冷卻風扇非整數倍階次噪聲問題的試驗診斷分析

鄭　軍，王弘巖，關　帥，姜　雯，蔣秀文，楊安志

（1.清華大學 蘇州汽車研究院（相城），江蘇 蘇州 215134；2.蘇州蓋斯特汽車技術有限責任公司，江蘇 蘇州 215134）

ZHENG　Jun1,WANG Hong-yan1,GUAN　Shuai1, JIANG　Wen1,JIANG Xiu-wen1,YANG An-zhi2

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冷卻風扇非整數倍階次噪聲問題的試驗診斷分析

鄭軍1，王弘巖1，關帥1，姜雯1，蔣秀文1，楊安志2

（1.清華大學 蘇州汽車研究院（相城），江蘇 蘇州 215134；2.蘇州蓋斯特汽車技術有限責任公司，江蘇 蘇州 215134）

摘要：汽車發動機冷卻風扇工作時，室內噪聲出現冷卻風扇軸旋轉基頻的5.3階左右噪聲峰值（雙風扇，葉片數均為6片），為明確該異常噪聲源產生的具體原因，綜合分析冷卻風扇激勵源、主要傳遞路徑等因素,利用實驗手段對噪聲進行詳細診斷分析，確認引起噪聲的原因是風扇渦流噪聲。風扇與散熱器之間的距離對其有較大影響，通過風扇與散熱器之間的距離優化，降低此噪聲對室內噪聲的貢獻。

關鍵詞:聲學；非整數倍階次；渦流噪聲；冷卻風扇

ZHENGJun1,WANG Hong-yan1,GUANShuai1, JIANGWen1,JIANG Xiu-wen1,YANG An-zhi2

汽車發動機工作在高溫環境下，必須得到適當的冷卻，否則會引起發動機動力性、經濟性、可靠性等全面惡化，因此發動機冷卻系統極為關鍵，其中冷卻風扇用來給散熱器通過風速強制補風，給散熱器模塊提供足夠的冷空氣流量，滿足發動機等系統的散熱需求[1]。同時冷卻風扇工作也帶來汽車最大噪聲源之一——冷卻風扇噪聲。發動機冷卻風扇噪聲是隨著轉速增加而迅速提高的，通常在低轉速時，風扇噪聲相對較小，但在高轉速時，風扇噪聲往往成為主要甚至最大噪聲源[2]。一般情況下，冷卻風扇最大振動頻率為冷卻風扇軸旋轉基頻，最大噪聲頻率為葉片旋轉基頻及諧波，可通過改善風扇動平衡、葉片數、輪轂比、葉片大小、形狀、材料、安裝角等方法解決相關問題。但出現非整數倍階次的噪聲、振動，并對室內噪聲有明顯影響，比較特殊。

本文重點講述某車型存在的冷卻風扇軸旋轉基頻的5.3階諧頻噪聲問題診斷過程，最終確定其產生的具體原因。

1　問題的描述

某車型怠速帶載工況（風扇低速工作，AC ON），同怠速不帶載工況相比，室內噪聲在180 Hz～210 Hz頻帶范圍內增大異常。通過單獨運轉消除法進行問題排查，在怠速不帶載工況，且發動機冷卻風扇工作，室內噪聲表現出相似特性，在180 Hz～210 Hz頻帶范圍內噪聲增大，且噪聲幅值同怠速帶載工況相同。

對發動機冷卻風扇構架振動進行測試，同怠速不帶載工況相比，風扇構架上振動除了出現風扇軸旋轉振動基頻（2 240 r/min/60=37.5 Hz）以及葉片旋轉振動基頻（37.5×6=225 Hz）外，在180 Hz～210 Hz的頻帶內出現較大的振動峰值。

改變發動機冷卻風扇工作轉速，使冷卻風扇高速工作，室內噪聲在200 Hz～250 Hz頻帶范圍內增大。同時，風扇構架上的振動在此頻率范圍內亦出現振動峰值。上述結果如圖1所示。

圖1　不同工況下，室內噪聲及風扇構架振動頻譜圖

由實驗結果可知，關注的噪聲與發動機轉速等無關，與發動機冷卻風扇工作相關，其頻率范圍和風扇工作轉速相關。風扇高低速工作時，表現的中心峰值頻率分別為238 Hz和198 Hz，是風扇對應轉速下的的軸旋轉基頻的5.3倍左右。

2　問題的綜合分析

確定了該噪聲峰值由冷卻風扇工作引起，故對該噪聲特性產生的機理以及對室內噪聲的傳遞路徑進行分析，圖2所示。首先需確認產生該噪聲特性的根本原因。其中傳遞路徑中的結構共振本可能成為再生噪聲源之一，但該噪聲特性頻率隨轉速變化而變化，故排除由結構共振引起的可能性。

圖2　傳遞路徑分析

3　原因的診斷確認

3.1冷卻風扇自身工作輻射引起

根據上述問題的詳細分析，首先對冷卻風扇單體輻射噪聲進行排查確認，利用外接穩壓電源方式使冷卻風扇達到整車工作轉速，冷卻風扇分別在高低轉速工作時，此時風扇正前方1 m麥克風噪聲和風扇構架上振動主要表現為軸和葉片的旋轉基頻及其整數倍諧頻特性，均未出現上述風扇軸旋轉基頻的5.3階左右寬頻帶噪聲，如圖3所示。由此判斷，該5.3階左右噪聲峰值并非由冷卻風扇自身工作旋轉產生。

3.2冷卻風扇邊界條件作用引起

此實驗部分主要建立在冷卻風扇單體輻射噪聲測試的基礎上，改變其工作邊界條件，分析相應的NVH特性。由于該峰值頻率隨著冷卻風扇轉速變化而相應偏移，故利用外接穩壓電源，控制電壓的方式，使冷卻風扇從靜止升速至最大轉速，整體觀察其特性變化。麥克風布點位置同風扇單體輻射噪聲測試時一致。

上述實驗說明該噪聲峰值并不是由冷卻風扇單體工作引起的，現將散熱器和冷卻風扇按照整車狀態相互固定，進行懸掛測試。此時冷卻風扇正前方1 m麥克風噪聲在高速時，即出現了5.3階左右噪聲峰值。

實驗結果表明，風扇軸旋轉基頻的5.3階左右諧頻由冷卻風扇與其邊界條件（散熱器）相互作用引起，為進一步確認該邊界條件的具體影響，故對以下狀態進行實驗對比：

圖3　風扇工作時，輻射噪聲和骨架振動頻譜圖

當冷卻風扇和散熱器安裝正常裝配（方案一）工作時，就產生了風扇軸旋轉基頻的5.3階左右寬頻帶噪聲峰值。

為了驗證該噪聲特性是否和空氣流體運動相關，將冷卻風扇反轉（方案二），此時該5.3階噪聲特性基本消除，說明該噪聲特性和空氣流體運動有著密切聯系。主要由于風扇轉動使周圍氣體產生渦流引起。其幅值主要受葉片結構參數和發動機艙內各部件相對位置影響[3]。

將散熱器和風扇之間的間隙增加10 mm左右（方案三）時，該5.3階左右噪聲峰值得到明顯改善，這也進一步驗證了渦流使空氣發生擾動，產生相應的渦流噪聲。同時也間接表明變化散熱器和風扇之間的裝配間隙，可改善該噪聲貢獻。最后為了排除散熱器和風扇之間裝配方式帶來的影響，去除兩者之間裝配螺栓（方案四），該噪聲特性仍然存在。見圖4、圖5所示。

上述實驗結果表明，風扇轉動時使周圍氣體產生渦流，這些渦流由于黏滯力的作用又會分裂成一系列小渦流，這些渦流和渦流的分裂會使空氣發生擾動[4]，形成壓縮與稀流過程而產生渦流噪聲，散熱器和冷卻風扇之間的裝配間隙對其渦流噪聲有較大的影響。

圖4　不同邊界下，風扇輻射噪聲譜圖

一般情況下渦流噪聲特性為寬頻帶噪聲，主要峰值頻率為其中k=0.15～0.22為常量；v為風扇圓周速度；d為葉片在氣流入射方向上的厚度[5]。

當k=0.19左右，該車型冷卻風扇在高、低速工作時，其寬頻帶的渦流噪聲的中心頻率分別為238和198 Hz左右，和上文所述的軸旋轉基頻的5.3階左右噪聲峰值頻率一致。

圖5　不同邊界下，風扇輻射噪聲5.3階曲線

3.3傳遞路徑分析

將冷卻風扇和散熱器正常裝配，懸空于發動機艙內。當風扇正常工作時，室內噪聲仍存在軸旋轉基頻的5.3階左右的寬頻噪聲峰值。由此表明，該渦流噪聲主要通過空氣傳播至室內。

圖6　冷卻風扇工作時，室內噪聲頻譜圖

4　優化驗證

綜合考慮發動機艙的空間布置，冷卻風扇的冷卻效果等因素，最終將冷卻風扇和散熱器之間的距離增加13 mm進行實驗驗證。實驗結果表明，增加冷卻風扇和散熱器之間的距離，該5.3階左右的渦流噪聲改善良好，峰值基本消除，見圖6所示。

5結　語

本文主要通過實驗手段，對冷卻風扇非整數倍階次噪聲進行診斷分析，最終確定其產生的原因并得到有效解決。在冷卻風扇前期開發過程中，保證良好的冷卻效果的同時，需重點關注風扇引起的旋轉噪聲和渦流噪聲，為后期整車和冷卻風扇NVH開發帶來事半功倍的效果。希望該診斷經驗，在降低冷卻風扇渦流噪聲方面提供一定的參考。

參考文獻：

[1]刁羽.冷卻風扇流體特性研究[D].長春：吉林大學，2013.

[2]楊曉芳.發動機冷卻風扇噪聲分析及其控制方法[J].廣西輕工業，2011，(3)：53-53.

[3]湯黎明.冷卻風扇流場特性與氣動噪聲研究[D].長春：吉林大學，2014.

[4]蘇曉芳，楊林強，陳圓明，等.發動機冷卻風扇的降噪研究和優化[J].汽車技術，2011，(9)：24-24.

[5]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動-理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006：182-183.

中圖分類號：O422.6

文獻標識碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.028

文章編號：1006-1355(2016)01-0129-04

收稿日期：2015-05-28

作者簡介：鄭軍（1989-），男，浙江杭州人，助理工程師，在職工程碩士，主要從事汽車整車NVH問題診斷及進排氣系統NVH正向開發。E-mail:tyzj0707@163.com

Test andAnalysis of Cooling Fans’Non-integer Order Noises

（1.SuzhouAutomotive Research Institute,Tsinghua University,Suzhou 215134,Jiangsu China; 2.GastAutomotive Technology Co.Ltd.,Suzhou 215134,Jiangsu China）

Abstract:When automotive engine’s cool fans(double fans,6 blades for each)in operation,about the 5.3th order noise peak of the rotation fundamental frequency appears.In order to find the reason of this abnormal noise,the factors such as the excitation source of the cooling fans,main transfer path etc.,were comprehensively analyzed.By means of experiments,the noise was diagnosed and analyzed carefully.It is confirmed that the noise cause is the vortical noise and the distance between the fan and the radiator has a strong influence on the noise.By adjusting the distance,contribution of the vertical noise to the interior noise can be reduced.

Key words:acoustics;non-integer order;vortical noise;cooling fan