孫強(qiáng)，陳昌瑞，郭艷

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

NVH，即噪音(Noise)、振動(Vibration)、聲振粗糙度(Harshness)，通俗稱為乘坐的“舒適感”。 汽車空調(diào)運(yùn)行就不可避免地會帶來噪聲，且在汽車噪聲產(chǎn)生的諸多部位中，汽車空調(diào)系統(tǒng)是引起重大噪聲的部件之一。在主機(jī)廠的新車質(zhì)量研究中，空調(diào)系統(tǒng)噪聲問題已引起客戶廣泛關(guān)注，居于新車質(zhì)量問題Top10內(nèi)。因此，如何使汽車空調(diào)噪聲減小以達(dá)到消費(fèi)者的要求，是汽車設(shè)計(jì)者亟需解決的重要問題，也是提升現(xiàn)代汽車市場競爭的關(guān)鍵一環(huán)。

在汽車空調(diào)NVH設(shè)計(jì)中冷媒脈動會帶來的噪聲，對乘員艙舒適性產(chǎn)生影響。徐鑫莉[1]對斜盤式壓縮機(jī)氣動噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了闡述，由于吸進(jìn)氣過程是有間隔的，不連續(xù)就產(chǎn)生了氣流的波動，高速氣流噴射時與空氣激烈混合產(chǎn)生了噪聲。并通過在壓縮機(jī)排氣上增加消聲器改善排氣脈動噪聲。鄭淳允[2]在壓縮機(jī)吸氣口增加一個直徑 40mm，長度為 50mm的消音器消聲器，在（1250-2000）Hz噪聲降低明顯。

以上文章對脈動機(jī)理及消聲器設(shè)計(jì)未做闡述。本文擬對以上內(nèi)容做闡述，分析。

1 冷媒脈動產(chǎn)生的機(jī)理

汽車空調(diào)壓縮機(jī)不連續(xù)是脈動產(chǎn)生的主要原因之一，系統(tǒng)中吸氣管及排氣管中主要是氣體，液體管中主要是液態(tài)制冷劑，均屬于流體工質(zhì)研究范圍。流體工質(zhì)在管內(nèi)流動會產(chǎn)生紊流，而紊流中流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡雜亂無章，互相交錯，而且迅速地變化，流體微團(tuán)(旋渦渦體)在順流方向運(yùn)動的同時，還作橫向和局部逆向運(yùn)動，與它周圍的流體發(fā)生混摻。紊流流動是由大小不等的渦體所組成的無規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動，它的最本質(zhì)的特征是“紊動”，即隨機(jī)的脈動。它的速度場和壓力場都是隨機(jī)的。若取管路某一固定空間點(diǎn)來觀察，在恒定紊流中，x方向的瞬時流速ux隨時間的變化可以通過脈動流速儀測定記錄下來，其示意圖如圖1所示。

圖1 紊流的瞬時流

從圖1中可以看出，瞬時流速ux可以視為由時均流速與脈動流速兩部分構(gòu)成，即：

上式中是以AB線為基準(zhǔn)的，在該線上方時為正，在該線下方時為負(fù)，其值隨時間而變，故稱為脈動流速。當(dāng)縱坐標(biāo)是壓力時圖1可表示為壓力脈動圖。從以上分析可看出空調(diào)管路中的脈動是系統(tǒng)的固有屬性之一，不能完全消除，只能通過增加消聲器，增加管路直徑（降低制冷劑流速），降低管路內(nèi)壁面粗糙度等手段，措施，降低冷媒脈動。其中在壓縮機(jī)及管路中增加消聲器是常見應(yīng)用措施。

2 汽車空調(diào)常用消聲器簡介

消聲裝置通常被用來降低與內(nèi)燃機(jī)排氣管、高壓氣體或蒸汽排氣孔、壓縮機(jī)及風(fēng)扇相關(guān)的噪聲。消音器是阻礙聲音傳播而允許氣流順利通過的一種消聲裝置[3]。在汽車空調(diào)中應(yīng)用的消聲器主要有擴(kuò)張式消聲器、共振腔式消聲器（赫姆霍茲消聲器）和微穿孔板式消聲器。消聲器的聲學(xué)性能可以用傳遞損失、插入損失和末端降噪量等進(jìn)行評價，且其值的大、小代表聲學(xué)性能的好、壞，對于汽車空調(diào)系統(tǒng)中重點(diǎn)關(guān)注消聲量（TL）及頻率之間的關(guān)系，針對在不同頻段的噪聲選擇合適的消聲器。

2.1 擴(kuò)張式消聲器

擴(kuò)張式消聲器（圖 2）由一個擴(kuò)張腔和兩邊與之相連的的管道組成。它的設(shè)計(jì)原理是利用聲波在管道截面的突變，使得阻抗不匹配而使聲波發(fā)生反射從而引起噪聲量的減小。

圖2 擴(kuò)張消聲器示意圖

圖中S1為原聲學(xué)管道的橫截面積，S2為擴(kuò)張室的橫截面積，擴(kuò)張式消聲器的消聲量主要由擴(kuò)張室與原管道橫截面積的比值m決定，又稱擴(kuò)張比。簡單擴(kuò)張式消聲器的消聲量可表示為：

其中k表示波數(shù)，從中可以看出，對于指定的簡單擴(kuò)張式消聲器，不同頻率處其消聲量是不同的。

擴(kuò)張式消聲器還通常增加內(nèi)插管的，以提高其消聲性能（圖3）。

圖3 內(nèi)插管擴(kuò)張消聲器示意圖

擴(kuò)張式消聲器插入內(nèi)插管的傳遞損失可表示為：

2.2 共振腔式消聲器

共振腔式消聲器是由一個或若干密閉空腔通過小孔與管道相連而組成的，其基本原理為亥姆赫茲共振器。如圖4密閉空腔相當(dāng)于空氣彈簧，連接空腔與管道的小孔，其里面的空氣柱相當(dāng)于活塞，當(dāng)有聲波通過時，由于聲壓差的存在，氣體在空腔內(nèi)往復(fù)地進(jìn)行著膨脹與壓縮的過程，聲能在空氣與空氣、空氣與孔壁之間反復(fù)的摩擦過程中轉(zhuǎn)化成熱能，消耗掉了。共振腔式消聲器其頻率選擇特性特別明顯，只對共振頻率附近的頻率段有消聲效果（圖5），對其他頻率段消聲效果較差。

圖4 共振腔式消聲器示意圖

消聲頻率f，消聲量TL及其特性曲線如（c為聲速，Sc為短管截面積，V為消聲器容積，Sm為主管截面積，lc為短管長度，fr為消聲器的共振頻率）。

圖4 共振腔式消聲器消聲量示意圖

2.3 微穿孔板式消聲器

微穿孔板式消聲器借鑒了共振腔式消聲器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過在管道或薄板等結(jié)構(gòu)上鉆許多孔徑一般在小于微孔（圖5）。其具有高聲阻、低聲質(zhì)量的特點(diǎn)，使用雙層多存微穿孔板結(jié)構(gòu)可以達(dá)到更好的消聲效果。傳遞損失TL可表示（2-4）

圖5 穿孔管消聲器示意圖

其中G為傳導(dǎo)率，為n個小孔的傳導(dǎo)率之和，S為內(nèi)管的截面積；So為管壁上小孔的截面積；Sc為擴(kuò)張腔截面積；

3 汽車空調(diào)消聲器應(yīng)用實(shí)例

3.1 案例1：擴(kuò)張消聲器應(yīng)用

某車型在NVH測試過程中發(fā)現(xiàn)，怠速開空調(diào)狀態(tài)在181Hz有噪聲峰值。

圖6 怠速開空調(diào)噪聲頻譜

整車相關(guān)狀態(tài)參數(shù)見表1：

表1 整車狀態(tài)參數(shù)

對于旋葉式壓縮機(jī)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見圖 7，由定子，轉(zhuǎn)子，5個滑片組成。轉(zhuǎn)子截面為正圓形，氣缸內(nèi)表面為扁圓形的雙工作腔結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上開有5槽，滑片置于其中可來回滑動。當(dāng)發(fā)動機(jī)帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，由于離心力和背壓腔壓力的共同作用，滑片被甩出，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，容積大小周期變化。

圖7 旋葉式壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

壓縮機(jī)對應(yīng)脈動頻率：（800/60）×1.36×5×2=181.33 Hz，與測試的181Hz對應(yīng)，可確認(rèn)此頻率是由壓縮機(jī)激勵所導(dǎo)致。

在不改變傳動比及壓縮機(jī)的前提小，通過在系統(tǒng)中增加消聲器來消除脈動噪聲，擴(kuò)張消聲器在汽車空調(diào)中較為常用，本案例通過此消聲器給與解決。

樣件測試前選擇3款消聲器，見表2，

表2 消聲器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

圖8 消聲器樣品圖

按照（2-1）計(jì)算各消聲器的消聲頻率，曲線見圖9。

圖9 消聲器消聲量曲線

從圖中看出 3#消聲器消聲頻率及消聲量較好。選擇 3#消聲器裝在壓縮機(jī)排氣管中圖 10，優(yōu)化后的測試數(shù)據(jù)見圖11。

圖10 優(yōu)化后空調(diào)管

圖11 怠速開空調(diào)噪聲頻譜

經(jīng)測試181HZ基本無峰值，181Hz處的噪聲由優(yōu)化前的40dB（A），降低至28 dB（A）。滿足要求。

3.2 案例2：微穿孔消聲器的應(yīng)用

在汽車空調(diào)中通過擴(kuò)張式消聲器可以解決很大部分壓縮機(jī)脈動噪聲，但部分車型受空間布置限制等影響，應(yīng)用困難，因此，微穿孔消聲器也在汽車空調(diào)中有應(yīng)用，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可裝在空調(diào)橡膠管路中對空間基本無影響（圖12）。

圖12 汽車空調(diào)微穿孔消聲器

某車型在怠速開空調(diào)狀態(tài)有異音，經(jīng)測試異響頻率 117 Hz。整車狀態(tài)參數(shù)見表。

表3 整車狀態(tài)參數(shù)

壓縮機(jī)對應(yīng)脈動頻率：（800/60）×1.25×7=116.67Hz，與測試的117Hz對應(yīng)，可確認(rèn)此頻率是由壓縮機(jī)激勵所導(dǎo)致。

增加微孔消聲器測試見圖13：

增加微孔消聲器后，全頻段噪聲均有降低，主觀評價無異音。

圖13 噪聲對比測試

3 總結(jié)

本文介紹了冷媒脈動產(chǎn)生的機(jī)理，冷媒脈動是系統(tǒng)中的固有屬性之一，只能減弱，無法徹底消除。在汽車空調(diào)中通過消聲器的使用來降低系統(tǒng)脈動，介紹了幾種汽車空調(diào)中常用消聲器及消聲頻率計(jì)算，并通過兩個實(shí)際應(yīng)用案例降低了汽車空調(diào)脈動，消除異音。本文對冷媒脈動消聲器選擇上有參考借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐鑫莉.汽車空調(diào)壓縮機(jī)脈動噪聲產(chǎn)生的原因分析與解決方案,汽車零部件研究及開發(fā) 2012,10月（69-70）.

[2] 鄭淳允.汽車空調(diào)壓縮機(jī)引起車內(nèi)噪聲的解決方法,機(jī)電工程技術(shù)2010年第39卷第07期,（160-162）.

[3] 蔡克強(qiáng).汽車消聲器聲學(xué)性能分析研究,合肥工業(yè)大學(xué),2010.