燃料电池车用离心风机噪声特性试验分析

左曙光，范珈璐，韦开君，吴旭东，倪天心

（同济大学 新能源汽车工程中心，上海 201804）

当今世界范围内日益匮乏的石油资源和不断恶化的环境问题，迫使各大汽车厂商纷纷着手研发新能源清洁汽车，如燃料电池汽车、纯电动汽车以及混合动力汽车，其中属燃料电池汽车最受关注。

燃料电池汽车省去了内燃机这个主要噪声源，人们期待它更安静和舒适，实现零污染排放，并且能提供噪声环保［1］。但燃料电池汽车的总体布置、动力系统以及燃料电池系统与传统汽车完全不同，因此它的振动噪声特性也很独特。燃料电池汽车的NVH（Noise，Vibration and Harshness）问题主要集中在燃料电池辅助系统（空辅系统、氢辅系统以及冷却系统）。因此，在燃料电池汽车研发中的噪声识别和控制问题成为了科研人员面临的一个新难题［2］。

近日某企业研发的一款燃料电池汽车，在某些运行工况下其燃料电池空辅系统存在着一系列振动噪声问题，在该车开发过程中亟需将这类振动噪声问题解决。在对该燃料电池汽车的噪声特性进行初步测试和分析后，确定了其主要的噪声源是燃料电池空辅系统中的离心风机。

图1 燃料电池空辅系统内离心风机Fig．1 The centrifugal blower in FCV

本文的主要研究内容围绕该车用离心风机展开，通过对离心风机台架运行工况下的噪声特性进行分析和预判，设计台架试验方案，采集不同工况下的离心风机的振动与噪声信号，并利用现代工程信号处理技术进行分析，最后识别出离心风机的主要噪声成分和来源。

1 被测离心风机噪声初判

1.1 被测离心风机结构分析

被测离心风机在燃料电池系统中起到空气压缩机的作用，其包括了离心风机、驱动电机和风机进排气口等构成的整个系统。利用驱动电机带动风机叶轮高速旋转，将进气口吸进的气体加速并改变其流向，实现将动能转换成势能的过程。分析离心风机的运行参数、结构形式以及在燃料电池空辅系统内具体的安装位置，得到以下几个信息：

（1）离心风机本身与驱动电机作为一体，运行工况下最高转速可达15 000～17 000 r／min。风机叶轮与驱动电机是这个离心风机最主要的两个组成部分，绝大部分的噪声都是由这两个部分产生的（本文简称风机噪声和电机噪声）；

（2）离心风机进口与空气滤清器相连，可当作与外界空气直接相通，出口管与空气净化器相连并通往燃料电池反应堆，没有直接与空气相通，风机内噪声会通过进口管向外辐射，不会通过出口管传出。

（3）离心风机在高速运行下进口管向内吸气，进气气流流速快，能够产生复杂的喷流噪声，并能激起进气口端面壳体的振动。

（4）离心风机和驱动电机都为旋转件，风机叶轮和驱动电机散热风扇叶片数均为6，产生的噪声必定存在与转速有关的阶次特性噪声。

（5）驱动电机侧壳体开有通风槽，对噪声的辐射有所影响。

1.2 被测离心风机噪声预判

根据以上分析，对于该离心风机存在的噪声源进行预测，可以将噪声分为阶次噪声和宽频噪声两类。以下是几个主要可能的噪声源以及其产生噪声的特性［4，7］：

（1）风机噪声：旋转噪声（阶次特性）、涡流噪声（宽频特性）、进气噪声（宽频特性）；

（2）电机噪声：激励电流噪声（阶次特性）、电磁噪声（阶次特性和宽频特性）、转动不平衡噪声（阶次特性）、散热风扇气动噪声（阶次特性和宽频特性）；

（3）壳体噪声：壳体固有特性噪声（宽频特性）。

因此，需根据噪声成分的预测，设计离心风机噪声特性试验方案，进行离心风机噪声试验，结合结构的振动信号对其产生的噪声特性进行分析，识别出该离心风机的主要噪声成分的来源。

2 离心风机噪声测试方法

2.1 试验设备和传感器布置

采用离心风机的台架试验进行噪声测试，将离心风机通过橡胶衬套和螺栓固定在台架支架上，由于被测离心风机在实车工况下不存在排气噪声，将离心风机出口管连接管道并延长。试验台架布置如图2所示。

图2 试验台架布置示意图Fig．2 The schematic of the test platform

声压传感器的布置上，采集离心风机整机远场声压信号；由于离心风机工作时主要的噪声源是风机和电机两个部分，分别采集风机侧近场噪声和远场辐射噪声、驱动电机侧近场噪声和远场辐射噪声的声压信号。

振动加速度传感器的布置上，为了研究结构振动对噪声的影响，采集离心风机端面壳体、风机叶轮支撑轴承处壳体以及台架支架的振动信号。

根据测量标准［11－12］，声压和振动信号测点的具体布置如图3所示。

图3 试验测点布置示意图Fig．3 The schematic of the test points

试验过程中振动与声压信号同步采集，使用LMS公司的 LMSSCADAS-X III（36通道）数采设备，传感器为美国PCB公司生产的声学麦克风和单向加速度传感器。

2.2 试验方案设计

基于上节的离心风机噪声初判，设计详细的试验方案。

由于实车运行下进气噪声是离心风机一个主要的噪声组成部分，在离心风机进气口形式的设计上，采用了3种不同的进口形式；针对驱动电机壳体开槽的辐射噪声，采用在壳体通孔处覆盖海绵的方式，以消除由通风槽向外的噪声辐射。

试验具体方案见表1，每一方案包含稳态工况与瞬态工况：

（1）稳态工况：通过调节驱动电机调速器，稳定离心风机在 9 000 r／min、11 000 r／min、13 000 r／min、15 000 r／min、17 000 r／min五个稳态转速，稳定运行时间为20 s，采集各稳态工况下离心风机的振动和噪声信号。

（2）瞬态工况：调节调速器使风机在30 s内从9 000 r／min匀加速至 17 000 r／min，采集瞬态工况下离心风机的振动和噪声信号。

表1 离心风机测试具体方案Tab．1 The scheme of the test

3 振动噪声测试及结果分析

该试验主要分析被测离心风机的噪声特性，需排除试验背景噪声以及其他干扰噪声，试验场地选为同济大学新能源汽车工程中心的半消声室，以保证测试结果的准确性。

3.1 风机侧与电机侧噪声比较

对比风机和电机对总体噪声的贡献量大小，取工况1下电机侧近场与风机侧近场以及它们的远场辐射噪声测点信号进行分析。

利用公式（1）可将远场辐射噪声几个测点声压级综合计算出风机侧和电机侧的平均声压级。

式中：LA表示平均A声级，单位为dB（A）；Ln表示第n个声源的声压级，单位为dB（A）；n表示声源数。

式（2）为声源叠加的总声压级计算公式，利用它可以计算出风机与电机产生噪声的整机总声压级。

式中：LP表示n个声源叠加产生的总声压级，单位为dB（A）；Ln表示第n个声源的声压级，单位为 dB（A）；n表示声源数。

根据采集的试验数据计算出该工况下从9 000～17 000 r／min的五个稳态转速下风机和电机近场的总声压级、风机侧与电机侧辐射噪声的平均声压级以及整机总声压级，列出如表2所示。

表2 风机侧与电机侧噪声／d B（A）Tab．2 The noise of the blower and the motor

作出不同稳态转速下整机总声压级和风机侧与电机侧远场平均声压级曲线，以及两个近场测点总声压级曲线图，如图4所示。

图4 不同稳态转速下远、近场噪声比较Fig．4 The comparison of the near field and far field under different rotate speed

可以明显看出，随着转速的升高各个测点的总声压级逐渐增大，在最高转速下离心风机总体噪声超过了90 dB（A），电机侧远场辐射噪声平均声压级相比风机侧高了约1～2 dB（A）；电机侧近场声压级相比风机侧近场高了约3 dB（A）。从对整体噪声的贡献量角度上看，驱动电机产生噪声的贡献量大于风机。

3.2 阶次特性噪声分析

首先通过公式（3）明确风机旋转噪声频率与转速的关系［3］：式中：f为旋转噪声频率，单位为Hz；n为风机转速，单位为 r／min；z为风机叶轮叶片数；i是谐波序数（i＝1，2，3…），当i＝1时称为基频，i＞1时称为高次谐频。

从已知的离心风机结构参数得知，风机叶轮与散热风扇的叶片数均为6，根据文献［3，7］，从理论角度考虑，该离心风机可能存在的几个阶次噪声激励源以及其主要阶次见表3。

表3 阶次噪声主要激励源和阶次Tab．3The main sources and orders of the order noise

其中，各个部分阶次产生原因如下：

（1）4i阶是电机的电磁径向力波产生；

（2）由于驱动电机的激励电流频率为转频的2倍，产生的一个2阶的激励噪声；3i阶是由激励电流的0．5阶谐频产生；

（3）6i阶是由散热风扇的旋转噪声基频以及其谐频产生；

（4）风机产生的6i阶噪声是叶轮的旋转噪声基频以及其谐频。

图5是工况1下风机侧近场噪声的阶次谱图，可以很直观的看出风机侧近场噪声明显的阶次噪声为6i阶，其中6阶尤为明显，是风机叶轮旋转噪声的基频，12及18阶的谐频成分存在但幅值并不突出。

图6是该工况下电机侧近场噪声阶次图，可以看到明显的3i阶峰值，确定为激励电流的谐频成分。此外，由于散热风扇的旋转噪声的存在，在6、12、18三个阶次处产生峰值叠加，其他可能存在的阶次在频谱图中没有找到。

图5 方案1风机侧近场噪声阶次谱Fig．5 The noise order spectrum of the near blower field in scheme 1

图6 方案1电机侧近场噪声阶次谱Fig．6 The noise order spectrum of the near motor field in scheme 1

被测离心风机存在的主要阶次噪声集中在3倍频和6倍频处，根据常用工作转速的范围算出6倍频主要位于450～1 700 Hz这个频段内，在优化方案的设计中要着重对这个频段进行降噪处理。

3．3 宽频特性噪声分析

3．3．1 结构振动对噪声的影响分析

结构的振动与其固有频率有关，这里包括离心风机壳体的结构振动和试验台架的结构振动。离心风机运行时产生激励频率与壳体或台架的固有频率一致时，会激发结构的共振从而产生结构振动噪声，其噪声表现为宽频特性。

经过对4个工况下壳体、台架振动测点的振动加速度信号和几个近场声压测点的声压信号宽频频带进行比较，发现振动信号与声压信号的宽频频带并不相同。表4是工况1下台架振动、壳体振动与风机近场噪声测点信号的关键频带对比，能够明显看出壳体以及台架的振动对总体噪声并没有贡献，在后续的噪声特性分析中可以不必考虑结构振动的影响。

表4 结构振动与近场噪声关键频带对比Tab．4 The comparison of the near field noise and the structure vibration

3．3．2 进气噪声影响分析

根据文献［3］对离心风机噪声的研究表明，风机在高速运行工况下进气口存在较大的进气噪声，其主要由进气管道系统中气柱固有频率特性产生，体现出的是不随转速变化的宽频特性，一般进气噪声呈中、低频为主。

图7～9分别是方案1～3在瞬态加速运行下风机侧远场测点声压的频谱图。

三个工况下的频谱图中进气管长短不同导致的差异体现为不同频段的宽频噪声：进口不接管道时，宽频噪声峰值频带为650 Hz和2 100 Hz；进口连接短弯管时，宽频噪声峰值频带为950 Hz和3 000～3 500 Hz；进口连接延长管时，并无明显峰值的宽频噪声。推断产生这种不同频带的宽频噪声是由进气气柱固有频率特性产生。

图7 方案1瞬态下风机侧远场噪声Fig．7 The far field noise of the blower under transient in scheme 1

图8 方案2瞬态下风机侧远场噪声Fig．8 The far field noise in scheme 2

图9 方案3瞬态下风机侧远场噪声Fig．9 The far field noise in scheme 3

从定量分析的角度看进气噪声对整体噪声的影响，取9 000 r／min和17 000 r／min稳态运行下方案1和3的声压信号，列出表4。可以看出进气噪声消除后，风机侧和电机侧平均声压级分别降低了3 dB（A）和2 dB（A）左右，表明进气噪声对整体噪声的贡献作用显著。

从降噪措施方面考虑，可针对进气气柱的固有频率进行消声频带的设计，在进口处加装消声器。

表5 稳态转速下噪声对比Tab．5 The comparison of the noise under steady state

3．3．3 驱动电机壳体开槽对噪声的影响分析

在该离心风机的设计中，为了避免驱动电机运行时温度过高，在驱动电机壳体设计了一系列通风槽，以保证其正常工作。但通风槽也成为了驱动电机噪声向外辐射的一条路径，由电机散热风扇的气动噪声以及电机电磁噪声都可能通过这个路径向外辐射。

图10中（a）和（b）是方案3和4在瞬态工况下驱动电机的近场噪声频谱图。可以看出两个工况下驱动电机近场噪声拥有相同的阶次特性，而两者在低频段存在较大差异，驱动电机未包裹海绵的工况下在0～500 Hz频段内有一段明显的宽频噪声。再取15 000 r／min稳态下两个工况驱动电机近场噪声频谱图，更能直观的看出两者之间的差异，见图11。

根据对驱动电机产生噪声的预测，只有电磁激励噪声和散热风扇的涡流噪声呈宽频特性，但电磁宽频噪声的频带一般在1 000 Hz以上的中高频段，因此推断驱动电机壳体通孔向外辐射的噪声是散热风扇的涡流噪声。

图10 驱动电机近场噪声对比Fig．10 The comparison of near field noise of the motor

图11 15 000 r／min稳态工况下驱动电机近场噪声Fig．11 The near field noise of the motor under 15 000 r／min

从定量分析的角度看驱动电机壳体通孔对整体噪声的影响，取9 000 r／min和17 000 r／min稳态运行下两个工况的声压信号，列出表5。可以看出驱动电机壳体包裹海绵后，风机侧和电机侧平均声压级都降低了约3 dB（A），表明驱动电机壳体开槽对整体噪声的影响作用显著。

从降噪措施方面考虑，主要可以从驱动电机壳体的设计入手，在不改变驱动电机正常工作的前提下，可以通过改变不同开槽的形式或位置，或在壳体外加装消声罩，以消除500 Hz以下的低频噪声为主。

表6 稳态转速下噪声对比Tab．6 The comparison of the noise under steady state

4 结 论

（1）通过燃料电池车用离心风机噪声试验，发现离心风机的整体噪声随着转速的升高而增大，在最大转速工况下整体噪声接近90 dB（A），亟需对该离心风机进行降噪处理。而离心风机电机侧噪声贡献量大于风机侧，有必要对电机侧进行噪声控制。

（2）离心风机整体噪声中存在明显的阶次噪声，主要是以风机叶轮和驱动电机散热风扇产生的6i阶噪声以及驱动电机激励电流产生的3i阶噪声，二者叠加下6阶噪声尤为突出。

（3）离心风机整体噪声中的存在几段宽频噪声，包括了500 Hz以下的驱动电机壳体开槽的辐射噪声、进口为短管时600～2 000 Hz间的几段进气气柱固有频率特性产生的噪声。

（4）从降噪措施角度看，阶次噪声主要降噪目标为3倍及6倍频；宽频噪声的降噪目标是进口噪声以及500 Hz以下的开槽辐射噪声。

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