汽车空调风道和出风口的气动噪声分析

赵玉垒 赵伟丰 刘二宝 解苗苗 陈明柱

（1.长城汽车股份有限公司，河北省汽车工程技术研究中心；2.雷沃重工股份有限公司）

汽车内的噪声水平已成为舒适性评价的重要指标。空调出风口与驾驶室相连，暖通空调（HVAC）的噪声直接进入驾驶室内，尤其是新能源汽车，由于没有传统发动机的背景噪声，空调噪声成为车内的主要噪声源[1]。HVAC系统由进气壳体、空调箱、鼓风机、风道和出风口组成，鼓风机是主要噪声源。伴随着鼓风机性能的提升，气动噪声占主导的次要噪声源（如风道和出风口）凸显出来[2]。风道存在不必要的凸起结构、弯曲曲率设计不合理、截面突变等问题，出风口也存在凹槽、末端截面突扩、缝隙狭小等问题，这些均容易产生气动噪声。因此，对风道和出风口的降噪研究具有现实意义，在设计阶段预测空调系统的气动噪声，可降低汽车开发成本与风险。文章以空调的吹面风道和出风口为研究对象，通过噪声振动试验测试以及频谱分析，找出噪声峰值的产生原因，利用计算气动声学（CAA）对风道和出风口进行仿真分析，找出噪声源分布，并通过试验验证了仿真模型的合理性，为后期空调风道和出风口的试验和仿真优化提供思路，达到降低气动噪声的目标。

1 气动噪声的发声机理

发出噪声的声源是振动的物体，机械噪声的声源一般是受激振动的固体，对于气动噪声来说，声源是不稳定运动的气体。气动噪声具有随机的特征，是流体运动产生的非定常压力脉动，并以波动形式向外传播，在给定的条件下，气动噪声的发声过程具有统计规律性而并不具有动力学规律性[3]。

1.1 气动噪声的声源分类

气动噪声的产生有2种情况，一是自由流体运动相互间的作用力，另一种是气固体间的相互作用[4]。文献[5]中对风机噪声控制进行了系统总结，将电学分析问题的技巧应用到气动噪声中，针对气动噪声的产生机理，把气动噪声的声源分为单极子、偶极子和四极子声源3种类型，如图1所示。

图1 气动噪声的声源分类

单极子反应的是流体单元体积膨胀或压缩产生的声源，可看成一个脉动球（如图1a所示），在球表面上每一点的声压幅值和相位均相同；偶极子反映的是作用在流体上的力产生的声源，由2个距离很接近，相位差为180°的单极子构成（如图1b所示）；四极子反映的是湍流涡流产生的声源，可看成2个相位不同的偶极子共同作用（如图1c所示），由于轴向不同，四极子声源可分为横向四极子和纵向四极子2种。

在现实流体流动过程中，声源为单极子、偶极子和四极子噪声的集合体，3种声源的声功率分别正比于马赫数的4次方、6次方和8次方。在低速气体的非稳态流场中，出现单极子声源，声功率较小。当气体的流速较高时，固体边界在流体上产生波动表面压力，产生偶极子声源（如图2所示）。当气体的流速更大时，由涡流运动产生噪声，出现四极子声源（如图3所示）。

图2 壁面上的噪声源

图3 风道内的涡流

在空调风道和出风口的气动噪声分析中，风道和出风口的内表面可看成是刚性的，因此单极子源噪声近似为0；四极子源噪声与偶极子源噪声强度之比正比于马赫数的平方，由于空调风道和出风口内气体的速度较低，所以四极子源噪声远小于偶极子源噪声。因此汽车空调风道和出风口的气动噪声研究主要是针对偶极子噪声源的特性。

1.2 风道和出风口的气动噪声频率特性

空调的风道和出风口产生的噪声复杂，由许多不同频率的声音复合在一起，需利用频谱分析的方法找出噪声源，并判断噪声传播的路径。

由于气流经过风道和出风口后，在这些结构的内壁面上产生偶极子声源，其振幅在直线方向上与“边界层厚度/半径”呈线性关系[6]。在风道和出风口内，管道截面突变（突扩或突缩），因气流分离产生涡流或旋流，形成局部阻力。壁面上的噪声源和风道内的涡流，均产生气动噪声。气动噪声是一种宽频噪声，在很宽的频域内均有较强的声压值，频率计算公式为：

式中：fi——气动噪声的频率，Hz；

St——斯特劳哈尔数，当200＜Re（雷诺数）＜2×105时，St=0.2；

U——气体与风道表面的相对速度，m/s；

L——特征长度，即风道的内表面投影于垂直速度平面上的宽度，m；

i——谐波信号，i=1，2，3……。

2 风道和出风口的气动噪声测试

风道和出风口的噪声产生因素有很多，有气体流动引起的，也有风道的振动引起的。现阶段，具备对空调风道和出风口的气动噪声的仿真和优化能力，分析结果能决定设计走向，但需要试验验证。在排除一些噪声干扰因素的条件下，探索风道和出风口噪声产生的原因是本测试的重点。

2.1 试验装置

为了对风道和出风口的噪声和振动进行量化分析，在消声室内搭建了专门的台架[7]，如图4所示。风道和出风口采用实车的系统件，低噪声的风量试验台可提供不同风量的气流，消声室的背景噪声低于30 dB，在供风管道内加入穿孔板，既可均匀气流，又可降低风量试验台对消声室的噪声影响。在供风管道的外表面包裹铝箔胶带或阻尼胶，避免气流的泄露，减小由管道振动引起的噪声。

图4 汽车空调风道和出风口气动噪声测试台架

采用4种不同的风量，并用风速仪测试出风口的风速。测试设备包括LMS数据采集系统、1/2英寸传声器单元（ICP）、加速度传感器、防风球、BNC线等，用B&K标准声学校准器（1 000 Hz和114 dB）对传声器单元进行系统校准。采样带宽≥12 800 Hz，分辨率为1 Hz，输出格式为线性自功率谱。消声室内的传声器位于出风口前90 cm，这是实车的出风口和主驾右耳之间的平均距离，并在各出风口布置传声器单元。在空调风道上布置加速度传感器，并在距离加速度传感器5 cm位置布置传声器单元。需注意，出风口的气体不直接吹向传声器单元。

2.2 噪声的频谱特性

空调风道和出风口的噪声主要分布在≤2 000 Hz的中低频，图5示出房间内和消声室内的噪声频谱曲线对比。从图5可看出，消声室内的噪声由离散噪声和宽频噪声叠加而成，离散噪声存在明显阶次，在基频和倍频处有较高的声压值。风量试验台的风机转速N=1 195 r/min，风机的叶片数Z=15，所以叶片的旋转特征频率（基频）f=NZ/60=299 Hz。基频（299 Hz）和倍频（597 Hz和897 Hz）刚好与图5中的声压峰值相对应，由此判断，外房间的风量试验台产生离散噪声，并通过管道传到消声室内。通过软件的回放和滤波，得出离散噪声为消声室内空调台架啸叫和异响的主要原因。宽频噪声又称为涡流噪声，对应风道和出风口内的涡流分离频率，从图5可看出，除了离散噪声产生的阶次，宽频噪声在很宽的频域范围内有较大的声压值。

图5 房间内和消声室内的噪声频谱对比

图6 示出风道内气流引起的噪声和振动频谱曲线。从图6可以看出，在300 Hz以下，房间内的声压峰值和风道的振动峰值在相同频率段，可判断风量试验台产生的气流引起风道振动，房间内的噪声传入消声室，并通过风道在消声室内传播；在300～1 000 Hz频段内，风道振动点附近的麦克风有较多声压峰值，但房间内不存在声压峰值，因此风道和出风口本身产生二次噪声，并通过风道和出风口向外辐射。

图6 风道内气流引起的噪声和振动频谱曲线

图7 示出消声室内麦克风的噪声频谱曲线。由图7可知，在不同风量下，风量试验台的风机叶片基频分别为 170，230，299，362 Hz，2 阶倍频和 3 阶倍频均存在明显峰值。风道和出风口的频率大于300 Hz时，存在较多的声压峰值，进一步说明，消声室内的噪声由离散噪声和宽频噪声叠加而成，风道和出风口本身产生二次噪声。

图7 消声室内麦克风的噪声频谱曲线

3 风道和出风口的气动噪声仿真

采用试验方法研究气动噪声要耗费大量的人力和物力，而气动噪声的仿真能捕捉流场细节，清楚显示涡流的形成、发展以及破裂的过程，快速找到内部噪声源和研究噪声辐射过程，对风道和出风口的气动噪声进行定性分析和优化。试验和仿真是2种不同的研究手段，两者相辅相成。

3.1 仿真和试验的一致性

图8示出试验和仿真的1/3倍频的一致性对比。从图8可以看出，仿真结果和试验结果的变化趋势吻合，在315 Hz处均出现声压峰值，一致性较好。利用风速仪测试了各出风口的风速，并和仿真结果进行对比，如表1所示，误差在5%以内。考虑到试验过程存在一定的测试误差，并且在仿真过程中，对计算模型做了很多假设处理和简化，因此误差在合理范围内。可认为，仿真模型运用的方法合理，可用于后期指导风道和出风口的设计以及改进工作。

图8 风道和出风口产生噪声的试验和仿真对比（1/3倍频）

表1 出风口位置的试验和仿真风速对比m/s

3.2 风道和出风口的仿真分析

图9示出出风口附近的涡流分布图。从图9可以看出，该位置存在负压区，气体流速较大并伴随着涡流的产生，涡流的强度是产生气动噪声的重要原因。在风道设计时，尽量减少内部的负压区，消除涡流区，风道平滑过渡，利于对压损、风量和噪声的控制。

图9 出风口位置产生的涡流（瞬态计算）

宽频噪声能表示气动声源向外辐射噪声的强弱水平。图10示出宽频噪声的声功率云图。

图10 风道和出风口宽频噪声声功率云图

从图10能清楚看到空间噪声源的强弱分布。用Curle表面声功率（面声源）计算偶极子声源产生的原因，可表示风道或出风口在流体上产生的波动表面压力。用Proundman声功率（体声源）可评估各向同性湍流产生的四极子噪声源，说明涡流或旋流产生的噪声。在风道和出风口的仿真分析过程中，宽频噪声常用来进行方案的优化和筛选，如果一个方案声源的声功率比另一个方案大，那么这个方案产生的气动噪声就大。

4 结论

文章对空调风道和出风口的气动噪声进行了有效预测。在消声室内测试了不同风量条件下的空调风道和出风口噪声特性，讨论了试验台架的噪声源和噪声辐射，并利用气动噪声仿真方法，模拟了风道和出风口内的气流运动和噪声特性，试验值和仿真值的一致性较好，仿真方法能用于预测空调风道和出风口的噪声水平。在汽车开发日程中，该方法可评估风道和出风口的几何模型噪声分布值，优化设计并降低气动噪声水平。后期，这种仿真方法可用于整个HVAC系统的气动噪声预测，包括鼓风机（用旋转机械的计算模型）、空调箱以及驾驶室。