某發動機冷卻風扇噪聲傳遞路徑貢獻量測試分析

王朝建

摘 要：某發動機冷卻風扇存在明顯的階次噪聲，冷卻風扇噪聲傳遞到車內主要有空氣傳遞和結構傳遞兩條路徑。分析結果表明冷卻風扇噪聲隨著轉速的增加而增大，且在不同轉速區間內，結構傳遞和空氣傳遞貢獻量不同。文章的研究對冷卻風扇的階次噪聲控制具有重要意義。關鍵詞：冷卻風扇;傳遞路徑;階次噪聲;貢獻量中圖分類號：U463.13? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-59-03

Abstract： There is obvious order noise in an engine cooling fan， and the cooling fan noise is transfered to the vehicle mainly through two paths of air transfer and structural transfer. The analysis results show that the cooling fan noise increases with the increase of the rotational speed， and the contribution of structural transmission and air transmission is different in different speed ranges. The research of this paper has great significance to control the order noise of cooling fans.Keywords： Cooling fan; Transfer path; Order noise; ContributionCLC NO.： U463.13? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-59-03

前言

發動機冷卻風扇噪聲是發動機的主要噪聲源之一。發動機冷卻風扇噪聲隨轉速增加而迅速提高，通常在低轉速時，風扇噪聲比發動機本體噪聲低得多;但在高轉速時，風扇噪聲往往成為主要甚至最大噪聲源^[1]。在車輛熄火時，車內噪聲仍有短時間存在，經研究其主要來源于發動機冷卻風扇用電機的噪聲，并且當電機轉速下降到某一特定轉速區間內會出現嘯叫聲，通常稱為滑坡噪聲^[2]。

文章對某發動機冷卻風扇存在的階次噪聲問題進行研究，對階次噪聲的結構傳遞路徑和空氣傳遞路徑貢獻量進行測試分析，分析出風扇噪聲隨轉速變化的規律及在不同轉速區間內，結構傳遞噪聲和空氣傳遞噪聲對車內噪聲貢獻量不同，對階次噪聲的控制具有指導意義。

1 噪聲測試

1.1 風扇噪聲

風扇噪聲由旋轉噪聲和渦流噪聲組成。旋轉噪聲又叫葉片噪聲，即階次噪聲，是由于旋轉的葉片周期性地切割空氣引起空氣的壓力脈動而產生的。除基頻外，它的高次諧波有時也比較突出。

風扇轉動時使周圍氣體產生渦流，該渦流在黏度力的作用下進而分裂成一系列分立的小渦流。渦流分裂導致空氣擾動，形成壓縮與稀流過程而產生渦流噪聲^[3]。

1.2 測試設備

本次試驗在整車半消聲室進行，試驗采用LMS Test.lab數采前端及分析軟件、三向振動加速度傳感器、聲學傳感器、穩壓電源等附件完成。依據汽車行業針對整車振動問題的常規測試方法對冷卻風扇本體振動（用于提取冷卻風扇轉速）、駕駛員右耳噪聲進行測試。

1.3 測試方案

根據結構噪聲傳遞路徑，設計測試方案如下：

（1）原狀態，30%～80%占空比，測點：冷卻風扇本體振動和駕駛員右耳噪聲;

（2）拆除冷卻風扇與車架的四個安裝襯套使冷卻風扇與車身斷開（阻斷風扇噪聲通過結構傳遞），30%～80%占空比，測點：冷卻風扇本體振動和駕駛員右耳噪聲。

2 測試數據對比分析

2.1 原狀態與風扇和車身斷開狀態駕駛員右耳總聲壓級對比分析

圖1為風扇與車身斷開前后駕駛員右耳總聲壓級曲線，從圖中可以看出，隨著轉速的增加車內噪聲變大，且風扇與車身斷開后車內噪聲較原狀態噪聲小，由此表明，車內噪聲有一部分是通過車身結構傳遞而來。

從圖中可以看出，不同轉速區間內，噪聲的上升趨勢不一樣;在低轉速區間，原狀態下測試的噪聲比冷卻風扇與車身斷開后測試的噪聲高5 dB（A）左右;在高轉速區間內，原狀態下測試的噪聲比冷卻風扇與車身斷開后測試的噪聲高10 dB（A）左右，由此表明，在高轉速區間內，結構傳遞對車內噪聲貢獻較大。

2.2 原狀態與風扇和車身斷開狀態2100r/min下切片頻譜對比分析

圖2為2800r/min下切片噪聲頻譜對比分析曲線，在冷卻風扇轉速2100r/min下，1階（基頻）噪聲、7階（葉片噪聲）噪聲對車內噪聲影響較大。從頻譜圖上可以看出1階噪聲降低3dB（A），車內噪聲降低1.3dB（A）;7階噪聲降低5.8dB（A），車內噪聲降低0.5dB（A）;1階噪聲降低3dB（A）且7階噪聲降低5.8dB（A），車內噪聲降低1.9dB（A）。

通過以上對比分析，在冷卻風扇轉速2100r/min下，空氣傳遞和結構傳遞噪聲對車內噪聲貢獻均較大，且空氣傳遞路徑貢獻量略大于結構傳遞。

2.3 原狀態與風扇和車身斷開狀態2800r/min下切片頻譜對比分析

圖3為2800r/min下切片噪聲頻譜對比分析曲線，在冷卻風扇轉速2800r/min下，從頻譜圖上可以看出1階（基頻）噪聲對車內噪聲影響較大，1階噪聲降低10dB（A），車內噪聲降低7.5dB（A）。

對比冷卻風扇斷開前后狀態，車內噪聲降低7.5dB（A），從頻譜圖上可以看出1階噪聲降低20dB（A），3階（諧頻）噪聲降低10dB（A），4階（諧頻）噪聲降低8.6dB（A），7階噪聲（葉片噪聲）升高9dB（A）（風扇與車身斷開時，風扇較原安裝位置有所提高）。

通過以上對比分析，在冷卻風扇轉速2800r/min下，結構傳遞噪聲對車內噪聲貢獻較大，且貢獻量是空氣傳遞路徑上的兩倍以上。

3 優化方案

影響發動機冷卻風扇噪聲的因素主要有以下兩點：冷卻風扇自身的幾何參數和風扇的工作環境。故，風扇噪聲的優化設計主要從以下七個方面考慮。

3.1 葉片數量

隨著風扇葉片數量的增加，風扇的噪聲會增加。增加風扇的葉片數，在轉速不變的條件下，可以增加風扇的風量。或者在獲得同等風量的前提下，可以降低風扇的轉速，從而降低風扇噪聲。但葉片數在6以上時，增加葉片數，風量增加有限，且在降噪特性上往往有負面的作用。所以在優化設計過程中可以有預見性的選取合理的葉片數。

3.2 葉型安裝角

相關研究表明，葉型安裝角對風扇噪聲有顯著影響，葉型安裝角小于20^。時風扇噪聲呈下降趨勢，當葉型安裝角大于20^。時，風扇噪聲急劇上升，所以在對風扇進行優化設計過程中可以找到最佳葉型安裝角，從而降低風扇噪聲。

3.3 轉速

風扇的噪聲隨著轉速的增加而增大。應根據風量要求和空間布置的可能，盡量選用直徑大的風扇，以降低風扇轉速，達到降低風扇噪聲的目的。

3.4 葉型和前傾

相關研究表明，前傾角的變化對風扇噪聲有影響，以10^。為分界點，小于10^。時，風扇噪聲隨前傾角的增大而減小，大于10^。時，風扇噪聲隨前傾角的增大而增大。

3.5 扇葉不等間距布置

扇葉采取不等間距的布置方式可以優化風扇的噪聲頻譜，最佳扇葉間距與環境結合會得出比較平緩的聲譜，所以選擇最佳扇葉間距時必須考慮風扇的工作環境。

3.6 輪轂比

冷卻風扇的噪聲隨著輪轂比的增大逐漸增大。選擇小的輪轂比可適當降低風扇噪聲，但輪轂比選擇過小，對風扇的性能也有負面影響，它會引起葉片根部的氣流發生分離;另外，從結構方面考慮，輪轂比過小，會使葉片變得很長，導致葉片布置困難，也容易引起葉片的疲勞破壞。

3.7 風扇與護風圈的間隙

縮小風扇與護風圈的間隙，防止氣流紊亂，可以降低風扇噪聲。試驗表明，當間隙為零時，風量增加27%，而噪聲

下降3dB（A），降低轉速使風量回到原有水平，噪聲又可以下降2dB（A）。

由于發動機的結構緊湊，且受布置空間限制，汽車發動機冷卻風扇的噪聲控制一般應從風扇的改型入手，同時，根據發動機散熱需求改善冷卻風扇的工作條件和負荷狀況。

4 結論

文章通過對某車型發動機冷卻風扇階次噪聲進行對比測試分析，研究結果表明：在冷卻風扇轉速2100r/min下，空氣傳遞、結構傳遞對車內風扇噪聲貢獻均較大，且空氣傳遞路徑貢獻量略大于結構傳遞;在冷卻風扇轉速2800r/min下，結構傳遞對車內風扇噪聲貢獻較大，且貢獻量是空氣傳遞路徑的兩倍以上。文章的研究使不同轉速區間內的風扇階次噪聲的控制更有針對性。最后，對風扇噪聲的影響因素進行分析，對風扇噪聲的優化具有指導意義。

參考文獻

[1] 楊曉芳.發動機冷卻風扇噪聲分析機器控制方法[J].廣西輕工業. 2013，（3）.

[2] 劉磊.關于汽車發動機冷卻風扇的噪聲分析[J].工程技術.2016， 00272-00273.

[3] 俞陸新，單福奎，等.關于車輛冷卻風扇噪聲的分析與研究[J].佳木斯大學學報. 2017， 35（3）.