某發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇噪聲傳遞路徑貢獻(xiàn)量測(cè)試分析

王朝建

摘 要：某發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇存在明顯的階次噪聲，冷卻風(fēng)扇噪聲傳遞到車內(nèi)主要有空氣傳遞和結(jié)構(gòu)傳遞兩條路徑。分析結(jié)果表明冷卻風(fēng)扇噪聲隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，且在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)傳遞和空氣傳遞貢獻(xiàn)量不同。文章的研究對(duì)冷卻風(fēng)扇的階次噪聲控制具有重要意義。關(guān)鍵詞：冷卻風(fēng)扇;傳遞路徑;階次噪聲;貢獻(xiàn)量中圖分類號(hào)：U463.13? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源之一。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇噪聲隨轉(zhuǎn)速增加而迅速提高，通常在低轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)扇噪聲比發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲低得多;但在高轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)扇噪聲往往成為主要甚至最大噪聲源^[1]。在車輛熄火時(shí)，車內(nèi)噪聲仍有短時(shí)間存在，經(jīng)研究其主要來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇用電機(jī)的噪聲，并且當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到某一特定轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)嘯叫聲，通常稱為滑坡噪聲^[2]。

文章對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇存在的階次噪聲問題進(jìn)行研究，對(duì)階次噪聲的結(jié)構(gòu)傳遞路徑和空氣傳遞路徑貢獻(xiàn)量進(jìn)行測(cè)試分析，分析出風(fēng)扇噪聲隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律及在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)傳遞噪聲和空氣傳遞噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量不同，對(duì)階次噪聲的控制具有指導(dǎo)意義。

1 噪聲測(cè)試

1.1 風(fēng)扇噪聲

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

風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使周圍氣體產(chǎn)生渦流，該渦流在黏度力的作用下進(jìn)而分裂成一系列分立的小渦流。渦流分裂導(dǎo)致空氣擾動(dòng)，形成壓縮與稀流過(guò)程而產(chǎn)生渦流噪聲^[3]。

1.2 測(cè)試設(shè)備

本次試驗(yàn)在整車半消聲室進(jìn)行，試驗(yàn)采用LMS Test.lab數(shù)采前端及分析軟件、三向振動(dòng)加速度傳感器、聲學(xué)傳感器、穩(wěn)壓電源等附件完成。依據(jù)汽車行業(yè)針對(duì)整車振動(dòng)問題的常規(guī)測(cè)試方法對(duì)冷卻風(fēng)扇本體振動(dòng)（用于提取冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速）、駕駛員右耳噪聲進(jìn)行測(cè)試。

1.3 測(cè)試方案

根據(jù)結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑，設(shè)計(jì)測(cè)試方案如下：

（1）原狀態(tài)，30%～80%占空比，測(cè)點(diǎn)：冷卻風(fēng)扇本體振動(dòng)和駕駛員右耳噪聲;

（2）拆除冷卻風(fēng)扇與車架的四個(gè)安裝襯套使冷卻風(fēng)扇與車身斷開（阻斷風(fēng)扇噪聲通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞），30%～80%占空比，測(cè)點(diǎn)：冷卻風(fēng)扇本體振動(dòng)和駕駛員右耳噪聲。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.1 原狀態(tài)與風(fēng)扇和車身斷開狀態(tài)駕駛員右耳總聲壓級(jí)對(duì)比分析

圖1為風(fēng)扇與車身斷開前后駕駛員右耳總聲壓級(jí)曲線，從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加車內(nèi)噪聲變大，且風(fēng)扇與車身斷開后車內(nèi)噪聲較原狀態(tài)噪聲小，由此表明，車內(nèi)噪聲有一部分是通過(guò)車身結(jié)構(gòu)傳遞而來(lái)。

從圖中可以看出，不同轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，噪聲的上升趨勢(shì)不一樣;在低轉(zhuǎn)速區(qū)間，原狀態(tài)下測(cè)試的噪聲比冷卻風(fēng)扇與車身斷開后測(cè)試的噪聲高5 dB（A）左右;在高轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，原狀態(tài)下測(cè)試的噪聲比冷卻風(fēng)扇與車身斷開后測(cè)試的噪聲高10 dB（A）左右，由此表明，在高轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)傳遞對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)較大。

2.2 原狀態(tài)與風(fēng)扇和車身斷開狀態(tài)2100r/min下切片頻譜對(duì)比分析

圖2為2800r/min下切片噪聲頻譜對(duì)比分析曲線，在冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2100r/min下，1階（基頻）噪聲、7階（葉片噪聲）噪聲對(duì)車內(nèi)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(nèi)噪聲降低1.3dB（A）;7階噪聲降低5.8dB（A），車內(nèi)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(nèi)噪聲降低1.9dB（A）。

通過(guò)以上對(duì)比分析，在冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2100r/min下，空氣傳遞和結(jié)構(gòu)傳遞噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)均較大，且空氣傳遞路徑貢獻(xiàn)量略大于結(jié)構(gòu)傳遞。

2.3 原狀態(tài)與風(fēng)扇和車身斷開狀態(tài)2800r/min下切片頻譜對(duì)比分析

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

對(duì)比冷卻風(fēng)扇斷開前后狀態(tài)，車內(nèi)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(fēng)扇與車身斷開時(shí)，風(fēng)扇較原安裝位置有所提高）。

通過(guò)以上對(duì)比分析，在冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2800r/min下，結(jié)構(gòu)傳遞噪聲對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)較大，且貢獻(xiàn)量是空氣傳遞路徑上的兩倍以上。

3 優(yōu)化方案

影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇噪聲的因素主要有以下兩點(diǎn)：冷卻風(fēng)扇自身的幾何參數(shù)和風(fēng)扇的工作環(huán)境。故，風(fēng)扇噪聲的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從以下七個(gè)方面考慮。

3.1 葉片數(shù)量

隨著風(fēng)扇葉片數(shù)量的增加，風(fēng)扇的噪聲會(huì)增加。增加風(fēng)扇的葉片數(shù)，在轉(zhuǎn)速不變的條件下，可以增加風(fēng)扇的風(fēng)量。或者在獲得同等風(fēng)量的前提下，可以降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而降低風(fēng)扇噪聲。但葉片數(shù)在6以上時(shí)，增加葉片數(shù)，風(fēng)量增加有限，且在降噪特性上往往有負(fù)面的作用。所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中可以有預(yù)見性的選取合理的葉片數(shù)。

3.2 葉型安裝角

相關(guān)研究表明，葉型安裝角對(duì)風(fēng)扇噪聲有顯著影響，葉型安裝角小于20^。時(shí)風(fēng)扇噪聲呈下降趨勢(shì)，當(dāng)葉型安裝角大于20^。時(shí)，風(fēng)扇噪聲急劇上升，所以在對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中可以找到最佳葉型安裝角，從而降低風(fēng)扇噪聲。

3.3 轉(zhuǎn)速

風(fēng)扇的噪聲隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。應(yīng)根據(jù)風(fēng)量要求和空間布置的可能，盡量選用直徑大的風(fēng)扇，以降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，達(dá)到降低風(fēng)扇噪聲的目的。

3.4 葉型和前傾

相關(guān)研究表明，前傾角的變化對(duì)風(fēng)扇噪聲有影響，以10^。為分界點(diǎn)，小于10^。時(shí)，風(fēng)扇噪聲隨前傾角的增大而減小，大于10^。時(shí)，風(fēng)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(yōu)化風(fēng)扇的噪聲頻譜，最佳扇葉間距與環(huán)境結(jié)合會(huì)得出比較平緩的聲譜，所以選擇最佳扇葉間距時(shí)必須考慮風(fēng)扇的工作環(huán)境。

3.6 輪轂比

冷卻風(fēng)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(dāng)降低風(fēng)扇噪聲，但輪轂比選擇過(guò)小，對(duì)風(fēng)扇的性能也有負(fù)面影響，它會(huì)引起葉片根部的氣流發(fā)生分離;另外，從結(jié)構(gòu)方面考慮，輪轂比過(guò)小，會(huì)使葉片變得很長(zhǎng)，導(dǎo)致葉片布置困難，也容易引起葉片的疲勞破壞。

3.7 風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)圈的間隙

縮小風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)圈的間隙，防止氣流紊亂，可以降低風(fēng)扇噪聲。試驗(yàn)表明，當(dāng)間隙為零時(shí)，風(fēng)量增加27%，而噪聲

下降3dB（A），降低轉(zhuǎn)速使風(fēng)量回到原有水平，噪聲又可以下降2dB（A）。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，且受布置空間限制，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的噪聲控制一般應(yīng)從風(fēng)扇的改型入手，同時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求改善冷卻風(fēng)扇的工作條件和負(fù)荷狀況。

4 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)某車型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇階次噪聲進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析，研究結(jié)果表明：在冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2100r/min下，空氣傳遞、結(jié)構(gòu)傳遞對(duì)車內(nèi)風(fēng)扇噪聲貢獻(xiàn)均較大，且空氣傳遞路徑貢獻(xiàn)量略大于結(jié)構(gòu)傳遞;在冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2800r/min下，結(jié)構(gòu)傳遞對(duì)車內(nèi)風(fēng)扇噪聲貢獻(xiàn)較大，且貢獻(xiàn)量是空氣傳遞路徑的兩倍以上。文章的研究使不同轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的風(fēng)扇階次噪聲的控制更有針對(duì)性。最后，對(duì)風(fēng)扇噪聲的影響因素進(jìn)行分析，對(duì)風(fēng)扇噪聲的優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊曉芳.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇噪聲分析機(jī)器控制方法[J].廣西輕工業(yè). 2013，（3）.

[2] 劉磊.關(guān)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的噪聲分析[J].工程技術(shù).2016， 00272-00273.

[3] 俞陸新，單?？?，等.關(guān)于車輛冷卻風(fēng)扇噪聲的分析與研究[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào). 2017， 35（3）.