莊志勇，段傳學(xué)，劉肖，曹友強

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江寧波 315000）

0 引言

汽車空調(diào)噪聲是影響乘員舒適性的重要因素。隨著新能源汽車的盛行，由于發(fā)動機遮蔽效應(yīng)的缺失，空調(diào)噪聲占整個乘員艙噪聲的比重變大。國民對汽車品質(zhì)提升的需求，使空調(diào)噪聲開發(fā)也受到很大的挑戰(zhàn)，聲壓級不再是衡量噪聲優(yōu)劣的唯一標準，聲品質(zhì)也成了不可缺少的舒適性需求。

氣動噪聲是汽車空調(diào)的主要聲源，在設(shè)計階段通過數(shù)值模擬的方法可降低開發(fā)成本和風(fēng)險。學(xué)術(shù)界較為前沿的分析方法是計算流體力學(xué)與聲學(xué)相結(jié)合，早在1992年ICASE和NASA就確立了流體計算聲學(xué)的方法[1]，近年來也有關(guān)于汽車空調(diào)聲學(xué)仿真的報道[2-7]，但由于汽車空調(diào)內(nèi)部流道復(fù)雜，仿真和實測結(jié)果不一致是困擾其發(fā)展的主要因素。目前國內(nèi)對于汽車空調(diào)噪聲的開發(fā)，較為常用的方法是計算流體力學(xué)和實驗結(jié)合，通過分析空調(diào)箱和風(fēng)道內(nèi)部的瞬態(tài)流場、壓力和速度分量，進而優(yōu)化提高風(fēng)量和優(yōu)化風(fēng)量分配[8-12]，然后進行實驗驗證。目前國內(nèi)對空調(diào)噪聲研究較多，多集中在鼓風(fēng)機引起的電磁階次噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲以及氣動噪聲引起的寬頻噪聲[13-20]，但氣動噪聲引起的聲品質(zhì)問題關(guān)注較少。

本文針對某汽車空調(diào)開發(fā)過程中出現(xiàn)的聲壓級超標和聲品質(zhì)問題，采用整車實驗找問題-臺架實驗定位-模擬分析找點-實驗驗證確認的優(yōu)化方法，降低了整車噪聲，降低車內(nèi)空調(diào)氣動噪聲的同時，使聲品質(zhì)得到顯著提升。

1 實驗和虛擬結(jié)合的分析方法

1.1 整車測試分析確定問題

某車型在開發(fā)過程中開空調(diào)吹面模式噪聲聲壓級超標，且存在很嚴重的轟鳴聲。同時隨著檔位的增加，轟鳴聲變大，嚴重影響聲品質(zhì)，主觀評估不可接受。為解決問題，首先對整車進行了測試和分析。麥克風(fēng)測點位置在主駕右耳旁。測試時鼓風(fēng)機外接電源，車輛其他部件均不運行以排除其他因素，空調(diào)設(shè)定為吹面模式。噪聲的測試結(jié)果如圖1和表1所示。

表1 整車鼓風(fēng)機噪聲值

圖1 中3 條曲線分別代表鼓風(fēng)機在最高檔、中間檔和最低檔的噪音頻譜。最高檔的聲壓級超出目標值4 dB(A)。其中3 條頻譜上在190 Hz 附近均存在明顯的峰值，最高檔的峰值為49 dB(A)。經(jīng)濾波分析，確定此峰值頻率為轟鳴聲的主要影響頻段。對此頻段進行帶阻濾波減小其值，發(fā)現(xiàn)190 Hz 峰值在42 dB(A)以下，聲品質(zhì)才可接受。

圖1 整車HVAC 鼓風(fēng)機噪聲測試結(jié)果

1.2 臺架測試分析定位零部件

由于轟鳴聲和空調(diào)氣動部件相關(guān)，為了尋找轟鳴聲的原因，建立了HVAC 鼓風(fēng)機的臺架進行測試。首先對HVAC 鼓風(fēng)機進行臺架測試。麥克風(fēng)測點布置在出風(fēng)口斜上方1 m 的位置，進風(fēng)口施加與風(fēng)道相當(dāng)?shù)谋硥?，測試鼓風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速下的噪聲，測試臺架如圖2所示。

圖2 HVAC 臺架噪聲測試

單HVAC 鼓風(fēng)機不帶風(fēng)道帶背壓的測試結(jié)果如圖3所示?？偮晧杭墳?4.6 dB(A)，且頻譜沒有與整車測試結(jié)果相同的190 Hz 頻段，主觀評估也沒有轟鳴聲。因此確認HVAC 鼓風(fēng)機本體不是轟鳴聲的噪聲源。HVAC 鼓風(fēng)機和風(fēng)道一并在臺架上測試，測試背壓為單HVAC 的背壓減掉風(fēng)道的壓損。臺架測試結(jié)果如圖4所示，總聲壓級為65.3 dB(A)，存在190 Hz 的峰值，約為39 dB(A)，由于測試環(huán)境為半消聲室，與整車混響聲場環(huán)境有區(qū)別，導(dǎo)致峰值較小。但轟鳴聲的頻率特征存在，因此確認風(fēng)道是噪聲源。

圖3 HVAC 鼓風(fēng)機臺架噪聲測試結(jié)果

圖4 HVAC 鼓風(fēng)機和風(fēng)道臺架測試結(jié)果

1.3 風(fēng)道建模分析找問題點

為了找到鎖定風(fēng)道的問題點，對風(fēng)道進行CFD建模分析，通過流場查找并優(yōu)化問題。

邊界條件及求解設(shè)置[6]：假定固體區(qū)與流體區(qū)的物性參數(shù)為常數(shù)，流動為穩(wěn)態(tài)流動；忽略空氣的重力和溫度變化影響，設(shè)定空氣的密度和黏度；根據(jù)HVAC 實際風(fēng)量，設(shè)定入口流量為400 m3/h，出口為壓力出口；設(shè)空氣在風(fēng)道入口處的速度均勻分布，方向垂直于邊界，風(fēng)道出口處背壓為0。壓力-速度耦合采用Simple 方法，采用高雷諾數(shù)k-ε湍流式和壁面函數(shù)；湍流動能k和耗散率ε由經(jīng)驗公式計算確定；計算選擇二階迎風(fēng)格式標準k-ε湍流模型進行分析。

不可壓縮氣體、忽略重力和溫度影響的標準kε模型輸運方程為：

Gk表示平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能：

湍流黏度μt的計算公式為：

式中，C1ε、C2ε、Cμ、σk和σε采用默認值，C1ε=1.44、C2ε=1.92、Cμ=0.09、σk=1.0、σε=1.3；σk和σε分別為湍動能和湍動能耗散率的湍流普朗特數(shù)。

圖5所示為風(fēng)道數(shù)模，共4 個進口和4 個出口。局部網(wǎng)格如圖6所示，面網(wǎng)格約36 萬，體網(wǎng)格約280 萬。

圖5 風(fēng)道數(shù)模

圖6 風(fēng)道局部網(wǎng)格

流場計算結(jié)果如7所示。由圖7 可知，風(fēng)道中間出風(fēng)氣流風(fēng)速較高且氣流紊亂。中間風(fēng)道的出風(fēng)口頸部是問題源。

圖7 風(fēng)道內(nèi)部流速

1.4 風(fēng)道優(yōu)化方案確定

對中間風(fēng)道進行優(yōu)化，目標是降低風(fēng)道的內(nèi)部流速、總壓損和湍流動能。在造型不能改變、出風(fēng)口面積不變的前提下，對中間左右風(fēng)道進行并聯(lián)，中間風(fēng)道的改進結(jié)果如圖8 的綠色部分所示。重新對新風(fēng)道模型進行模擬計算，風(fēng)速場的計算結(jié)果如圖9所示。其內(nèi)部流速、總壓損和湍流動能均比原風(fēng)道有較大改善，新風(fēng)道和原風(fēng)道模擬結(jié)果對比見表2。由表2 可知，改進風(fēng)道的內(nèi)部流速、總壓損和湍流動能均得到9.2%以上的優(yōu)化提高。

表2 原風(fēng)道和改進風(fēng)道模擬結(jié)果對比

圖8 原風(fēng)道和改進風(fēng)道模型對比

圖9 改進風(fēng)道內(nèi)部風(fēng)速

2 改進方案實驗驗證

根據(jù)數(shù)值模擬提供的方案，制作風(fēng)道樣件在整車上進行實驗驗證。吹面模式最高檔的測試頻譜和聲壓級結(jié)果如圖10 和表3所示。結(jié)果顯示，風(fēng)道優(yōu)化后聲壓級降低3.8 dB(A)，基本達到設(shè)計目標，轟鳴聲頻段降低約9 dB(A)，主觀聲品質(zhì)得到顯著提升。圖11所示為風(fēng)道改進前后車內(nèi)風(fēng)量和噪聲對比，由圖11 可知，對改善后的風(fēng)道進行整車風(fēng)量測試，最大風(fēng)量提高10 m3/h，約2.5%，風(fēng)道優(yōu)化后，車內(nèi)噪聲平均改善了3.4 dB(A)。

圖10 風(fēng)道改進前后車內(nèi)最高檔聲頻譜對比

圖11 風(fēng)道改進前后車內(nèi)風(fēng)量和噪聲對比

表3 噪聲風(fēng)量測試優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)論

本文利用實驗和模擬相結(jié)合的方法，研究了汽車空調(diào)噪聲大和聲品質(zhì)差的原因，利用計算流體力學(xué)分析優(yōu)化了風(fēng)道的內(nèi)部流場，最終實驗驗證，車內(nèi)空調(diào)噪聲達標，聲品質(zhì)提高，得出如下結(jié)論：

1）影響汽車空調(diào)噪聲大小和聲品質(zhì)的主要頻率為190 Hz，對應(yīng)峰值小于40 dB(A)，主觀上才不被覺察；

2）風(fēng)道優(yōu)化后，風(fēng)速降低14.5%，湍動能降低9.2%，風(fēng)道紊流得到優(yōu)化；為風(fēng)道開發(fā)提供了一定的客觀指標；

3）風(fēng)道優(yōu)化后，壓力的損失由121 Pa 降低至109 Pa，實驗驗證風(fēng)量提高2.5%；

4）驗證優(yōu)化后的風(fēng)道，車內(nèi)空調(diào)最高檔噪聲優(yōu)化了3.8 dB(A)，轟鳴頻段的尖峰值降低9 dB(A)。