王朝建

摘 要：某发动机冷却风扇存在明显的阶次噪声，冷却风扇噪声传递到车内主要有空气传递和结构传递两条路径。分析结果表明冷却风扇噪声随着转速的增加而增大，且在不同转速区间内，结构传递和空气传递贡献量不同。文章的研究对冷却风扇的阶次噪声控制具有重要意义。关键词：冷却风扇;传递路径;阶次噪声;贡献量中图分类号：U463.13  文献标识码：A  文章编号：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

发动机冷却风扇噪声是发动机的主要噪声源之一。发动机冷却风扇噪声随转速增加而迅速提高，通常在低转速时，风扇噪声比发动机本体噪声低得多;但在高转速时，风扇噪声往往成为主要甚至最大噪声源^[1]。在车辆熄火时，车内噪声仍有短时间存在，经研究其主要来源于发动机冷却风扇用电机的噪声，并且当电机转速下降到某一特定转速区间内会出现啸叫声，通常称为滑坡噪声^[2]。

文章对某发动机冷却风扇存在的阶次噪声问题进行研究，对阶次噪声的结构传递路径和空气传递路径贡献量进行测试分析，分析出风扇噪声随转速变化的规律及在不同转速区间内，结构传递噪声和空气传递噪声对车内噪声贡献量不同，对阶次噪声的控制具有指导意义。

1 噪声测试

1.1 风扇噪声

风扇噪声由旋转噪声和涡流噪声组成。旋转噪声又叫叶片噪声，即阶次噪声，是由于旋转的叶片周期性地切割空气引起空气的压力脉动而产生的。除基频外，它的高次谐波有时也比较突出。

风扇转动时使周围气体产生涡流，该涡流在黏度力的作用下进而分裂成一系列分立的小涡流。涡流分裂导致空气扰动，形成压缩与稀流过程而产生涡流噪声^[3]。

1.2 测试设备

本次试验在整车半消声室进行，试验采用LMS Test.lab数采前端及分析软件、三向振动加速度传感器、声学传感器、稳压电源等附件完成。依据汽车行业针对整车振动问题的常规测试方法对冷却风扇本体振动（用于提取冷却风扇转速）、驾驶员右耳噪声进行测试。

1.3 测试方案

根据结构噪声传递路径，设计测试方案如下：

（1）原状态，30%～80%占空比，测点：冷却风扇本体振动和驾驶员右耳噪声;

（2）拆除冷却风扇与车架的四个安装衬套使冷却风扇与车身断开（阻断风扇噪声通过结构传递），30%～80%占空比，测点：冷却风扇本体振动和驾驶员右耳噪声。

2 测试数据对比分析

2.1 原状态与风扇和车身断开状态驾驶员右耳总声压级对比分析

图1为风扇与车身断开前后驾驶员右耳总声压级曲线，从图中可以看出，随着转速的增加车内噪声变大，且风扇与车身断开后车内噪声较原状态噪声小，由此表明，车内噪声有一部分是通过车身结构传递而来。

从图中可以看出，不同轉速区间内，噪声的上升趋势不一样;在低转速区间，原状态下测试的噪声比冷却风扇与车身断开后测试的噪声高5 dB（A）左右;在高转速区间内，原状态下测试的噪声比冷却风扇与车身断开后测试的噪声高10 dB（A）左右，由此表明，在高转速区间内，结构传递对车内噪声贡献较大。

2.2 原状态与风扇和车身断开状态2100r/min下切片频谱对比分析

图2为2800r/min下切片噪声频谱对比分析曲线，在冷却风扇转速2100r/min下，1阶（基频）噪声、7阶（叶片噪声）噪声对车内噪声影响较大。从频谱图上可以看出1阶噪声降低3dB（A），车内噪声降低1.3dB（A）;7阶噪声降低5.8dB（A），车内噪声降低0.5dB（A）;1阶噪声降低3dB（A）且7阶噪声降低5.8dB（A），车内噪声降低1.9dB（A）。

通过以上对比分析，在冷却风扇转速2100r/min下，空气传递和结构传递噪声对车内噪声贡献均较大，且空气传递路径贡献量略大于结构传递。

2.3 原状态与风扇和车身断开状态2800r/min下切片频谱对比分析

图3为2800r/min下切片噪声频谱对比分析曲线，在冷却风扇转速2800r/min下，从频谱图上可以看出1阶（基频）噪声对车内噪声影响较大，1阶噪声降低10dB（A），车内噪声降低7.5dB（A）。

对比冷却风扇断开前后状态，车内噪声降低7.5dB（A），从频谱图上可以看出1阶噪声降低20dB（A），3阶（谐频）噪声降低10dB（A），4阶（谐频）噪声降低8.6dB（A），7阶噪声（叶片噪声）升高9dB（A）（风扇与车身断开时，风扇较原安装位置有所提高）。

通过以上对比分析，在冷却风扇转速2800r/min下，结构传递噪声对车内噪声贡献较大，且贡献量是空气传递路径上的两倍以上。

3 优化方案

影响发动机冷却风扇噪声的因素主要有以下两点：冷却风扇自身的几何参数和风扇的工作环境。故，风扇噪声的优化设计主要从以下七个方面考虑。

3.1 叶片数量

随着风扇叶片数量的增加，风扇的噪声会增加。增加风扇的叶片数，在转速不变的条件下，可以增加风扇的风量。或者在获得同等风量的前提下，可以降低风扇的转速，从而降低风扇噪声。但叶片数在6以上时，增加叶片数，风量增加有限，且在降噪特性上往往有负面的作用。所以在优化设计过程中可以有预见性的选取合理的叶片数。

3.2 叶型安装角

相关研究表明，叶型安装角对风扇噪声有显著影响，叶型安装角小于20^。时风扇噪声呈下降趋势，当叶型安装角大于20^。时，风扇噪声急剧上升，所以在对风扇进行优化设计过程中可以找到最佳叶型安装角，从而降低风扇噪声。

3.3 转速

风扇的噪声随着转速的增加而增大。应根据风量要求和空间布置的可能，尽量选用直径大的风扇，以降低风扇转速，达到降低风扇噪声的目的。

3.4 叶型和前倾

相关研究表明，前倾角的变化对风扇噪声有影响，以10^。为分界点，小于10^。时，风扇噪声随前倾角的增大而减小，大于10^。时，风扇噪声随前倾角的增大而增大。

3.5 扇叶不等间距布置

扇叶采取不等间距的布置方式可以优化风扇的噪声频谱，最佳扇叶间距与环境结合会得出比较平缓的声谱，所以选择最佳扇叶间距时必须考虑风扇的工作环境。

3.6 轮毂比

冷却风扇的噪声随着轮毂比的增大逐渐增大。选择小的轮毂比可适当降低风扇噪声，但轮毂比选择过小，对风扇的性能也有负面影响，它会引起叶片根部的气流发生分离;另外，从结构方面考虑，轮毂比过小，会使叶片变得很长，导致叶片布置困难，也容易引起叶片的疲劳破坏。

3.7 风扇与护风圈的间隙

缩小风扇与护风圈的间隙，防止气流紊乱，可以降低风扇噪声。试验表明，当间隙为零时，风量增加27%，而噪声

下降3dB（A），降低转速使风量回到原有水平，噪声又可以下降2dB（A）。

由于发动机的结构紧凑，且受布置空间限制，汽车发动机冷却风扇的噪声控制一般应从风扇的改型入手，同时，根据发动机散热需求改善冷却风扇的工作条件和负荷状况。

4 结论

文章通过对某车型发动机冷却风扇阶次噪声进行对比测试分析，研究结果表明：在冷却风扇转速2100r/min下，空气传递、结构传递对车内风扇噪声贡献均较大，且空气传递路径贡献量略大于结构传递;在冷却风扇转速2800r/min下，结构传递对车内风扇噪声贡献较大，且贡献量是空气传递路徑的两倍以上。文章的研究使不同转速区间内的风扇阶次噪声的控制更有针对性。最后，对风扇噪声的影响因素进行分析，对风扇噪声的优化具有指导意义。

参考文献

[1] 杨晓芳.发动机冷却风扇噪声分析机器控制方法[J].广西轻工业. 2013，（3）.

[2] 刘磊.关于汽车发动机冷却风扇的噪声分析[J].工程技术.2016， 00272-00273.

[3] 俞陆新，单福奎，等.关于车辆冷却风扇噪声的分析与研究[J].佳木斯大学学报. 2017， 35（3）.