浅谈关于风扇噪声

Everley

按照风扇结构和流动情况，风扇噪声主要可以分成以下四类：来流噪声、翼型噪声、端壁噪声、叶尖噪声，如图1所示。

图1：风扇噪声类型

A-来流噪声（Inflow Noise）：风扇在旋转过程中，自身会对上流流体产生一个螺旋的作用力，使得来流不均匀性提高。风机上游格栅等部件也会显著提高来流不均匀性。

B-翼型噪声（Airfiol Noise）：风扇叶片周向截面就是一个翼型，而风机本质上就是一个不停的旋转的机翼。这样扇叶的噪声产生机理就理所应当可以参照翼型噪声机理。翼型噪声比较复杂，主要分成壁面边界层噪声、分离噪声、尾缘噪声，近两年也有研究人员提出前缘噪声。

C-端壁噪声（Endwall Noise）：靠近风扇轮毂壁面，受到表面摩擦力作用流体会有明显的速度梯度。壁面附近的流体遇到叶片前缘后，分别在叶片的压力面和吸力面形成两股漩涡，从而转化为噪声激励。

D-叶尖噪声（Tip-clearance Noise）：旋转和扇叶和静止导风圈之间存在间隙。风机旋转过程中，高速流体穿过间隙，并在叶片吸力面附近形成流动分离。间隙中高流速流体会激发强烈的漩涡强度，在声学频谱上往往会导致整个宽频噪声显著升高。

下面就分别列举几种噪声常见的频谱特性

图2所示为翼型噪声测试装置，在上游添加格栅部件用于增加来流不均匀性。相对于均匀来流，添加格栅后宽频噪声明显增加，本例主要表现在中低频。

图2：来流噪声测试对比

尾缘为翼型压力面和吸力面汇合的位置，两处流体混合后会导致湍流强度进一步升高，升高的幅度与尾缘的厚度息息相关。图3对比结果显示尾缘厚度增加，频谱中会形成一个相对集中的峰值频带。

图3：尾缘厚度对频谱影响

图4所示为端壁结构优化，流动分离降低。测试结果显示总声压值下降3~5dB.

图4：端壁噪声对比

扇叶和导风圈的间隙越小，叶尖噪声也就越不明显。考虑到风机高速旋转和安装不对中等因素，通常叶顶间隙选取都非常保守。在风扇叶尖部位进行特殊设计来降低流动分离的强度被很多风机厂商广泛运用。图5对比结果显示叶尖小翼几乎可以在整个频谱范围内降低声压级1~5dB。

图5：叶尖噪声对比

以上简单对风机噪声进行分离和样例展示，深入机理分析后期会逐步描述。由于风扇噪声的复杂性，样例所显示的结果和结论并不适用所有应用场景。