汽車?yán)鋮s風(fēng)扇用主動(dòng)降噪裝置設(shè)計(jì)

王涵松　程彥號(hào)　武建秋

摘要：首先，分析了車用冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生噪音的機(jī)理與主動(dòng)降噪技術(shù)的原理，;其次，提出了一種車用冷卻風(fēng)扇的主動(dòng)降噪裝置，制定了設(shè)計(jì)要求;最后，對(duì)該裝置進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定了包括支撐桁架、傳感系統(tǒng)、信號(hào)分析系統(tǒng)、電控系統(tǒng)與揚(yáng)聲器系統(tǒng)五個(gè)組成部分的完整方案。

關(guān)鍵詞：汽車;冷卻風(fēng)扇;主動(dòng)降噪

一、緒論

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冗余熱量主要由散熱器散出，為加強(qiáng)散熱器工作效果，常使用冷卻風(fēng)扇輔助工作，其工作原理為冷卻風(fēng)扇對(duì)空氣做功，在散熱器軸向產(chǎn)生空氣流動(dòng)，使空氣作為冷卻介質(zhì)帶走散熱器內(nèi)冷卻液中的熱量。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1]冷卻風(fēng)扇工作會(huì)產(chǎn)生兩種噪音，一為旋轉(zhuǎn)噪聲，是葉片的周期性運(yùn)動(dòng)從而引起空氣壓力脈沖而激發(fā)的噪聲;另一為絮流噪聲，是由于葉片與空氣相互作用產(chǎn)生渦流，渦流分裂相互擠壓碰撞，從而形成的一種不穩(wěn)定流動(dòng)噪聲;另外，氣流與散熱器翅片作用也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)噪聲。提升汽車乘員乘車舒適度是汽車設(shè)計(jì)的重要課題，室內(nèi)噪音控制是其中一個(gè)重要方向。影響汽車室內(nèi)噪音的因素主要有輪胎噪音、車身氣流噪音與發(fā)動(dòng)機(jī)艙噪音，冷卻風(fēng)扇噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)艙噪聲的一種。當(dāng)前降低風(fēng)扇噪聲的途徑一般有兩種，一種是利用氣動(dòng)聲學(xué)原理來設(shè)計(jì)低噪聲風(fēng)扇，這種方式需要大量的時(shí)間和創(chuàng)新，不易完成，國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)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(fēng)扇機(jī)殼上安裝降噪裝置，達(dá)到減少噪聲產(chǎn)生以及吸收噪聲的目的，但是外加裝置往往會(huì)影響冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)性能。

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

二、設(shè)計(jì)要求及原理

（一）設(shè)計(jì)要求

主要目的是提供一種應(yīng)用主動(dòng)降噪技術(shù)的，新型冷卻風(fēng)扇降噪裝置設(shè)計(jì)與運(yùn)轉(zhuǎn)方案。

（二）工作原理

由聲的性質(zhì)可得[4]，幅度相同、相位相反的聲波相遇會(huì)產(chǎn)生抵消作用，主動(dòng)降噪理論是利用揚(yáng)聲器產(chǎn)生的與風(fēng)扇噪聲幅度相同、相位相反的聲波，消除風(fēng)扇噪聲，從而在預(yù)期位置形成靜區(qū)。通過對(duì)冷卻風(fēng)扇工作原理與噪聲形成機(jī)理的研究，結(jié)合主動(dòng)降噪理論，考慮車輛動(dòng)力艙實(shí)際空間條件，提出本車用冷卻風(fēng)扇主動(dòng)降噪裝置。

三、機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）機(jī)械系統(tǒng)組成

根據(jù)清潔裝置功能結(jié)構(gòu)分析與工作原理，對(duì)裝置進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，最終結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。其特征在于，包括支撐桁架、傳感系統(tǒng)、信號(hào)分析系統(tǒng)、電控系統(tǒng)與揚(yáng)聲器系統(tǒng)5個(gè)功能模塊組成。其中揚(yáng)聲器系統(tǒng)是降噪裝置的關(guān)鍵模塊。

（二）具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）固定揚(yáng)聲器系統(tǒng)。固定揚(yáng)聲器系統(tǒng)（圖3）包括設(shè)置在線槽中的導(dǎo)線以及安裝在主桁架上的揚(yáng)聲器。揚(yáng)聲器系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生與冷卻風(fēng)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(fēng)扇主動(dòng)降噪裝置的后方形成靜區(qū)，達(dá)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(dòng)力艙中的主桁架，設(shè)置在主桁架上的線槽、傳感器安裝位置以及揚(yáng)聲器安裝位置;傳感系統(tǒng)包括安裝在桁架上的聲學(xué)傳感器與布置在線槽中的傳感器線;信號(hào)分析系統(tǒng)包括處理聲學(xué)傳感器所獲取信號(hào)的處理器與導(dǎo)線;電控系統(tǒng)包括控制傳感系統(tǒng)與控制揚(yáng)聲系統(tǒng)的PLC裝置。

四、工作過程

首先，電控系統(tǒng)控制本車用冷卻風(fēng)扇主動(dòng)降噪裝置與冷卻風(fēng)扇同時(shí)啟動(dòng)，聲學(xué)傳感器檢測(cè)到冷卻風(fēng)扇工作產(chǎn)生的噪聲，將其相關(guān)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)通過傳感器線傳導(dǎo)至信號(hào)分析系統(tǒng);其次，信號(hào)處理系統(tǒng)分析冷卻風(fēng)扇噪聲的相位、幅度等信息并進(jìn)行簡(jiǎn)化，將處理好的聲學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)傳導(dǎo)至揚(yáng)聲器系統(tǒng)，最后揚(yáng)聲器系統(tǒng)工作產(chǎn)生與冷卻風(fēng)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(fēng)扇主動(dòng)降噪裝置的后方形成靜區(qū)，達(dá)到降噪效果

五、結(jié)論

主動(dòng)降噪裝置利用聲波的自身性質(zhì)進(jìn)行主動(dòng)方式的降噪工作，相比于車輛傳統(tǒng)的使用隔音棉等材料的被動(dòng)降噪方案，提升了降噪效果，同時(shí)簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)本裝置的應(yīng)用可一定程度上降低對(duì)于冷卻風(fēng)扇的低噪聲要求，節(jié)省了風(fēng)扇成本。為增強(qiáng)降噪作用效果，提高工作效率提供了有效保障。

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基金項(xiàng)目：河北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（x2018179）

作者簡(jiǎn)介：王涵松（1998-），男，河北邢臺(tái)人，華北理工大學(xué)本科生，研究方向：汽車NVH。