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汽車空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲分析

2020-05-06 21:15:00·  來源：汽車熱管理之家  作者：長(zhǎng)城汽車  
　
摘要：為了驗(yàn)證汽車空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，結(jié)合氣動(dòng)噪聲的發(fā)聲機(jī)理，在消聲室內(nèi)搭建臺(tái)架，氣流由風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)提供，在中間位置布置穿孔板用于消聲處理。
摘要：為了驗(yàn)證汽車空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，結(jié)合氣動(dòng)噪聲的發(fā)聲機(jī)理，在消聲室內(nèi)搭建臺(tái)架，氣流由風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)提供，在中間位置布置穿孔板用于消聲處理。分析了噪聲的傳遞過程，并對(duì)噪聲和振動(dòng)的特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)通過仿真分析，找出空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的噪聲源分布。仿真考慮了表面壓力脈動(dòng)的偶極子噪聲和空間渦流的四極子噪聲，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。這些方法為后續(xù)的空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口降噪優(yōu)化提供了解決思路和數(shù)據(jù)支撐。
汽車內(nèi)的噪聲水平已成為舒適性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。空調(diào)出風(fēng)口與駕駛室相連，暖通空調(diào)（HVAC）的噪聲直接進(jìn)入駕駛室內(nèi)，尤其是新能源汽車，由于沒有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的背景噪聲，空調(diào)噪聲成為車內(nèi)的主要噪聲源[1]。HVAC 系統(tǒng)由進(jìn)氣殼體、空調(diào)箱、鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)道和出風(fēng)口組成，鼓風(fēng)機(jī)是主要噪聲源。伴隨著鼓風(fēng)機(jī)性能的提升，氣動(dòng)噪聲占主導(dǎo)的次要噪聲源（如風(fēng)道和出風(fēng)口）凸顯出來[2]。風(fēng)道存在不必要的凸起結(jié)構(gòu)、彎曲曲率設(shè)計(jì)不合理、截面突變等問題，出風(fēng)口也存在凹槽、末端截面突擴(kuò)、縫隙狹小等問題，這些均容易產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。因此，對(duì)風(fēng)道和出風(fēng)口的降噪研究具有現(xiàn)實(shí)意義，在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)空調(diào)系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲，可降低汽車開發(fā)成本與風(fēng)險(xiǎn)。文章以空調(diào)的吹面風(fēng)道和出風(fēng)口為研究對(duì)象，通過噪聲振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試以及頻譜分析，找出噪聲峰值的產(chǎn)生原因，利用計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)（CAA）對(duì)風(fēng)道- 32 和出風(fēng)口進(jìn)行仿真分析，找出噪聲源分布，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的合理性，為后期空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的試驗(yàn)和仿真優(yōu)化提供思路，達(dá)到降低氣動(dòng)噪聲的目標(biāo)。
 
1 氣動(dòng)噪聲的發(fā)聲機(jī)理
發(fā)出噪聲的聲源是振動(dòng)的物體，機(jī)械噪聲的聲源一般是受激振動(dòng)的固體，對(duì)于氣動(dòng)噪聲來說，聲源是不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的氣體。氣動(dòng)噪聲具有隨機(jī)的特征，是流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的非定常壓力脈動(dòng)，并以波動(dòng)形式向外傳播，在給定的條件下，氣動(dòng)噪聲的發(fā)聲過程具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性而并不具有動(dòng)力學(xué)規(guī)律性[3]。
 
1.1 氣動(dòng)噪聲的聲源分類
氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生有 2 種情況，一是自由流體運(yùn)動(dòng)相互間的作用力，另一種是氣固體間的相互作用[4]。文獻(xiàn)[5]中對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲控制進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，將電學(xué)分析 Design- Innovation問題的技巧應(yīng)用到氣動(dòng)噪聲中，針對(duì)氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，把氣動(dòng)噪聲的聲源分為單極子、偶極子和四極子聲源 3 種類型，如圖 1 所示。
 
a 單極子
 
 b 偶極子
 
 c 四極子
圖1 氣動(dòng)噪聲的聲源分類
單極子反應(yīng)的是流體單元體積膨脹或壓縮產(chǎn)生的聲源，可看成一個(gè)脈動(dòng)球（如圖 1a 所示），在球表面上每一點(diǎn)的聲壓幅值和相位均相同；偶極子反映的是作用在流體上的力產(chǎn)生的聲源，由 2 個(gè)距離很接近，相位差為 180°的單極子構(gòu)成（如圖 1b 所示）；四極子反映的是湍流渦流產(chǎn)生的聲源，可看成 2 個(gè)相位不同的偶極子共同作用（如圖 1c 所示），由于軸向不同，四極子聲源可分為橫向四極子和縱向四極子 2 種。
在現(xiàn)實(shí)流體流動(dòng)過程中，聲源為單極子、偶極子和四極子噪聲的集合體，3 種聲源的聲功率分別正比于馬赫數(shù)的 4 次方、6 次方和 8 次方。在低速氣體的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)中，出現(xiàn)單極子聲源，聲功率較小。當(dāng)氣體的流速較高時(shí)，固體邊界在流體上產(chǎn)生波動(dòng)表面壓力，產(chǎn)生偶極子聲源（如圖 2 所示）。當(dāng)氣體的流速更大時(shí)，由渦流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生噪聲，出現(xiàn)四極子聲源（如圖 3 所示）。
 
在空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲分析中，風(fēng)道和出風(fēng)口的內(nèi)表面可看成是剛性的，因此單極子源噪聲近似為 0；四極子源噪聲與偶極子源噪聲強(qiáng)度之比正比于馬赫數(shù)的平方，由于空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口內(nèi)氣體的速度較低，所以四極子源噪聲遠(yuǎn)小于偶極子源噪聲。因此汽車空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲研究主要是針對(duì)偶極子噪聲源的特性。
1.2 風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲頻率特性
空調(diào)的風(fēng)道和出風(fēng)口產(chǎn)生的噪聲復(fù)雜，由許多不同頻率的聲音復(fù)合在一起，需利用頻譜分析的方法找出噪聲源，并判斷噪聲傳播的路徑。
由于氣流經(jīng)過風(fēng)道和出風(fēng)口后，在這些結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面上產(chǎn)生偶極子聲源，其振幅在直線方向上與“邊界層厚度 /半徑”呈線性關(guān)系[6]。在風(fēng)道和出風(fēng)口內(nèi)，管道截面突變（突擴(kuò)或突縮），因氣流分離產(chǎn)生渦流或旋流，形成局部阻力。壁面上的噪聲源和風(fēng)道內(nèi)的渦流，均產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。氣動(dòng)噪聲是一種寬頻噪聲，在很寬的頻域內(nèi)均有較強(qiáng)的聲壓值，頻率計(jì)算公式為：
 
2 風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲測(cè)試
風(fēng)道和出風(fēng)口的噪聲產(chǎn)生因素有很多，有氣體流動(dòng)引起的，也有風(fēng)道的振動(dòng)引起的?，F(xiàn)階段，具備對(duì)空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲的仿真和優(yōu)化能力，分析結(jié)果能決定設(shè)計(jì)走向，但需要試驗(yàn)驗(yàn)證。在排除一些噪聲干擾因素的條件下，探索風(fēng)道和出風(fēng)口噪聲產(chǎn)生的原因是本測(cè)試的重點(diǎn)。
2.1 試驗(yàn)裝置
為了對(duì)風(fēng)道和出風(fēng)口的噪聲和振動(dòng)進(jìn)行量化分析，在消聲室內(nèi)搭建了專門的臺(tái)架[7]，如圖 4 所示。風(fēng)道和出風(fēng)口采用實(shí)車的系統(tǒng)件，低噪聲的風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)可提供不同風(fēng)量的氣流，消聲室的背景噪聲低于 30 dB，在供風(fēng)管道內(nèi)加入穿孔板，既可均勻氣流，又可降低風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)對(duì)消聲室的噪聲影響。在供風(fēng)管道的外表面包裹鋁箔膠帶或阻尼膠，避免氣流的泄露，減小由管道振動(dòng)引起的噪聲。
 
采用 4 種不同的風(fēng)量，并用風(fēng)速儀測(cè)試出風(fēng)口的風(fēng)速。測(cè)試設(shè)備包括 LMS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、1/2 英寸傳聲器單元（ICP）、加速度傳感器、防風(fēng)球、BNC 線等，用 B&K 標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)校準(zhǔn)器（1 000 Hz 和 114 dB）對(duì)傳聲器單元進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。采樣帶寬≥12 800 Hz，分辨率為 1 Hz，輸出格式為線性自功率譜。消聲室內(nèi)的傳聲器位于出風(fēng)口前 90 cm，這是實(shí)車的出風(fēng)口和主駕右耳之間的平均距離，并在各出風(fēng)口布置傳聲器單元。在空調(diào)風(fēng)道上布置加速度傳感器，并在距離加速度傳感器 5 cm 位置布置傳聲器單元。需注意，出風(fēng)口的氣體不直接吹向傳聲器單元。
2.2 噪聲的頻譜特性
空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的噪聲主要分布在≤2 000 Hz 的中低頻，圖 5 示出房間內(nèi)和消聲室內(nèi)的噪聲頻譜曲線對(duì)比。從圖 5 可看出，消聲室內(nèi)的噪聲由離散噪聲和寬頻噪聲疊加而成，離散噪聲存在明顯階次，在基頻和倍頻處有較高的聲壓值。風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 N=1 195 r/min，風(fēng)機(jī)的葉片數(shù) Z=15，所以葉片的旋轉(zhuǎn)特征頻率（基頻）f=NZ/60=299 Hz。基頻（299 Hz）和倍頻（597 Hz 和 897 Hz）剛好與圖 5 中的聲壓峰值相對(duì)應(yīng)，由此判斷，外房間的風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生離散噪聲，并通過管道傳到消聲室內(nèi)。通過軟件的回放和濾波，得出離散噪聲為消聲室內(nèi)空調(diào)臺(tái)架嘯叫和異響的主要原- 34 因。寬頻噪聲又稱為渦流噪聲，對(duì)應(yīng)風(fēng)道和出風(fēng)口內(nèi)的渦流分離頻率，從圖 5 可看出，除了離散噪聲產(chǎn)生的階次，寬頻噪聲在很寬的頻域范圍內(nèi)有較大的聲壓值。
 
圖 6 示出風(fēng)道內(nèi)氣流引起的噪聲和振動(dòng)頻譜曲線。從圖 6 可以看出，在 300 Hz 以下，房間內(nèi)的聲壓峰值和風(fēng)道的振動(dòng)峰值在相同頻率段，可判斷風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生的氣流引起風(fēng)道振動(dòng)，房間內(nèi)的噪聲傳入消聲室，并通過風(fēng)道在消聲室內(nèi)傳播；在 300~1 000 Hz 頻段內(nèi)，風(fēng)道振動(dòng)點(diǎn)附近的麥克風(fēng)有較多聲壓峰值，但房間內(nèi)不存在聲壓峰值，因此風(fēng)道和出風(fēng)口本身產(chǎn)生二次噪聲，并通過風(fēng)道和出風(fēng)口向外輻射。
 
圖 7 示出消聲室內(nèi)麥克風(fēng)的噪聲頻譜曲線。由圖 7 可知，在不同風(fēng)量下，風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)的風(fēng)機(jī)葉片基頻分別為 170，230，299，362 Hz，2 階倍頻和 3 階倍頻均存在明顯峰值。風(fēng)道和出風(fēng)口的頻率大于 300 Hz 時(shí)，存在較多的聲壓峰值，進(jìn)一步說明，消聲室內(nèi)的噪聲由離散噪聲和寬頻噪聲疊加而成，風(fēng)道和出風(fēng)口本身產(chǎn)生二次噪聲。
 
3 風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲仿真
采用試驗(yàn)方法研究氣動(dòng)噪聲要耗費(fèi)大量的人力和物力，而氣動(dòng)噪聲的仿真能捕捉流場(chǎng)細(xì)節(jié)，清楚顯示渦流的形成、發(fā)展以及破裂的過程，快速找到內(nèi)部噪聲源和研究噪聲輻射過程，對(duì)風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行定性分析和優(yōu)化。試驗(yàn)和仿真是 2 種不同的研究手段，兩者相輔相成。
3.1 仿真和試驗(yàn)的一致性
圖 8 示出試驗(yàn)和仿真的 1/3 倍頻的一致性對(duì)比。從圖 8 可以看出，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)吻合，在 315 Hz 處均出現(xiàn)聲壓峰值，一致性較好。利用風(fēng)速儀測(cè)試了各出風(fēng)口的風(fēng)速，并和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表 1 所示，誤差在 5%以內(nèi)?？紤]到試驗(yàn)過程存在一定的測(cè)試誤差，并且在仿真過程中，對(duì)計(jì)算模型做了很多假設(shè)處理和簡(jiǎn)化，因此誤差在合理范圍內(nèi)。可認(rèn)為，仿真模型運(yùn)用的方法合理，可用于后期指導(dǎo)風(fēng)道和出風(fēng)口的設(shè)計(jì)以及改進(jìn)工作。
 
 
3.2 風(fēng)道和出風(fēng)口的仿真分析
圖 9 示出出風(fēng)口附近的渦流分布圖。從圖 9 可以看出，該位置存在負(fù)壓區(qū)，氣體流速較大并伴隨著渦流的產(chǎn)生，渦流的強(qiáng)度是產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的重要原因。在風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí)，盡量減少內(nèi)部的負(fù)壓區(qū)，消除渦流區(qū)，風(fēng)道平滑過渡，利于對(duì)壓損、風(fēng)量和噪聲的控制。
 
寬頻噪聲能表示氣動(dòng)聲源向外輻射噪聲的強(qiáng)弱水平。圖 10 示出寬頻噪聲的聲功率云圖。
 
從圖 10 能清楚看到空間噪聲源的強(qiáng)弱分布。用 Curle 表面聲功率（面聲源）計(jì)算偶極子聲源產(chǎn)生的原因，可表示風(fēng)道或出風(fēng)口在流體上產(chǎn)生的波動(dòng)表面壓力。用 Proundman 聲功率（體聲源）可評(píng)估各向同性湍流產(chǎn)生的四極子噪聲源，說明渦流或旋流產(chǎn)生的噪聲。在風(fēng)道和出風(fēng)口的仿真分析過程中，寬頻噪聲常用來進(jìn)行方案的優(yōu)化和篩選，如果一個(gè)方案聲源的聲功率比另一個(gè)方案大，那么這個(gè)方案產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲就大。
 
4 結(jié)論
文章對(duì)空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了有效預(yù)測(cè)。在消聲室內(nèi)測(cè)試了不同風(fēng)量條件下的空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口噪聲特性，討論了試驗(yàn)臺(tái)架的噪聲源和噪聲輻射，并利用氣動(dòng)噪聲仿真方法，模擬了風(fēng)道和出風(fēng)口內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)和噪聲特性，試驗(yàn)值和仿真值的一致性較好，仿真方法能用于預(yù)測(cè)空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口的噪聲水平。在汽車開發(fā)日程中，該方法可評(píng)估風(fēng)道和出風(fēng)口的幾何模型噪聲分布值，優(yōu)化設(shè)計(jì)并降低氣動(dòng)噪聲水平。后期，這種仿真方法可用于整個(gè) HVAC 系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)，包括鼓風(fēng)機(jī)（用旋轉(zhuǎn)機(jī)械的計(jì)算模型）、空調(diào)箱以及駕駛室。際生產(chǎn)為基礎(chǔ)，在理論層面進(jìn)行的模擬工作，而應(yīng)用于實(shí)際的過程中必然受到現(xiàn)實(shí)情況復(fù)雜性的影響，如何使得虛擬化的模型更加貼近實(shí)際，是未來科研工作者以及技術(shù)人員研究的重點(diǎn)課題。
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