汽车空调系统拍频现象引起的车内噪声研究与解决

2009年LMS中国用户大会论文集-1-汽车空调系统拍频现象引起的车内噪声研究与解决朱卫兵李宏庚（上汽通用五菱汽车股份有限公司广西柳州545007）[摘要]汽车室内噪声是汽车NVH的主要内容。引起车内噪声的因素很多，主要有发动机噪声、进排气噪声、传动系噪声以及高速行驶时的风噪声等等；汽车空调系统在工作时也会产生非常明显的车内噪声，而且其产生的噪声相对容易被乘员辨识。空调系统压缩机、蒸发器、鼓风机及管路系统有轻微噪声是正常的，但是如果噪声过大或存在异响，就说明空调系统有故障，需要及时处理。本文针对国内某款微型面包车在开发过程中出现空调系统拍频异响问题，采用分别运转法、频谱分析法等将存在的异响问题解决，从而降低汽车车内噪声，同时也为汽车工程技术人员NVH开发提供借鉴。关键词：汽车NVH速比压缩机发电机拍频TheAnalysisandSolutionontheAutomobileInteriorNoiseCausedbyAirConditioningBeat-frequencyZHUWeibing，LIHonggeng(SAIC-GM-WulingAutomobileCo,.Ltd.,Liuzhou,545007)Abstract:TheinteriornoiseisoneofkeyperformancesofvehicleNVH.Therearemanyfactorsforvehicleinteriornoise,includeenginenoise,intakenoise,exhaustnoise,transmissionnoiseandwindnoiseonhighspeed.Thevehicleairconditionwillbringvisibleinteriornoisewhileitworking.Andit’seasytodistinguishitonrelatively.Inairconditionsystem,it’snormalforalittlenoiseincompressor,evaporator,fanandpipeline.Butifitexisttoobignoise,theremaybeexistsomeproblemsinairconditionsystem.Thispassageexplainshowtoresolvetheproblemaccordingtotheairconditionnoisewiththemethodofseparateworkingandfrequencyanalysis.Atthesametimeit’sareferencetothecarmaker’svehicleNVHdevelop.Keywords:VehicleNVHSpeedratioCompressorDynamotorBeat-frequency1前言汽车空调系统在工作时也会产生非常明显的车内噪声，而且其产生的噪声相对容易被乘员辨识。空调系统压缩机、蒸发器、鼓风机及管路系统有轻微噪声是正常的，但是如果噪声过大或存在异响，就说明空调系统有故障，需要及时治理。本文针对国内某款微车在开发过程中，由于空调系统拍频现象导致的车内噪声过大问题，采用分别运转法、频谱分析法等方法来确定汽车产生拍频现象的源头，并运用适当的方法来解决此问题，同时也为汽车工程技术人员NVH开发提供借鉴。2空调系统噪声分析2.1汽车空调系统工作原理目前的车载空调系统，绝大部分都是基于压缩机制冷的原理进行工作的。由于空调系统在工作时，内部同时存在气体和液体，使得空调系统工作时气体噪声、固体噪声以及液体噪声同时存在。通常，用于制冷的小型高速压缩机是空调系统噪声的最主要噪声源之一，如果当汽车空调系统开启时存在比较大的振动声，主要来源于压缩机和压缩机支架，如果支架松动或压缩机漏油，通常可以通过加固压缩机支架、更换压缩机密封件、增加润滑油使噪声问题得以解决。汽车空调制冷系统基本工作原理见图1：2009年LMS中国用户大会论文集-2-图1汽车空调系统工作原理图0.009.9012345678923456789s20.0060.0030405025354555dB(A)Pa0.001.00Amplitude2.343.5449.62FOrder2.00driver:S(A)idle1FOrder2.00driver:S(A)idleacon1关空调状态开空调状态图2怠速关/开空调时驾驶员耳旁2阶噪声front/back图周期性轰鸣异响20.0050.00Hzdriver:S(CH22)0.009.90sTime-30.0050.00dB(A)Pa33.0034.5531.96AutoPowerdriver:S(A)WF100[0-9.9s]图3怠速开空调驾驶员耳旁噪声colormap图周期性轰鸣异响压缩机使制冷剂从气态转变液态，达到制冷剂散热凝露的目的；同时在整个空调系统，压缩机还是管路内介质运转的压力源，压缩机往往是安装在发动机上，并用皮带驱动（也有直接驱动的），冷凝器安装在汽车散热器的前方，而蒸发器在车里面，工作时从蒸发器出来的低压气态致冷剂流经压缩机变成高压高温气体，经过冷凝器散热管降温冷却变成高压低温的液体，再经过贮液干燥器除湿与缓冲，然后以较稳定的压力和流量流向膨胀阀，经节流和降压最后流向蒸发器。致冷剂一遇低压环境即蒸发，吸收大量热能。车厢内的空气不断流经蒸发器，车厢内温度也就因此降低。液态致冷剂流经蒸发器后再次变成低压气体，又重新被吸入压缩机进行下一次的循环工作。2.2车辆状态描述某型微车的主要配置参数如下表1；开发阶段：中期样车；怠速开空调时，车内存在非常明显的异响声，声音为有节奏（时间间隔为1-2秒）的时断时续的周期性轰鸣声，主观感觉非常不舒服；加速情况下，在3700rpm-5700rpm处存在着同样的时断时续的周期性轰鸣问题；严重影响了驾乘舒适性。该车可能涉及到空调系统噪声的主要配置如下：表1车辆主要配置及参数类别型式类别型式发动机四缸四冲程汽油机空调压缩机10缸斜板型往复活塞式发动机与压缩机传动比1：1.14鼓风机分别工作发动机与发电机传动比1：2.1蒸发器前蒸+顶蒸3噪声源识别采用以下方法，初步判断分析问题产生源头，3.1怠速情况定置状态下，车辆保持怠速；（1）关闭空调系统，无异响；（2）打开鼓风机，让空调系统处于停止状态，噪声增大但无异响；（3）开启空调系统，有周期性轰鸣异响，时间间隔为1.2s左右；在开关空调系统两种状态下，按照GB/T18697-2002《声学汽车车内噪声测量方法》布置驾驶员测量点，分别测量驾驶员右耳处的噪声阶次front/back图和colormap图。见图2，图3；（图2中蓝色线为关空调状态时的驾驶员耳旁2阶噪声图，绿色线为开空调状态时的驾驶员耳旁2阶噪声图）2009年LMS中国用户大会论文集-3-0.009.9012345678923456789s80.00100.00908595dBg0.001.00Amplitude1.332.80FOrder2.00compress:+X图4怠速开空调压缩机总成支架X向振动front/back图从图2可以发现，关空调时，出现有轻微的2阶周期性轰鸣声，造成的影响基本可以忽略；开空调状态明显增加了有节奏的周期性轰鸣噪声，主要为2阶噪声，由图3可以看出，周期性轰鸣声的频率主要为33Hz左右；时间间隔约为1.2秒，与主观感觉异响状态相吻合。从主观声音评估是来自于压缩机与发电机连接处；安装1个三向加速度传感器并将其布置于压缩机总成支架处（4）在相同的工况下测量压缩机总成支架的振动情况，如图4；测量显示压缩机总成支架振动频率在33Hz左右，振动图象与噪声图象一致；时间间隔1.4s左右，与异响声音频率和状态较为吻合。（5）初步判断异响来自于发动机和压缩机的转动传递过程。3.2加速情况按照GB/T18697-2002《声学汽车车内噪声测量方法》布置驾驶员测量点，（1）测量三档全油门加速时驾驶员右耳处的噪声阶次front/back图和colormap图由图5.1可以看出在加速情况下，在2阶噪声附近，出现有2.1阶的谐频噪声，主要的问题集中在3700rpm与5700rpmz之间，二者阶次较近，为引起驾驶员耳旁周期性轰鸣异响的主要原因。（2）拆除发动机与发电机的连接皮带，3700rpm-5700rpm处周期性轰鸣声异响消失，重新测试驾驶员右耳处的噪声，如下图5.2从图5.1、图5.2可以看出，拆除发电机皮带后，驾驶员耳旁噪声中2.1阶的谐频消失，由此可以断定3700rpm-5700rpm处噪声是由该2.1阶谐频引起的。4原因分析4.1拍频现象理论分析2009年LMS中国用户大会论文集-4-拍频是由于两个或多个频率相近(一般2~10Hz)的振动/噪声信号于特定波长叠加、消减，产生周期性忽大忽小的振动/噪声变化信号，它往往给人以极其不舒适的感觉。无论是声波或地面波，单纯的正弦波几乎是不存在的，绝大多数都是复合波。即起码由两个以上的波形叠加而成。最简单的例子也是一个倍音关系的两个波形，根据相互之间的不同的相位改变其波形；相同频率的正弦波，尽管由几个波合成，其波形仍然是相同频率的正弦波合成，然而只要是频率稍有不同，就会出现如图6所示的拍频现象；它的变化是在1个周期内，在原有正弦波下进行等次数的振动，只不过是其振幅大小有大有小而已。实际上，具有周期性的，形成基波和倍数振动的波形情况是极少的，而实际存在的普通波，它也是一个相互的没有倍数关系的周期波形的集合。作为一个整体很难找到一个周期性的重复，通常是一个波形上再加上一个非周期性的波动，而且随着时间的变化，它所形成的冲击波也急剧地变化。4.2分析结果由拍频理论分析我们可知，车辆在怠速时车内周期性轰鸣异响以及加速时3700rpm-5700rpm处周期性轰鸣异响的现象为拍频现象。对导致拍频现象产生的原因进行分析，同时对比图2、图3，我们发现发动机与压缩机传动比1:1.14是导致车辆在怠速时产生拍频现象的主要原因。由于发动机与压缩机速比过于接近，怠速开空调时，由于发动机转速在950rpm左右，由此可以得出发动机点火基频是32Hz左右，压缩机转动时产生1.14倍于发动机转速的振动频率，频率约为35Hz左右，两个接近的频率，波形相互叠加、消减，互相影响，耦合，产生了严重的拍频现象，表现在频率33Hz附近，最后通过悬置系统传递到车身，最终通过车身的声学响应导致驾驶员耳旁周期性轰鸣异响。而由图5.1、图5.2的分析中我们可以知道，加速时3700rpm-5700rpm处周期性轰鸣异响是由发动机与发电机皮带的传动所引起，测量所得数据2.1阶谐频同发电机与发动机的传动比2.1吻合，由于发动机在运转时会产生相应的2、4、6阶的振动和噪声，由图5.1中可以看出，在3700rpm-5700rpm处，发动机2阶噪声与2.1阶噪声相距较近，为共同影响区域；而从图5.2可以看到，拆除发动机与发电机皮带后，2.1阶噪声消失，同时周期性轰鸣异响声也消失；由于发动机皮带轮至发电机皮带轮传动比1:2.1，在高速时发电机的1阶不平衡振动会产生发动机2.1阶的振动，与发动机2阶振动相互影响、耦合形成强烈的拍频现象，该振动拍频通过发动机悬置传递给车身，再通过车身的结构声学响应传递到车内，从而导致车内周期性的轰鸣异响；因此可以判定加速时3700rpm-5700rpm处周期性轰鸣异响为发动机引起的2阶振动与发电机皮带引起的2.1阶振动相互影响、耦合产生的拍频现象所导致。5解决措施5.1怠速工况怠速开空调情况下，发动机点火基频为32Hz左右，此时的拍频现象比较严重，根据在2Hz-10Hz内容易发生拍频现象的原理，应该控制发动机与压缩机速比，使其频率差保持在10Hz以上。根据2Hz的最小频率间隔，发动机与压缩机的速比在相差2/32≈6.3%，即压缩机与发动机速比在达到1.06时就可能会出现拍频现象；按相差10Hz的最大频率间隔设计原则需要转速相差10/32≈30%，才能完全避免该问题；