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汽车空调消声器的应用
2020-10-20 09:44:42· 来源：车实用技术杂志社 作者：孙强，陈昌瑞，郭艳
摘要：文章介绍了冷媒脉动产生的机理，冷媒脉动是系统中的固有属性之一，只能减弱，无法彻底消除。在汽车空调中通过消声器的使用来降低系统脉动，介绍了几种汽车
摘要：文章介绍了冷媒脉动产生的机理，冷媒脉动是系统中的固有属性之一，只能减弱，无法彻底消除。在汽车空调中通过消声器的使用来降低系统脉动，介绍了几种汽车空调中常用消声器及消声频率计算，并通过两个实际应用案例降低了汽车空调脉动，消除异音。
引言
NVH，即噪音(Noise)、振动(Vibration)、声振粗糙度(Harshness)，通俗称为乘坐的“舒适感”。汽车空调运行就不可避免地会带来噪声，且在汽车噪声产生的诸多部位中，汽车空调系统是引起重大噪声的部件之一。在主机厂的新车质量研究中，空调系统噪声问题已引起客户广泛关注，居于新车质量问题Top10内。因此，如何使汽车空调噪声减小以达到消费者的要求，是汽车设计者亟需解决的重要问题，也是提升现代汽车市场竞争的关键一环。
在汽车空调NVH设计中冷媒脉动会带来的噪声，对乘员舱舒适性产生影响。徐鑫莉对斜盘式压缩机气动噪声产生机理进行了阐述，由于吸进气过程是有间隔的，不连续就产生了气流的波动，高速气流喷射时与空气激烈混合产生了噪声。并通过在压缩机排气上增加消声器改善排气脉动噪声。郑淳允在压缩机吸气口增加一个直径40mm，长度为50mm的消音器消声器，在（1250-2000）Hz噪声降低明显。
以上文章对脉动机理及消声器设计未做阐述。本文拟对以上内容做阐述，分析。
1 冷媒脉动产生的机理
汽车空调压缩机不连续是脉动产生的主要原因之一，系统中吸气管及排气管中主要是气体，液体管中主要是液态制冷剂，均属于流体工质研究范围。流体工质在管内流动会产生紊流，而紊流中流体质点的轨迹杂乱无章，互相交错，而且迅速地变化，流体微团(旋涡涡体)在顺流方向运动的同时，还作横向和局部逆向运动，与它周围的流体发生混掺。紊流流动是由大小不等的涡体所组成的无规则的随机运动，它的最本质的特征是“紊动”，即随机的脉动。它的速度场和压力场都是随机的。若取管路某一固定空间点来观察，在恒定紊流中，x方向的瞬时流速ux随时间的变化可以通过脉动流速仪测定记录下来，其示意图如图1所示。
图1 紊流的瞬时流
从图1中可以看出，瞬时流速ux可以视为由时均流速与脉动流速两部分构成。
脉动流速是以AB线为基准的，在该线上方时脉动流速为正，在该线下方时脉动流速为负，其值随时间而变，故称为脉动流速。当纵坐标是压力时图1可表示为压力脉动图。从以上分析可看出空调管路中的脉动是系统的固有属性之一，不能完全消除，只能通过增加消声器，增加管路直径（降低制冷剂流速），降低管路内壁面粗糙度等手段，措施，降低冷媒脉动。其中在压缩机及管路中增加消声器是常见应用措施。
2 汽车空调常用消声器简介
消声装置通常被用来降低与内燃机排气管、高压气体或蒸汽排气孔、压缩机及风扇相关的噪声。消音器是阻碍声音传播而允许气流顺利通过的一种消声装置。在汽车空调中应用的消声器主要有扩张式消声器、共振腔式消声器（赫姆霍兹消声器）和微穿孔板式消声器。消声器的声学性能可以用传递损失、插入损失和末端降噪量等进行评价，且其值的大、小代表声学性能的好、坏，对于汽车空调系统中重点关注消声量（TL）及频率之间的关系，针对在不同频段的噪声选择合适的消声器。
2.1扩张式消声器
扩张式消声器（图2）由一个扩张腔和两边与之相连的的管道组成。它的设计原理是利用声波在管道截面的突变，使得阻抗不匹配而使声波发生反射从而引起噪声量的减小。
图2 扩张消声器示意图
图中S1为原声学管道的横截面积，S2为扩张室的横截面积，扩张式消声器的消声量主要由扩张室与原管道横截面积的比值m决定，又称扩张比。简单 扩张式消声器的消声量可表示为：
（1）其中k表示波数，从中可以看出，对于指定的简单扩张式消声器，不同频率处其消声量是不同的。
扩张式消声器还通常增加内插管的，以提高其消声性能（图3）。
图3 内插管扩张消声器示意图
扩张式消声器插入内插管的传递损失可表示为：
（2）2.2共振腔式消声器
共振腔式消声器是由一个或若干密闭空腔通过小孔与管道相连而组成的，其基本原理为亥姆赫兹共振器。如图4密闭空腔相当于空气弹簧，连接空腔与管道的小孔，其里面的空气柱相当于活塞，当有声波通过时，由于声压差的存在，气体在空腔内往复地进行着膨胀与压缩的过程，声能在空气与空气、空气与孔壁之间反复的摩擦过程中转化成热能，消耗掉了。共振腔式消声器其频率选择特性特别明显，只对共振频率附近的频率段有消声效果（图5），对其他频率段消声效果较差。
图4 共振腔式消声器示意图
消声频率f，消声量TL及其特性曲线如（c为声速，Sc为短管截面积，V为消声器容积，Sm为主管截面积，lc为短管长度，fr为消声器的共振频率）。
（3）
图5 共振腔式消声器消声量示意图
2.3 微穿孔板式消声器
微穿孔板式消声器借鉴了共振腔式消声器的结构特点，通过在管道或薄板等结构上钻许多孔径一般在小于微孔（图6）。其具有高声阻、低声质量的特点，使用双层多存微穿孔板结构可以达到更好的消声效果。传递损失TL可表示（4）。
图6 穿孔管消声器示意图
（4）其中G为传导率，为n个小孔的传导率之和，S为内管的截面积；So为管壁上小孔的截面积；Sc为扩张腔截面积。
3 汽车空调消声器应用实例
3.1案例1：扩张消声器应用
某车型在NVH测试过程中发现，怠速开空调状态在181Hz有噪声峰值。
图7 怠速开空调噪声频谱
整车相关状态参数见表1：
表1 整车状态参数
对于旋叶式压缩机其内部结构示意见图8，由定子，转子，5个滑片组成。转子截面为正圆形，气缸内表面为扁圆形的双工作腔结构，转子上开有5槽，滑片置于其中可来回滑动。当发动机带动转子转动时，由于离心力和背压腔压力的共同作用，滑片被甩出，随转子转动，容积大小周期变化。
图8 旋叶式压缩机内部结构图
压缩机对应脉动频率：（800/60）×1.36×5×2=181.33Hz，与测试的181Hz对应，可确认此频率是由压缩机激励所导致。
在不改变传动比及压缩机的前提小，通过在系统中增加消声器来消除脉动噪声，扩张消声器在汽车空调中较为常用，本案例通过此消声器给与解决。
样件测试前选择3款消声器，见表2。
表2 消声器结构尺寸参数
图9 消声器样品图
按照（2）计算各消声器的消声频率，曲线见图10。
图10 消声器消声量曲线
从图中看出3#消声器消声频率及消声量较好。选择3#消声器装在压缩机排气管中图10，优化后的测试数据见图11。
图11 优化后空调管
图12 怠速开空调噪声频谱
经测试181HZ基本无峰值，181Hz处的噪声由优化前的40dB（A），降低至28 dB（A）。满足要求。
3.2案例2：微穿孔消声器的应用
在汽车空调中通过扩张式消声器可以解决很大部分压缩机脉动噪声，但部分车型受空间布置限制等影响，应用困难，因此，微穿孔消声器也在汽车空调中有应用，其特点是结构简单，可装在空调橡胶管路中对空间基本无影响（图13）。
图13 汽车空调微穿孔消声器
某车型在怠速开空调状态有异音，经测试异响频率117Hz。整车状态参数见表。
表3 整车状态参数
压缩机对应脉动频率：（800/60）×1.25×7=116.67Hz，与测试的117Hz对应，可确认此频率是由压缩机激励所导致。
增加微孔消声器测试见图14：
图 14 噪声对比测试
增加微孔消声器后，全频段噪声均有降低，主观评价无异音。
4 总结
本文介绍了冷媒脉动产生的机理，冷媒脉动是系统中的固有属性之一，只能减弱，无法彻底消除。在汽车空调中通过消声器的使用来降低系统脉动，介绍了几种汽车空调中常用消声器及消声频率计算，并通过两个实际应用案例降低了汽车空调脉动，消除异音。本文对冷媒脉动消声器选择上有参考借鉴意义。
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