冷卻風扇非整數(shù)倍階次噪聲問題的試驗診斷分析

鄭　軍，王弘巖，關(guān)　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(shù)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(shù)倍階次噪聲問題的試驗診斷分析

鄭軍1，王弘巖1，關(guān)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(shù)有限責任公司，江蘇 蘇州 215134）

摘要：汽車發(fā)動機冷卻風扇工作時，室內(nèi)噪聲出現(xiàn)冷卻風扇軸旋轉(zhuǎn)基頻的5.3階左右噪聲峰值（雙風扇，葉片數(shù)均為6片），為明確該異常噪聲源產(chǎn)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(yōu)化，降低此噪聲對室內(nèi)噪聲的貢獻。

關(guān)鍵詞:聲學；非整數(shù)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(fā)動機工作在高溫環(huán)境下，必須得到適當?shù)睦鋮s，否則會引起發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、可靠性等全面惡化，因此發(fā)動機冷卻系統(tǒng)極為關(guān)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(fā)動機等系統(tǒng)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(fā)動機冷卻風扇噪聲是隨著轉(zhuǎn)速增加而迅速提高的，通常在低轉(zhuǎn)速時，風扇噪聲相對較小，但在高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)基頻，最大噪聲頻率為葉片旋轉(zhuǎn)基頻及諧波，可通過改善風扇動平衡、葉片數(shù)、輪轂比、葉片大小、形狀、材料、安裝角等方法解決相關(guān)問題。但出現(xiàn)非整數(shù)倍階次的噪聲、振動，并對室內(nèi)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(zhuǎn)基頻的5.3階諧頻噪聲問題診斷過程，最終確定其產(chǎn)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(nèi)噪聲在180 Hz～210 Hz頻帶范圍內(nèi)增大異常。通過單獨運轉(zhuǎn)消除法進行問題排查，在怠速不帶載工況，且發(fā)動機冷卻風扇工作，室內(nèi)噪聲表現(xiàn)出相似特性，在180 Hz～210 Hz頻帶范圍內(nèi)噪聲增大，且噪聲幅值同怠速帶載工況相同。

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

改變發(fā)動機冷卻風扇工作轉(zhuǎn)速，使冷卻風扇高速工作，室內(nèi)噪聲在200 Hz～250 Hz頻帶范圍內(nèi)增大。同時，風扇構(gòu)架上的振動在此頻率范圍內(nèi)亦出現(xiàn)振動峰值。上述結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同工況下，室內(nèi)噪聲及風扇構(gòu)架振動頻譜圖

由實驗結(jié)果可知，關(guān)注的噪聲與發(fā)動機轉(zhuǎn)速等無關(guān)，與發(fā)動機冷卻風扇工作相關(guān)，其頻率范圍和風扇工作轉(zhuǎn)速相關(guān)。風扇高低速工作時，表現(xiàn)的中心峰值頻率分別為238 Hz和198 Hz，是風扇對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的的軸旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生的機理以及對室內(nèi)噪聲的傳遞路徑進行分析，圖2所示。首先需確認產(chǎn)生該噪聲特性的根本原因。其中傳遞路徑中的結(jié)構(gòu)共振本可能成為再生噪聲源之一，但該噪聲特性頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化，故排除由結(jié)構(gòu)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(jù)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(wěn)壓電源方式使冷卻風扇達到整車工作轉(zhuǎn)速，冷卻風扇分別在高低轉(zhuǎn)速工作時，此時風扇正前方1 m麥克風噪聲和風扇構(gòu)架上振動主要表現(xiàn)為軸和葉片的旋轉(zhuǎn)基頻及其整數(shù)倍諧頻特性，均未出現(xiàn)上述風扇軸旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)產(chǎn)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(chǔ)上，改變其工作邊界條件，分析相應(yīng)的NVH特性。由于該峰值頻率隨著冷卻風扇轉(zhuǎn)速變化而相應(yīng)偏移，故利用外接穩(wěn)壓電源，控制電壓的方式，使冷卻風扇從靜止升速至最大轉(zhuǎn)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(xiàn)將散熱器和冷卻風扇按照整車狀態(tài)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(xiàn)了5.3階左右噪聲峰值。

實驗結(jié)果表明，風扇軸旋轉(zhuǎn)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(tài)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(chǎn)生了風扇軸旋轉(zhuǎn)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(guān)，將冷卻風扇反轉(zhuǎn)（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(lián)系。主要由于風扇轉(zhuǎn)動使周圍氣體產(chǎn)生渦流引起。其幅值主要受葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)和發(fā)動機艙內(nèi)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(fā)生擾動，產(chǎn)生相應(yīng)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(jié)果表明，風扇轉(zhuǎn)動時使周圍氣體產(chǎn)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(fā)生擾動[4]，形成壓縮與稀流過程而產(chǎn)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(zhuǎn)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(fā)動機艙內(nèi)。當風扇正常工作時，室內(nèi)噪聲仍存在軸旋轉(zhuǎn)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(nèi)。

圖6　冷卻風扇工作時，室內(nèi)噪聲頻譜圖

4　優(yōu)化驗證

綜合考慮發(fā)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(jié)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(jié)　語

本文主要通過實驗手段，對冷卻風扇非整數(shù)倍階次噪聲進行診斷分析，最終確定其產(chǎn)生的原因并得到有效解決。在冷卻風扇前期開發(fā)過程中，保證良好的冷卻效果的同時，需重點關(guān)注風扇引起的旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲，為后期整車和冷卻風扇NVH開發(fā)帶來事半功倍的效果。希望該診斷經(jīng)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(fā)動機冷卻風扇噪聲分析及其控制方法[J].廣西輕工業(yè)，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(fā)動機冷卻風扇的降噪研究和優(yōu)化[J].汽車技術(shù)，2011，(9)：24-24.

[5]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動-理論與應(yīng)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(tǒng)NVH正向開發(fā)。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