5.2.1 动车空调系统的噪声控制
某动车组空调系统包括空调机组及风道两大部分，空调机组又包括空气处理单元和冷凝单元，如图5-4所示。优化空调机组的振动及风道噪声是解决问题的关键。
图5-4 动车组端车司机室空调系统
司机室空调系统空气处理单元和冷凝单元结构如图5-5所示，主要参数见表5-4。
图5-5 司机室空调系统空气处理单元和冷凝单元
表5-4 司机室空调系统主要参数
司机室空调空气处理单元内设蒸发器盘管、蒸发器风机/电动机、加热器和空气滤网等部件。冷凝单元内设有压缩机、冷凝器盘管、冷凝器风扇/电动机、旁通阀和过滤网等部件。
5.2.1.1 轴流风机的噪声控制
轴流风机一般由叶轮、机壳、集流器、流线罩、导叶、扩散器等部分组成。
轴流风机的工作原理：当叶轮旋转时，气体从进风口轴向进入叶轮，从叶片获得能量以后，流入导叶；导叶将偏转气流变为轴向流动的气流，同时将气体导入扩压管，进一步将气体动能转换为压力能，最后引入工作管路。
（1）轴流风机的结构形式 动车组客室空调和司机室空调系统所用冷凝风机均为轴流式风机，结构如图5-6所示。
图5-6 动车组客室空调和司机室空调系统所用冷凝风机
叶轮是通风机的关键部件，它的作用是将原动机的机械能传递给所输送的气体。叶轮主要由叶片和轮毂组成，叶片截面可能是机翼形，也有单板的。
（2）轴流风机的噪声分析 轴流式通风机所产生的噪声主要有空气动力噪声、机械噪声和电动机的电磁噪声。在轴流风机噪声中，空气动力噪声是主要成分，机械噪声与空气动力噪声相比要小得多。在基于声强技术进行的列车空调风机出风口处的噪声声功率现场测试研究中发现，空调风机系统的噪声中，机械噪声可以忽略不计。
空气动力噪声是气体的流动或物体在气流中运动引起空气的振动产生的。根据其产生的机理不同可分为两种类型：旋转噪声和涡流噪声。
旋转噪声是由于叶轮上均匀分布的叶片打击周围的气体介质，引起周围气体压力脉动而产生的噪声。另外，当气流流过叶片时，叶片表面形成的附面层，特别是吸力面的附面层容易加厚，并产生涡流。在叶片尾缘的尾迹区内，气流的压力和速度都大大低于主流区的数值。因而，当叶轮旋转时，叶片出口区内气流具有很大的不均匀性。这种不均匀性气流周期地作用于周围介质，产生压力脉动而形成噪声，故旋转噪声又称离散频率噪声。
涡流噪声是由于叶片紊流附面层及其脱离引起气流压力脉动造成的后缘噪声和叶尖噪声，附面层脱离和紊流脉动弹性较大，故涡流噪声具有很宽的频率范围，也称宽频噪声。
轴流风机的噪声谱上存在一系列离散噪声峰值，这是由于旋转噪声和涡流噪声叠加的结果。在风机噪声中，旋转噪声和涡流噪声的相对强度随风机类型而变化。对于单级低速轴流风机，宽带涡流噪声是主要的。对多级高速轴流风机，离散频率噪声占主导地位，这是与涡流噪声和旋转噪声的机理密切相关的。
（3）轴流风机的噪声控制 轴流通风机的噪声控制方法主要有三种：①降低声源的噪声。②从噪声的传播途径着手，利用消声器或隔声器减少噪声。③从噪声接收者着手，对其进行保护。
通过选择最佳的风机结构参数、合适的安装和运行方式，以及改进轴流通风机的气动设计来降低声源的噪声，是降低风机噪声的根本途径。
5.2.1.2 离心式风机的噪声控制
离心式风机主要由通流部件、传动部件和支撑部件组成。通流部件包括进风口（集流器）、叶轮、机壳和出风口等部件；传动部件主要由主轴、轴承和带轮（或联轴器）等组成；支撑部件是指轴承座和底座。
离心式风机的工作原理是通过叶轮在机壳内高速旋转，将气体经过进风口沿轴向吸入叶轮，在叶轮内折转90°，最后由蜗壳将叶轮甩出的气体集中并导流后从出风口排出。叶轮进口中心处形成低压，从而吸入新的气体，形成连续的气流输送。
气体在离心式风机中的流动如图5-7所示，先为轴向，后转变为垂直于风机主轴的径向运动。当气体通过叶轮的叶道时，由于叶片对气体做功，气体获得能量，压力提高、动能增加。
图5-7 离心式风机构造示意图
1—进风口（集流器） 2—叶轮 3—机壳(https://www.daowen.com)
（1）离心风机的结构形式 动车组客室空调和司机室空调系统所用蒸发器的风机均为离心式风机，结构如图5-8所示。
图5-8 动车组客室空调和司机室空调系统所用蒸发器风机
叶轮是风机传递给气体能量的唯一元件，离心风机的叶轮形状、尺寸和数量决定了它的工作能力和性能参数。因此，叶轮是离心风机的重要部件，不同形式叶轮的特点见表5-5。
表5-5 不同形式叶轮特点
三种叶片形式的叶轮，目前均在风机设计中应用。在离心风机的设计流量和转速一定的前提下，采用前向叶轮可令离心风机获得最小直径，但效率较低、噪声较高；采用后向叶轮可令离心风机获得最大效率和较低的噪声，但叶轮直径最大、压力最小；采用径向叶轮的应用效果在两者之间。多叶型离心通风机，虽为前向叶片，但噪声却较低。
由于后弯叶片叶轮可提高效率，节约能源，在现代生产的风机中，特别是功率大的大型风机多数用后弯叶片。现代前弯叶片风机效率比老式产品已有显著提高，故在小流量高压力的场合或低压大流量场合中仍广为采用。径向出口叶片在我国已不常用，在某些要求耐磨和耐腐蚀的特殊场合有少量应用。
离心通风机叶片形状主要有平板形、圆弧形和机翼形等几种，如图5-9所示。其中圆弧形叶片根据叶片径向尺寸l和轴向尺寸b的大小，又分为圆弧宽叶片（b＞l）和圆弧窄叶片（b＜l）。
图5-9 离心通风机叶片形状
平板形叶片制造简单，但空气动力特性较差。机翼形叶片具有优良的空气动力特性，叶片强度高，通风机的气动效率一般较高。如果将中空翼形叶片的内部增加补强筋，可以提高叶片的强度和刚度，但工艺较复杂。中空机翼形叶片磨漏后，杂质易进入叶片内部，会使叶轮失去平衡而产生振动。圆弧形叶片的性能介于机翼形叶片和平板形叶片之间。
目前，前向叶轮一般都采用圆弧形叶片。在后向叶轮中，对于大型通风机多采用机翼叶片，而对于中、小型通风机，则以采用圆弧形和平板形叶片为宜。
（2）离心风机的噪声分析 离心式通风机的工作介质为气体，在风机工作过程中会产生气动噪声、机械噪声、气固耦合噪声，其中气动噪声是主要噪声。
离心式通风机内流场复杂，气动噪声的声源产生因素较多，就声源所产生噪声的频谱特性而言可以分为离散噪声与宽频噪声。离散噪声在频谱中某几个频率出现峰值，而宽频噪声一般分布更为均匀。如果按声源辐射特性划分又可分为单极子声源、偶极子声源和四极子声源。
离心式通风机气动噪声按照产生机理可以分为旋转噪声与涡流噪声。旋转噪声又叫作离散噪声或叶片通过频率噪声（BPF），它的频率是由基频与其谐波频率所构成。基频就是每秒蜗舌打击叶片流道出口气流的次数，属于离散噪声。涡流噪声又可称为紊流噪声，属于宽频噪声。进气口来流紊流、叶轮出口处的边界层脱落、气流进入蜗壳的扩压流动、叶片表面涡与尾尖涡的分离等非定常流动现象所产生的压力与速度脉动是宽频噪声产生的根本原因。
（3）离心风机的降噪控制
1）增加叶栅的气动载荷。对离心通风机采用强前向叶片，且多叶片叶轮有利于增大叶栅的气动力载荷。在得到同样的风量和风压的情况下，叶轮叶片外圆上的圆周速度可适当降低，以此可使A声级明显降低，从而达到降低噪声的目的。
目前低噪声多叶片叶轮离心风机一般取以下气动力参数：叶轮叶片内外直径比值D1/D2=0.88～0.9，叶片数Z=50～60，叶片入口安装角U1=80°～100°，叶片出口安装角U2=160°～170°，叶片相对宽度b/D2=0.7，机壳宽度与叶片宽度的比值D/b=1.4～1.5，蜗舌处的相对间隙Δr/D2≥0.12。
2）采用旋转扩压器降低离心式风机噪声。对径向、前向风机叶轮采用旋转扩压器不仅可以降低风机噪声，还可改善风机的气动性能。应合理地选择旋转扩压器相对高度D3/D2。试验表明D3/D2=1.125～1.15为宜，考虑到叶轮强度及加工工艺，D3/D2=1.15为最佳值。
3）在风机蜗舌处加装共振器。根据声驻波原理研究了一种将声学共振器放置在声源处的方法，以此来降低噪声。
对于小型离心风机机壳，用1/4波长的口部来代替蜗壳蜗舌的方法来改装离心风机。该共振器由一系列穿孔板构成，具有与原蜗舌相同的曲率，以保持机壳的原有几何尺寸。用可移动的柱塞来改变长度，以调节共振器。通过适当的调节可以使叶片通过频率声压级降低到29dB（A）。同时，相应的总声压级降低7dB（A）。使用共振器降噪的优点在于它没有显著地增加机器的体积，并且能用到变速风机上；能通过移动共振器中柱塞，使共振器长度随风机转速而变化。然而，这种共振器只对旋转噪声有影响，对涡流噪声没有影响，且调节共振器需要附加的机械或电气设备。
4）双层蜗壳
①双层蜗壳中间填玻璃棉，内壁开孔，以便吸收从叶轮出来的不均匀气流的脉冲和壳内紊流脉动力。这种双重蜗壳能使旋转噪声和涡流噪声都有下降。有人用夹层厚度为50mm、内壁穿孔率为20%、中间填玻璃棉的双层壳，在噪声87dB（A）的通风机上做试验，压力系数和效率变化不大，与普通蜗壳比较噪声约降低5dB（A）。
②微穿孔板吸声结构，夹层中间不加填料，内壁穿孔率为1%～3%，板厚为0.8mm，孔径为0.8mm。可用一个夹层或两个夹层，层与层之间的间隙为50～100mm。有人曾在风量为4000m3/h、静压为225.6Pa的通风机上试验，内壁为二层微孔板，通过气流的一层穿孔率为20%，另一层为1%，相隔50mm，与无微孔板的蜗壳比较，噪声从51dB（A）降到45dB（A），其他性能基本不变。
5）叶片表面涂层。通风机叶片采用多孔性材料时，可以降低噪声。有的用一种密度为钢密度的20%的多孔性纤维金属材料，直接做成轴流式通风机叶片，与普通的钢叶片比较，噪声下降了6～10dB（A）。
若用密度为钢密度的10%的纤维金属材料时，噪声下降20dB（A），如仅在金属叶轮表面涂上一层这种纤维金属材料时，噪声也下降10dB（A）。但在减小噪声的同时流量有些下降，功率消耗有些增加。这种材料的密度越小，降低噪声的效果越好。
常用的吸声材料按结构可分为多孔材料、膜状材料、板状材料和穿孔板等类型。其中，多孔吸声材料是应用最广泛的基本吸声材料，其分类见表5-6。
表5-6 多孔吸声材料分类
多孔吸声材料主要吸收中高频噪声，影响多孔吸声材料吸声效果的主要因素有吸声材料的厚度、密度、空气温度和湿度以及材料饰面及吸声参数等。