冷却风扇非整数倍阶次噪声问题的试验诊断分析

郑　军，王弘岩，关　帅，姜　雯，蒋秀文，杨安志

（1.清华大学 苏州汽车研究院（相城），江苏 苏州 215134；2.苏州盖斯特汽车技术有限责任公司，江苏 苏州 215134）

ZHENG　Jun1,WANG Hong-yan1,GUAN　Shuai1, JIANG　Wen1,JIANG Xiu-wen1,YANG An-zhi2



冷却风扇非整数倍阶次噪声问题的试验诊断分析

郑军1，王弘岩1，关帅1，姜雯1，蒋秀文1，杨安志2

（1.清华大学 苏州汽车研究院（相城），江苏 苏州 215134；2.苏州盖斯特汽车技术有限责任公司，江苏 苏州 215134）

摘要：汽车发动机冷却风扇工作时，室内噪声出现冷却风扇轴旋转基频的5.3阶左右噪声峰值（双风扇，叶片数均为6片），为明确该异常噪声源产生的具体原因，综合分析冷却风扇激励源、主要传递路径等因素,利用实验手段对噪声进行详细诊断分析，确认引起噪声的原因是风扇涡流噪声。风扇与散热器之间的距离对其有较大影响，通过风扇与散热器之间的距离优化，降低此噪声对室内噪声的贡献。

关键词:声学；非整数倍阶次；涡流噪声；冷却风扇

ZHENGJun1,WANG Hong-yan1,GUANShuai1, JIANGWen1,JIANG Xiu-wen1,YANG An-zhi2

汽车发动机工作在高温环境下，必须得到适当的冷却，否则会引起发动机动力性、经济性、可靠性等全面恶化，因此发动机冷却系统极为关键，其中冷却风扇用来给散热器通过风速强制补风，给散热器模块提供足够的冷空气流量，满足发动机等系统的散热需求[1]。同时冷却风扇工作也带来汽车最大噪声源之一——冷却风扇噪声。发动机冷却风扇噪声是随着转速增加而迅速提高的，通常在低转速时，风扇噪声相对较小，但在高转速时，风扇噪声往往成为主要甚至最大噪声源[2]。一般情况下，冷却风扇最大振动频率为冷却风扇轴旋转基频，最大噪声频率为叶片旋转基频及谐波，可通过改善风扇动平衡、叶片数、轮毂比、叶片大小、形状、材料、安装角等方法解决相关问题。但出现非整数倍阶次的噪声、振动，并对室内噪声有明显影响，比较特殊。

本文重点讲述某车型存在的冷却风扇轴旋转基频的5.3阶谐频噪声问题诊断过程，最终确定其产生的具体原因。

1　问题的描述

某车型怠速带载工况（风扇低速工作，AC ON），同怠速不带载工况相比，室内噪声在180 Hz～210 Hz频带范围内增大异常。通过单独运转消除法进行问题排查，在怠速不带载工况，且发动机冷却风扇工作，室内噪声表现出相似特性，在180 Hz～210 Hz频带范围内噪声增大，且噪声幅值同怠速带载工况相同。

对发动机冷却风扇构架振动进行测试，同怠速不带载工况相比，风扇构架上振动除了出现风扇轴旋转振动基频（2 240 r/min/60=37.5 Hz）以及叶片旋转振动基频（37.5×6=225 Hz）外，在180 Hz～210 Hz的频带内出现较大的振动峰值。

改变发动机冷却风扇工作转速，使冷却风扇高速工作，室内噪声在200 Hz～250 Hz频带范围内增大。同时，风扇构架上的振动在此频率范围内亦出现振动峰值。上述结果如图1所示。

图1　不同工况下，室内噪声及风扇构架振动频谱图

由实验结果可知，关注的噪声与发动机转速等无关，与发动机冷却风扇工作相关，其频率范围和风扇工作转速相关。风扇高低速工作时，表现的中心峰值频率分别为238 Hz和198 Hz，是风扇对应转速下的的轴旋转基频的5.3倍左右。

2　问题的综合分析

确定了该噪声峰值由冷却风扇工作引起，故对该噪声特性产生的机理以及对室内噪声的传递路径进行分析，图2所示。首先需确认产生该噪声特性的根本原因。其中传递路径中的结构共振本可能成为再生噪声源之一，但该噪声特性频率随转速变化而变化，故排除由结构共振引起的可能性。

图2　传递路径分析

3　原因的诊断确认

3.1冷却风扇自身工作辐射引起

根据上述问题的详细分析，首先对冷却风扇单体辐射噪声进行排查确认，利用外接稳压电源方式使冷却风扇达到整车工作转速，冷却风扇分别在高低转速工作时，此时风扇正前方1 m麦克风噪声和风扇构架上振动主要表现为轴和叶片的旋转基频及其整数倍谐频特性，均未出现上述风扇轴旋转基频的5.3阶左右宽频带噪声，如图3所示。由此判断，该5.3阶左右噪声峰值并非由冷却风扇自身工作旋转产生。

3.2冷却风扇边界条件作用引起

此实验部分主要建立在冷却风扇单体辐射噪声测试的基础上，改变其工作边界条件，分析相应的NVH特性。由于该峰值频率随着冷却风扇转速变化而相应偏移，故利用外接稳压电源，控制电压的方式，使冷却风扇从静止升速至最大转速，整体观察其特性变化。麦克风布点位置同风扇单体辐射噪声测试时一致。

上述实验说明该噪声峰值并不是由冷却风扇单体工作引起的，现将散热器和冷却风扇按照整车状态相互固定，进行悬挂测试。此时冷却风扇正前方1 m麦克风噪声在高速时，即出现了5.3阶左右噪声峰值。

实验结果表明，风扇轴旋转基频的5.3阶左右谐频由冷却风扇与其边界条件（散热器）相互作用引起，为进一步确认该边界条件的具体影响，故对以下状态进行实验对比：

图3　风扇工作时，辐射噪声和骨架振动频谱图

当冷却风扇和散热器安装正常装配（方案一）工作时，就产生了风扇轴旋转基频的5.3阶左右宽频带噪声峰值。

为了验证该噪声特性是否和空气流体运动相关，将冷却风扇反转（方案二），此时该5.3阶噪声特性基本消除，说明该噪声特性和空气流体运动有着密切联系。主要由于风扇转动使周围气体产生涡流引起。其幅值主要受叶片结构参数和发动机舱内各部件相对位置影响[3]。

将散热器和风扇之间的间隙增加10 mm左右（方案三）时，该5.3阶左右噪声峰值得到明显改善，这也进一步验证了涡流使空气发生扰动，产生相应的涡流噪声。同时也间接表明变化散热器和风扇之间的装配间隙，可改善该噪声贡献。最后为了排除散热器和风扇之间装配方式带来的影响，去除两者之间装配螺栓（方案四），该噪声特性仍然存在。见图4、图5所示。

上述实验结果表明，风扇转动时使周围气体产生涡流，这些涡流由于黏滞力的作用又会分裂成一系列小涡流，这些涡流和涡流的分裂会使空气发生扰动[4]，形成压缩与稀流过程而产生涡流噪声，散热器和冷却风扇之间的装配间隙对其涡流噪声有较大的影响。

图4　不同边界下，风扇辐射噪声谱图

一般情况下涡流噪声特性为宽频带噪声，主要峰值频率为其中k=0.15～0.22为常量；v为风扇圆周速度；d为叶片在气流入射方向上的厚度[5]。

当k=0.19左右，该车型冷却风扇在高、低速工作时，其宽频带的涡流噪声的中心频率分别为238和198 Hz左右，和上文所述的轴旋转基频的5.3阶左右噪声峰值频率一致。

图5　不同边界下，风扇辐射噪声5.3阶曲线

3.3传递路径分析

将冷却风扇和散热器正常装配，悬空于发动机舱内。当风扇正常工作时，室内噪声仍存在轴旋转基频的5.3阶左右的宽频噪声峰值。由此表明，该涡流噪声主要通过空气传播至室内。

图6　冷却风扇工作时，室内噪声频谱图

4　优化验证

综合考虑发动机舱的空间布置，冷却风扇的冷却效果等因素，最终将冷却风扇和散热器之间的距离增加13 mm进行实验验证。实验结果表明，增加冷却风扇和散热器之间的距离，该5.3阶左右的涡流噪声改善良好，峰值基本消除，见图6所示。

5结　语

本文主要通过实验手段，对冷却风扇非整数倍阶次噪声进行诊断分析，最终确定其产生的原因并得到有效解决。在冷却风扇前期开发过程中，保证良好的冷却效果的同时，需重点关注风扇引起的旋转噪声和涡流噪声，为后期整车和冷却风扇NVH开发带来事半功倍的效果。希望该诊断经验，在降低冷却风扇涡流噪声方面提供一定的参考。

参考文献：

[1]刁羽.冷却风扇流体特性研究[D].长春：吉林大学，2013.

[2]杨晓芳.发动机冷却风扇噪声分析及其控制方法[J].广西轻工业，2011，(3)：53-53.

[3]汤黎明.冷却风扇流场特性与气动噪声研究[D].长春：吉林大学，2014.

[4]苏晓芳，杨林强，陈圆明，等.发动机冷却风扇的降噪研究和优化[J].汽车技术，2011，(9)：24-24.

[5]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动-理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006：182-183.

中图分类号：O422.6

文献标识码：A

DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.028

文章编号：1006-1355(2016)01-0129-04

收稿日期：2015-05-28

作者简介：郑军（1989-），男，浙江杭州人，助理工程师，在职工程硕士，主要从事汽车整车NVH问题诊断及进排气系统NVH正向开发。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