降低风扇噪音的改进结构探讨

席芳

摘要：笔记本电脑使用的风扇，在高风量和高风压的要求下，会产生空气乱流和巨大的噪音。为了能够在高风量和高风压前提下，得到更低的风扇噪音，文章对笔记本电脑的风扇各个结构进行了分析，以得到最佳的结构改进方案。

关键词：风扇噪音；静音风扇；笔记本电脑风扇；空气乱流；高风量；高风压 文献标识码：A

中图分类号：TG464 文章编号：1009-2374（2016）18-0023-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.012

1 问题描述

在现有的笔记本电脑风扇结构中，风扇的工作原理简单地来讲就是电流通过控制电路，在定子线圈处和电磁铁处产生旋转磁场，推动转子上的磁铁朝特定方向旋转，从而带动整个扇叶高速旋转，推动空气快速从扇叶处通过，以到达特定的风量和风压。然而，风量和风压则是风扇的两个最重要的性能参数，而该处所述的风压就是风的压力，风压越大，风的力量也就越大，更加容易把笔记本电脑内结构上的冲孔、防尘网等部件吹透；而风量则可以理解为同一时间通过风扇的气流量大小，在同一时间内，可以交换更多的气流来提升散热效果。风扇在高风量和高风压的前提下，扇叶高速旋转时与空气的摩擦振动系数大，气流不能准确地流向所需的方向，空气乱流的振动造成巨大的噪音。

2 解决方案

第一，现有笔记本电脑风扇的结构，包括定子（4）和转子，其特征在于：还包括温度传感器（9）和散热部件（10），所述定子（4）包括轴承、线圈和电路板，在轴承上缠绕多圈线圈，轴承垂直安装在电路板的顶部；所述转子包括多块扇叶（2）、环形磁铁（3）和轴，环形磁铁（3）套在轴上，在环形磁铁（3）和轴之间形成一个腔体，轴承和电路板的中心孔套在轴上，在环形磁铁（3）的外部还套有一个胶套，在胶套的侧面上均匀辐射有一圈扇叶（2），扇叶与竖直方向呈锐角，整个定子（4）和转子均安装在底座（1）形成的圆形腔体内。散热部件（10）連接在风扇处，在连接处还设置温度传感器（9），有需要的话可以增加辅助散热部件（11），辅助散热部件（11）与圆形腔体连接处也设置温度传感器（9）。

第二，根据问题描述要求，对所述的笔记本电脑风扇的结构进行改进，其特征在于：每块扇叶（2）沿逆时针方向偏转的角度范围在8°～16°之间。角度范围设置通过实验获得。

第三，根据问题描述要求，所述的笔记本电脑风扇的结构进行改进，其特征在于：每片扇叶（2）的宽度范围在8～14cm之间。角度范围设置通过实验获得。

第四，根据问题描述要求，所述的笔记本电脑风扇的结构进行改进，其特征在于：在每块扇叶（2）的一侧均设置多个缺口（7），每个缺口（7）均为V字形结构。角度范围设置通过实验获得。

第五，根据问题描述要求，所述的笔记本电脑风扇的结构进行改进，其特征在于：在每块扇叶（2）的表面上均匀设置沿逆时针方向的导流线（6），在每块扇叶（2）上任意两条相邻导流线（6）之间的空隙上设置多个圆形凹槽（12）。角度范围设置通过实验获得。

3 数据实验

本次研究使用的实验数据分析方法为Minitab中的DOE实验。

对单个结构进行多水平测试，收集数据后通过Minitab分析来确认结构是否对噪音有回归性。

最后使用Minitab DOE分析中响应曲面的数据模拟模型来获得理论上最佳的结构改进方案。

第一，扇叶与竖直方向呈锐角，倾斜角度更加缓和，在提高与空气接触面积的同时，达到最大化地减小与空气的摩擦振动系数，可以降低乱流造成的噪音。

扇叶角度（5水平）：8°、10°、12°、14°、16°。

第二，选择每片扇叶的宽度范围。能使每片扇叶能够接触到更多的空气面积，同一时间通过的气流更多，达到最大化地减小与空气的摩擦振动系数，可以降低乱流造成的噪音。

扇叶宽度（4水平）：6cm、8cm、10cm、12cm。

第三，在每块扇叶的一侧均设置多个缺口，每个缺口均为V字形结构。缺口的设计保证风量不变的情况下，能够快速分流掉一部分风压，减少空气乱流造成的噪音，减少风压与空气摩擦产生的较大噪声。

缺口数量（4水平）：5个、6个、7个、8个。

第四，在每片扇叶上均设置导流线，每块扇叶上任意两条相邻导流线之间的空隙上设置多个圆形凹槽，能够扩大扇叶与空气的接触面积，减小气流对扇叶上单一位置的强烈冲击，从而减少扇叶在高速旋转时与空气摩擦的震动系数，让扇叶与空气接触面积的气流更加顺畅，从而减少噪音。

导流线数量（3水平）：2条、3条、4条。

圆形凹槽数量（3水平）：1个、2个、3个。

以上所有测试中，风扇转速均设为3个水平：2500RPM、3000RPM、3500RPM。

4 效果验证

按照噪音的大小，可以把噪音划分为多个区间段：30～40分贝是比较安静的正常环境；超过50分贝就会影响睡眠和休息；70分贝以上干扰谈话，造成心烦意乱，精神不集中，影响工作效率，甚至发生事故；长期工作或生活在90分贝以上的噪声环境，会严重影响听力和导致其他疾病的发生。

本次研究目的是将笔记本电脑的风扇噪音控制到安静的正常环境，即30～40分贝。

根据Minitab DOE分析中响应曲面的数据模拟模型中的结果，进行实物测试。各个结构改进参数选择见表1：

测试风扇噪音为30～31dB，实验结果满足本次研究的目标，即本次试验中选择的结构改善参数设定为有效。

参考文献

[1] 陆志良.空气动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[2] 城市区域环境噪音标准（GB3096-1993）[S].

[3] 郭淳钦，金莹.机械设计基础[M].青岛：中国海洋大学出版社，2011.

[4] 林建中.流体力学[M].北京：清华大学出版社，2005.

（责任编辑：黄银芳）