某MPV车怠速车内噪声控制与声品质提升

申秀敏，龙 伟，李利明，王 恒， 唐小丽

(重庆金康赛力斯新能源汽车设计院有限公司， 重庆 401135)

据统计，乘用车的怠速工况运行时间占整个行驶时间的23.7%，特别是在市区以及交通拥堵的道路行驶时，驾乘者会更多地感受怠速性能[1-2]。怠速工况车内噪声的主要来源有汽车发动机、进排气系统、变速器、冷却风扇、空调系统等[3]。怠速车内噪声会影响驾乘人员的舒适性，甚至引起对车辆产品质量的投诉。因此，乘用车的怠速车内噪声问题已成为各生产企业关注的焦点，越来越多的学者开始关注如何降低怠速车内噪声以及如何改善怠速车内声品质的问题[4-8]。

本文针对某MPV车怠速空调开启工况车内噪声及其声品质开展提升和改善工作。通过试验测试发现，怠速空调开启工况车内噪声级偏大，主观感觉高频声明显且存在显著的压耳声、“咕噜咕噜”压耳声。采取主观评价法，对比该MPV车怠速空调关闭和开启工况的车内噪声，初步判断该MPV车怠速空调开启工况车内噪声的主要来源是冷却系统及空调系统。因此，首先通过试验测试、主观评价以及频谱分析等方式诊断出问题原因所在，再通过实施相应的整改措施，达到降低怠速空调开启车内噪声并改善声品质的目的。

1 冷却系统及空调系统噪声机理分析

1.1 冷却系统噪声机理分析

冷却系统一般由冷却风扇、护风罩、水泵、散热器和传动装置组成。其中冷却风扇是主要噪声源，其他部件则会影响风扇噪声的大小。风扇噪声主要是空气动力噪声，由旋转噪声(主要是阶次噪声)、涡流噪声(主要是叶宽脉动噪声)组成[9]。

1) 旋转噪声。由于旋转叶片周期性切割空气，引起空气周期性压力脉动而产生。在叶片等间隔分布情况下基频(Hz)为

(1)

式中：n为风扇转速(r/min)；Z为风扇叶片数。

2) 涡流噪声。冷却风扇旋转时使周围空气产生涡流，这些涡流又因黏滞力作用分裂成一系列独立的小涡流，这些涡流和涡流的分裂会使空气发生扰动，形成压力脉动，从而激发出噪声。涡流噪声是宽频带噪声，主要取决于叶片形状和风扇的工作条件(即转速、流量和气流阻碍)。其主要峰值频率(Hz)为

(2)

式中：K为斯特罗哈尔数(0.15～0.22)；V为风扇线速度(m/s)；d为叶片在气流入射方向上的厚度(m)。

另外，冷却风扇、护风罩等振动也会引起机械噪声，如风扇平衡不良、结构刚性不足引起的振动噪声等。

1.2 空调系统噪声机理分析

目前的车载空调系统绝大部分是基于压缩机制冷的原理进行工作。由于空调系统在工作时，内部同时存在气体和液体，使得空调系统工作时气动噪声、结构噪声以及液体噪声同时存在[10]。

气动噪声包括鼓风机噪声、风道噪声、压缩机吸排气噪声等，主要表现为500 Hz以上的中高频段；结构噪声主要是由压缩机振动，以及压缩机振动引起的相关联结构振动产生的噪声，主要表现为500 Hz以下的中低频段。空调系统的噪声、气动噪声占主导地位，结构噪声为辅。

2 怠速空调开工况车内噪声特性分析

首先，针对该MPV车的怠速空调开启工况车内噪声进行主观评价后发现：车内声压级偏大，有明显压耳声(耳朵能明显感觉到压迫感)，且可以明显感觉有“咕噜咕噜”的声音，声品质较差。

接着，对于该MPV车怠速空调开启工况车内噪声在半消声室内进行了试验测试。图1为车内驾驶员右耳(DR)位置噪声测点布置，图2是车内驾驶员位置噪声频谱图。

图1 车内噪声测点布置

图2 怠速空调开启工况车内噪声频谱图

由图2可知：车内噪声的声压级总值为49.9 dB(A)，高出竞品车近4 dB(A)。经频谱分析发现：噪声的主要峰值除发动机激励的2阶(24 Hz)、4阶(48 Hz)外，还有135、195、215、235 Hz。另外，在180～250 Hz及60～130 Hz频带内存在宽频带噪声，500 Hz以上中高频噪声贡献也比较大。

针对该车怠速空调开启工况车内噪声偏大、声品质较差的现象，通过试验测试对各运行部件采取分别运行法、频谱分析法以确定车内噪声的来源，并采取相应的措施。

2.1 冷却风扇噪声特性分析

该车冷却风扇为双风扇，风扇叶片数分别为5叶片和9叶片，工作转速为1 620 r/min。经计算风扇基频为27 Hz，通过频率分别为135、243 Hz。怠速空调开启工况时，在车外明显能主观感觉到冷却风扇运行的“呼呼”声。

为明确冷却风扇对车内噪声的贡献，本文采用独立运行法，将冷却风扇外接12 V直流电源使其独立运行，在车外1 m处测试整车状态冷却风扇单体噪声，同时采集车内DR位置的噪声信号，以及冷却风扇安装位置的振动信号。图3为冷却风扇车外噪声测点，图4为冷却风扇安装位置振动测点。

图3 冷却风扇车外噪声

图4 冷却风扇安装位置振动

冷却风扇独立运行工况时，车外中部测点噪声值约67.96 dB(A)(高出同类别竞品车近3 dB(A))，对车内DR位置的噪声贡献为41.56 dB(A)。

图5为不同工况车内噪声频谱图。对比怠速空调关工况的车内噪声频谱图，发现怠速空调开工况以及冷却风扇独立运行工况时车内均存在135 Hz处的噪声峰值。可以判断：冷却风扇对车内噪声的贡献主要是在135 Hz，该频率下贡献的噪声峰值达35.8 dB(A)，对车内噪声的贡献偏大。

分析冷却风扇安装位置振动频谱图(如图6)可以发现，振动峰值主要出现在风扇的工作频率27 Hz及其通过频率135 Hz。因此，可以判断车内噪声在135 Hz的贡献来自冷却风扇，传递路径包括空气声传播和结构振动传递。

图5 不同工况车内噪声频谱图

图6 冷却风扇壳体振动

2.2 鼓风机噪声特性分析

鼓风机是怠速空调开启工况车内噪声的一个主要来源。本文采用独立运行法测试鼓风机对车内噪声的贡献，并分析其频率成分。将鼓风机外接12 V直流电源，使其独立运行，主观评价鼓风机运行噪声及1挡风量均明显高于竞争车。

通过测试鼓风机独立运行工况车内噪声，并对比怠速空调开工况车内噪声(如图7)，可以看出：鼓风机独立运行时，车内DR位置噪声级达44.15 dB(A)，高出同级别竞争车6 dB(A)；通过对比噪声频谱可以确定车内60～130 Hz的宽频带噪声以及500 Hz以上的中高频噪声均由鼓风机运行引起，从而判断鼓风机对车内噪声的贡献为宽频带噪声，且噪声贡献偏大，建议对鼓风机进行整改。

图7 鼓风机独立运行工况车内噪声频谱图

2.3 空调压缩机及其管路振动特性分析

怠速空调开启工况时，主观感觉车内存在明显的“咕噜咕噜”声，初步判断与空调压缩机相关。空调压缩机作为动态的旋转机构，自身会产生一系列的振动噪声问题。因此，对空调压缩机及其附件的振动噪声特性展开详细的分析。通过测试压缩机本体及其高低压管的振动信号，并与车内噪声信号对比，分析其频率成分，明确了车内“咕噜咕噜”声的来源。

利用LMS Test.Lab软件对采集的车内噪声信号进行回放与滤波，分析出影响怠速空调开工况车内“咕噜咕噜”声的频率贡献是180～250 Hz频段。根据空调压缩机的传动比为1.4，计算出空调压缩机的工作频率为19.6 Hz，车内噪声在180～250 Hz范围内的峰值均与空调压缩机的工作频率的倍频相吻合，分别为195、215、235 Hz。图8为空调压缩机及其附件振动频谱。

图8 空调压缩机及其附件振动频谱

对比压缩机振动与车内DR位置噪声频谱发现：车内噪声在180～250 Hz频段内的峰值与压缩机的振动相关性不大，不是压缩机本体的振动引起的。对比高、低压管的振动与车内噪声频谱发现：车内噪声在180～250 Hz频段内的噪声峰值与高低压管的振动有较高的相关性。因此，可以判断车内噪声在180～250 Hz范围内的噪声峰值是由空调压缩机高、低压管的压力脉动所引起。

3 某MPV车怠速车内噪声控制

3.1 冷却风扇振动噪声特性改善

对于冷却风扇对车内噪声的贡献，本文通过两方面进行改进：① 通过在冷却风扇壳体增加护风圈以降低风扇对车内空气声的贡献；② 通过调整风扇动平衡量，同时优化冷却风扇与车架之间的连接橡胶垫的刚度，降低风扇振动通过安装点传递到车架引起车身振动，进而降低因车身振动造成的结构声向车内传递。

测试冷却风扇独立运行工况时车内DR位置噪声(如图9所示)。方案实施后，冷却风扇在135Hz处的贡献由原来的35.8 dB(A)降至22.8 dB(A)，由该频率导致的车内压耳声得到了明显改善。

图9 冷却风扇优化前后车内噪声

3.2 鼓风机声品质的提升与改善

压缩机是空调制冷系统的心脏。考虑到压缩机的作用，同时参考车内竞品车空调鼓风机的风量，重新标定该MPV车空调鼓风机1挡的风量，在不影响空调制冷性能的前提下，将1挡风量由160 m3/s调整至130 m3/s。表1为鼓风机风量调整对不同工况下车内噪声的贡献，图10为鼓风机风量调整前后车内噪声对比。

表1 鼓风机风量调整对车内噪声的贡献

空调鼓风机风量调整后，对比分析鼓风机独立运行工况对车内噪声的贡献。如图10(a)可以看出，车内DR位置的噪声级有近6 dB(A)的降低，主要是在60～130 Hz以及500 Hz以上的宽频带内能量有较大幅度的下降。

图10 鼓风机风量调整前后车内噪声对比

3.3 空调压缩机振动特性改善

主观评价压缩机启动后，车内噪声明显增大，且车内存在明显“咕噜咕噜”声的问题。经排查发现，压缩机高、低压管振动明显，振动通过管路向车身传递，进而引起车身振动向车内辐射噪声。故采取经验措施，在高、低压降噪管分别绑配0.4、0.3 kg质量块的手段，在路径上衰减管路的振动。

通过对比方案实施前后的结果，发现压缩机引起的车内噪声问题可以得到明显改善。图11为压缩机高、低压管质量块绑配位置。

图11 压缩机高、低压管质量块绑配位置

在高、低压降噪管分别绑配0.4、0.3 kg质量块，怠速空调开时车内DR位置的噪声有1.7 dB(A)的降低。对于180～250 Hz频带内与压缩机工作有关的频率，总能量有5.5 dB(A)的改善(如图12)，由压缩机引起的车内噪声问题可以得到解决，主观感觉车内“咕噜咕噜”声也得到明显改善。

图12 绑配质量块后怠速空调开时车内噪声频谱图

4 结束语

本文针对某MPV车怠速空调开启工况车内噪声偏大、声品质较差的现象，通过研究车内噪声的产生机理，运用独立运行法、频谱分析法等手段判断出车内噪声偏大、声品质较差的原因是由于冷却系统、空调系统(鼓风机、压缩机及其附件)工作等因素引起。通过采取调整冷却风扇动平衡量、调整冷却风扇安装位置隔振垫硬度、降低鼓风机风量、压缩机高低压管增加配重等方案，使得该车怠速空调开启工况车内噪声从49.9 dB(A)降至46.7 dB(A)，声品质得到了明显提升。本文的研究分析方法和解决思路对车辆其他NVH问题的开发及调校均具有一定的指导意义。