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汽車 冷卻風扇 噪聲揭秘

2022-01-19 23:41:02·  來源：獨孤求靜  
　
汽車冷卻風扇從傳統(tǒng)燃油車冷卻發(fā)動機和空調(diào)系統(tǒng)，到當前電動汽車冷卻電池包和空調(diào)系統(tǒng)。在燃油車時代冷卻風扇噪聲往往會被發(fā)動機噪聲和諧，往往不是噪聲控制的重
汽車冷卻風扇從傳統(tǒng)燃油車冷卻發(fā)動機和空調(diào)系統(tǒng)，到當前電動汽車冷卻電池包和空調(diào)系統(tǒng)。
在燃油車時代冷卻風扇噪聲往往會被發(fā)動機噪聲和諧，往往不是噪聲控制的重點。隨著電動汽車普及，沒有發(fā)動機的庇護之后，冷卻風扇噪聲逐漸突出。
冷卻風扇的噪聲問題主要有兩點：窄帶BPF聲壓級突出影響聲品質(zhì)，寬頻駝峰頻段較寬影響風扇總值噪聲。常見的BPF和駝峰頻譜分布如下圖所示。


BPF 源自何處？
BPF 是Blade Passing Frequency 的簡稱，不知何年何處哪位高人通俗的翻譯為葉片通過噪聲。
風扇旋轉(zhuǎn)過程葉片附近產(chǎn)生周期性壓力脈動是BPF的一種激勵，這個脈動是所有風機的天生屬性。

另外一方面，風機來流不均勻，或者葉片上下游存在很多不規(guī)則部件會扭曲流場，這些因素也會產(chǎn)生BPF噪聲，我們可以稱之為后天屬性。
汽車冷卻風扇上游來流均勻性較差，護風罩形狀是不對稱的長方形，再加上風扇下游電機支架與旋轉(zhuǎn)葉片非常近。這些都是冷卻風扇BPF異常的罪魁禍首。
目前技術(shù)上可以在頻域空間內(nèi)過濾風機葉片表面的BPF激勵，就相當于給風機葉片做B超一樣。只不過前者是通過PowerFLOW軟件，后者是通過西門子或者GE的醫(yī)療器械。下圖結(jié)果就清晰的顯示了葉片經(jīng)過護風圈上下位置產(chǎn)生BPF激勵的濾波結(jié)果，這就是典型幾何不對稱造成流場扭曲的影響。

可以說，汽車冷卻風扇安裝在狹小的空間，前后部件繁雜，因此BPF異常的主要原因來自后天因素。天生因素和后天因素相比較就是小巫見大巫。


駝峰頻譜
二戰(zhàn)中滇緬公路被日軍切斷后，美國飛虎隊為將74萬噸抗戰(zhàn)物資運到中國開辟了頗具挑戰(zhàn)的駝峰航線。我們公司現(xiàn)在每天在喊五年翻三番喜馬拉雅計劃，我感覺喜馬拉雅實現(xiàn)過后可以接著來一個更刺激的駝峰航線計劃。不管怎樣，我也喜歡將風機噪聲頻譜中向上的波浪狀稱為駝峰分布。
對于汽車冷卻風扇來說，駝峰分布主要原因是葉尖間隙回流到風扇入口和旋轉(zhuǎn)葉片的相互作用。下圖左側(cè)綠色箭頭示意了間隙內(nèi)回流，右側(cè)PowerFlow仿真結(jié)果則形象直觀的描述了間隙回流衍變?yōu)轱L扇入口漩渦并與葉片相互作用的過程。

為了研究葉尖間隙上游流動對駝峰頻譜的影響，2020年一篇研究中做了四種不同的進口導(dǎo)流圈形狀來論證間隙上游流場對應(yīng)的駝峰分布。其中a，b和c方案中間隙上游導(dǎo)風圈很短，但是d方案間隙上游做了圓形導(dǎo)流設(shè)計。

頻譜分布顯示方案a,b,c 均存在非常明顯的駝峰分布，但是方案d中駝峰現(xiàn)象基本消失。值得注意當前駝峰分布中心頻率233Hz 幾乎正好是BPF頻率 327Hz的 0.7倍。這個規(guī)律我之前遇到過，但是當時可惜沒想到是這個原因。

分別過濾風機入口截面的駝峰分布和BPF對應(yīng)的聲源激勵云圖。發(fā)現(xiàn)駝峰頻段的聲學(xué)激勵廣泛分布在周向360度導(dǎo)風圈間隙內(nèi)，然而BPF則主要集中在葉片表面和葉頂間隙附近。


如何識別 BPF & 駝峰分布
汽車冷卻風扇計算需要考慮整車進氣系統(tǒng)和發(fā)動機艙繁雜部件，因此建模非常復(fù)雜，PowerFLOW 前處理可以通過包面操作快速建立幾何模型，并借鑒成熟的Cooling Fan Noise 應(yīng)用進行仿真計算。例如上文不同導(dǎo)風圈模型均可以通過仿真計算得到趨勢和量級一致的頻譜分布。

如同戊戌變法不能靠沒有實權(quán)的光緒皇帝，氣動噪聲激勵也不建議從穩(wěn)態(tài)流場上溯源。氣動聲學(xué)問題需要觀察瞬態(tài)流場中漩渦或者動量變化率，PowerFLOW仿真結(jié)果顯示前幾種導(dǎo)風圈進口存在流動分離并在葉尖區(qū)域產(chǎn)生漩渦。第四種方案進口來流較干凈，因此葉尖區(qū)域漩渦分布區(qū)域明顯降低。

汽車冷卻風扇隨著電動車的普及愈加重要，不管是汽車主機廠或者零配件供應(yīng)商而言。近期通過軟件計算頻譜與測試一致，然而卻由于瞬態(tài)流場分析深度不足導(dǎo)致降噪方案然并卵了。可見，每當你自信的時候，風扇噪聲總是會給你兩個巴掌。



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