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汽车 冷却风扇 噪声揭秘
2022-01-19 23:41:02· 来源：独孤求静
汽车冷却风扇从传统燃油车冷却发动机和空调系统，到当前电动汽车冷却电池包和空调系统。在燃油车时代冷却风扇噪声往往会被发动机噪声和谐，往往不是噪声控制的重
汽车冷却风扇从传统燃油车冷却发动机和空调系统，到当前电动汽车冷却电池包和空调系统。
在燃油车时代冷却风扇噪声往往会被发动机噪声和谐，往往不是噪声控制的重点。随着电动汽车普及，没有发动机的庇护之后，冷却风扇噪声逐渐突出。
冷却风扇的噪声问题主要有两点：窄带BPF声压级突出影响声品质，宽频驼峰频段较宽影响风扇总值噪声。常见的BPF和驼峰频谱分布如下图所示。
BPF 源自何处？
BPF 是Blade Passing Frequency 的简称，不知何年何处哪位高人通俗的翻译为叶片通过噪声。
风扇旋转过程叶片附近产生周期性压力脉动是BPF的一种激励，这个脉动是所有风机的天生属性。
另外一方面，风机来流不均匀，或者叶片上下游存在很多不规则部件会扭曲流场，这些因素也会产生BPF噪声，我们可以称之为后天属性。
汽车冷却风扇上游来流均匀性较差，护风罩形状是不对称的长方形，再加上风扇下游电机支架与旋转叶片非常近。这些都是冷却风扇BPF异常的罪魁祸首。
目前技术上可以在频域空间内过滤风机叶片表面的BPF激励，就相当于给风机叶片做B超一样。只不过前者是通过PowerFLOW软件，后者是通过西门子或者GE的医疗器械。下图结果就清晰的显示了叶片经过护风圈上下位置产生BPF激励的滤波结果，这就是典型几何不对称造成流场扭曲的影响。
可以说，汽车冷却风扇安装在狭小的空间，前后部件繁杂，因此BPF异常的主要原因来自后天因素。天生因素和后天因素相比较就是小巫见大巫。
驼峰频谱
二战中滇缅公路被日军切断后，美国飞虎队为将74万吨抗战物资运到中国开辟了颇具挑战的驼峰航线。我们公司现在每天在喊五年翻三番喜马拉雅计划，我感觉喜马拉雅实现过后可以接着来一个更刺激的驼峰航线计划。不管怎样，我也喜欢将风机噪声频谱中向上的波浪状称为驼峰分布。
对于汽车冷却风扇来说，驼峰分布主要原因是叶尖间隙回流到风扇入口和旋转叶片的相互作用。下图左侧绿色箭头示意了间隙内回流，右侧PowerFlow仿真结果则形象直观的描述了间隙回流衍变为风扇入口漩涡并与叶片相互作用的过程。
为了研究叶尖间隙上游流动对驼峰频谱的影响，2020年一篇研究中做了四种不同的进口导流圈形状来论证间隙上游流场对应的驼峰分布。其中a，b和c方案中间隙上游导风圈很短，但是d方案间隙上游做了圆形导流设计。
频谱分布显示方案a,b,c 均存在非常明显的驼峰分布，但是方案d中驼峰现象基本消失。值得注意当前驼峰分布中心频率233Hz 几乎正好是BPF频率 327Hz的 0.7倍。这个规律我之前遇到过，但是当时可惜没想到是这个原因。
分别过滤风机入口截面的驼峰分布和BPF对应的声源激励云图。发现驼峰频段的声学激励广泛分布在周向360度导风圈间隙内，然而BPF则主要集中在叶片表面和叶顶间隙附近。
如何识别 BPF & 驼峰分布
汽车冷却风扇计算需要考虑整车进气系统和发动机舱繁杂部件，因此建模非常复杂，PowerFLOW 前处理可以通过包面操作快速建立几何模型，并借鉴成熟的Cooling Fan Noise 应用进行仿真计算。例如上文不同导风圈模型均可以通过仿真计算得到趋势和量级一致的频谱分布。
如同戊戌变法不能靠没有实权的光绪皇帝，气动噪声激励也不建议从稳态流场上溯源。气动声学问题需要观察瞬态流场中漩涡或者动量变化率，PowerFLOW仿真结果显示前几种导风圈进口存在流动分离并在叶尖区域产生漩涡。第四种方案进口来流较干净，因此叶尖区域漩涡分布区域明显降低。
汽车冷却风扇随着电动车的普及愈加重要，不管是汽车主机厂或者零配件供应商而言。近期通过软件计算频谱与测试一致，然而却由于瞬态流场分析深度不足导致降噪方案然并卵了。可见，每当你自信的时候，风扇噪声总是会给你两个巴掌。
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