汽車冷卻風扇用主動降噪裝置設計

王涵松　程彥號　武建秋

摘要：首先，分析了車用冷卻風扇產生噪音的機理與主動降噪技術的原理，;其次，提出了一種車用冷卻風扇的主動降噪裝置，制定了設計要求;最后，對該裝置進行總體設計，確定了包括支撐桁架、傳感系統、信號分析系統、電控系統與揚聲器系統五個組成部分的完整方案。

關鍵詞：汽車;冷卻風扇;主動降噪

一、緒論

汽車發動機的冗余熱量主要由散熱器散出，為加強散熱器工作效果，常使用冷卻風扇輔助工作，其工作原理為冷卻風扇對空氣做功，在散熱器軸向產生空氣流動，使空氣作為冷卻介質帶走散熱器內冷卻液中的熱量。根據相關文獻[1]冷卻風扇工作會產生兩種噪音，一為旋轉噪聲，是葉片的周期性運動從而引起空氣壓力脈沖而激發的噪聲;另一為絮流噪聲，是由于葉片與空氣相互作用產生渦流，渦流分裂相互擠壓碰撞，從而形成的一種不穩定流動噪聲;另外，氣流與散熱器翅片作用也會產生較強噪聲。提升汽車乘員乘車舒適度是汽車設計的重要課題，室內噪音控制是其中一個重要方向。影響汽車室內噪音的因素主要有輪胎噪音、車身氣流噪音與發動機艙噪音，冷卻風扇噪聲是發動機艙噪聲的一種。當前降低風扇噪聲的途徑一般有兩種，一種是利用氣動聲學原理來設計低噪聲風扇，這種方式需要大量的時間和創新，不易完成，國內外都已經開展了不少工作[1-5]，但都不夠成熟;另一種是采用隔聲或吸聲的方法，如在風扇機殼上安裝降噪裝置，達到減少噪聲產生以及吸收噪聲的目的，但是外加裝置往往會影響冷卻風扇氣動性能。

為了更好地解決冷卻風扇的噪聲問題，提升降噪效果，從而達到提升駕駛室內舒適度的最終目的，尋求新的冷卻風扇降噪方法十分必要。

二、設計要求及原理

（一）設計要求

主要目的是提供一種應用主動降噪技術的，新型冷卻風扇降噪裝置設計與運轉方案。

（二）工作原理

由聲的性質可得[4]，幅度相同、相位相反的聲波相遇會產生抵消作用，主動降噪理論是利用揚聲器產生的與風扇噪聲幅度相同、相位相反的聲波，消除風扇噪聲，從而在預期位置形成靜區。通過對冷卻風扇工作原理與噪聲形成機理的研究，結合主動降噪理論，考慮車輛動力艙實際空間條件，提出本車用冷卻風扇主動降噪裝置。

三、機械系統的設計

（一）機械系統組成

根據清潔裝置功能結構分析與工作原理，對裝置進行總體設計，最終結構見圖1、圖2。其特征在于，包括支撐桁架、傳感系統、信號分析系統、電控系統與揚聲器系統5個功能模塊組成。其中揚聲器系統是降噪裝置的關鍵模塊。

（二）具體結構設計

（1）固定揚聲器系統。固定揚聲器系統（圖3）包括設置在線槽中的導線以及安裝在主桁架上的揚聲器。揚聲器系統的作用是產生與冷卻風扇噪聲相位相反、幅度相反的聲波，該聲波與噪聲聲波作用抵消，從而在本冷卻風扇主動降噪裝置的后方形成靜區，達到降噪效果。

（2）支撐桁架及裝配。支撐桁架（圖3）包括固定在車輛動力艙中的主桁架，設置在主桁架上的線槽、傳感器安裝位置以及揚聲器安裝位置;傳感系統包括安裝在桁架上的聲學傳感器與布置在線槽中的傳感器線;信號分析系統包括處理聲學傳感器所獲取信號的處理器與導線;電控系統包括控制傳感系統與控制揚聲系統的PLC裝置。

四、工作過程

首先，電控系統控制本車用冷卻風扇主動降噪裝置與冷卻風扇同時啟動，聲學傳感器檢測到冷卻風扇工作產生的噪聲，將其相關信息轉換為電信號，電信號通過傳感器線傳導至信號分析系統;其次，信號處理系統分析冷卻風扇噪聲的相位、幅度等信息并進行簡化，將處理好的聲學信息轉換為電信號，電信號傳導至揚聲器系統，最后揚聲器系統工作產生與冷卻風扇噪聲相位相反、幅度相反的聲波，該聲波與噪聲聲波作用抵消，從而在本冷卻風扇主動降噪裝置的后方形成靜區，達到降噪效果

五、結論

主動降噪裝置利用聲波的自身性質進行主動方式的降噪工作，相比于車輛傳統的使用隔音棉等材料的被動降噪方案，提升了降噪效果，同時簡化了發動機艙與駕駛室之間的材料布置，為隔溫材料留出了更多的放置空間;同時本裝置的應用可一定程度上降低對于冷卻風扇的低噪聲要求，節省了風扇成本。為增強降噪作用效果，提高工作效率提供了有效保障。

參考文獻：

[1]趙華.風力機葉片氣動噪聲特征及降噪方法研究[D].長沙理工大學，2015.

[2]徐立中，馮肖亮，文成林.網絡化多傳感器系統的序貫式融合濾波——基于噪聲估計方法[J].電子學報，2014，42（01）：160-168.

[3]程光.電聲系統和建聲環境的動態信噪比及平衡問題[J].電聲技術，2011，35（12）：7-13.

[4]浦玉學.自適應振動噪聲主動控制若干關鍵問題研究[D].南京航空航天大學，2015.

[5]武智方，夏均忠，桓洪強，劉曉凱，汪治安.冷卻風扇對載貨汽車加速行駛車外噪聲的影響[J].軍事交通學院學報，2016，18（12）：58-61+75.

[6]李郭銳.某發動機噪聲源識別及控制[D].重慶理工大學，2016.

基金項目：河北省大學生創新創業項目（x2018179）

作者簡介：王涵松（1998-），男，河北邢臺人，華北理工大學本科生，研究方向：汽車NVH。