汽車雙冷卻風扇NVH特性分析

李靜波 王暉

（華晨汽車工程研究院）

在汽車的各種噪聲中，冷卻風扇噪聲是主要噪聲源之一。它主要由階次噪聲和葉寬脈動噪聲引起，可以從噪聲源和傳遞路徑上進行控制。文獻[1-4]對風扇噪聲進行了相關測試和研究。文章以某車型的冷卻雙風扇為研究對象，針對雙風扇工作特點，制定了分析測試計劃。測試完成后，在詳細分析每個風扇對車內噪聲影響的基礎上，分析了2 個風扇同時工作對車內噪聲的影響，為雙風扇冷卻系統的車內噪聲識別與控制，提供了一定的參考。

1 冷卻風扇噪聲產生機理及控制方法

1.1 產生機理

風扇噪聲包含由風扇葉片切割空氣產生的旋轉階次噪聲和由風扇葉片與護風罩產生的渦流噪聲。旋轉階次噪聲是窄帶噪聲，渦流噪聲是寬帶噪聲。旋轉階次噪聲是由風扇旋轉的葉片周期性打擊空氣質點，引起的壓力脈動面激發的噪聲，這種周期性的壓力脈動是由一個穩態的基頻和一系列諧波分量疊加而成。風扇的護風圈等結構由于共振也會產生機械噪聲，一般來說，機械噪聲不是風扇主要噪聲。

風扇風量和風扇噪聲的聲壓級與風扇直徑和風扇轉速之間存在如下關系[5]：

式中：Q——風扇風量，mm3/s；

k，k1——比例系數；

n——風扇轉速，r/s；

d——風扇直徑，mm；

LpA——聲壓級，dB。

通過式（1）和式（2）可得：

根據式（3）可知，當風量固定，為了降低風扇噪聲，應該增大風扇直徑，降低風扇轉速。

1.2 控制方法

冷卻風扇的噪聲控制主要從3 個方面考慮。

1）選擇合理的設計參數。根據式（3），合理地設計風扇的直徑和轉速，可以起到降噪的目的。在葉片數小于5 時，風扇風量隨葉片數的增多而急劇增大；當葉片數大于5 時，風量隨葉片數增大不明顯，而噪聲隨葉片數增加幾乎成線性增大。在優化設計時，一般取奇數個葉片，與發動機階次避開。風扇葉片的分布要盡量做到不對稱，不等距，避免共振而加大噪聲。

2）選擇合理的風扇葉形。根據是否有彈性變形，風扇葉片分為剛性葉片和撓性葉片，其中，剛性葉片風扇又分為直葉片風扇、鏟形葉片風扇、前彎葉片風扇、機翼型風扇、導流型風扇和環形風扇等。每種剛性葉片風扇都各有優缺點，現在常用的風扇為環形風扇。在運轉過程中，撓性風扇葉片的投影寬度隨轉速提高而變窄，可充分利用轎車高速迎面風效應，在降低了風扇噪聲的基礎上，可以提高風扇的效率[3]。

3）合理布置風扇位置。設計時，應盡量減少護風罩與葉片間的徑向間隙，進而減少回流，提高風扇的有效風量，降低噪聲[6]。隨著風扇與散熱器之間距離的增加，風扇風量增加，噪聲減小，而且在某一點達到最大值。文獻[5]指出，當風扇前端與散熱器之間距離由25 mm增大至178 mm 時，風扇風量上升85%，而且在散熱器芯部的氣流分布也明顯改善。

2 冷卻風扇噪聲測試

文章對某車型的冷卻風扇進行了NVH 測試與分析。

2.1 測試工況

考慮到被測對象為雙風扇，兩風扇同時參與工作，同時停止，為了避免相互影響，定義測試工況，如表1所示。

表1 冷卻風扇噪聲測試工況

2.2 測點位置

試驗時，需要關注車內噪聲、方向盤振動及風扇近場噪聲，具體測點位置，如圖1所示。

2.3 風扇參數

左側風扇的葉片數為7 片，高/低擋轉速分別為2 250，3 005 r/min；右側風扇的葉片數為 6，高/低擋轉速分別為1 950，2 670 r/min。

3 冷卻風扇NVH測試結果

3.1 左側風扇試驗結果分析

3.1.1 左側風扇低擋運行NVH 測試結果分析

圖2 示出左側風扇低擋運行車內噪聲曲線圖。分析圖2 可發現，左側風扇低擋運行時，車內總噪聲為41.8dB（A），偏大（一般要求小于40 dB（A）），對該問題貢獻最大的為262.5Hz的峰值，風扇1 階頻率為2250r/min/60s=37.5Hz，貢獻最大峰值對應階次為262.5Hz/37.5Hz=7，而該風扇葉片數為7，兩者吻合，即該風扇的主要問題為7 階噪聲問題。

3.1.2 左側風扇高擋運行NVH 測試結果分析

左側風扇高擋運行車內噪聲曲線圖，如圖3所示。分析圖3 可知，左側風扇高擋運行時，車內總噪聲為47.9 dB（A），偏大（一般要求＜40 dB（A）），對其貢獻最大的為350 Hz 的峰值，左側風扇高檔運行時1 階頻率為3 000 r/min/60 s=50 Hz，貢獻最大峰值對應階次為350 Hz/50 Hz=7，進一步證明，該風扇的主要問題為葉片數對應的階次噪聲問題。

3.1.3 左側風扇加速運行NVH 測試結果分析

左側風扇加速的噪聲問題同3.1.1 和3.1.2 節部分分析結論，在此將不進行累述。

3.1.4 左側風扇減速運行NVH 測試結果分析

圖4 示出左側風扇減速運行車內噪聲彩圖。分析圖4 可發現，左側風扇減速時，主要的噪聲階次為7 階和20 階（初步分析為電機導致的，需要進一步排查）。主觀評價發現，減速時，風扇存在明顯顫音，回放測試數據發現，濾除20 階后，顫音明顯消失。

3.2 右側風扇試驗結果分析

3.2.1 右側風扇低擋運行NVH 測試結果分析

圖5 示出右側風扇低擋運行車內噪聲曲線圖。分析圖5 發現，右側風扇低擋運行時，車內總噪聲為38.9 dB（A），主要貢獻為 390 Hz（12 階）、150 Hz、195 Hz（6 階）、780 Hz（24 階）及 32.5 Hz（1 階）的峰值，風扇 1 階頻率為1 950 r/min/60 s=32.5 Hz。該風扇葉片數為6，可以發現，階次噪聲問題是該風扇的主要問題。

3.2.2 右側風扇高擋運行NVH 測試結果分析

圖6 示出右側風扇高擋運行車內噪聲曲線圖。從圖6可知，右側風扇高擋運行時，車內總噪聲為42dB（A），偏大（一般要求＜40 dB（A）），主要貢獻為 534 Hz（12階）、396.5 Hz（9 階）、200 Hz（6 階）及 44.5 Hz（1 階）的峰值，風扇1 階頻率為2 670 r/min/60 s=44.5 Hz。該風扇葉片數為6，可以發現，階次噪聲問題是該風扇的主要問題。

3.2.3 右側風扇加速運行NVH 測試結果分析

圖7 和圖8 分別示出右側風扇加速運行車內噪聲曲線圖和噪聲彩圖。

分析圖7 和圖8 發現，右側風扇加速時，風扇轉速在2 000 r/min 左右存在明顯峰值，主要的噪聲階次為12，4.5，6，1 階。

3.2.4 右側風扇減速運行NVH 測試結果分析

右側風扇減速問題的主要噪聲階次為12，4.5，6，1 階，表現同加速測試結果，在此不進行累述。

3.3 雙風扇試驗結果分析

3.3.1 雙風扇同時低擋運行NVH 測試結果分析

雙側風扇低擋運行車內噪聲曲線圖，如圖9所示。分析圖9 發現，2 個風扇低擋運行時，車內總噪聲為42.5 dB（A），偏大，主要峰值頻率分別為 390 Hz（右側風扇 12 階）和 262.5 Hz（左側風扇 7 階）。

3.3.2 雙風扇同時高擋運行NVH 測試結果分析

雙側風扇高擋運行車內噪聲曲線圖，如圖10所示。分析圖10 發現，2 個風扇高擋運行時，車內總噪聲為47.9 dB（A），偏大，主要峰值頻率分別為350 Hz（左側風扇7 階）和534 Hz（右側風扇 12 階）。

3.4 小結

綜上，可以得出：1）被分析車型風扇噪聲大的問題是由于2 個風扇共同作用的結果；2）左側風扇的主要問題是7 階氣流通過階次噪聲問題；3）右側風扇的問題主要是12 階噪聲問題。

4 結論

1）風扇噪聲包含由風扇葉片切割空氣產生的旋轉階次噪聲和由風扇葉片與護風罩所產生的渦流噪聲。文章研究的雙風扇NVH 問題主要是階次噪聲問題。

2）對雙風扇汽車冷卻系統，按照常規的測試與分析方法，無法確定每個風扇對車內噪聲的貢獻。文章先對每個風扇進行測試與分析，在獲取了每個風扇基本NVH 特性的基礎上，再對2 個風扇同時工作進行測試與分析，有利于更快速地鎖定主要噪聲來源。

3）對研究對象的后續優化需要結合風扇的結構特征進行，建立問題階次與風扇結構特征的關系后，可以快速制定優化方案。