某型設(shè)備低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)*

朱 鵬，黃 巍，曾柯杰，劉啟航

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所， 四川 成都 610041)

引 言

近年來，電子機(jī)械發(fā)展迅速，電子、信息設(shè)備呈現(xiàn)集成化、小型化、高功率化、輕量化等發(fā)展趨勢。隨著使用環(huán)境、人機(jī)舒適性等要求的提升，電子機(jī)械迎來新的發(fā)展需求——低噪聲化，即電子、信息設(shè)備的噪聲要求越來越低。當(dāng)前，電子、信息設(shè)備以風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫散熱為主，設(shè)備噪聲主要由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生。電子機(jī)械的集成化、小型化、高功率化、輕量化對風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫散熱的依賴更大，風(fēng)機(jī)使用需求增多，這就造成了設(shè)備噪聲量級的不斷提高，在噪聲指標(biāo)要求較為嚴(yán)格的安裝環(huán)境，設(shè)備將很難滿足噪聲要求。

以某型設(shè)備為例，將傳統(tǒng)的主機(jī)、功放及電源等集成為一體，體積縮小近2/3，設(shè)備功率高、熱功耗大、熱源集中，采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫散熱，整機(jī)噪聲較大。為滿足新環(huán)境的使用要求，需對設(shè)備進(jìn)行低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)，要求平均A聲壓級噪聲≤40 dB。為解決高功耗、大風(fēng)量、高噪聲設(shè)備的低噪聲化設(shè)計(jì)問題，設(shè)備從設(shè)計(jì)頂層進(jìn)行全面考量，在綜合均衡散熱、電磁兼容等要求的前提下滿足噪聲指標(biāo)要求。

1 設(shè)備概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

某型設(shè)備為19″標(biāo)準(zhǔn)上架式設(shè)備，高度為4U(177 mm)，機(jī)箱寬度420 mm，機(jī)箱深度420 mm。設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，包含功放模塊、電源模塊等9個插件，從上往下裝入機(jī)箱。整機(jī)功率約680 W，熱功耗約436 W，功放模塊、電源模塊為主要熱源。整機(jī)風(fēng)道設(shè)計(jì)為前進(jìn)后出，機(jī)箱兩側(cè)(主要)、前面板(次要)開設(shè)進(jìn)風(fēng)孔，機(jī)箱后側(cè)安裝風(fēng)機(jī)組進(jìn)行抽風(fēng)散熱，電源模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)強(qiáng)化其獨(dú)立風(fēng)道，如圖1所示。

圖1 某型設(shè)備散熱設(shè)計(jì)圖

某型設(shè)備以散熱設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，風(fēng)機(jī)選型時(shí)主要考慮散熱需求，后面板設(shè)計(jì)安裝了4個風(fēng)機(jī)，電源模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)安裝了2個風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)(優(yōu)化前)

1.2 噪聲測試

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對某型設(shè)備進(jìn)行噪聲測試，測試點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 噪聲測試點(diǎn)位置圖

各測試點(diǎn)的聲壓級為Li，設(shè)備的平均聲壓級噪聲L為

L=10lg[(10L1/10+10L2/10+…+10Ln/10)/n]

(1)

通過測試及計(jì)算，在20 Hz～10 kHz頻率范圍內(nèi)，某型設(shè)備的平均A聲壓級噪聲為45 dB。

2 低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)

某型設(shè)備的噪聲主要由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，包含風(fēng)機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)噪聲、風(fēng)道渦流噪聲、風(fēng)道擾流噪聲及風(fēng)機(jī)振動噪聲等。

通過上述測試得知此設(shè)備的噪聲為45 dB，與要求的40 dB差距較大，所以在低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從降低空氣噪聲與結(jié)構(gòu)噪聲兩個方面入手，綜合考慮噪聲源和傳播路徑對整機(jī)噪聲的影響。首先對風(fēng)機(jī)進(jìn)行降噪(降速)的優(yōu)化選型，以降低噪聲源的噪聲量級；同時(shí)對風(fēng)道與進(jìn)、出風(fēng)口進(jìn)行匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)以降低空氣噪聲，對風(fēng)機(jī)安裝進(jìn)行減振設(shè)計(jì)抑制共振產(chǎn)生，降低結(jié)構(gòu)噪聲。

2.1 風(fēng)機(jī)選型優(yōu)化

理想情況下，在聲場中某點(diǎn)有n個聲源共同作用，各聲源的聲壓為LPi，則理想總聲壓級LP′為

(2)

某型設(shè)備的6個風(fēng)機(jī)可近似理想為6個聲源的共同作用，設(shè)后面板的風(fēng)機(jī)噪聲為LP1，電源風(fēng)機(jī)的噪聲為LP2，則理想總聲壓級LP′為

(3)

設(shè)LP1

LP1+10lg(4+2×10ΔLP/10)

可知，2種風(fēng)機(jī)的噪聲差ΔLP越大，噪聲較大的聲源對整機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)越大。原設(shè)計(jì)中，后面板風(fēng)機(jī)噪聲大于電源風(fēng)機(jī)噪聲，應(yīng)優(yōu)先對后面板風(fēng)機(jī)進(jìn)行重新選型，選擇噪聲較低的風(fēng)機(jī)，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)參數(shù)見表2。

表2 后面板風(fēng)機(jī)參數(shù)(優(yōu)化后)

2.2 風(fēng)道優(yōu)化

渦流噪聲與風(fēng)道關(guān)系極大，整機(jī)風(fēng)道流暢、無紊亂現(xiàn)象產(chǎn)生，風(fēng)機(jī)的渦流噪聲就越低。

某型設(shè)備的電源風(fēng)機(jī)安裝于設(shè)備內(nèi)部，處于整機(jī)風(fēng)道之中，其作用為強(qiáng)化模塊內(nèi)部風(fēng)壓。所以，電源風(fēng)機(jī)應(yīng)匹配后面板風(fēng)機(jī)選型，選擇風(fēng)速相近的風(fēng)機(jī)，以減弱局部的紊亂現(xiàn)象，降低風(fēng)機(jī)渦流噪聲。因后面板風(fēng)機(jī)、電源風(fēng)機(jī)的截面積(80 mm × 80 mm)相同，所以選擇轉(zhuǎn)速、風(fēng)量相近的風(fēng)機(jī)，優(yōu)化后的電源風(fēng)機(jī)參數(shù)見表3。

表3 電源風(fēng)機(jī)參數(shù)(優(yōu)化后)

2.3 共振抑制

噪聲由振動產(chǎn)生，產(chǎn)生聲音的振動物體稱為聲源。當(dāng)聲源的振動頻率與安裝零件的固有頻率相同時(shí)，會發(fā)生共振現(xiàn)象，噪聲會明顯增大。所以聲源的安裝零件應(yīng)強(qiáng)度可靠，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。

以后面板風(fēng)機(jī)(BP802512H-VLWF01)為例，轉(zhuǎn)速2 100 r/min，葉片數(shù)量為7，則風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)頻率f1=7 × 2 100/60=245 Hz?？紤]4倍頻率范圍，風(fēng)機(jī)安裝零件的固有頻率應(yīng)大于980 Hz。

原設(shè)計(jì)中，后面板風(fēng)機(jī)安裝支架采用1 mm的不銹鋼板折彎而成，四角未焊接，共振頻率較低，存在共振隱患。對后面板風(fēng)機(jī)安裝支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用1.5 mm的不銹鋼板折彎，四角進(jìn)行焊接加固，提高共振頻率，降低共振的可能。

某型設(shè)備的電源風(fēng)機(jī)安裝零件由鋁合金加工而成，最薄處板厚≥2 mm，強(qiáng)度可靠，共振頻率較高，共振隱患的較小。

2.4 擾流抑制

風(fēng)通過棱邊時(shí)，會出現(xiàn)擾流現(xiàn)象，局部噪聲增加，設(shè)計(jì)中應(yīng)避免。

某型設(shè)備的功放模塊、電源模塊均自帶散熱器，將散熱齒的進(jìn)、出風(fēng)處進(jìn)行圓角處理能避免擾流現(xiàn)象的噪聲增加。

2.5 減振安裝

風(fēng)機(jī)為振動的物體，安裝面設(shè)計(jì)安裝柔性減震材料(例如，1 mm厚的硅橡膠板)，有效避免局部的振動噪聲增量。

2.6 進(jìn)/出風(fēng)口優(yōu)化

在風(fēng)機(jī)選型優(yōu)化設(shè)計(jì)后，某型設(shè)備的風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量較原設(shè)計(jì)有較大程度的降低，所以需對整機(jī)的進(jìn)、出風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高通風(fēng)量、降低風(fēng)壓。原設(shè)計(jì)中，進(jìn)、出風(fēng)處采用多孔板設(shè)計(jì)，通風(fēng)率較低。將多孔板替換為蜂窩波導(dǎo)板，通風(fēng)率極大提高，進(jìn)、出風(fēng)口的通風(fēng)量顯著提升。多孔板與蜂窩波導(dǎo)板的參數(shù)比較見表4。

表4 通風(fēng)率比較

3 仿真分析

本文利用Ansys仿真平臺的Mechanical力學(xué)分析模塊對風(fēng)機(jī)安裝支架進(jìn)行有限元模態(tài)分析，利用Icepak對整機(jī)進(jìn)行流場與溫度場的仿真分析。

3.1 Mechanical仿真

利用Ansys的Mechanical力學(xué)分析模塊對風(fēng)機(jī)支架進(jìn)行有限元模態(tài)對比分析。

將風(fēng)機(jī)安裝支架的UG模型導(dǎo)入Ansys經(jīng)典界面后進(jìn)行材料屬性、邊界條件的加載，模擬真實(shí)安裝方式，對8個螺釘孔全自由度完全約束。

優(yōu)化前的風(fēng)機(jī)安裝支架的一階模態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)安裝支架(優(yōu)化前)的模態(tài)計(jì)算

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的風(fēng)機(jī)安裝支架的1階模態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)安裝支架(優(yōu)化后)的模態(tài)計(jì)算

由結(jié)果可知，優(yōu)化前的風(fēng)機(jī)安裝支架的1階固有頻率為951.668 Hz,與風(fēng)機(jī)的4倍頻980 Hz較接近，存在耦合共振的風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)安裝支架1階固有頻率為1 549.39 Hz，大于980 Hz，避免了與風(fēng)機(jī)的耦合共振的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 Icepak仿真

利用Icepak仿真工具對某型設(shè)備進(jìn)行流場與溫度場的仿真分析。建立標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)機(jī)模型，建立長方形測試風(fēng)道，將風(fēng)道的前后加載面卸載用以模擬設(shè)備上架機(jī)柜后的情況，優(yōu)化前的流場分布如圖5所示。

圖5 流場圖(優(yōu)化前)

更新風(fēng)機(jī)參數(shù)，優(yōu)化后的流場分布如圖6所示。

圖6 流場圖(優(yōu)化后)

由仿真結(jié)果可見，優(yōu)化前的電源模塊進(jìn)、出風(fēng)處黃色區(qū)域較大，流速不均勻，紊亂現(xiàn)象明顯，風(fēng)機(jī)渦流噪聲較大；優(yōu)化后的電源模塊進(jìn)、出風(fēng)流速均勻，無明顯紊亂現(xiàn)象，有效降低了風(fēng)機(jī)渦流噪聲。

設(shè)環(huán)境溫度為20 ℃，設(shè)備溫度場仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 溫度場圖

由仿真結(jié)果可見，低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)后的某型設(shè)備的功放芯片的溫度為73 ℃，電源模塊的溫度為61 ℃，敏感器件在許用溫度范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定工作，滿足使用要求。

4 結(jié)果驗(yàn)證

4.1 噪聲結(jié)果驗(yàn)證

通過風(fēng)機(jī)選型、風(fēng)道優(yōu)化、共振抑制、擾流抑制、減震安裝等低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)后，某型設(shè)備的噪聲降低明顯。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行噪聲測試，在20 Hz～10 kHz頻率范圍內(nèi)，設(shè)備的聲壓級(A聲級)噪聲為39.3 dB，比優(yōu)化前降低了約5.7 dB。測試結(jié)果的頻譜圖如圖8所示。

圖8 噪聲測試頻譜圖

設(shè)優(yōu)化前、后的理想總聲壓級為L前′、L后′，則理想總聲壓級的噪聲降低量ΔL為

ΔL=L前′-L后′

(5)

某型設(shè)備的理想總聲壓級(A聲級)的噪聲優(yōu)化降低量約為2.41 dB，低于實(shí)際噪聲降低量(5.7 dB)，可知風(fēng)道優(yōu)化、共振抑制、擾流抑制、減振安裝等優(yōu)化措施降噪效果明顯。

4.2 溫度結(jié)果驗(yàn)證

采用多通道溫度測試儀TP9032U，對某型設(shè)備的功放芯片、電源模塊進(jìn)行溫度監(jiān)測。環(huán)境溫度22 ℃時(shí)，在滿功率發(fā)射狀態(tài)下工作1 h后，功放芯片的溫度為76 ℃，低于該芯片的允許工作高溫(≤150 ℃)；電源模塊的溫度為63 ℃，低于該模塊的允許工作高溫(≤105 ℃)，滿足設(shè)計(jì)要求。

可知，某型設(shè)備更換較低噪音的風(fēng)機(jī)后，風(fēng)壓、風(fēng)量有所下降，但經(jīng)過風(fēng)道優(yōu)化、進(jìn)/出風(fēng)口優(yōu)化后，降低了設(shè)備內(nèi)部風(fēng)阻，減弱了風(fēng)道的紊亂等現(xiàn)象，使風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)在PQ曲線上朝著高風(fēng)量低風(fēng)壓趨勢移動，提高了散熱效率。

5 結(jié)束語

電子機(jī)械的低噪聲化已逐漸成為電子、信息設(shè)備的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，在兼顧散熱、振動、沖擊等環(huán)境指標(biāo)的同時(shí)滿足低噪聲已成為電子機(jī)械的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。本文從風(fēng)機(jī)選型、風(fēng)道優(yōu)化、共振抑制、擾流抑制、減振安裝等方面進(jìn)行了低噪聲化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以有限元動力學(xué)模態(tài)仿真、熱學(xué)流體仿真為設(shè)計(jì)優(yōu)化工具，采用理論計(jì)算與仿真模擬相結(jié)合的手段，實(shí)現(xiàn)低噪聲設(shè)計(jì)，其優(yōu)化效果在某型設(shè)備設(shè)備上得到了驗(yàn)證，具有一定的工程實(shí)踐指導(dǎo)意義。