Способ акустических испытаний отопительно-вентиляционной установки транспортного средства Российский патент 2024 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к технической акустике, в частности к акустическим исследованиям отопительно-вентиляционных установок (далее - ОВУ), входящих в состав систем вентиляции и отопления кабин транспортных средств.

ОВУ кабины (пассажирского салона) конструктивно представляет собой сборный узел, состоящий из корпуса, электровентилятора в сборе с направляющим аппаратом (в частности, улиткой), регулирующими элементами (заслонками), радиатора и/или испарителя. ОВУ является одним из основных источником повышенного шума транспортного средства. Как правило, непосредственным излучателем шума является электровентилятор ОВУ. В процессе работы ОВУ генерируются аэродинамическая, механическая и электромагнитная шумовые составляющие. При этом доля аэродинамической составляющей в акустическом балансе ОВУ является доминирующей. Аэродинамический шум вентилятора образуется в процессе обтекания воздушного потока лопаток колеса (крыльчатки).

Уровень внутреннего шума транспортного средства регламентируется ГОСТ 33555-2022 «Автомобильные транспортные средства. Шум внутренний. Допустимые уровни и методы испытаний». Пункт 5.7.1 данного документа регламентирует условия и режимы испытания вентиляционных установок автомобильного транспортного средства. Поэтому акустические исследования и доводочные работы конструктивных исполнений ОВУ автомобиля являются важной и актуальной задачей разработчиков и исследователей транспортной техники и вентиляторных установок. Для получения объективных акустических характеристик ОВУ проводят измерения излучаемого ей шума в стендовых условиях испытаний. Акустические стендовые исследования ОВУ имеют определенные особенности, обусловленные необходимостью обеспечения низкого шумового фона в помещении, где проводятся измерения шума, излучаемого ОВУ. Для качественных исследований необходимо свести к минимуму наличие звукоотражающих поверхностей, вибровозбуждаемых конструкций, а также близкорасположенного шумоактивного приводного оборудования, любой из которых является фактором, искажающим свободное акустическое поле вокруг исследуемой ОВУ. Для обеспечения необходимых условий при определении акустических характеристик ОВУ, чаще всего используют заглушенные акустические безэховые камеры.

Из авторского свидетельства СССР SU 1695752, МПК G01M 9/00, опубл. 27.11.2006, известен способ аэроакустических испытаний вентилятора, осуществляемый путем подачи воздуха через вентилятор при одновременном поглощении звуковой энергии на нагнетательной или всасывающей ветви и измерении уровня звукового давления на ветви, свободной от поглощения звуковой энергии при дискретном изменении расхода воздуха через испытываемый вентилятор от минимального до максимального значения. При этом перед измерением звукового давления на каждом заданном расходе воздуха, при удаленном из зоны обдува испытываемом вентиляторе, устанавливают постоянный уровень шума в акустической камере не менее, чем на 10 дБ меньший по сравнению с нормальным шумом испытываемого вентилятора. В данном техническом решении используется нагнетание воздуха воздушным трактом испытательного стенда, что неприемлемо при исследовании ОВУ автомобиля, так как необходимо проводить оценку акустических свойств ОВУ, имитируя работу в реальных условиях эксплуатации, где всасывание воздуха происходит электровентилятором в сборе с направляющим аппаратом (улиткой), установленными в корпусе ОВУ. Кроме этого, воздуховоды испытательного стенда создают дополнительный фоновый шум, что приводит к необходимости постоянного измерения его уровня при каждом заданном расходе воздуха, выполняя при этом монтаж-демонтаж исследуемого вентилятора.

В техническом решении по RU 2337342, МПК G01M 15/14, опубл. 27.10.2008, представлен стенд для аэродинамических и акустических исследований вентиляторов двухконтурных турбореактивных двигателей, в котором исследуемый вентилятор установлен в акустической безэховой камере, а приводы рабочих колес биротативного вентилятора, биротативный редуктор, эксгаустерная система размещены вне акустической камеры. В описании технического решения по RU 2337342 не указан способ проведения испытаний, где были бы указаны точки установки измерительных микрофонов, режимы проведения испытаний, регистрируемые акустические параметры.

В ГОСТ 31353.3-2007 (ИСО 13347-3:2004) «Шум машин. Вентиляторы промышленные. Определение уровней звуковой мощности в лабораторных условиях. Метод охватывающей поверхности» приведён способ оценки уровней звуковой мощности промышленных вентиляторов. Метод испытаний предполагает проведение измерений в помещениях или на площадках на открытом воздухе. Если испытуемый вентилятор при его применении устанавливают в помещении, то в соответствии с ГОСТ 31275-2002, определяют показатель акустических условий в помещении К₂, который не должен превышать 2 дБ. Измерительные микрофоны устанавливают в точках измерительной поверхности, которая может быть в виде виртуальных прямоугольного параллелепипеда, полусферы или сферы. Измерение уровней звукового давления производят в каждой измерительной точке, на всех скоростных режимах работы вентилятора, установленных паспортными характеристиками. После этого по формулам параграфа 6 ГОСТ 31353.3 рассчитывают уровень звуковой мощности исследуемого промышленного вентилятора. Способ акустических исследований по ГОСТ 31353.3 направлен на определение акустических параметров вентиляторов, рассматриваемых в качестве точечного излучателя, подразумевает необходимость установки большого количества измерительных микрофонов и отличается высокой трудоемкостью. В процессе исследовательских и доводочных работ модуля ОВУ автомобиля по шуму более значимой является оценка акустических параметров в измерительной точке В, определяемой ГОСТ 33555-2015 как точка в зоне правого органа слуха водителя. Для анализа виброакустических свойств модуля ОВУ необходимо проводить оценку таких показателей как 1/3 октавные спектры уровней шума, общие уровни шума в дБА, узкополосные спектры уровней звуковых давлений, уровни звуковых давлений на дискретных частотно-оборотных гармониках, величины параметра «индекс артикуляции», что не предполагает исследование по цитируемому ГОСТ 31353.3-2007.

В монографии «Автомобильные акустические материалы. Проектирование и исследование низкошумных конструкций автотранспортных средств», М.И. Фесина, А.В. Краснов, Л.Н. Горина, ч. 1, Тольятти: ТГУ, 2010, см. стр. 115-119, представлен метод автономных виброакустических исследований модулей ОВУ пассажирского помещения легковых автомобилей, принимаемый в качестве ПРОТОТИПА, заключающийся в монтаже исследуемого модуля ОВУ на испытательном стенде, расположенном в безэховой акустической камере, в установке измерительного микрофона на расстоянии 0,5 м от стенок корпуса модуля ОВУ, в коммутации измерительного микрофона с регистрирующей и анализирующей аппаратурой, в подаче на клеммы электровентилятора модуля ОВУ стабилизированного напряжения от внешнего источника электропитания, величина которого соответствует значениям напряжений на исследуемых скоростных режимах электровентилятора в составе автомобиля, в контроле подаваемого напряжения цифровым мультиметром, в регистрации параметров звукового поля на всех скоростных режимах работы электровентилятора, при всех функциональных направлениях подачи и всасывания воздуха исследуемой конструкции модуля ОВУ. При этом регистрирующую, анализирующую аппаратуру и внешний источник электропитания располагают вне помещения безэховой камеры.

К недостаткам способа акустических испытаний ОВУ по прототипу можно отнести следующие:

- расположение измерительного микрофона на расстоянии 0,5 м от корпуса модуля ОВУ затрудняет корреляцию результатов стендовых измерений с измерениями акустических параметров, полученных при работе ОВУ в составе автомобиля, где точкой измерения является зона правого органа слуха водителя (точка В по ГОСТ 33555-2022);

- использование цифрового мультиметра для контроля подаваемого на клеммы электровентилятора напряжения, располагаемого вблизи исследуемого модуля ОВУ, предполагающее либо необходимость установки в пространстве безэховой камеры системы видеонаблюдения, обеспечивающей дистанционный мониторинг показаний мультиметра оператором (испытателем), находящимся в смежном (пультовом) помещении, либо, необходимость оператору заходить в помещение безэховой камеры для считывания показаний мультиметра при подготовке измерений на каждом из тестируемых скоростных режимов электровентилятора.

При этом необходимо отметить, что корпуса мультиметра и видеокамеры являются дополнительными звукоотражающими элементами, снижающими условия формирования свободного звукового поля в безэховой камере.

Задачей изобретения является улучшение функциональных свойств способа акустических испытаний ОВУ транспортного средства.

Задача решается в способе акустических испытаний ОВУ транспортного средства, заключающемся в монтаже исследуемого модуля ОВУ на испытательном стенде, расположенном в безэховой акустической камере, в установке измерительного микрофона на удалении от внешней поверхности корпуса модуля ОВУ, в коммутации измерительного микрофона с регистрирующей и анализирующей аппаратурой, в коммутации клемм электровентилятора модуля ОВУ с источником электропитания и в подаче на клеммы электровентилятора модуля ОВУ стабилизированного напряжения, величина которого соответствует регламентированному значению напряжения на исследуемом скоростном режиме электровентилятора при его работе в составе интегрированной в автомобиль ОВУ, в регистрации параметров звукового поля на тестируемых режимах работы электровентилятора, при заданных регламентом испытаний функциональных направлениях подачи и всасывания воздуха исследуемого модуля ОВУ, при этом, регистрирующую, анализирующую аппаратуру, источник электропитания размещают за пределами безэховой камеры.

Технический результат достигается тем, что:

- измерительный микрофон устанавливают в измерительную точку, имитирующую зону правого органа слуха водителя транспортного средства, относительные координаты которой предварительно определяют в салоне (кабине) транспортного средства - носителя тестируемого модуля ОВУ;

- величину напряжения, формируемого источником электропитания, устанавливают с учётом величины падения напряжения в линии связи источника электропитания с электровентилятором модуля ОВУ, при этом напряжение, подаваемое на клеммы электровентилятора, контролируют посредством цифрового вольтметра, встроенного в источник электропитания.

Терминологические определения, используемые в виброакустике

Звуковое давление - переменная часть давления, возникающая в среде при прохождении через нее звуковой волны. Звуковое давление - одна из акустических величин, характеризующих звуковое поле, создаваемое тем или иным источником звука.

Звуковая мощность - количество звуковой энергии, проходящей через некоторую поверхность в единицу времени.

Звукоотражающая плоскость - отражающая звук плоская поверхность, на которую устанавливают испытуемый источник шума.

Измерительная поверхность - воображаемая поверхность, охватывающая испытуемый источник шума, пересечение которой со звукоотражающей плоскостью (плоскостями) имеет вид замкнутой кривой и на которой располагают точки установки микрофонов (точки измерений).

Свободное звуковое поле - звуковое поле в однородной изотропной среде, границы которой оказывают пренебрежимо малое действие на звуковые волны.

Уровень звукового давления - выраженное в шкале дБ (децибел) значение отношения данного звукового давления Р к исходному Р₀, условно принятому пороговому звуковому давлению, равному 2⋅10^-5 Па. L_p = 20 lg(P/P₀).

Уровень звуковой мощности - десятикратный десятичный логарифм отношения звуковой мощности P к опорной звуковой мощности P₀ (1 пВт), выраженный в децибелах по формуле L_w = 10lg(P/P₀).

Фоновый шум - шум от всех источников, кроме испытуемого. Фоновый шум может включать в себя воздушный шум, шум излучения вибрирующих поверхностей, электрический шум средств измерений.

Индекс артикуляции - показатель, характеризующий акустические (шумовые) помехи восприятия речи в кабине (салоне) автомобиля, в %.

Заявляемый способ акустических испытаний ОВУ транспортного средства поясняется рисунками:

фиг. 1, где схематично показана компоновка легкового автомобиля (вид сбоку и вид сверху) с координатами точки установки измерительного микрофона;

фиг. 2, где схематично изображены заглушенная акустическая безэховая камера с установленной в ней исследуемой ОВУ, а также линии связи электровентилятора ОВУ с источником электропитания, а измерительного микрофона с регистрирующей и анализирующей аппаратурой;

фиг. 3, где изображена схема установки измерительного микрофона при исследовании ОВУ в стендовых условиях испытаний.

Позициями на фиг. 1-3 обозначены:

1 - транспортное средство (показан легковой автомобиль);

2 - отопительно-вентиляционная установка;

3 - акустическая безэховая камера;

4 - измерительный микрофон;

5 - реперная точка;

6 - упругий (вибродемпфирующий) крепежный элемент;

7 - каркас испытательного стенда;

8 - линия связи измерительного микрофона с регистрирующей и анализирующей аппаратурой (микрофонный кабель);

9 - регистрирующая аппаратура;

10 - анализирующая аппаратура;

11 - линия связи электровентилятора ОВУ с источником электропитания;

12 -источник электропитания.

Заявляемый способ акустических испытаний ОВУ транспортного средства реализуется следующим образом.

В процессе подготовки к стендовым испытаниям:

1. На транспортном средстве 1 - носителе аналога или тестируемой ОВУ 2 выполняют определение абсолютных Xа, Yа, Zа координат точки размещения измерительного микрофона 4 (точки «В»), виртуально установленного в соответствие с требованиями ГОСТ 33555-2022, затем на поверхности ОВУ 2, проступающей на поверхность панели приборов транспортного средства 1 (формально - в произвольном месте выступающей на поверхность панели приборов части модуля ОВУ 2, как правило, это визуально доступные поверхности воздуховодов) задают реперную 5 точку «С», от которой определяют относительные значения координат Xо, Yо, Zо точки «В» установки микрофона 4.

2. По нормативной документации на транспортное средство 1 устанавливают значения напряжений на клеммах (не показаны) электровентилятора (не показан) ОВУ 2 на всех его скоростных режимах работы; в случае отсутствия указанных данных запускают двигатель (показан условно) транспортного средства 1, прогревают его до достижения рабочей температуры, устанавливают режим холостого хода и посредством цифрового вольтметра (не показан), заблаговременно подключённого к клеммам электровентилятора ОВУ 2, осуществляют регистрацию значений подводимого к клеммам напряжения U_э при всех возможных рабочих скоростях вращения крыльчатки электровентилятора (не показаны) с разными режимами работы ОВУ 2. Например:

- скорость вращения 1, режим вентиляции, минимальная температура, направление потока «в лицо», клапан рециркуляции открыт;

- скорость вращения 1, режим вентиляции, минимальная температура, направление потока «в лицо», клапан рециркуляции закрыт;

- скорость вращения 1, режим обогрева, максимальная температура, направление потока «в стекло», клапан рециркуляции открыт;

- скорость вращения 1, режим обогрева, максимальная температура, направление потока «в ноги», клапан рециркуляции открыт;

- скорость вращения 2, режим вентиляции, минимальная температура, направление потока «в лицо», клапан рециркуляции открыт;

- скорость вращения 2, режим вентиляции, минимальная температура, направление потока «в лицо», клапан рециркуляции закрыт;

- скорость вращения 2, режим обогрева, максимальная температура, направление потока «в стекло», клапан рециркуляции открыт;

- скорость вращения 2, режим обогрева, максимальная температура, направление потока «в ноги», клапан рециркуляции открыт,

и т.д.

После завершения подготовительных работ исследуемый модуль ОВУ 2 с помощью упругих крепежных элементов 6 (например, эластичных жгутов) закрепляют на каркасе 7 (фр. carcasse - остов, несущая конструкция, состоящая из сочетания линейных элементов, обеспечивающая устойчивость объекта), заблаговременно установленном в акустической безэховой камере 3.

На корпусе модуля ОВУ 2, размещённом на каркасе 7, устанавливают и отмечают (восстанавливают) место расположения реперной 5 точки «С», базируясь на которой и используя значения относительных координат Xо, Yо, Zо, устанавливают место расположения в безэховой камере 3 измерительного микрофона 4, идентичное позиционированию микрофона в точке «В» по ГОСТ 33555-2022 при акустических испытаниях ОВУ 2, проводимых в составе транспортного средства 1.

Затем посредством линии связи 8 (микрофонного кабеля) выполняют коммутацию измерительного микрофона 4 с регистрирующей 9 и анализирующей 10 аппаратурой, расположенной в смежном с безэховой камерой помещении - в пультовой комнате (показана условно); посредством линии связи 11 выполняют коммутацию клемм электровентилятора (не показаны) ОВУ 2 с источником электропитания 12, также расположенным в упоминавшейся выше в пультовой комнате.

Следующим этапом подготовки к измерениям акустических параметров ОВУ 2 является определение коэффициента К, учитывающего падение напряжения в линии связи 11. Согласно известному из физики закону Ома, напряжение (U) связано с током (I) и сопротивлением (R) следующим выражением:

U = I⋅R (1)

Откуда следует, что чем выше сопротивление проводника, тем больше в нём потери.

Сопротивление проводника определяется зависимостью:

R = ρ⋅L/S, (2)

где

ρ - удельное сопротивление материала проводника;

L - длина отрезка проводника;

S - площадь поперечного сечения проводника.

Из которой следует, что сопротивление растет по мере увеличения длины проводника и уменьшается по мере увеличения сечения проводника.

Для определения коэффициента K выполняют следующие действия:

- подключают цифровой вольтметр (не показан) к клеммам электровентилятора (не показаны) ОВУ 2;

- включают источник электропитания 12 и поэтапно устанавливают напряжения U_и на уровнях, при которых цифровой вольтметр, подключенный к клеммам электровентилятора ОВУ 2, зарегистрирует значения напряжения U_э, соответствующие предварительно определенным значениям U_э для заданных программой испытаний скоростей вращения крыльчатки электровентилятора (не показаны) и режимов работы ОВУ 2;

- для каждого из режимов испытаний рассчитывают коэффициент К по формуле:

К = U_и/ U_э (3);

- после расчета коэффициентов К для всех исследуемых режимов работы ОВУ 2, отсоединяют цифровой вольтметр (не показан) и удаляют его из безэховой камеры 3.

После выполнения вышеописанных процедур производят исследования акустических характеристик ОВУ 2 транспортного средства. При этом, в процессе акустических исследований на клеммы электровентилятора ОВУ 2 подают напряжение U_и от источника электропитания 12, соответствующее исследуемому режиму работы ОВУ 2, значение которого определяют по формуле:

U _и = U_э⋅К (4)

Посредством регистрирующей 9 и анализирующей 10 аппаратуры осуществляют регистрацию и анализ значений акустических параметров звукового поля, излучаемого ОВУ 2 на каждом из исследуемых режимов ее работы.

Заявляемый способ акустических испытаний ОВУ транспортного средства обеспечивает удобство проведения процедур стендовых исследований ОВУ по виброакустике, а также сопоставимость результатов стендовых измерений с измерениями акустических параметров, полученных при работе ОВУ в составе транспортного средства.

Использование: для акустических испытаний отопительно-вентиляционной установки транспортного средства. Сущность изобретения заключается в том, что измерительный микрофон устанавливают в измерительную точку, имитирующую зону правого органа слуха водителя транспортного средства, относительные координаты которой предварительно определяют в салоне транспортного средства - носителя тестируемого модуля отопительно-вентиляционной установки, величину напряжения, формируемого источником электропитания, устанавливают с учётом величины падения напряжения в линии связи источника электропитания с электровентилятором модуля отопительно-вентиляционной установки, при этом напряжение, подаваемое на клеммы электровентилятора, контролируют посредством цифрового вольтметра, встроенного в источник электропитания. Технический результат: повышение достоверности акустических испытаний отопительно-вентиляционной установки транспортного средства. 3 ил.

Способ акустических испытаний отопительно-вентиляционной установки транспортного средства, заключающийся в монтаже исследуемого модуля отопительно-вентиляционной установки (ОВУ) на испытательном стенде, расположенном в безэховой акустической камере, в установке измерительного микрофона на удалении от внешней поверхности корпуса модуля отопительно-вентиляционной установки, в коммутации измерительного микрофона с регистрирующей и анализирующей аппаратурой, в коммутации клемм электровентилятора модуля отопительно-вентиляционной установки с источником электропитания и в подаче на клеммы электровентилятора модуля отопительно-вентиляционной установки стабилизированного напряжения, величина которого соответствует регламентированному значению напряжения на исследуемом скоростном режиме электровентилятора при его работе в составе интегрированной в автомобиль отопительно-вентиляционной установки (ОВУ), в регистрации параметров звукового поля на тестируемых режимах работы электровентилятора, при заданных регламентом испытаний функциональных направлениях подачи и всасывания воздуха исследуемого модуля отопительно-вентиляционной установки, при этом регистрирующую, анализирующую аппаратуру, источник электропитания размещают за пределами безэховой камеры, отличающийся тем, что измерительный микрофон устанавливают в измерительную точку, имитирующую зону правого органа слуха водителя транспортного средства, относительные координаты которой предварительно определяют в салоне транспортного средства - носителя тестируемого модуля отопительно-вентиляционной установки, величину напряжения, формируемого источником электропитания, устанавливают с учётом величины падения напряжения в линии связи источника электропитания с электровентилятором модуля отопительно-вентиляционной установки, при этом напряжение, подаваемое на клеммы электровентилятора, контролируют посредством цифрового вольтметра, встроенного в источник электропитания.