汽车冷却风扇用主动降噪装置设计

王涵松　程彦号　武建秋

摘要：首先，分析了车用冷却风扇产生噪音的机理与主动降噪技术的原理，;其次，提出了一种车用冷却风扇的主动降噪装置，制定了设计要求;最后，对该装置进行总体设计，确定了包括支撑桁架、传感系统、信号分析系统、电控系统与扬声器系统五个组成部分的完整方案。

关键词：汽车;冷却风扇;主动降噪

一、绪论

汽车发动机的冗余热量主要由散热器散出，为加强散热器工作效果，常使用冷却风扇辅助工作，其工作原理为冷却风扇对空气做功，在散热器轴向产生空气流动，使空气作为冷却介质带走散热器内冷却液中的热量。根据相关文献[1]冷却风扇工作会产生两种噪音，一为旋转噪声，是叶片的周期性运动从而引起空气压力脉冲而激发的噪声;另一为絮流噪声，是由于叶片与空气相互作用产生涡流，涡流分裂相互挤压碰撞，从而形成的一种不稳定流动噪声;另外，气流与散热器翅片作用也会产生较强噪声。提升汽车乘员乘车舒适度是汽车设计的重要课题，室内噪音控制是其中一个重要方向。影响汽车室内噪音的因素主要有轮胎噪音、车身气流噪音与发动机舱噪音，冷却风扇噪声是发动机舱噪声的一种。当前降低风扇噪声的途径一般有两种，一种是利用气动声学原理来设计低噪声风扇，这种方式需要大量的时间和创新，不易完成，国内外都已经开展了不少工作[1-5]，但都不够成熟;另一种是采用隔声或吸声的方法，如在风扇机壳上安装降噪装置，达到减少噪声产生以及吸收噪声的目的，但是外加装置往往会影响冷卻风扇气动性能。

为了更好地解决冷却风扇的噪声问题，提升降噪效果，从而达到提升驾驶室内舒适度的最终目的，寻求新的冷却风扇降噪方法十分必要。

二、设计要求及原理

（一）设计要求

主要目的是提供一种应用主动降噪技术的，新型冷却风扇降噪装置设计与运转方案。

（二）工作原理

由声的性质可得[4]，幅度相同、相位相反的声波相遇会产生抵消作用，主动降噪理论是利用扬声器产生的与风扇噪声幅度相同、相位相反的声波，消除风扇噪声，从而在预期位置形成静区。通过对冷却风扇工作原理与噪声形成机理的研究，结合主动降噪理论，考虑车辆动力舱实际空间条件，提出本车用冷却风扇主动降噪装置。

三、机械系统的设计

（一）机械系统组成

根据清洁装置功能结构分析与工作原理，对装置进行总体设计，最终结构见图1、图2。其特征在于，包括支撑桁架、传感系统、信号分析系统、电控系统与扬声器系统5个功能模块组成。其中扬声器系统是降噪装置的关键模块。

（二）具体结构设计

（1）固定扬声器系统。固定扬声器系统（图3）包括设置在线槽中的导线以及安装在主桁架上的扬声器。扬声器系统的作用是产生与冷却风扇噪声相位相反、幅度相反的声波，该声波与噪声声波作用抵消，从而在本冷却风扇主动降噪装置的后方形成静区，达到降噪效果。

（2）支撑桁架及装配。支撑桁架（图3）包括固定在车辆动力舱中的主桁架，设置在主桁架上的线槽、传感器安装位置以及扬声器安装位置;传感系统包括安装在桁架上的声学传感器与布置在线槽中的传感器线;信号分析系统包括处理声学传感器所获取信号的处理器与导线;电控系统包括控制传感系统与控制扬声系统的PLC装置。

四、工作过程

首先，电控系统控制本车用冷却风扇主动降噪装置与冷却风扇同时启动，声学传感器检测到冷却风扇工作产生的噪声，将其相关信息转换为电信号，电信号通过传感器线传导至信号分析系统;其次，信号处理系统分析冷却风扇噪声的相位、幅度等信息并进行简化，将处理好的声学信息转换为电信号，电信号传导至扬声器系统，最后扬声器系统工作产生与冷却风扇噪声相位相反、幅度相反的声波，该声波与噪声声波作用抵消，从而在本冷却风扇主动降噪装置的后方形成静区，达到降噪效果

五、结论

主动降噪装置利用声波的自身性质进行主动方式的降噪工作，相比于车辆传统的使用隔音棉等材料的被动降噪方案，提升了降噪效果，同时简化了发动机舱与驾驶室之间的材料布置，为隔温材料留出了更多的放置空间;同时本装置的应用可一定程度上降低对于冷却风扇的低噪声要求，节省了风扇成本。为增强降噪作用效果，提高工作效率提供了有效保障。

参考文献：

[1]赵华.风力机叶片气动噪声特征及降噪方法研究[D].长沙理工大学，2015.

[2]徐立中，冯肖亮，文成林.网络化多传感器系统的序贯式融合滤波——基于噪声估计方法[J].电子学报，2014，42（01）：160-168.

[3]程光.电声系统和建声环境的动态信噪比及平衡问题[J].电声技术，2011，35（12）：7-13.

[4]浦玉学.自适应振动噪声主动控制若干关键问题研究[D].南京航空航天大学，2015.

[5]武智方，夏均忠，桓洪强，刘晓凯，汪治安.冷却风扇对载货汽车加速行驶车外噪声的影响[J].军事交通学院学报，2016，18（12）：58-61+75.

[6]李郭锐.某发动机噪声源识别及控制[D].重庆理工大学，2016.

基金项目：河北省大学生创新创业项目（x2018179）

作者简介：王涵松（1998-），男，河北邢台人，华北理工大学本科生，研究方向：汽车NVH。