基于FDB和扇葉結(jié)構(gòu)的筆記本電腦風(fēng)扇降噪研究

陳艷娟 羅劉敏 岳宗豪

摘要：隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步和人類生活水平的提高，筆記本電腦已經(jīng)成為人們工作和生活離不開的工具。然而，筆記本電腦工作時(shí)排風(fēng)扇會(huì)產(chǎn)生噪音，這極大地影響著人們的心情和工作效率。為了降低筆記本電腦風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音，本研究從FDB和扇葉結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，利用Pro/E建立了改進(jìn)的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)通過壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)改進(jìn)后的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過FDB和扇葉結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，風(fēng)扇系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性得到了提高，達(dá)到了降噪的目的。

關(guān)鍵詞：噪音;FDB;扇葉;壓力測(cè)試;平穩(wěn)性

中文分類號(hào)：TP302? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）26-0230-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

筆記本散熱時(shí)風(fēng)扇所產(chǎn)生的噪音是一直以來很難攻克的問題。研究表明，風(fēng)扇噪音主要分為四大類：高速噪音、低速噪音、軸承音、干涉音[1]。低速噪音主要是當(dāng)風(fēng)扇低速運(yùn)動(dòng)時(shí)軸承內(nèi)部油膜形成不均勻而產(chǎn)生氣泡，軸心旋轉(zhuǎn)擠壓氣泡而產(chǎn)生;而高速噪音主要是當(dāng)風(fēng)扇高速運(yùn)動(dòng)時(shí)軸心做不規(guī)則“偏心”旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸心刮碰軸承或者扇葉刮碰風(fēng)扇外殼而產(chǎn)生。所以這類噪音產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)，一是因?yàn)檩S心有劃傷或缺損，二是因?yàn)樯热~的不平衡量太大。這兩種情況都會(huì)使軸心在高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候發(fā)生晃動(dòng)[2]。軸承音，即軸承內(nèi)部的聲音，當(dāng)油膜形成不均勻、油膜中有氣泡時(shí)或者軸心做不規(guī)則“偏心”運(yùn)動(dòng)時(shí)軸心摩擦FDB產(chǎn)生的聲音。干涉音主要是當(dāng)軸心的“偏心”運(yùn)動(dòng)幅度過大時(shí)扇葉會(huì)刮碰到風(fēng)扇的上下內(nèi)殼，產(chǎn)生劇烈的摩擦聲而產(chǎn)生，或因矽鋼片某一部分排幅不均勻，導(dǎo)致繞線高度過高、夸極限松動(dòng)，銅線摩擦到扇葉產(chǎn)生的噪音[3]。

可見，無論產(chǎn)生的是低速噪音、高速噪音還是軸承音、干涉音，究其根本原因都是由風(fēng)扇運(yùn)動(dòng)時(shí)軸心做不規(guī)則“偏心”旋轉(zhuǎn)造成的。因此，本研究擬從含油軸承（Fluid Dynamic Bearing， FDB）和扇葉兩個(gè)方面對(duì)筆記本電腦風(fēng)扇進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并構(gòu)建模型和使用壓力測(cè)試試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)后的風(fēng)扇進(jìn)行驗(yàn)證，以期達(dá)到降低風(fēng)扇噪音的目的。

2 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

2.1 FDB的改善

FDB又稱為多孔質(zhì)軸承，以金屬粉末為主要原料，用粉末冶金法制作燒結(jié)體，而且在制造過程中可自由調(diào)節(jié)孔隙的數(shù)量、大小、形狀及分布等。故含油軸承具有制造成本低、能吸振、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)[4]。

含油軸承產(chǎn)生噪音的主要原因是油膜形成過程中將扇葉軸心裝入已經(jīng)點(diǎn)過油的FDB中時(shí)，F(xiàn)DB內(nèi)部空氣逃不出去，隨著軸心的擠壓被壓入油膜中而產(chǎn)生氣泡，軸心旋轉(zhuǎn)擠壓氣泡而產(chǎn)生。這種現(xiàn)象不僅會(huì)產(chǎn)生噪音，而且會(huì)使本來設(shè)計(jì)好的最大極值的油量溢出銅套，對(duì)風(fēng)扇壽命造成影響。故在FDB上設(shè)置逃氣槽（如圖1所示）可以避免此類問題。同時(shí)在FDB正面即上表面油膜最薄弱的位置設(shè)置α倒角（如圖1所示），可以減少因軸心做不規(guī)則“偏心”運(yùn)動(dòng)造成的FDB與軸心的相互磨損。這兩點(diǎn)都可以通過改善粉末冶金工藝中的模具來達(dá)到[5]。

2.2 扇葉結(jié)構(gòu)的改善

在實(shí)際生產(chǎn)中的規(guī)格如果達(dá)不到理想狀態(tài)，無法保證空扇葉或磁環(huán)在360°的圓上每個(gè)位置的質(zhì)量平衡。這樣就會(huì)導(dǎo)致扇葉在旋轉(zhuǎn)時(shí)處于不平衡狀態(tài)，扇葉帶著軸心一起做“偏心”運(yùn)動(dòng)，使軸心與FDB相互摩擦產(chǎn)生噪音。而且在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng)整個(gè)風(fēng)扇振動(dòng)，使得風(fēng)扇在電腦內(nèi)部十分不穩(wěn)定，影響整個(gè)系統(tǒng)。故可采用添加平衡泥的方式來改善這種狀況。

添加平衡泥之前需要測(cè)出扇葉的偏擺值及偏心運(yùn)動(dòng)程度，通常使用三軸鐳射的方式進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試機(jī)臺(tái)以扇葉光標(biāo)點(diǎn)為原點(diǎn)，以鐳射檢測(cè)的方式測(cè)試扇葉旋轉(zhuǎn)時(shí)的不平衡量（偏擺值）和風(fēng)扇扇葉與風(fēng)扇外殼的上、下尺寸空間，進(jìn)而便可得知扇葉旋轉(zhuǎn)時(shí)做“偏心”運(yùn)動(dòng)的程度，在對(duì)應(yīng)的角度添加適量的平衡泥使扇葉達(dá)到平衡狀態(tài)[6-7]。具體方式如下：

偏擺值，即扇葉面在旋轉(zhuǎn)時(shí)擺動(dòng)的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的極差值，設(shè)為W。首先確定扇葉的葉片數(shù)i（i=72pcs），設(shè)底座到扇葉上鐳射點(diǎn)的厚度為Z，則有：

當(dāng)風(fēng)扇扇葉以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鐳射頭會(huì)在扇葉上采集N個(gè)數(shù)據(jù)。

讀取數(shù)據(jù)呈周期性的變化，采集的數(shù)據(jù)為扇葉的值、扇葉間隙的值。根據(jù)兩者的周期性變化可以得知采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)為扇葉的測(cè)試值，記為M。[M1，M2，M3……Mi;Mi+1，Mi+2]……。將M除以扇葉葉片數(shù)得到的結(jié)果取整數(shù)，記為X。即可知道測(cè)試時(shí)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。

則第一片扇葉的測(cè)試值為：

依次類推便可得到每一片扇葉的測(cè)試值，其中的最大值和最小值的差即為偏擺值W。求取每片扇葉的X次測(cè)試值的平均值記為[Ziave]。

為了計(jì)算風(fēng)扇扇葉與外殼的上、下尺寸空間，首先假設(shè)：Pil是打在Pillow（底座）上所有值的平均數(shù);W是打在扇葉單個(gè)葉片值的所有點(diǎn)的平均值（有效圈數(shù)內(nèi)的點(diǎn)）中的最大值減去最小值，故Pillow內(nèi)表面到Cover（外殼）內(nèi)表面的高度（空間理論風(fēng)扇高度）為[Zcp=Z（ave）+w2]。風(fēng)扇扇葉到外殼上表面記為上GAP，風(fēng)扇扇葉到外殼下表面記為下GAP。三軸鐳射共有三個(gè)測(cè)試鐳射點(diǎn)，便可得出這兩組數(shù)據(jù)，即：Z1，Z2，Z3;Zcp，Z2cp，Z3cp。

當(dāng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)的平衡度設(shè)為T，任意取三點(diǎn)測(cè)試的偏擺值W1、W2、W3，其中最大值記為Wmax。R為風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)半徑，便可得：

3 壓力試驗(yàn)

在以往的設(shè)計(jì)中大部分學(xué)者只注重了設(shè)計(jì)部分卻忽略了風(fēng)扇在系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)的實(shí)際狀況，故將改進(jìn)后的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓力試驗(yàn)。風(fēng)扇在電腦中運(yùn)行時(shí)會(huì)受很多外界因素的影響，例：風(fēng)扇本身很薄，雖然設(shè)置了上、下GAP參數(shù)，但在風(fēng)扇收到外力擠壓的時(shí)候會(huì)使上、下外殼變形。這會(huì)使扇葉摩擦到上、下外殼，不僅會(huì)產(chǎn)生明顯噪音而且影響風(fēng)扇壽命。首先設(shè)風(fēng)扇在理想狀態(tài)下工作，扇葉無“偏心”運(yùn)動(dòng)，由設(shè)計(jì)參數(shù)和上述公式可知：