整車(chē)環(huán)境下汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲分析
0 引 言
隨著物質(zhì)生活水平的提高,汽車(chē)空調(diào)在滿(mǎn)足制冷和取暖需求的同時(shí),產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲也逐漸受到關(guān)注。汽車(chē)空調(diào)氣動(dòng)噪聲主要來(lái)源于風(fēng)機(jī)和風(fēng)道,既包括風(fēng)機(jī)周期性旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離散噪聲和寬帶噪聲,也包括氣流與風(fēng)道相互作用產(chǎn)生的噪聲。由于流場(chǎng)復(fù)雜性,尚未明確流動(dòng)對(duì)聲源的影響:同時(shí)復(fù)雜的聲場(chǎng)導(dǎo)致其噪聲傳播機(jī)理有待進(jìn)一步研究。隨著對(duì)乘員艙舒適性的要求越來(lái)越高,很多汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)噪聲超標(biāo)問(wèn)題,因此,有必要通過(guò)試驗(yàn)和仿真手段進(jìn)行深入研究。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械開(kāi)展了一些試驗(yàn)和仿真研究。在試驗(yàn)方面,A. Broatch等[1]采用單傳感器法和多傳感器法測(cè)量了離心壓縮機(jī)內(nèi)的氣動(dòng)噪聲。劉波等[2]利用動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量了一臺(tái)單級(jí)軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙非定常壓力脈動(dòng),發(fā)現(xiàn)主頻的峰值隨著轉(zhuǎn)速的增加而升高,隨著出口背壓的提高而降低。代元軍等[3]在不同尖速比條件下,利用聲陣列法對(duì)S系列翼型風(fēng)力機(jī)的葉尖區(qū)域噪聲進(jìn)行了測(cè)試,揭示了葉尖渦流動(dòng)特性與氣動(dòng)噪聲特性之間的關(guān)系。在仿真方面,楊振東等[4]采用大渦模擬(Large Eddy Simulation,LES)和Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)方程計(jì)算了汽車(chē)離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲??祻?qiáng)等[5]通過(guò)分離渦模型(Detached Eddy Simulation,DES)計(jì)算離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部的非定常流動(dòng),然后采用Lighthill方程變分形式求解風(fēng)機(jī)內(nèi)外空間的聲場(chǎng)分布。M Kaltenbacher等[6]利用DES 和LES分別計(jì)算了一側(cè)通道風(fēng)機(jī)的流場(chǎng),隨后基于有限元法,利用Perfect Match Layer技術(shù)預(yù)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射。針對(duì)空調(diào)系統(tǒng),特別是整車(chē)環(huán)境下的空調(diào)系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲研究較少,僅查找到N. Hammad的文獻(xiàn)[7],文中通過(guò)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、空調(diào)開(kāi)關(guān)狀態(tài)等探討空調(diào)對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響。
為此,有必要對(duì)整車(chē)環(huán)境下汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲展開(kāi)研究。以某噪聲超標(biāo)的汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)為原型,測(cè)量它在不同工況下各測(cè)點(diǎn)的聲壓,了解其噪聲分布特性。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)非定常流動(dòng)仿真,了解空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部和乘員艙內(nèi)的流動(dòng)情況,找到流場(chǎng)脈動(dòng)劇烈的位置,為后續(xù)聲學(xué)計(jì)算和降噪研究提供基礎(chǔ)。
1 研究方法
1.1 試驗(yàn)方法
為了探究空調(diào)系統(tǒng)在乘員艙的氣動(dòng)噪聲特性,在前后排人耳位置布置6個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖1所示。前排測(cè)點(diǎn)A、C 距出風(fēng)口的水平距離為770mm,垂直距離為325mm;前排測(cè)點(diǎn)B 距中間出風(fēng)口水平距離720mm,垂直距離195mm;后排測(cè)點(diǎn)與前排測(cè)點(diǎn)垂直高度相同,水平距離為975mm。測(cè)量工況包括內(nèi)外循環(huán)、5 和7 檔、空車(chē)和坐有4 名乘客,共計(jì)8種。


為了探索乘員艙氣動(dòng)噪聲超標(biāo)原因、尋找主要噪聲源,建立了帶乘員艙的空調(diào)系統(tǒng)數(shù)值仿真模型,包括風(fēng)機(jī)、過(guò)濾器、蒸發(fā)器、風(fēng)道、座椅、儀表盤(pán)、車(chē)窗等,利用計(jì)算流體力學(xué) (Computational Fluid Dynamics,CFD)方法確定噪聲源的大小及其位置。空調(diào)系統(tǒng)的噪聲以氣動(dòng)噪聲為主,而氣動(dòng)噪聲又源于系統(tǒng)內(nèi)部強(qiáng)烈的非定常流動(dòng),因此可以通過(guò)求解流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)來(lái)間接確定聲源的位置。對(duì)計(jì)算域進(jìn)行空間離散,風(fēng)機(jī)葉片幾何尺寸較小,面網(wǎng)格尺寸為1 mm;風(fēng)機(jī)其它區(qū)域網(wǎng)格為2mm。過(guò)濾器和蒸發(fā)器采用多孔介質(zhì)模型,網(wǎng)格尺寸為1.5mm??照{(diào)系統(tǒng)其它區(qū)域網(wǎng)格為3mm左右。乘員艙網(wǎng)格為15mm,如圖3所示。體網(wǎng)格采用Trimmer(切割體)結(jié)合Prism layer(棱柱層)策略。y+是壁面距離的無(wú)量綱量,采用DES模型時(shí),y+應(yīng)控制在1以?xún)?nèi)。體網(wǎng)格共生成770萬(wàn)個(gè),其中壁面生成了4層棱柱層網(wǎng)格,滿(mǎn)足y+≈1的湍流模型要求。

首先采用定??蓧嚎sSST k-ω湍流模型和理想氣體狀態(tài)方程求解,待穩(wěn)定后改用SST-IDDES模型求解瞬態(tài)可壓流場(chǎng)??臻g離散格式為混合中間差分,時(shí)間離散格式為二階。時(shí)間步長(zhǎng)為2.5×10-5s,對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0.5°所需要的時(shí)間。當(dāng)計(jì)算時(shí)間進(jìn)入到0.25s后,流動(dòng)狀態(tài)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,開(kāi)始采集流場(chǎng)脈動(dòng)數(shù)據(jù),共采集0.25s。
2 噪聲結(jié)果分析
對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行聲壓級(jí)頻譜分析,得到空調(diào)系統(tǒng)在不同工況下運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲在各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的聲壓級(jí)大小,尋找不同循環(huán)模式和檔位帶來(lái)的噪聲差異。首先比較空調(diào)系統(tǒng)在自由場(chǎng)和乘員艙的聲輻射,接著分析測(cè)點(diǎn)在內(nèi)、外循環(huán)狀態(tài)下的噪聲特性,與此同時(shí)選取外循環(huán)工況,比較5檔和7檔對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜,最后以7檔外循環(huán)工況為例,評(píng)估乘員對(duì)噪聲的影響。各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)在5000Hz以后呈現(xiàn)急劇衰減的趨勢(shì),說(shuō)明乘員艙內(nèi)的噪聲能量主要集中在5000 Hz內(nèi),因此本文只考慮50~5000 Hz頻段內(nèi)的聲壓分布。
2.1 自由場(chǎng)與乘員艙
在自由場(chǎng)環(huán)境與乘員艙封閉空間情況下,試驗(yàn)所得測(cè)點(diǎn)A的聲壓級(jí)在50~5000Hz頻段的線(xiàn)性譜對(duì)比如圖4所示。自由場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果來(lái)自該空調(diào)系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn),具體可參考文獻(xiàn)[8]。測(cè)點(diǎn)A在乘員艙內(nèi)的總聲壓級(jí)為62.0dB(A),而在自由場(chǎng)情況下總聲壓級(jí)為50.3dB(A),相差達(dá)11.7dB(A)。由圖4也可明確看出,乘員艙內(nèi)的噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)高于自由場(chǎng)的聲輻射強(qiáng)度。在50~1500Hz頻段內(nèi)兩者的聲壓級(jí)在變化趨勢(shì)和幅值上均有很大差異。自由場(chǎng)環(huán)境下這一頻段的聲壓幅值呈上升趨勢(shì),從150Hz起變化趨于平緩,聲壓級(jí)在30dB(A)上下波動(dòng)。而乘員艙內(nèi)的聲場(chǎng)在50~110Hz頻段聲壓級(jí)急劇增大,特別是在100~110Hz范圍內(nèi)。110~1500Hz頻段內(nèi)聲壓則呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)。值得注意的是,在110~350Hz頻段乘員艙內(nèi)的聲壓級(jí)達(dá)到了全頻段的最大值。1500Hz之后自由場(chǎng)環(huán)境和乘員艙對(duì)應(yīng)的聲場(chǎng)均表現(xiàn)為衰減的趨勢(shì),其中自由場(chǎng)聲場(chǎng)衰減的速率更大。造成兩種環(huán)境下聲場(chǎng)出現(xiàn)明顯差異的原因,可能是乘員艙作為一個(gè)封閉的有限空間具有混響特性,其壁面及內(nèi)飾對(duì)聲波傳播有一定的影響。




2.4 乘 員


為了解空調(diào)系統(tǒng)在乘員艙流動(dòng)狀況,確定空調(diào)系統(tǒng)的主要噪聲源,對(duì)帶乘員艙的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行非定常流動(dòng)數(shù)值仿真。圖8為各出風(fēng)口在乘員艙內(nèi)渦量Q=5000s-2的等值面,具體可參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。從圖8中可以看出,出風(fēng)口處流動(dòng)呈現(xiàn)紊亂的小渦結(jié)構(gòu),體現(xiàn)寬帶特征。前排各出風(fēng)口渦流強(qiáng)度更大、區(qū)域更廣,應(yīng)是噪聲的主要來(lái)源,在后續(xù)降噪中應(yīng)加以重視。圖9為計(jì)算得到的50~5000Hz頻段內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)表面壓力脈動(dòng)級(jí)。由圖9可知,對(duì)于整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)而言,壓力脈動(dòng)級(jí)分布很不均勻。風(fēng)機(jī)葉片處壓力脈動(dòng)級(jí)最大,達(dá)到140dB;而距離風(fēng)機(jī)最遠(yuǎn)的各個(gè)出風(fēng)口壓力脈動(dòng)級(jí)最小,僅80dB。壓力脈動(dòng)能量大部分集中在風(fēng)機(jī)葉輪處,蝸殼和管道內(nèi)的壓力脈動(dòng)也不可忽略。此外,由于右邊風(fēng)道離風(fēng)機(jī)較近,表面壓力脈動(dòng)與左邊風(fēng)道相比量值稍大??紤]到不同循環(huán)模式下測(cè)點(diǎn)處的噪聲特性呈現(xiàn)較大差異,可以確定風(fēng)機(jī)是該空調(diào)系統(tǒng)的主要噪聲源。氣流與風(fēng)道相互作用也是噪聲源之一。后續(xù)降噪首先從風(fēng)機(jī)入手,然后從風(fēng)道,特別是出風(fēng)口處進(jìn)行控制,具體可從以下幾個(gè)方面展開(kāi)。一是在風(fēng)機(jī)入口處的導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi)鋪設(shè)吸聲材料,該位置有較大空隙,施加吸聲材料能在不影響進(jìn)風(fēng)的情況下降低車(chē)內(nèi)的噪聲量級(jí);二是可以考慮在空調(diào)風(fēng)道內(nèi)鋪設(shè)吸聲材料,將目前采用的PVC管改為PVC和無(wú)紡布的組合結(jié)構(gòu);三是改善空調(diào)系統(tǒng)的流場(chǎng),通過(guò)減小流場(chǎng)脈動(dòng)降低聲源強(qiáng)度,從而減小車(chē)內(nèi)的噪聲輻射強(qiáng)度。這一點(diǎn)將在后續(xù)工作中進(jìn)一步開(kāi)展研究。


本文通過(guò)試驗(yàn)為主、仿真為輔的方法對(duì)帶整車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論:
(1) 與自由場(chǎng)輻射相比,空調(diào)系統(tǒng)流場(chǎng)和聲場(chǎng)環(huán)境發(fā)生改變,相同測(cè)點(diǎn)噪聲量值增大11.7dB(A)。其原因是艙內(nèi)聲場(chǎng)為混響場(chǎng),固壁對(duì)聲波具有吸收和反射作用;
(2) 坐有乘員時(shí),相同測(cè)點(diǎn)在125Hz以上的聲壓級(jí)均比無(wú)乘員時(shí)小,總聲壓級(jí)小1.5dB(A)。其原因是乘員的阻擋和衣物的吸聲,乘員艙空間縮小,混響效果減弱;
(3) 本文研究空調(diào)系統(tǒng)噪聲在7檔、內(nèi)循環(huán)工況下的總聲壓級(jí)高達(dá)67.9dB(A),超過(guò)要求1.9dB(A),而且在乘員艙內(nèi)的分布也不均勻。通過(guò)數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn),風(fēng)機(jī)是主要噪聲源,氣流與風(fēng)道相互作用產(chǎn)生的噪聲是次要噪聲源。而乘員艙內(nèi)的噪聲呈現(xiàn)明顯的寬頻噪聲特性,有別于主要聲源風(fēng)機(jī)的離散噪聲特性,說(shuō)明風(fēng)道對(duì)流動(dòng)及噪聲的產(chǎn)生與傳播有重要影響,后續(xù)應(yīng)綜合考慮風(fēng)機(jī)噪聲和風(fēng)道噪聲的控制。
作者:鄒春一,楊志剛,李啟良,鐘立元
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