怠速噪聲。測試結果顯示，采用噪聲優化方法及裝置后，噪聲明顯降低，效果明顯。

【關鍵詞】純電動商用車;怠速工況;空壓機噪聲;風扇噪聲

【中圖分類號】U463.46 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）07-0058-03

面對環境和資源的雙重壓力，具有清潔、能量轉換高效等優點的電動汽車已成為汽車發展的重要組成部分[1，2]，同時大力發展電動汽車對促進我國從汽車大國轉向汽車強國具有重要意義。隨著國內經濟的快速發展，商用車使用者對電動汽車性能提出了更多要求，其中噪聲與振動性能越來越受到關注，成為評價電動汽車品牌的重要指標[3]。電動汽車的噪聲問題并未隨內燃機消失而消失，沒有內燃機噪聲的掩蔽效應，電動汽車各個噪聲源對整車噪聲貢獻開始凸現，噪聲的覆蓋頻帶變寬，高頻噪聲也需要考慮[4，5]。基于以上現狀，具有良好噪聲性能的純電動商用車應運而生。

本文針對國內某型純電動商用車怠速工況下整車噪聲過大的問題，通過試驗分析與CAE仿真相結合的方法，找到目標電動商用車怠速工況下噪聲過大的根本原因，提出并驗證優化方案。結果表明仿真分析結果可靠、優化設計方案可行，達到預期的噪聲優化目的。

1 聲源分析

1.1 噪聲測試方案

針對目標電動商用車在怠速工況下的噪聲問題，以司機右耳處作為評價參考點，分析使用者最常用的兩種工況：原地怠速關空調/開窗和原地怠速開空調/關窗，均為啟動高壓狀態。監測點分別為駕駛員右耳、空壓機進氣口、空壓機（空壓機電機、空壓機左側與空壓機前部）與風扇處（見表1）。為增加噪聲試驗的數據準確性，隨機選取3輛同類型的電動商用車作為測試對象，試驗結果取其平均值。

對于電動車整車噪聲源診斷，可以采用分步運轉測試方法判斷各個噪聲源在整車總體噪聲中所占的比重，測試方案見表1。

若已知兩個聲源的總聲壓級為Lp和其中一個噪聲源單獨存在時的聲壓級為Lp1，則另外一個噪聲源單獨存在時的聲壓級Lp2可以通過如下公式算出：

1.2 噪聲測試結果

通過上述分布運轉法及聲級疊加原理，可得表1的測試結果。由表1可知：關空調/開窗狀態下，空壓機是室內噪聲的主要原因;空調在不同擋位下，駕駛室內噪聲主要成分不同，1擋是冷卻風扇噪聲;2擋是空調出風口與冷卻風扇噪聲;3擋和4擋是空調出風口噪聲。空調出風口的噪聲隨空調擋位增加。通過以上分析，確定影響車內噪聲的主要聲源是冷卻風扇、空壓機和空調出風口。

空壓機噪聲多由電機噪聲與壓縮機噪聲組成[6]：①電機噪聲由電磁噪聲、機械噪聲與空氣動力學噪聲組成;②壓縮機噪聲由旋轉噪聲和渦流噪聲組成。壓縮機工作時，葉輪周期性地擠壓周圍空氣，氣體分子相互撞擊引起空氣壓力脈動后以聲波形式向外輻射;氣流流經風機葉片時，在它的表面形成很多氣體渦流，當氣體渦流在葉輪界面上分離時，引起葉片上壓力的脈動，形成渦流噪聲。

風扇噪聲主要包括旋轉噪聲和渦流噪聲[7，8]。旋轉噪聲是旋轉葉片周期性擾動空氣，引起空氣的壓力脈動而發出噪聲;渦流噪聲是風扇旋轉時使周圍空氣產生渦流，并由黏滯力作用使之分裂成小渦流，渦流間分裂使空氣發生擾動，形成壓力波動，從而激發出噪聲。渦流噪聲通常為寬頻帶噪聲，當其振動頻率與葉片的固有頻率接近時會產生共振，使得噪聲增加。

該型式電動車冷卻風扇穩定轉速為4 100 r·min-1，對應1階頻率為68.3 Hz;空壓機穩定工作轉速為3 000 r·min-1，對應1階頻率為50 Hz。由表2風扇、空壓機、室內噪聲頻譜圖可得對應的頻率，進一步驗證了怠速時主要噪聲源為冷卻風扇與空壓機噪聲。

2 降噪設計

空壓機噪聲源具有激勵頻率低、呈窄帶線譜特性[9]，基于經濟性和可行性兩個方面考慮，對空壓機進氣口進行低噪聲設計。

2.1 低噪聲設計

2.1.1 諧振腔設計

諧振腔又稱為赫姆霍茲消音器，廣泛應用于進排氣系統，對于低頻噪聲有較好的抑制效果，其原理類似于結構中的動力吸震器，當激勵頻率與系統共振頻率重合時可得到較大的傳遞損失，諧振腔示意圖如圖1（a）所示。

諧振腔的共振頻率如下：

其中，f為消聲頻率;S為連接管截的面積;L為連接管的長度;V為諧振腔的容積;c為聲速。針對目標頻率f=100 Hz，設計諧振腔參數V=1 000 cm3，L=20.7 cm，S=7 cm2，c=340 m·s-1。

制作樣件在進風口初增加諧振腔如圖1（b）所示，通過測試對比，裝諧振腔后，室內外噪聲均降低3 dB左右[如圖1（c）所示]，空濾進氣口100 Hz降低22 dB，效果明顯[如圖1（d）所示]。

2.1.2 消聲器設計

擴張室型消聲器對低頻寬帶噪聲有較好的抑制效果，依據如下公式：

其中，m為擴張比，L1為擴張室長度，λ為波長。設計消聲器參數如下：進氣口直徑為15 mm，擴張室直徑為75 mm，擴張室長度為200 mm。制作樣件如圖2（a）所示，其理論傳遞損失如圖2（b）所示，圖2（c）為進氣口加裝消聲器實物圖，圖2（e）為加裝消聲器前后空濾進氣口噪聲對比。圖2（d）為安裝消音器后室內外噪聲測試結果，可以看出，加裝消聲器后，室內外噪聲均降低3 dB左右，空濾進氣口處空壓機旋轉噪聲明顯降低，效果明顯。

2.1.3 進氣口設計

通過增加進氣引管，使進氣口遠離駕駛室[如圖3（a）所示]，可進一步降低車內外噪聲[如圖3（b）所示]，可以看出空濾進氣口處的噪聲對室內外噪聲影響很大，能降低3～4 dB。圖3（c）為增加進氣引管后室內噪聲對比，在100 Hz和150 Hz兩處峰值處，噪聲有明顯的衰減。

2.2 冷卻風扇噪聲

針對冷卻風扇，噪聲與風扇轉速相關，轉速越高其風量、風壓越高，噪聲也相應越高。通過測試不同轉速下風扇的噪聲（見表3）可以看出，在低轉速時，風扇噪聲可以得到很好的控制。因此，可根據MCU和電機溫度范圍，設定相應的控制策略（見表3）。

3 結語

針對國內某型純電動商用車怠速工況下室內外噪聲過大的問題，對3輛同類型的電動商用車進行試驗，采集噪聲數據，進行頻譜分析，進行噪聲源定位與頻譜特性分析。根據噪聲源特性，提出相應的優化設計方案并進行實車噪聲試驗對比設計效果。得到以下結論。

（1）對于室內噪聲，關窗狀態下，壓縮機、風扇和空調口噪聲是主要聲源，開窗狀態下，風扇噪聲是主要原因;對于室外噪聲，風扇噪聲是主要聲源，其次是空壓機噪聲。

（2）對于空壓機進氣噪聲，通過加裝諧振腔、消聲器及進氣引管，對室內外噪聲改善效果明顯，降低3～4 dB。

（3）通過設置冷卻風扇四級調速，減少風扇啟動的占空比，在怠速工況下，風扇運行轉速為40%時，噪聲可降低4.5 dB。

參 考 文 獻

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