基于FDB和扇叶结构的笔记本电脑风扇降噪研究

陈艳娟 罗刘敏 岳宗豪

摘要：随着信息技术的不断进步和人类生活水平的提高，笔记本电脑已经成为人们工作和生活离不开的工具。然而，笔记本电脑工作时排风扇会产生噪音，这极大地影响着人们的心情和工作效率。为了降低笔记本电脑风扇产生的噪音，本研究从FDB和扇叶结构两个方面对其进行了改进，利用Pro/E建立了改进的风扇结构模型，同时通过压力测试实验进一步对改进后的效果进行了验证。实验结果表明：通过FDB和扇叶结构的改进，风扇系统运行的平稳性得到了提高，达到了降噪的目的。

关键词：噪音;FDB;扇叶;压力测试;平稳性

中文分类号：TP302    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）26-0230-03

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1 引言

笔记本散热时风扇所产生的噪音是一直以来很难攻克的问题。研究表明，风扇噪音主要分为四大类：高速噪音、低速噪音、轴承音、干涉音[1]。低速噪音主要是当风扇低速运动时轴承内部油膜形成不均匀而产生气泡，轴心旋转挤压气泡而产生;而高速噪音主要是当风扇高速运动时轴心做不规则“偏心”旋转，导致轴心刮碰轴承或者扇叶刮碰风扇外壳而产生。所以这类噪音产生的原因主要有两个，一是因为轴心有划伤或缺损，二是因为扇叶的不平衡量太大。这两种情况都会使轴心在高速旋转的时候发生晃动[2]。轴承音，即轴承内部的声音，当油膜形成不均匀、油膜中有气泡时或者轴心做不规则“偏心”运动时轴心摩擦FDB产生的声音。干涉音主要是当轴心的“偏心”运动幅度过大时扇叶会刮碰到风扇的上下内壳，产生剧烈的摩擦声而产生，或因矽钢片某一部分排幅不均匀，导致绕线高度过高、夸极限松动，铜线摩擦到扇叶产生的噪音[3]。

可见，无论产生的是低速噪音、高速噪音还是轴承音、干涉音，究其根本原因都是由风扇运动时轴心做不规则“偏心”旋转造成的。因此，本研究拟从含油轴承（Fluid Dynamic Bearing， FDB）和扇叶两个方面对笔记本电脑风扇进行结构改进，并构建模型和使用压力测试试验对改进后的风扇进行验证，以期达到降低风扇噪音的目的。

2 风扇结构的改进

2.1 FDB的改善

FDB又称为多孔质轴承，以金属粉末为主要原料，用粉末冶金法制作烧结体，而且在制造过程中可自由调节孔隙的数量、大小、形状及分布等。故含油轴承具有制造成本低、能吸振、噪声小等优点[4]。

含油轴承产生噪音的主要原因是油膜形成过程中将扇叶轴心装入已经点过油的FDB中时，FDB内部空气逃不出去，随着轴心的挤压被压入油膜中而产生气泡，轴心旋转挤压气泡而产生。这种现象不仅会产生噪音，而且会使本来设计好的最大极值的油量溢出铜套，对风扇寿命造成影响。故在FDB上设置逃气槽（如图1所示）可以避免此类问题。同时在FDB正面即上表面油膜最薄弱的位置设置α倒角（如图1所示），可以减少因轴心做不规则“偏心”运动造成的FDB与轴心的相互磨损。这两点都可以通过改善粉末冶金工艺中的模具来达到[5]。

2.2 扇叶结构的改善

在实际生产中的规格如果达不到理想状态，无法保证空扇叶或磁环在360°的圆上每个位置的质量平衡。这样就会导致扇叶在旋转时处于不平衡状态，扇叶带着轴心一起做“偏心”运动，使轴心与FDB相互摩擦产生噪音。而且在高速旋转时会带动整个风扇振动，使得风扇在电脑内部十分不稳定，影响整个系统。故可采用添加平衡泥的方式来改善这种状况。

添加平衡泥之前需要测出扇叶的偏摆值及偏心运动程度，通常使用三轴镭射的方式进行测量。测试机台以扇叶光标点为原点，以镭射检测的方式测试扇叶旋转时的不平衡量（偏摆值）和风扇扇叶与风扇外壳的上、下尺寸空间，进而便可得知扇叶旋转时做“偏心”运动的程度，在对应的角度添加适量的平衡泥使扇叶达到平衡状态[6-7]。具体方式如下：

偏摆值，即扇叶面在旋转时摆动的最高点与最低点的极差值，设为W。首先确定扇叶的叶片数i（i=72pcs），设底座到扇叶上镭射点的厚度为Z，则有：

当风扇扇叶以一定转速转动时镭射头会在扇叶上采集N个数据。

读取数据呈周期性的变化，采集的数据为扇叶的值、扇叶间隙的值。根据两者的周期性变化可以得知采集到的测试数据为扇叶的测试值，记为M。[M1，M2，M3……Mi;Mi+1，Mi+2]……。将M除以扇叶叶片数得到的结果取整数，记为X。即可知道测试时风扇旋转的圈数。

则第一片扇叶的测试值为：

依次类推便可得到每一片扇叶的测试值，其中的最大值和最小值的差即为偏摆值W。求取每片扇叶的X次测试值的平均值记为[Ziave]。

为了计算风扇扇叶与外壳的上、下尺寸空间，首先假设：Pil是打在Pillow（底座）上所有值的平均数;W是打在扇叶单个叶片值的所有点的平均值（有效圈数内的点）中的最大值减去最小值，故Pillow内表面到Cover（外壳）内表面的高度（空间理论风扇高度）为[Zcp=Z（ave）+w2]。风扇扇叶到外壳上表面记为上GAP，风扇扇叶到外壳下表面记为下GAP。三轴镭射共有三个测试镭射点，便可得出这两组数据，即：Z1，Z2，Z3;Zcp，Z2cp，Z3cp。

当风扇旋转时的平衡度设为T，任意取三点测试的偏摆值W1、W2、W3，其中最大值记为Wmax。R为风扇的旋轉半径，便可得：

3 压力试验

在以往的设计中大部分学者只注重了设计部分却忽略了风扇在系统中运行时的实际状况，故将改进后的风扇结构进行压力试验。风扇在电脑中运行时会受很多外界因素的影响，例：风扇本身很薄，虽然设置了上、下GAP参数，但在风扇收到外力挤压的时候会使上、下外壳变形。这会使扇叶摩擦到上、下外壳，不仅会产生明显噪音而且影响风扇寿命。首先设风扇在理想状态下工作，扇叶无“偏心”运动，由设计参数和上述公式可知：