汽车空调系统中制冷剂引起的啸叫声研究

汽车在空调开关过程中，特别是发动机转速升高过程的空调开关过程，容易产生类似金属摩擦音的高频啸叫。本文针对此类噪声进行测试，确认了噪声频率和相关零部件的振动。结合管内流体的声学模态分析，计算出制冷剂流体的声学模态频率。根据试验结果，找出了对此声学模态的激励源是管路和膨胀阀的接口。制冷剂在管路中的高频啸叫需要满足3个条件：

①存在声学频率范围内的声学模态；

②具有一定流速以及管路径向的剪切激励力；

③声音传递到车内的路径。针对某一车型，进行分析和试验，计算和验证了啸叫频率，分析膨胀阀和其连接管的结构，找到了激励源，通过结构措施的改变消除了高频啸叫声，从而为车辆的空调系统设计提供了依据。

关键词：汽车空调，啸叫声，声腔模态频率，激励力

作者：段传学 ----吉利汽车研究院有限公司

如今汽车业发生了翻天覆地的变化，随着人们对生活品质的追求和提高，对汽车的要求也越来越高，安全、漂亮、 空间大、配置高、通过性高、适应性强是目前顾客对汽车的需求。汽车空调系统为汽车提供制冷、采暖、除霜、除雾、 空气过滤和湿度控制，是影响汽车舒适性的主要部分，已成为汽车市场竞争的主要手段之一。而汽车空调的振动噪声水平日益成为影响整车舒适性的最重要因素。

空调噪声是当前汽车空调行业消费者投诉的重要问题之一，在IQS中数据一直居高不下。特别是在变工况条件下产生的瞬态“啸叫”，经常令人难以忍受。

当前，国内外针对制冷剂系统产生的各种噪声的研究还不成熟。对热力膨胀阀噪声的研究还刚刚起步，大多数研究都见于一些厂家的专利申请中。对热力膨胀阀和管路中噪声产生的机理以及控制方法都没有明确的结论。在可查的文献中，只有美国Ulnois大学制冷空调中心对热力膨胀阀在不同工况下的稳态噪声进行了实验研究，并对实验结果进行了初步分析，获得了热力膨胀阀的稳态噪声与系统工作条件关系的定性结果。然而，热力膨胀阀“啸叫”伴随着空调系统的瞬态变化而出现（如系统起动、关闭过程，压缩机转速突变等），持续时间在5s内。

本文就是在试验结合理论分析的基础上找到开空调制冷剂流体尖叫的原因，计算并验证了啸叫的固有频率，找到了激励源并进行了整改，消除了此类噪声。

01车辆开空调啸叫

根据生产反馈，下线车辆在路试过程中出现类似金属声 的尖叫声，声音很尖，持续时间不长，明显是一个异常音。因为项目时间的原因，需要快速进行整改，找到解决方案。

通过反复对车辆进行路试，确认这个金属尖叫声产生的 条件描述如下；

1） 怠速下开空调，无金属尖叫声。

2） 怠速下开空调，定置小加速踏板开度加速，出现金 属尖叫声，每次会有大小的差别，无明显音调的差别。

3） 怠速滑行，开空调，小加速踏板开度加速过程中， 转速在1500 ~2000r/min时有金属尖叫声。

4） 缓加速，转速在1500r/min以下开空调，有尖叫声。

5） 转速超过2500r/min尖叫声消失。

制订测试计划，根据测试结果进行问题排查。噪声测试 点包括车内驾驶员右耳和发动机舱内噪声，振动测试点包括 压缩机排气管、TXV上的高压液管位置和TXV上的吸气管 位置，如图1所示。

测试状态为定置小加速踏板开度加速，在加速的过程中 打开空调。测试结果如图2所示。

结果显示，在怠速下开空调，加速到1500 ~3000r/min, 有金属尖叫声；尖叫声频率为5000Hz左右，发动机舱内没 有这个特征；吸气管和排气管上的振动特征明显，如图3所 示D、E、F处，特别是D处的TXV连接回气管处振动最 明显。

经过振动测试发现，在管路吸气管和TXV附近的 5000Hz的特征比较符合。并且机舱内声音特征不明显，可 以判断是制冷剂系统引起的噪声。

02数据分析和原因查找

首先怀疑是膨胀阀阀口引起的，针对原阀取消阀口调节杆卡簧以验证是否卡簧的振动引起。测试结果显示啸叫依然存在，只是频率略有降低，为4950Hz,如图4所示。同时，高压液管的特征变得不明显了。

更进一步验证，取消膨胀阀调节球，让膨胀阀变成一个节流孔，节流保持不变。结果显示频率带宽增加，高压液管特征仍然不明显，如图5所示。

综上所述，啸叫噪声和制冷剂相关。由于啸叫频率比较高，并且只有在特殊条件下才能激发，噪声频率和流体的状态及流速相关。

03管内噪声产生的原理

对于典型的管内流体，其波动方程为

根据方程解的特性，假设管路壁面刚性，圆形管坐标对称，并且只考虑径向的模态，则管内流体的声学模态参数估计如下：

其中，Ｍ足马赫数，制冷剂的流速和当地声速之比。

除了在膨胀阀后很短的一段管马赫数较高（M≥1），其他部分马赫数较低（M≤1）。所以，式（２）变化为：

前１０阶的模态形状以及kp,q和 ai 的数值如图６所 示，其中ai是管路的内半径。

根据图6，第一阶模态可以表述为

对于空调系统来说，只有在20 ~20000Hz范围内的模态才能被激发和显现。按照汽车空调管路直径6〜20mm计算， 只有（1, 0）、（2, 0）、（0, 1）三阶模态才有可能被激励出来。其余模态的频率远远大于20000Hz的听阈频率。

以下的分析只考虑前3阶的空腔模态。按照R134a的特性，其声速为90~340m/s,变成液体后声速达到1600m/so 而管路内经从ID=6mm到ID=15mm。

04理论分析找原因和验证

对本空调系统来说，空调热力膨胀阀和连接管的参数见表1。按照当地声速160m/s计算的管路声腔模态频率也在表1中显示，其中气体的当地声速按照340m/s来计算。

对于空调管路系统来说，只有满足下面三个条件才会产金属尖叫声。

1）存在流体的声学模态（p, q）阶次的声学模态。

2）具有剪切方向的足够的激励力来激励这个声学 模态。

3）啸叫能够通过表面传递到驾驶员位置。

其中1）是系统固有的特性，2）和空调系统的结构型 式相关，比较好的设计是减振隔音25dB左右。如果是单频 的噪声比较凸显，没有足够的遮蔽效应的话，异响、啸叫或 者尖声仍然可以被用户感觉。

2）的达成需要条件，持续的剪切力激励来自何处？

经过调查发现，由膨胀阀和管路接口产生，如图7所 小，衫为 0. 8 ~ 1. 0mm。

同时，空调制冷剂系统中制冷剂的声速变化范围很大, 从5m/s到500m/s以上。声速的变化范围也很广，从两相流 的70〜180m/s,到纯气体的340m/s,再到纯液体的1600m/ s,如图8所示。

综上所述，管路内流体的剪切力引起了第(1，0)阶的空腔模态，产生类似金属音的单频噪声。

以上确定了原因，是由接口激励造成的。想把间隙变小不是很容易，但把间隙变大还是很方便的。增加一个垫圈，让接管端面和TXV孔的端面间隙从0.8mm变成3.3mmn

改进后的测试结果如图9所示。最上面的图是原始状态:中间的图是在膨胀阀的压缩机侧增加2.5mm厚的垫圈后的结果:最下面的图是在上述增加垫圈的基础上，在蒸发器侧再增加一个15mm的垫圈后的结果。

从图9看出，增加一个垫圈后，明显的金属声消失了，而再增加蒸发器侧的一个垫圈，其效果基本没有变化。

更改膨胀阀连接管的插人深度，减小了切向的涡流力激励，消除了异响。

另一个典型的车辆开空调啸叫声的例子是，管路接头呈90°夹角，在开空调的某个转速下产生了啸叫声，如图10所示。通过更改插入深度，并且把90°夹角改成180°连接，尖叫声消失，如图11所示

05结论

本文分析了由于剪切力引起的管内流体的尖叫声，通过理论分析得出了声学模态频率，通过试验找到了激励源。

总之制冷剂在管路中的尖叫声激发需要3个条件：

①声学模态符合；②和流速以及结构相关的剪切方向的激励力；③声音传递路径合适。

通过分析这三个方面的影响，可以得出避免流体尖叫的 措施和方法，为整车的振动噪声降低做出贡献。

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