汽车空调系统噪声研究及控制

靳豹　王朝阳　曹子亮　刘建广

摘 要：从汽车用空调系统的组成，分别对空调制冷系统产生的吸合噪声、阶次噪声、Hissing噪声等不同类型的噪声现象及产生机理进行了阐述。通过分析产生这些噪声的原因及相关零部件，分别指出了相对应的控制要点及措施。最后，展示了通过控制空调系统噪声使汽车车内噪声得到优化的工程实例。

关键词：汽车空调；制冷系统；噪声优化

1 引言

汽车空调系统有调节温度、湿度，对驾驶室内进行通风、换气，调节驾驶员舒适感的作用[1]。但随之而来的噪声问题也成为影响驾驶员舒适性的因素之一。

2 汽车空调系统工作原理

汽车空调系统主要由两部分组成，即制冷系统和暖通箱。制冷系统主要包括压缩机、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀、蒸发器、管路、冷却风扇等，暖通箱主要包括鼓风机、风道、风门等；

高压液态冷媒在节流阀内变为低温低压的液态冷媒，最后进入蒸发器，完成制冷循环。而在暖通箱内，蒸发器周边的冷空气或者暖风水箱周围的热空气被鼓风机吹散到车内，保证车内舒适性。

本文主要针对汽车空调制冷系统的噪声现象开展研究。

3 空调系统噪声现象及产生机理

空调系统启动时，会消耗一部分发动机功率，导致发动机转速上升，弥补损失的功率[2]，使车内噪声增加。除此之外，汽车空调系统工作时自身产生的噪声也很明显，这部分噪声也已经成为影响汽车驾乘人员舒适性的噪声问题之一。而这些噪声问题主要来自于空调制冷系统。其主要噪声现象如下表1。

4 空调系统噪声控制措施

4.1 压缩机吸合异响

压缩机吸合异响，是由于压缩机离合器吸合时吸盘与皮带轮产生撞击而产生的。离合器吸合是利用离合器通电时产生磁场力将吸盘进行吸合，且吸合速度快，导致吸盘和皮带轮产生撞击，进而产生异响噪声。

但不同的离合器结构和使用不同的材质所产生的吸合异响噪声程度也会有所不同，如图3所示。

可以从以下几方面采取优化措施：

（1）从结构和材料上优化，缓和压缩机吸合时衔铁碰撞产生的异响，如：使用全周橡胶衔铁；（2）空调管路采用隔振设计控制和衰减振动向车身的传递，如：空調低压管的部分硬管改为橡胶软管，减小异响向车内传递[3]；（3）通过设置合理吸合电压，减弱吸合时的撞击。

除以上措施外，合理使用电动压缩机，也是防止吸合异响的有效手段。

4.2 压缩机的阶次噪声

压缩机阶次噪声是压缩机最为常见的噪声之一，该噪声现象是由压缩机旋转部件引起的，其噪声频率和旋转频率相关，如图4所示。压缩机结构形式不同，阶次噪声也不尽相同，如：旋叶式压缩机阶次噪声和叶片数量相关，斜盘式压缩机阶次噪声和活塞数量相关。

一般情况是通过生产厂家进行压缩机内部结构优化，主机厂也可以选用噪声更为优秀的涡旋式或变排量压缩机或采取以下被动措施，满足噪声目标要求：

（1）发动机支撑或悬置进行合理匹配；（2）空调系统增加减振降噪措施；（3）空调管路在车身及防火墙安装采用隔振措施。

4.3 膨胀阀或蒸发器的Hissing噪声

制冷初期，压缩机吸排气压力差较小，压缩机内冷媒流通量大。同时蒸发器内冷媒的压力和温度会快速下降。因热传递慢，膨胀阀感知温度变化相对于压力的改变较慢，因此在膜片上就会形成压力差，开启阀门，随着热传递，压力逐渐平衡，阀芯会回到正常位置。在此过程中阀芯与顶杆脱离形成自由振动系统，受冷媒激励产生异响[4]。

消除或减弱该噪声，可采用的对策如下：

（1）减小膨胀阀开启时冷媒压力；（2）控制膨胀阀阀芯与阀座的相对水平运动；（3）空调管路与车身安装点的振动隔离；（4）增加隔吸声材料包覆；（5）增加消声器。

4.4 冷却模块散热风扇噪声

风扇噪声主要有以下几种：风扇残余动不平衡产生的低频噪声、叶片扰动空气产生的涡流噪声、叶片切割空气引起的阶次啸叫，又称为旋转或叶片噪声等。

风扇噪声控制思路：

（1）控制风扇转速。风扇噪声的声压级（SPL）计算方法如下：SPL=K1Qn2/D式中：K1-常量，Q-风量，D-直径，n-转速。由此，在同一风量Q下，为了降低风扇噪声，可增加直径D，或降低转速n；（2）优化风扇叶片形状，使之有较好的流线型和合适的弯曲度，减小涡流噪声；（3）采用护风环可减小风扇顶端的涡流噪声；（4）叶片非均匀分布可降低风扇噪声中突出的峰值频率成分；（5）采用有机合成材料（玻璃钢、高强度尼龙等）叶片比金属叶片噪声小；（6）适当的选择风扇（2）与散热器的距离也可减小风扇噪声。

4.5 拍频噪声

该拍频噪声是在值两个频率接近的噪声调制引起的强弱变化的听觉现象。这里涉及的拍频噪声包括双风扇引起的拍频，以及压缩机阶次噪声、风扇阶次噪声、发动机阶次噪声引起的拍频噪声。

在进行系统设计时需要考虑的因素有：

（1）压缩机单体噪声、振动；（2）风扇单体噪声振动；（3）转速比（发动机与压缩机的转速比）；（4）发动机、压缩机、风扇之间阶次频率的分布及频率间隔。

5 案例

某车型怠速开空调工况下车内存在明显的周期性拍频现象。经测试及互动滤波得出结论：该拍频噪声由于106Hz噪声（发动机8阶）与112Hz噪声（压缩机7阶）频率接近而产生，测试数据如图5所示。

针对以上问题，采取如下措施：

（1）更换小带轮压缩机，即改变压缩机传动比；（2）空调管路管夹优化，增加与车身连接处隔振橡胶。

经过优化处理，压缩机7阶频率上升至117Hz，且其噪声峰值降低约5dB（A），如图6所示。

实车评价，优化后车内拍频现象消失，车内声品质得到明显提升，该问题得到有效解决。

6 结语

本文针对汽车空调噪声问题，从空调系统结构、主要噪声现象及其产生机理进行分析，并针对空调系统不同零部件产生的噪声提供了相对应的控制措施。

参考文献：

[1]孔凡清，龚元聪，赵雨晴，路士杰，张学敏.现代汽车空调HVAC研究现状与发展趋[J]. 环境工程.2016，34.

[2]刘显臣.汽车NVH综合技术[M].北京：机械工业出版社.2014.4：48-50.

[3]杨诚，肖尧，胡美龙.小波分析在汽车空调启动异响诊断中的应用[J]. 噪声与振动控制.2016，34（4）：151-155.

[4]张建国.消音器和膨胀阀在汽车空调降噪中的应用研究. 汽车科技.2016，1.

[5]卢喜.旋叶式车用空调压缩机的振动与噪声控制的研究[D].重庆：重庆大学，2006.