工业风扇的噪声控制：噪声产生机理及预测

工业风扇的噪声控制：噪声产生机理及预测
在工程机械中，一种重要的噪声源是风扇。

由于机器冷却需要大量的气流（足够的风机静压static pressure），这直接导致了风扇会产生很高的噪声。

对于任何风扇，我们都需要在工程机械的外壳上设置进气口和出气口，然而这些位置的噪声隔音性能基本为零。

也就是说，噪声可以直接通过空气路径传播到外界。

根据笔者的经验，在某些机器中，风扇噪声可以占到总噪声的70-80%。

因此，对于风扇的噪声控制是极其重要的。

在这篇文章中，我们主要介绍风扇噪音的源头控制。

首先，介绍风扇噪声的产生机理。

通常情况下，对于风扇源头的噪声预测是一个极其复杂的过程，需要先进行计算流体力学分析（CFD simulation）来获取风扇叶片上的压力分布，随后进行声振耦合有限元分析（vibro-acoustic simulation）来获得准确的数据。

但是，这种预测的方式过于复杂，需要耗费大量的时间和成本，所以在工程应用中很少应用。

因此，在某一些工业标准之中，建立了简化的经验公式，在这篇文章中，我们也会提及到这些经验公式。

降低风扇的噪音，一个最为直观的方式就是更改风扇的某些参数。

对于风扇而言，最重要的参数是静压。

所以当改变某些风扇的参数时，可以提高风扇的效率。

在这种情况下，风扇的速度可以有效地降低，噪声的传播也会变得更低。

另外一种降低噪音的方式是改变风扇叶片的性质（比方说，叶片数量，叶片与风扇罩的尖端间隙，扇叶弦长，后缘尾流宽度，锯齿状的风扇前缘和后缘）。

这些几何结构的修改主要优化风扇的空气动力学特性，以此从噪音产生的机理端减少噪音的产生。

最后一种风扇降噪的方法是在进气和出气通道中增加消声器或者声障板。

虽然这样会影响气流通道的压降，减低风扇的效率，但是这对于风扇的噪声降低极为有效。

对于后两种风扇降噪的方法，我们将会在后续文章中详细介绍。

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风扇噪音产生的机理
通常情况下，声类比的方法被广泛的应用于研究风扇空气动力学的噪声产生的机理中。

风扇的噪声是由于在稳定气流场中的某些不稳定湍流所激励的。

比如在气流经过的路径中，有一小部分区域中产生湍流，就足够产生恼人的高噪音辐射。

通常情况下，风扇噪声一般可以分为两类：出现在叶片通过频率（blade pass frequency）的音调噪声和出现在中高频的宽带噪声（broadband noise）。

一般而言，风扇噪音可以分为三种不同的声源：单极声源，双极声源和四极声源。

•四极声源
从本质上而言，噪声的产生是空气分子被瞬时的压力波动所激励，从而产生声压的变化。

四极声源的本质是来源于风扇叶片对于空气的反作用力。

风扇叶片的受力是由于随机可变的气流经过风扇叶片的表面（也就是说，不稳定的湍流在叶片上的反作用力）。

四极声源的激励主要原因是随机可变的气流，所以，它产生的噪声一般都是宽频的。

与此同时，一些研究指出，这些四极声源只有在马赫数在0.8以上时才会显著（这也就是说，风扇气流的流速将要靠近声速）。

对于工业风扇，它的一般转速在50-60Hz。

这个转速能提供足够的能量来驱动足够的气流流速。

所以，四极声源在风扇噪音的传播中并不是很重要。

•单极声源
单极声源主要是由于风扇的转动加速了风扇叶片之间的空气粒子。

通常情况下，单极声源只会出现在叶片通过的频率及其倍频。

由于工业风扇的转速很低，其方位相速度（azimuthal phase velocity）远低于声速，所以噪音的辐射效率极低。

因此，单极声源在工业风扇噪声的产生中并不重要。

•双极声源
对于工业风扇而言，双极噪声是最重要的噪声来源。

从物理上来说，由于气流冲击风扇叶片，在叶片附近会产生不稳定的流体场（紊流分离vortex shedding, 紊流边界层 turbulent boundary layer, 次级流场 secondary flow）。

这些不稳定的流场产生了不稳定的风扇叶片力，造成了较高的方位相速度，从而导致了相对较高的噪声辐射效率。

由于双极声源的噪声产生机理过于复杂，我们这里就不一一阐述了。

在这里，我们只详细描述和工业低转速风扇相关的噪声产生机理。

1.恒定非均匀气流
当气流在进入风扇时，气流可能会遇到一些阻碍物（例如：管道的弯曲，入口消音器）。

这些阻碍物会造成气体的压力和速度分布的不均匀（flow distortion），从而造成显著的风扇叶片力。

一般而言，恒定非均匀气流产生的高噪声出现在叶片通过频率以及其倍频中。

2.紊流边界层
当气流冲击风扇叶片时，均匀的气流在叶片附近产生一个湍流层。

这个紊流层就会在叶片的表面产生一个随机波动的力。

这个随机的力将会作用在叶片附近的空气粒子中，从而产生一个宽频的噪声。

3.紊流分离
当气流被风扇叶片所阻挡时，沿着叶片翼展方向，一个不稳定的压力脉动将会形成。

这个在层流层（laminar layer）的压力脉动是不稳定的，同时，它将会从叶片的凸向向下传播。

这些压力变化会影响到这个穿过叶片的气流，从而加大叶片翼展方向的不稳定的压力，并造成巨大的涡流。

这些涡流将造成巨大的声压变化，最终导致很高的随机宽频的噪声传播。

4.次级流场
一般而言，在风扇叶片的空气吸入侧和压力侧存在着很大的压力差。

当风扇叶片和风扇罩（fan cowl）之间有很大的间隙时，在这个间隙中的空气会被压缩，就会造成次级流场。

次级流场则会造成叶片两侧的气流不稳定，从而在叶片通过频率和中高宽频造成噪声传播。

总而言之，风扇的噪声主要出现在：（1）叶片通过频率及其倍频；（2）中高频宽频。

对于叶片通过频率的噪声，这主要和进气通道的流动畸变（flow distortion）有关。

而对于中高频的宽频噪声，它主要
和叶片附近的空气动力学流场有关。

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风扇噪声的预测
我们刚才介绍了工业风扇噪声产生的机理。

如果需要准确的预测风扇的噪声，需要使用计算流体力学仿真来预测风扇叶片上的压力分布。

随后，再通过声振耦合的有限元分析来预测噪声。

在工业界，这通常不能够实现，因为这需要耗费大量的时间和金钱成本。

所以在这里，我们介绍一个经验公式。

虽然这个经验公式只适用于简单的风扇叶片结构，并且它对于风扇的噪音预测准确度有限。

但是，对于工程机械的噪声预测而言，这个精度往往已经足够了。

这个经验公式是来源于ASHRAE手册，这个公式其实是源于著名的风机定律。

根据不同风扇的种类，ASHRAE手册给出了在不同的频率下的标准化声功率级(normalized sound power level) 。

对于相同类型的风扇，一些重要的风扇参数（例如：风扇流量，静压，风扇效率与叶片通过频率）也会影响噪音的产生。

在这个经验公式中，一些修正系数也被使用来补偿这些因素的影响。

风扇的声功率级可以用以下公式表达：
是标准化的声功率级，在ASHRAE手册中，常用的标准化声功率级如下表所示：
是风扇的体积流量，它的单位是，是风扇的静压。

这两个参数是根据风扇的空气阻抗曲线和静压曲线所决定的。

是噪声在叶片通过频率的修正系数，常用的修正系数如下表所示：
是关于风扇效率的修正项，它可以使用如下公式来获得：
其中η 是风扇效率。

为了验证这个公式的可靠性，笔者通过实验进行了验证，结果如下图所示：
我们可以看到，ASHRAE的公式稍稍高估了风扇的噪声。

但是这个高估的值只有1.3 dB左右。

所以，这个公式可以很好的应用于工程风扇的噪声预测。

03
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总结
在这篇文章中，我们介绍了风扇噪声的产生原因。

对于低频的音调噪声，它主要和进气通道的气流阻碍有关，而对于中高频的宽频噪声，它主要和风扇叶片周围的空气动力学特性有关。

随后我们介绍了工业风扇噪声的预测公式，并通过实验验证，得出这个公式对于工业风扇噪声的初步预测还是相对可靠的。

作者简介
Dr Ning Tang，谢菲尔德大学博士，博士后。

现在混迹在欧洲某工程机械公司，主要从事振动和噪声的被动控制。

学术研究方向为非线性调谐质块阻尼器的设计，非线性材料的阻尼研究，橡胶材料动态特性的研究以及转动叶片的振动监测。

私人微信为Dr Ning，同时运营的公众号为：Rayleigh的追随者。