汽車在空調(diào)開關(guān)過程中，特別是發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高過程的空調(diào)開關(guān)過程，容易產(chǎn)生類似金屬摩擦音的高頻嘯叫。本文針對此類噪聲進行測試，確認了噪聲頻率和相關(guān)零部件的振動。結(jié)合管內(nèi)流體的聲學模態(tài)分析，計算出制冷劑流體的聲學模態(tài)頻率。根據(jù)試驗結(jié)果，找出了對此聲學模態(tài)的激勵源是管路和膨脹閥的接口。制冷劑在管路中的高頻嘯叫需要滿足3個條件：

①存在聲學頻率范圍內(nèi)的聲學模態(tài)；

②具有一定流速以及管路徑向的剪切激勵力；

③聲音傳遞到車內(nèi)的路徑。針對某一車型，進行分析和試驗，計算和驗證了嘯叫頻率，分析膨脹閥和其連接管的結(jié)構(gòu)，找到了激勵源，通過結(jié)構(gòu)措施的改變消除了高頻嘯叫聲，從而為車輛的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào)，嘯叫聲，聲腔模態(tài)頻率，激勵力

作者：段傳學 ----吉利汽車研究院有限公司

如今汽車業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，隨著人們對生活品質(zhì)的追求和提高，對汽車的要求也越來越高，安全、漂亮、 空間大、配置高、通過性高、適應(yīng)性強是目前顧客對汽車的需求。汽車空調(diào)系統(tǒng)為汽車提供制冷、采暖、除霜、除霧、 空氣過濾和濕度控制，是影響汽車舒適性的主要部分，已成為汽車市場競爭的主要手段之一。而汽車空調(diào)的振動噪聲水平日益成為影響整車舒適性的最重要因素。

空調(diào)噪聲是當前汽車空調(diào)行業(yè)消費者投訴的重要問題之一，在IQS中數(shù)據(jù)一直居高不下。特別是在變工況條件下產(chǎn)生的瞬態(tài)“嘯叫”，經(jīng)常令人難以忍受。

當前，國內(nèi)外針對制冷劑系統(tǒng)產(chǎn)生的各種噪聲的研究還不成熟。對熱力膨脹閥噪聲的研究還剛剛起步，大多數(shù)研究都見于一些廠家的專利申請中。對熱力膨脹閥和管路中噪聲產(chǎn)生的機理以及控制方法都沒有明確的結(jié)論。在可查的文獻中，只有美國Ulnois大學制冷空調(diào)中心對熱力膨脹閥在不同工況下的穩(wěn)態(tài)噪聲進行了實驗研究，并對實驗結(jié)果進行了初步分析，獲得了熱力膨脹閥的穩(wěn)態(tài)噪聲與系統(tǒng)工作條件關(guān)系的定性結(jié)果。然而，熱力膨脹閥“嘯叫”伴隨著空調(diào)系統(tǒng)的瞬態(tài)變化而出現(xiàn)（如系統(tǒng)起動、關(guān)閉過程，壓縮機轉(zhuǎn)速突變等），持續(xù)時間在5s內(nèi)。

本文就是在試驗結(jié)合理論分析的基礎(chǔ)上找到開空調(diào)制冷劑流體尖叫的原因，計算并驗證了嘯叫的固有頻率，找到了激勵源并進行了整改，消除了此類噪聲。

01車輛開空調(diào)嘯叫

根據(jù)生產(chǎn)反饋，下線車輛在路試過程中出現(xiàn)類似金屬聲 的尖叫聲，聲音很尖，持續(xù)時間不長，明顯是一個異常音。因為項目時間的原因，需要快速進行整改，找到解決方案。

通過反復對車輛進行路試，確認這個金屬尖叫聲產(chǎn)生的 條件描述如下；

1） 怠速下開空調(diào)，無金屬尖叫聲。

2） 怠速下開空調(diào)，定置小加速踏板開度加速，出現(xiàn)金 屬尖叫聲，每次會有大小的差別，無明顯音調(diào)的差別。

3） 怠速滑行，開空調(diào)，小加速踏板開度加速過程中， 轉(zhuǎn)速在1500 ~2000r/min時有金屬尖叫聲。

4） 緩加速，轉(zhuǎn)速在1500r/min以下開空調(diào)，有尖叫聲。

5） 轉(zhuǎn)速超過2500r/min尖叫聲消失。

制訂測試計劃，根據(jù)測試結(jié)果進行問題排查。噪聲測試 點包括車內(nèi)駕駛員右耳和發(fā)動機艙內(nèi)噪聲，振動測試點包括 壓縮機排氣管、TXV上的高壓液管位置和TXV上的吸氣管 位置，如圖1所示。

測試狀態(tài)為定置小加速踏板開度加速，在加速的過程中 打開空調(diào)。測試結(jié)果如圖2所示。

結(jié)果顯示，在怠速下開空調(diào)，加速到1500 ~3000r/min, 有金屬尖叫聲；尖叫聲頻率為5000Hz左右，發(fā)動機艙內(nèi)沒 有這個特征；吸氣管和排氣管上的振動特征明顯，如圖3所 示D、E、F處，特別是D處的TXV連接回氣管處振動最 明顯。

經(jīng)過振動測試發(fā)現(xiàn)，在管路吸氣管和TXV附近的 5000Hz的特征比較符合。并且機艙內(nèi)聲音特征不明顯，可 以判斷是制冷劑系統(tǒng)引起的噪聲。

02數(shù)據(jù)分析和原因查找

首先懷疑是膨脹閥閥口引起的，針對原閥取消閥口調(diào)節(jié)桿卡簧以驗證是否卡簧的振動引起。測試結(jié)果顯示嘯叫依然存在，只是頻率略有降低，為4950Hz,如圖4所示。同時，高壓液管的特征變得不明顯了。

更進一步驗證，取消膨脹閥調(diào)節(jié)球，讓膨脹閥變成一個節(jié)流孔，節(jié)流保持不變。結(jié)果顯示頻率帶寬增加，高壓液管特征仍然不明顯，如圖5所示。

綜上所述，嘯叫噪聲和制冷劑相關(guān)。由于嘯叫頻率比較高，并且只有在特殊條件下才能激發(fā)，噪聲頻率和流體的狀態(tài)及流速相關(guān)。

03管內(nèi)噪聲產(chǎn)生的原理

對于典型的管內(nèi)流體，其波動方程為

根據(jù)方程解的特性，假設(shè)管路壁面剛性，圓形管坐標對稱，并且只考慮徑向的模態(tài)，則管內(nèi)流體的聲學模態(tài)參數(shù)估計如下：

其中，Ｍ足馬赫數(shù)，制冷劑的流速和當?shù)芈曀僦取?

除了在膨脹閥后很短的一段管馬赫數(shù)較高（M≥1），其他部分馬赫數(shù)較低（M≤1）。所以，式（２）變化為：

前１０階的模態(tài)形狀以及kp,q和 ai 的數(shù)值如圖６所 示，其中ai是管路的內(nèi)半徑。

根據(jù)圖6，第一階模態(tài)可以表述為

對于空調(diào)系統(tǒng)來說，只有在20 ~20000Hz范圍內(nèi)的模態(tài)才能被激發(fā)和顯現(xiàn)。按照汽車空調(diào)管路直徑6?20mm計算， 只有（1, 0）、（2, 0）、（0, 1）三階模態(tài)才有可能被激勵出來。其余模態(tài)的頻率遠遠大于20000Hz的聽閾頻率。

以下的分析只考慮前3階的空腔模態(tài)。按照R134a的特性，其聲速為90~340m/s,變成液體后聲速達到1600m/so 而管路內(nèi)經(jīng)從ID=6mm到ID=15mm。

04理論分析找原因和驗證

對本空調(diào)系統(tǒng)來說，空調(diào)熱力膨脹閥和連接管的參數(shù)見表1。按照當?shù)芈曀?60m/s計算的管路聲腔模態(tài)頻率也在表1中顯示，其中氣體的當?shù)芈曀侔凑?40m/s來計算。

對于空調(diào)管路系統(tǒng)來說，只有滿足下面三個條件才會產(chǎn)金屬尖叫聲。

1）存在流體的聲學模態(tài)（p, q）階次的聲學模態(tài)。

2）具有剪切方向的足夠的激勵力來激勵這個聲學 模態(tài)。

3）嘯叫能夠通過表面?zhèn)鬟f到駕駛員位置。

其中1）是系統(tǒng)固有的特性，2）和空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型 式相關(guān)，比較好的設(shè)計是減振隔音25dB左右。如果是單頻 的噪聲比較凸顯，沒有足夠的遮蔽效應(yīng)的話，異響、嘯叫或 者尖聲仍然可以被用戶感覺。

2）的達成需要條件，持續(xù)的剪切力激勵來自何處？

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由膨脹閥和管路接口產(chǎn)生，如圖7所 小，衫為 0. 8 ~ 1. 0mm。

同時，空調(diào)制冷劑系統(tǒng)中制冷劑的聲速變化范圍很大, 從5m/s到500m/s以上。聲速的變化范圍也很廣，從兩相流 的70?180m/s,到純氣體的340m/s,再到純液體的1600m/ s,如圖8所示。

綜上所述，管路內(nèi)流體的剪切力引起了第(1，0)階的空腔模態(tài)，產(chǎn)生類似金屬音的單頻噪聲。

以上確定了原因，是由接口激勵造成的。想把間隙變小不是很容易，但把間隙變大還是很方便的。增加一個墊圈，讓接管端面和TXV孔的端面間隙從0.8mm變成3.3mmn

改進后的測試結(jié)果如圖9所示。最上面的圖是原始狀態(tài):中間的圖是在膨脹閥的壓縮機側(cè)增加2.5mm厚的墊圈后的結(jié)果:最下面的圖是在上述增加墊圈的基礎(chǔ)上，在蒸發(fā)器側(cè)再增加一個15mm的墊圈后的結(jié)果。

從圖9看出，增加一個墊圈后，明顯的金屬聲消失了，而再增加蒸發(fā)器側(cè)的一個墊圈，其效果基本沒有變化。

更改膨脹閥連接管的插人深度，減小了切向的渦流力激勵，消除了異響。

另一個典型的車輛開空調(diào)嘯叫聲的例子是，管路接頭呈90°夾角，在開空調(diào)的某個轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生了嘯叫聲，如圖10所示。通過更改插入深度，并且把90°夾角改成180°連接，尖叫聲消失，如圖11所示

05結(jié)論

本文分析了由于剪切力引起的管內(nèi)流體的尖叫聲，通過理論分析得出了聲學模態(tài)頻率，通過試驗找到了激勵源。

總之制冷劑在管路中的尖叫聲激發(fā)需要3個條件：

①聲學模態(tài)符合；②和流速以及結(jié)構(gòu)相關(guān)的剪切方向的激勵力；③聲音傳遞路徑合適。

通過分析這三個方面的影響，可以得出避免流體尖叫的 措施和方法，為整車的振動噪聲降低做出貢獻。

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