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汽車(chē) 冷卻風(fēng)扇 噪聲揭秘

2022-01-19 23:41:02·  來(lái)源：獨(dú)孤求靜  
　
汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇從傳統(tǒng)燃油車(chē)?yán)鋮s發(fā)動(dòng)機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)，到當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s電池包和空調(diào)系統(tǒng)。在燃油車(chē)時(shí)代冷卻風(fēng)扇噪聲往往會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和諧，往往不是噪聲控制的重
汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇從傳統(tǒng)燃油車(chē)?yán)鋮s發(fā)動(dòng)機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)，到當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s電池包和空調(diào)系統(tǒng)。
在燃油車(chē)時(shí)代冷卻風(fēng)扇噪聲往往會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和諧，往往不是噪聲控制的重點(diǎn)。隨著電動(dòng)汽車(chē)普及，沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)的庇護(hù)之后，冷卻風(fēng)扇噪聲逐漸突出。
冷卻風(fēng)扇的噪聲問(wèn)題主要有兩點(diǎn)：窄帶BPF聲壓級(jí)突出影響聲品質(zhì)，寬頻駝峰頻段較寬影響風(fēng)扇總值噪聲。常見(jiàn)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(jiǎn)稱，不知何年何處哪位高人通俗的翻譯為葉片通過(guò)噪聲。
風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)過(guò)程葉片附近產(chǎn)生周期性壓力脈動(dòng)是BPF的一種激勵(lì)，這個(gè)脈動(dòng)是所有風(fēng)機(jī)的天生屬性。

另外一方面，風(fēng)機(jī)來(lái)流不均勻，或者葉片上下游存在很多不規(guī)則部件會(huì)扭曲流場(chǎng)，這些因素也會(huì)產(chǎn)生BPF噪聲，我們可以稱之為后天屬性。
汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇上游來(lái)流均勻性較差，護(hù)風(fēng)罩形狀是不對(duì)稱的長(zhǎng)方形，再加上風(fēng)扇下游電機(jī)支架與旋轉(zhuǎn)葉片非常近。這些都是冷卻風(fēng)扇BPF異常的罪魁禍?zhǔn)住?/span>
目前技術(shù)上可以在頻域空間內(nèi)過(guò)濾風(fēng)機(jī)葉片表面的BPF激勵(lì)，就相當(dāng)于給風(fēng)機(jī)葉片做B超一樣。只不過(guò)前者是通過(guò)PowerFLOW軟件，后者是通過(guò)西門(mén)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(guò)護(hù)風(fēng)圈上下位置產(chǎn)生BPF激勵(lì)的濾波結(jié)果，這就是典型幾何不對(duì)稱造成流場(chǎng)扭曲的影響。

可以說(shuō)，汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)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(lái)自后天因素。天生因素和后天因素相比較就是小巫見(jiàn)大巫。


駝峰頻譜
二戰(zhàn)中滇緬公路被日軍切斷后，美國(guó)飛虎隊(duì)為將74萬(wàn)噸抗戰(zhàn)物資運(yùn)到中國(guó)開(kāi)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(jì)劃，我感覺(jué)喜馬拉雅實(shí)現(xiàn)過(guò)后可以接著來(lái)一個(gè)更刺激的駝峰航線計(jì)劃。不管怎樣，我也喜歡將風(fēng)機(jī)噪聲頻譜中向上的波浪狀稱為駝峰分布。
對(duì)于汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇來(lái)說(shuō)，駝峰分布主要原因是葉尖間隙回流到風(fēng)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(fēng)扇入口漩渦并與葉片相互作用的過(guò)程。

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

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(dāng)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(gè)規(guī)律我之前遇到過(guò)，但是當(dāng)時(shí)可惜沒(méi)想到是這個(gè)原因。

分別過(guò)濾風(fēng)機(jī)入口截面的駝峰分布和BPF對(duì)應(yīng)的聲源激勵(lì)云圖。發(fā)現(xiàn)駝峰頻段的聲學(xué)激勵(lì)廣泛分布在周向360度導(dǎo)風(fēng)圈間隙內(nèi)，然而B(niǎo)PF則主要集中在葉片表面和葉頂間隙附近。


如何識(shí)別 BPF & 駝峰分布
汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇計(jì)算需要考慮整車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙繁雜部件，因此建模非常復(fù)雜，PowerFLOW 前處理可以通過(guò)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(jìn)行仿真計(jì)算。例如上文不同導(dǎo)風(fēng)圈模型均可以通過(guò)仿真計(jì)算得到趨勢(shì)和量級(jí)一致的頻譜分布。

如同戊戌變法不能靠沒(méi)有實(shí)權(quán)的光緒皇帝，氣動(dòng)噪聲激勵(lì)也不建議從穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)上溯源。氣動(dòng)聲學(xué)問(wèn)題需要觀察瞬態(tài)流場(chǎng)中漩渦或者動(dòng)量變化率，PowerFLOW仿真結(jié)果顯示前幾種導(dǎo)風(fēng)圈進(jìn)口存在流動(dòng)分離并在葉尖區(qū)域產(chǎn)生漩渦。第四種方案進(jìn)口來(lái)流較干凈，因此葉尖區(qū)域漩渦分布區(qū)域明顯降低。

汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇隨著電動(dòng)車(chē)的普及愈加重要，不管是汽車(chē)主機(jī)廠或者零配件供應(yīng)商而言。近期通過(guò)軟件計(jì)算頻譜與測(cè)試一致，然而卻由于瞬態(tài)流場(chǎng)分析深度不足導(dǎo)致降噪方案然并卵了。可見(jiàn)，每當(dāng)你自信的時(shí)候，風(fēng)扇噪聲總是會(huì)給你兩個(gè)巴掌。



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