纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法
阅读：463发布：2020-05-14
专利汇可以提供纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种纯 电动车 怠速 工况下 空调 压缩机 低频异响诊断和改善方法，主要包括下述步骤：分析异响来源，通过仿真计算和 频谱 分析，初步确定声源部位；再采用声学相机成像技术确定最终的声源部位；然后进行声源噪声分析，包括噪声的时域和频域分析、声音 过滤器 分析、以及音质分析；对纯电动车与竞争车型的空调压缩机进行 转子 轴振动 频率 响应测试，确定产生纯电动车噪声的结构；接着，调整空调压缩机的转子轴启动控制策略，将转子轴 定位 启动变更为转子轴无定位启动；最后，在纯电动车空调压缩机的结构设计和制造加工技术两方面进行改善。本发明方法能够有效地检测和降低空调压缩机的异常噪声。，下面是纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法专利的具体信息内容。
1.纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、采用频谱分析和声源定位来确定纯电动车怠速工况下空调压缩机异响来源；
S11、分析纯电动车空调压缩机异响来源，然后根据声波传播的理论和构造车身骨架结构模型，通过仿真计算得到纯电动汽车车身结构的模态及其声压分布，初步确定声源部位；
S12、针对步骤S11初步确定的噪声声源部位，采用声学相机成像技术准确确定声源部位；
S2、声源异响分析：对步骤S1获得的声源部位进行异响分析，包括噪声的时域和频域分析、声音过滤器分析、以及音质分析；
S3、对纯电动车与竞争车型的空调压缩机进行转子轴振动频率响应测试，并将测试结果结合与步骤S2的分析确定产生纯电动车噪声的结构；
S4、设计及工艺精度改进：对比竞争车型的空调压缩机，在纯电动车空调压缩机的结构设计和制造加工技术两方面进行改善；
S5、调整控制策略：针对纯电动车的空调压缩机转子轴振动噪声，调整空调压缩机的转子轴启动控制策略，将转子轴定位启动变更为转子轴无定位启动，并对这两种启动方式进行一万次连续启动试验。
2.根据权利要求1所述的纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法，其特征在于，步骤S11中，所述分析纯电动车空调压缩机异响来源，包括通过管道、支架直接或间接连接到车身，产生各种空气辐射、液体流动和机械结构传递出来的噪声，同时还考虑空调压缩机噪声传播到车身内部可能产生的耦合效应。
3.根据权利要求1所述的纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法，其特征在于，步骤S11中，所述构造车身骨架结构模型，具体是根据车型构建车身左侧A、B、C三个柱，并在A柱上设置三个节点并获取相应坐标；在B柱和C柱上设置两个节点并获取相应坐标；类似地，在车身右侧设置相应的柱子和节点，且车身左右两侧对称；然后依次连接各节点构成一个不规则的多面体结构，通过有限元仿真计算得到纯电动汽车车身结构的模态及其声压分布，从纯电动汽车车身结构的模态得知靠近空调压缩机出风口的部位存在频率位移变形特征，从纯电动汽车车身的声压分布得知靠近空调压缩机出风口的部位存在噪声能量集中现象，从而初步确定靠近空调压缩机出风口的部位为声源部位，且模态频率为
240Hz。
4.根据权利要求1所述的纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法，其特征在于，步骤S12中，考虑声学阵列中的M个传声器位置的rN坐标,N＝1，2…,M，采用声学相机成像技术,通过计算离散声源表面,形成一系列网格节点,考虑每个网格节点,基于延迟叠加求和的波束形成算法的每个传声器的声压采集信号接收“相位对齐”和“求和操作”,让真实的声源的噪声信号突出显示出来,而其他位置的噪声信号则被削弱,从而识别声源；
各测点传声器的声压，如下式：
其中，P0为声源压力，K0为波数向量，rm为阵列中第m个传声器的在坐标系中的位置，m＝
1，2，…，M；
输出延迟叠加波束成形，如下式：
k＝ω/c,K≡-kκ
其中，ω为角频率，c是声音的速度，k是入射波的波数向量方向，κ为阵列集中点，K为入射方向的波束向量，M为声阵列的传声器个数，wm为第m个传声器传函平方的列向量；W(K)为传声器阵列的阵列模式；
w＝[|v1|2,|v2|2,...,|vM|2],v＝[v1,v2,...,vM]T
其中，v是从声源到每个传声器的传递函数列向量；
波束形成缩放声强,如下式：
BI(r)＝α|B(r)|2,
其中，D为阵列直径，λ为声波波长，α为声强缩放因子；波束形成缩放声强BI(r)在相应的声源的主瓣等于声源辐射声功率的数组的一侧半球,而声强反映声源本身的强弱。
5.根据权利要求1所述的纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法，其特征在于，步骤S2中，具体包括下述步骤：
S21、将纯电动车和竞争车型的空调压缩机的噪声时域和频域数据进行对比分析，确定纯电动车的噪声峰值；所述噪声时域和频域数据包括纯电动车和竞争车型的空调压缩机的声压时域曲线、初始阶段声压频谱曲线、以及起动稳定阶段的声压频谱曲线；
S22、采用带阻滤波的方法进行声音过滤器分析,对160～400Hz频段的信号过滤处理后,其中涉及到的公式为带阻滤波器的传递函数定义公式： 其中，G0,
ω0,ξ分别表示增益，中心频率，阻尼系数；对160～400Hz频段的信号过滤处理后；
S23、在200～300Hz频率范围内,包括响度、尖锐度、粗糙度、抖动度四个音质指标,对纯电动车和竞争车型进行比较。
6.根据权利要求1所述的纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法，其特征在于，在步骤S3中，具体包括如下：
对纯电动车和竞争车型做转子轴向振动-力频率响应测试，从该测试曲线确定纯电动车的转子轴向振动-力频率峰值，将该频率峰值和已经测得的纯电动车的噪声峰值进行比较，确定转子轴为纯电动车的噪声改进结构。
7.根据权利要求1所述的纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法，其特征在于，在步骤S4中，对比竞争车型的空调压缩机，在纯电动车空调压缩机的结构设计和制造加工技术两方面进行改善，具体包括：
结构设计改善：通过在空调压缩机的壳体表面增加加强筋，使得空调压缩机本体的结构强度加强；
制造加工技术改善：通过调整空调压缩机电机的加工速度，在动盘和静盘的涡线中心位置附近修改涡线的形状，使实际涡线与目标线之间的相对厚度偏差有所调整。
纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法
技术领域
[0001] 本发明涉及纯电动低频噪声控制领域，特别涉及一种纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法。
背景技术
[0002] 近年来,随着社会经济发展和人类环保意识的增强,也为了子孙后代的长远考虑：全球致力于减少大气污染排放,不同于使用内燃机作为能源驱动的传统汽车,越来越多的大型汽车集团公司把开发目标转移到混合动力电动汽车、插电式混合动力电动汽车、纯电动汽车、氢燃料电池车等新能源汽车领域,在上述各类新能源汽车中，纯电动汽车因其清洁和节能而越来越被广泛使用。然而，除了传统汽车存在的噪声和振动问题外，特别是空调压缩机(简称空压机，以下同)产生的特有的异常噪声，所以快速诊断和消除突出异响现象则成了非常紧迫的问题[1]。由于这种异响的频率较低，市场上有不少客户抱怨不舒服，但这种低频问题通常又不能通过施加吸声材料来解决，只能通过改进结构设计和制造水平来实现。公开资料显示：北欧的几名声学研究者已经做了大量的调查工作，研究了抱怨者的低频听力功能，以及令人烦恼的声音的特征匹配关系。
[0003] 驾驶和乘坐舒适性是车辆开发性能中最重要的环节之一,从最初概念设计、产品开发、仿真分析和试验评价,试制阶段,量产性能确认、市场跟踪和持续改善,简而言之,直到下一代中期改款。噪声和振动性能都是汽车舒适性的重要组成部分，直接关系到产品在市场上的口碑。
[0004] 纯电动试制车在怠速工况的启动初期存在“clicking”和“whoops”异响比较突出的问题，这种现象可能会严重影响产品的商品性能。因此首先,组织专家团队做一些主观听音评价,然后对异响产生的机理及噪声传递路径进行了分析,再用有限元法对车身模态和车内声压分布进行数值模拟计算,接下来，采用声阵列和实时成像方法对异响源做了识别和定位及实时的频谱分析,另外，空调压缩机本体的振动和内部车辆噪声分别进行测量,基于以上这些计算和评价结果,继续做了进一步的调查,随后提供了三项对应的解决方案，包括结构加强、制造工艺改进和空压机在启动初期的控制策略优化，使得空压机的异响问题在一定程度上得到了有效改善。
[0005] 虽然纯电动汽车没有传统汽油车的发动机噪声问题，但有其自身特有的电器系统噪声问题，尤其是其空调压缩机的噪声问题则突出体现出来。在一款纯电动汽车的产品设计开发过程中，在启动初期，空调压缩机伴随着“clicking”和“whoops”的出现，这两种异常噪声都是难以接受的。首先，需要进行声源识别。另外,从空调压缩机的结构和原理两个方面考虑,做了大量的调查和分析,通过调整控制系统和优化结构设计,相同级别的竞争车型的空调压缩机对比分析,然后设置噪声目标值,解析了异响传递路径和空调压缩机振动响应特性,分析车身骨架振动模态及频率，然后模拟计算车内车身声压场分布。在过去的几年里,随着一些改进的数值计算方法的出现,例如,光滑有限元法(S-FEM),基于节点稳定的光滑有限元法(SNS-FEM),单元分解方法(EDM)等,其中，梯度光滑技术能够较好地处理局部几何结构中严重扭曲的网格，其最大的优点是计算精度高、效率高、可靠性高、稳定性好、收敛速度快。因此，可以实现在节约成本和开发周期，这些都非常适合于工程上的声学模拟预测工作，当然也适用汽车工业领域中汽车车身结构声学性能的开发和设计上的应用。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法，通过声源识别、频谱分析、异响频带的信号滤波处理、故障诊断、启动控制策略调整、反复诊断和分析，所有的关键问题都在一定程度上改善，有效地降低空调压缩机的异常噪声。
[0007] 为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：
[0008] 纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法，包括下述步骤：
[0009] S1、采用频谱分析和声源定位来确定纯电动车怠速工况下空调压缩机异响来源；
[0010] S11、分析纯电动车空调压缩机异响来源，然后根据声波传播的理论和构造车身骨架结构模型，通过仿真计算得到纯电动汽车车身结构的模态及其声压分布，初步确定声源部位；
[0011] S12、针对步骤S11初步确定的噪声声源部位，采用声学相机成像技术准确确定声源部位；
[0012] S2、声源异响分析：对步骤S1获得的声源部位进行异响分析，包括噪声的时域和频域分析、声音过滤器分析、以及音质分析；
[0014] S4、设计及工艺精度改进：对比竞争车型的空调压缩机，在纯电动车空调压缩机的结构设计和制造加工技术两方面进行改善；
[0015] S5、调整控制策略：针对纯电动车的空调压缩机转子轴振动噪声，调整空调压缩机的转子轴启动控制策略，将转子轴定位启动变更为转子轴无定位启动，并对这两种启动方式进行一万次连续启动试验。
[0016] 作为优选的技术方案，步骤S11中，所述分析纯电动车空调压缩机异响来源，包括通过管道、支架直接或间接连接到车身，产生各种空气辐射、液体流动和机械结构传递出来的噪声，同时还考虑空调压缩机噪声传播到车身内部可能产生的耦合效应。
[0017] 作为优选的技术方案，步骤S11中，所述构造车身骨架结构模型，具体是根据车型构建车身左侧A、B、C三个柱，并在A柱上设置三个节点并获取相应坐标；在B柱和C柱上设置两个节点并获取相应坐标；类似地，在车身右侧设置相应的柱子和节点，且车身左右两侧对称；然后依次连接各节点构成一个不规则的多面体结构，通过有限元仿真计算得到纯电动汽车车身结构的模态及其声压分布，从纯电动汽车车身结构的模态得知靠近空调压缩机出风口的部位存在频率位移变形特征，从纯电动汽车车身的声压分布得知靠近空调压缩机出风口的部位存在噪声能量集中现象，从而初步确定靠近空调压缩机出风口的部位为声源部位，且模态频率为240Hz。
[0018] 作为优选的技术方案，其特征在于，步骤S12中，考虑声学阵列中的M个传声器位置的rN坐标,N＝1，2···,M，采用声学相机成像技术,通过计算离散声源表面,形成一系列网格节点,考虑每个网格节点,基于延迟叠加求和的波束形成算法的每个传声器的声压采集信号接收“相位对齐”和“求和操作”,让真实的声源的噪声信号突出显示出来,而其他位置的噪声信号则被削弱,从而识别声源；
[0019] 各测点传声器的声压，如下式：
[0020]
[0022] 输出延迟叠加波束成形，如下式：
[0023]
[0024] 其中，ω为角频率，c是声音的速度，k是入射波的波数向量方向，κ为阵列集中点，K为入射方向的波束向量，M为声阵列的传声器个数，wm为第m个传声器传函平方的列向量；W(K)为传声器阵列的阵列模式；
[0025]
[0026] 其中，v是从声源到每个传声器的传递函数列向量；
[0027] 波束形成缩放声强,如下式：
[0028]
[0029] 其中，D为阵列直径，λ为声波波长，α为声强缩放因子；波束形成缩放声强BI(r)在相应的声源的主瓣等于声源辐射声功率的数组的一侧半球,而声强反映声源本身的强弱。
[0030] 作为优选的技术方案，步骤S2中，具体包括下述步骤：
[0031] S21、将纯电动车和竞争车型的空调压缩机的噪声时域和频域数据进行对比分析，确定纯电动车的噪声峰值；所述噪声时域和频域数据包括纯电动车和竞争车型的空调压缩机的声压时域曲线、初始阶段声压频谱曲线、以及起动稳定阶段的声压频谱曲线；
[0032] S22、采用带阻滤波的方法进行声音过滤器分析,对160～400Hz频段的信号过滤处理后,其中涉及到的公式为带阻滤波器的传递函数定义公式： 其中，G0,ω0,ξ分别表示增益，中心频率，阻尼系数；对160～400Hz频段的信号过滤处理后；
[0033] S23、在200～300Hz频率范围内,包括响度、尖锐度、粗糙度、抖动度四个音质指标,对纯电动车和竞争车型进行比较。
[0034] 作为优选的技术方案，在步骤S3中，具体包括如下：
[0035] 对纯电动车和竞争车型做转子轴向振动-力频率响应测试，从该测试曲线确定纯电动车的转子轴向振动-力频率峰值，将该频率峰值和已经测得的纯电动车的噪声峰值进行比较，确定转子轴为纯电动车的噪声改进结构。
[0036] 作为优选的技术方案，在步骤S4中，对比竞争车型的空调压缩机，在纯电动车空调压缩机的结构设计和制造加工技术两方面进行改善，具体包括：
[0037] 结构设计改善：通过在空调压缩机的壳体表面增加加强筋，使得空调压缩机本体的结构强度加强；
[0039] 作为优选的技术方案，步骤S5中，所述转子轴定位启动是指每次启动时都要进行一个定位过程，转子从不确定的位置转到确定位置即启动位置，定位后，电机才开始工作；所述转子轴定位启动是指每次启动时直接从停止位置或当前位置启动；为控制转子轴无定位启动故障风险问题，则完成一万次连续转子轴无定位启动试验，证明无启动障碍。
[0040] 本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：
[0041] (1)本发明方法应用模态振型和声压场计算纯电动汽车车身骨架模型,分别得到以下结论,存在240Hz频率位移变形和噪声能量集中,根据仿真分析结论,得到了空调压缩机噪音异常问题的解决方向。
[0042] (2)本发明方法借助于丹麦B&K公司的声学相机设备，可以有效地识别出异常噪声的位置在AC空压机(空调压缩机)附近。而对200～300Hz频域内的车内噪声信号进行滤波后，再进行回放，并结合谐波分析结果，包括交AC空压机在怠速时的振动加速度频谱，认为异常噪声源是来自于AC空压机。
[0043] (3)本发明方法针对空调压缩机异常噪声，采用空调压缩机本体结构设计、制造加工和空调压缩机转子轴的启动控制策略，有效地降低空调压缩机的异常噪声；
[0044] (4)本发明方法通过比较和参考竞争车辆的AC空压机设计方法，同时根据公司的实际情况，在纯电动汽车上安装最新改进的AC空压机试样之后，再次进行试车评估，取得了良好的效果。除此之外，整个诊断和分析过程为其他产品的类似异常问题提供了可靠的解决方案。附图说明
[0046] 图2为本实施例的空调压缩机噪声产生机理及其传递路径；
[0048] 图4(a)和图4(b)为本实施例的纯电动汽车的身体有限元模型和声压场分布；
[0049] 图5为本实施例的声源识别与声学相机的示意图；
[0050] 图6为本实施例采用声学相机对声源识别的异响频域同步显示图；
[0051] 图7为本实施例的怠速工况下纯电动车和竞争车型的空调压缩机的声压时域曲线；
[0052] 图8(a)和图8(b)分别为本实施例的纯电动车和竞争车型的空压机启动初始阶段和稳定阶段的声压频谱；
[0053] 图9(a)～图9(d)为本实施例的纯电动车和竞争车型的音质指标测量结果比较；其中图9(a)为响度曲线；图9(b)尖锐度曲线；图9(c)粗糙度曲线；图9(d)为抖动度曲线；
[0054] 图10为本实施例的纯电动车和竞争车型的空调压缩机转子轴向振动-力频率响应图；
[0055] 图11为本实施例的怠速工况下纯电动车和竞争车型的空调压缩机振动加速度测量结果对比；
[0056] 图12为本实施例的纯电动车和竞争车型的空压机的动盘与静盘之间涡线的加工形状修改示意图；
[0057] 图13(a)～图13(c)为本实施例的纯电动车和竞争车型的原始状态和结构改进后的噪声和振动测量结果；其中，图13(a)为声压级时域测量结果；图13(b)为本实施例的声压级频谱测量结果；图13(c)为振动加速度-频率测量结果；
[0058] 图14(a)和图14(b)分别为本实施例的纯电动车和竞争车型的空调压缩机转子轴定位启动和无定位启动示意图；
[0059] 图15(a)为本实施例的纯电动车和竞争车型的转子轴定位和无定位状态空调压缩机时间-转速变化的比较图；图15(b)和图15(c)分别为本实施例的纯电动车和竞争车型的空调压缩机转子轴定位和不定位状态SPL时域和频域结果比较图。
具体实施方式
[0060] 为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限于本发明。
[0061] 实施例
[0062] 如图1所示，纯电动车怠速工况下空调压缩机低频异响诊断和改善方法，包括下述步骤：
[0063] S1、采用频谱分析和声源定位来确定纯电动车怠速工况下空调压缩机异响来源；
[0064] S11、分析纯电动车空调压缩机异响来源，然后根据声波传播的理论和构造车身骨架结构模型，通过仿真计算得到纯电动汽车车身结构的模态及其声压分布，初步确定声源部位；
[0065] S12、针对步骤S11初步确定的噪声声源部位，采用声学相机成像技术准确确定声源部位；
[0066] S2、声源异响分析：对步骤S1获得的声源部位进行异响分析，包括噪声的时域和频域分析、声音过滤器分析、以及音质分析；
[0067] S3、对纯电动车与竞争车型的空调压缩机进行转子轴振动频率响应测试，并将测试结果结合与步骤S2的分析确定产生纯电动车噪声的结构；
[0068] S4、设计及工艺精度改进：对比竞争车型的空调压缩机，在纯电动车空调压缩机的结构设计和制造加工技术两方面进行改善；
[0069] S5、调整控制策略：针对纯电动车的空调压缩机转子轴振动噪声，调整空调压缩机的转子轴启动控制策略，将转子轴定位启动变更为转子轴无定位启动，并对这两种启动方式进行一万次连续启动试验。
[0070] 以下采用一个具体的应用实例来详细说明本发明的技术方案；
[0071] 一、选择用于噪声诊断与改善的纯电动车辆(试验车辆)，但选择车辆的方式不限于本实施例提出的一种。
[0072] 人们对车辆噪声现象第一步感知是主观听音感，如表1给出了一种车辆噪声主观评价打分的方法，即所谓5分制。
[0073] 表1对市场上车辆噪声的详细评价定义的主体评价规则
[0074]
[0075] 主观评价结果：首先准备了5台纯电动试制样车和1台同级别的市场竞争车型,然后在开展评价的前一天停放一个晚上,确保评价开始时可以冷启动,现场组织五名专业工程师一起对启动初期的异响现象进行主观评价和打分,根据Tab.1的等级划分方法和评分规则,组织者事先向参加评价的工程师进行说明：每一个评价者都不允许与其他评价人员交流噪声评估结果，直到完成所有5辆车的评价并提交评价表格结束为止，最后收齐评价结果并进行平均处理和总结发言。当每个人都坐在车上,都要求关闭所有的门窗,让空压机开始冷启动,以确保评估的时间长度，注意最好不要超过1分钟,因为需要避免空调压缩机过热,导致冷却风扇旋转:如果冷却风扇和压气机同时作动,两种噪声可能会混淆在一起,这可能会干扰空调压缩机噪声评价结果。必须强调的是，要求采用盲评的办法：即每个评价者要独立完成编号为A、B、C、D、E的试制样车评价工作。最后，所有评价结果的收集、结果处理、点评和总结工作则由空压机异响评估的组织者统一完成。
[0076] 表2怠速工况下整车状态下空调压缩机噪声的主观评价得分表
[0077]
[0078] 根据表2的评价结果,参照表1中关于主观评价规则的定义细则：5台纯电动试验样车当中就有3台的平均得分的不到3分,换句话说,即60％的样品不合格,而得分最高的试验样车也仅仅是3.3分,这当中,两台试验样车B和C均处于可接受水平的下限:不到2.5分,这必然会给客户带来较大的困扰甚至引起投诉，故这样的评价结果是有些勉强，难以让人接受。与之相反，市场竞争车型的空调压气机噪声的主观评价4.5分的平均得分，处于A-2级的优势地位，远远高于5辆试制样车的2.7的平均得分。因此，比较而言，试验样车在怠速工况下空调压缩机的异常噪声问题是必须要得到改进的。基于所有参加评价车辆的评估分数,为了找出异常噪声产生的真正原因,尽快确认声源是否即为空调压缩机，综合考虑了5名专业评价工程师的建议后,最后一致决定选择得分最差的试验样车C作为后续改善工作的重点对象，开展包括定量测定、诊断和分析工作。
[0079] 二、声源识别和频谱分析
[0080] 如图2所示，空压机异响的主要来源通常来自压缩机本体及其相结构部件，由于通过管道、支架等直接或间接连接到车身，产生各种空气辐射、液体流动和机械结构传递出来的噪声。此外，它还必须考虑到空压机噪声传播到车身内部可能产生的耦合效应。
[0081] 除了对空调压缩机的近场和驾驶员人耳位置的SPL和频谱进行测量外，还可以根据声波方程进行计算，得出纯电动汽车车身结构模态及其相应的频率特征。
[0082] 声波传播的理论计算：
[0083] 在空气介质中，如下考虑三维声学运动学方程和连续性方程，分别为(1)式和(2)式。
[0084]
[0085]
[0086] 其中， 表示声压在x,y,z三个方向的偏导数，即
[0087]
[0088] 表示对空气质点速度在时间上的偏微分，质点速度沿着x,y,z三个方向的分量对时间求导，c是空气中的声速，ρ是空气的密度。考虑接近实际情况的阻抗边界条件时，[0089]
[0090] 其中，Z为声阻抗，α为吸收系数。
[0091] 现在考虑车身关键骨架结构，主要包括A柱,B柱,C柱,三个主要部分结构特点,如下图3(a)例如,在车身左侧A柱上的三个节点的编号和坐标值分别是3(0，0，0)，(0.3,0,1.1),2(0,0,8),同样,B柱上的两个节点编号及相应得坐标值为4(1.1,0,0),5(1.1,0,
1.2),C柱是由6(1.8,0,1.2),7(1.8,0,0)两个点连接而成；类似地，车身右侧结构中的A柱由8(0.3,1.2,1.1)，9(0,1.2,0.8)，10(0,1.2,0.8),B柱由11(1.1,1.2,0),12(1.1,1.2,
1.2),C柱是由13(1.8,1.2,1.2),14(1.8,1.2,0)构成，然后依次连接所有相邻的点即从1点到14点共14个点,构造出车身骨架结构模型,如图3(a)所示,这是一种不规则的多面体结构,然后可以据此计算结构模态及其相应的频率。
1.2),C柱是由6(1.8,0,1.2),7(1.8,0,0)两个点连接而成；类似地，车身右侧结构中的A柱由8(0.3,1.2,1.1)，9(0,1.2,0.8)，10(0,1.2,0.8),B柱由11(1.1,1.2,0),12(1.1,1.2,
1.2),C柱是由13(1.8,1.2,1.2),14(1.8,1.2,0)构成，然后依次连接所有相邻的点即从1点到14点共14个点,构造出车身骨架结构模型,如图3(a)所示,这是一种不规则的多面体结构,然后可以据此计算结构模态及其相应的频率。
[0092] 通过对仿真计算分析,如图3(b)所示,发现空调出风口处存在约240Hz频率的位移变形特征，主要集中在仪表台(IP，Instrumental Panel)等区域,另外在车内前排地板上亦有变形集中,这可能会导致结构的共振,但最值得注意的位置是IP部位以及人耳位置，因此推测很可能产生噪声能量集中现象。为了控制好传递至车身内部噪声和振动响应,应该首先检查车身模态振型，这可能会引起车身钣件的结构振动，从而辐射出噪声,故这可视为车内异响的对策改善方向。
[0093] 事实上,使用数值计算方法之前,如图4(a)所示,首先构造车身及其内部两个座椅的有限元模型，而车内声压分布的计算结果如图4(b)所示,存在约240Hz模态频率的声压能量集中部位。另一方面，声源定位主要在车内仪表台靠近空调压缩机出风口的部位,这就非常直观地指出了空压机异响问题的解决方向。一般来说，关于空调压缩机的壳体结构，其固有频率大致在约200～300Hz。这很可能跟车身声腔的固有频率耦合，从而在一定程度上导致结构共振，将产生一种长时间持续的异响。为了进一步的诊断，首先结合表1中对各种噪声现象的评价定义和表2的主观评价得分，特别是在表1中对竞争车辆的空压机噪声性能的评价基准，进行以下的定量测试。虽然噪声频谱分析方法是一种非常常用的工具，但没有声源定位更加直观和形象。所以，无法获知更多的有关空压机异响声场分布的详细信息，仅靠频谱尤其不能准确定位复杂形状的声源。此外，借助于丹麦B&K公司的声学相机9712-W-FEN，这种设备非常适用于车辆的噪声故障诊断。
[0094] 如图5所示,考虑声学阵列中的M个传声器位置rN(N＝1 2···,M)的坐标。采用声学相机成像技术,通过计算离散声源表面,形成一系列网格节点,考虑每个网格节点,基于延迟叠加求和的波束形成算法的每个传声器的声压采集信号接收“相位对齐”和“求和操作”,让真实的声源的噪声信号突出显示出来,而其他位置的噪声信号则被削弱,从而有效地识别声源。
[0095] 各测点传声器的声压，如下式：
[0096]
[0097] 其中，在式(5)中，P0为声源压力，K0为波数向量，rm为阵列中第m个传声器的在坐标系中的位置，m＝1，2，···，M；
[0098] 输出延迟叠加波束成形，如下式：
[0099]
[0100] 其中,ω为角频率,c是声音的速度,K是入射波的波数向量方向，κ为阵列集中点,如图5所示；K为入射方向的波束向量，M为声阵列的传声器个数，wm为第m个传声器传递函数平方的列向量；W(K)为传声器阵列的阵列模式，如下式：
[0101]
[0102] 其中，v是从声源到每个传声器的传递函数列向量；
[0103] 波束形成缩放声强，如下式：
[0104]
[0105] 其中,D为阵列直径,λ为声波波长,根据式(6)可得到的输出延迟叠加波束成形,此外，根据公式： 引入声强缩放因子α，得到波束形成缩放声强BI(r)，为了满足缩放后的输出量在声源主瓣区域的积分等于声源辐射在传声器阵列侧半球的声强功率，引入了声强缩放因子对波束形成输出结果缩放，因为此声强缩放因子是基于波束形成输出的声压有效值推导出来，故确保了理论推导与实测一致。
[0106] 本实施例的声源识别的测量结果：采用声学相机进行声源识别非常便利，可以快速诊断异响部位，分辨率高，可视化效果好，因此在汽车噪声性能开发中得到了广泛的应用。但如前一节所述，其理论背景是比较复杂。
[0107] 借助于声学相机设备,在怠速工况下扫描可能的异响声源部位，同步测量车内噪声,可以快速诊断出声源集中部位在空调通风出口(仪表台中间的部分)，异响的频率范围在250Hz附近,所有测试可视化结果可以同步显示，图6所示。
[0108] 三、异常噪声分析
[0109] 异常噪声的时域和频域分析：如图7所示的对比了试验样车和竞争车型的空调压缩机噪声时域数据，在空压机开启的最初10秒内,试制样车的总声压级(可以简化为SPL O.A.,以下同)比竞争车型高了约5～10dB(A),但在之后的约10～20秒范围内,试制样车仍比竞争车高约5dB(A),故认为试制车的噪声波动幅度约为5dB(A)，明显比竞争车型的波动幅值大很多。然而，在启动大约8秒后，竞争车型的空压机噪声基本上是恒定的。如图8(a)所示，空调压缩机启动初始阶段的噪声频谱,在几乎整个频率范围内试验样车的SPL远远大于竞争车型；如图8(b)所示，AC空压机稳定工况时的噪声频谱表明试验样车的噪声最大峰值出现在约250Hz。
[0110] 综上所述，一方面，在AC空压机工作的初始阶段，SPL O.A.应得到良好的控制，另一方面，重点是如何解决约250Hz附件的噪声峰值问题。
[0111] 声音过滤器分析：如上所述，异响的频率特征表明主要成分体现在200～300Hz频率范围内的噪声峰值,占整个频带的能量达到70％左右,为了进一步确认问题所在,采用带阻滤波的方法,带阻滤波器的传递函数定义公式是 此处，G0,ω0,ξ分别表示增益，中心频率，阻尼系数。对160～400Hz频段的信号过滤处理后，对比原始信号和滤波后的信号,分析结果表明，峰值噪声在滤掉了主要频带的信号之后，通过试听，认为基本上消除了异响，这为下一步的改进工作确定了方向。
[0112] 音质分析：如图9(a)～图9(d)所示,在临界带为2～3Bark,也就是在200～300Hz频率范围内,包括响度、尖锐度、粗糙度、抖动度的所有四个音质指标,比较试制样车和竞争车型发现有明显差距。故认为，SQ(音质或声音质量的缩写)的客观测试结果与主观评价结论一致，如表3所示的评价结果所示。
[0113] 表3声压级和音质指标
[0114]
[0115] 四、结构振动频率响应
[0116] 如图10所示振动频率响应测试结果，试制样车的空调压缩机本体与竞争车型比较，存在两个明显的峰值，分别约为50Hz和250Hz。如前所述，图6的噪声时域结果和图7的噪声频域结果相互对应。另一方面，竞争车型的力-振动频率响应测量结果表明，只有在约450Hz时存在一个很小的噪声峰值，几乎可以忽略。同样，在怠速AC空压机启动工况下，AC空压机本体振动测量结果也表明，试验样车的峰值频率也出现在250Hz左右。因此，结合上述两方面的测量结果，从频率响应和振动测试的结果出发，改善AC空压机的结构振动响应，必然是一个有效的解决方向。
[0117] 五、设计及工艺精度改进
[0118] 本实施例中，一个亟须解决的关键问题是在AC空压机启动初期，试制车的AC空压机SPL O.A.值相对于竞争车的波动幅度较大。在采取改善措施之前，先权衡对策方案的利弊，比照竞争车辆的AC空压机,在结构设计和制造加工技术两个方面进行了改善。空调压缩机的内部和外部结构都是加强筋,通过在壳体表面增加加强筋的办法，使得AC空压机本体的结构强度加强，但没有增加额外的重量。另外，在不影响产品可靠性和动态性能的前提条件下，如图12所示，通过调整AC空压机电机的加工速度，在动盘和静盘的涡线中心位置附近。修改了涡线的形状，使实际涡线与目标线之间的相对厚度偏差从0.018mm减小到0.006mm，如表4所示。
[0119] 表4空压机加工改善前、后的厚度偏差
[0120]
[0121] 如图13(a)所示,与空调压缩机的原始状态相比,在制造加工精度提高后,尽管在空调压缩机启动初期的4～5秒,SPL随时间波动越来越大,但是在接下来的30秒,SPL随着时间变化趋缓,时域噪声性能明显得到改善。如图13(b)和13(c)所示，AC空压机本体的噪声和振动性能均在250Hz附近得到较好的改善。
[0122] 六、调整控制策略
[0123] 如前所述，在交流压缩机启动初始阶段4～5秒后，异常噪声问题明显改善，但在启动瞬时时刻，异常噪声依然突出。除此之外，还需要分析AC空压机电机启动控制策略的根本原因及其机械原理。如图14(a)和图14(b)所示以及图2中关于空调压缩机噪声产生机理及传递路径说明,由于空调压缩机转子的控制系统没有定位，在电机停止工作后,转子和定子之间的相对位置是不确定的,定位的定义是指定的转子位置从不确定到确定的过程。如图14(a)所示，关于转子轴定位启动可以假设最后一次电动转子停止时转子位置位于虚线所示,然后下一个定位过程,转子位置则是从虚线到实线的过程。定位后，电机才开始工作。如图14(b)所示的关于转子轴无定位启动的示意图，无定位启动的定义是直接从转子的不确定位置开始。在相同的条件下，也可以假设在转子位置上的最后一次电机转子停止在虚线位置，然后下一个启动，无定位过程是下一个启动转子将直接从虚线位置开始。通过调整转子轴启动控制策略，可以减少在定位过程中机械碰撞等原因导致的“clicking”异响问题。
[0124] 在本实施例中，由于电机转子的惯性矩及其附件很小，如何确认在改变启动控制策略后是否存在电机转子的故障率问题，必须更加注意从定位到无定位的启动故障风险。此外，在对无定位启动故障风险评估办法是，在完成了近10000个连续启动试验后，证明没有问题。
[0125] 当AC空压机启动系统由原来的定位状态变更为优化后的无定位控制策略之后，如图15(a)所示，采用电磁感应转速传感器，根据无定位状态的转子轴转速测量曲线，其转速上升过程比原状态更平缓、稳定，在一秒钟内，AC空压机转子位置的初始转速迅速近似线性地提高到了约1600rpm。
[0126] 如图15(b)和图15(c)所示，对比原状态，在控制策略优化后，验证了在AC空压机启动阶段的时间和频率域的噪声性能明显改善。将控制策略优化后的AC空压机安装在纯电动汽车上，主观评价结论认为效果良好。
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