汽車行業(yè)電氣化的進步，越來越需要主動冷卻。使用風扇時，空氣傳播和結(jié)構(gòu)傳播的噪音很快就會成為問題。本文介紹了降低噪音的選項以及幫助您選擇的注意事項。
　　具有高功耗、小安裝空間和低允許噪聲水平的電力電子應用越來越普遍，將主動冷卻設計（帶有風扇和散熱器）推向了物理可行性的極限。
　　必須考慮各種因素才能找到解決方案，包括風扇與系統(tǒng)的相互作用。然而，任何解決方案都將在尺寸、速度、聲音和成本之間進行折衷。
　　風扇吹自由空氣時可以像老鼠一樣安靜，但一旦將它們安裝到系統(tǒng)中，可能會出現(xiàn)兩個問題：
　　結(jié)構(gòu)噪聲。 風扇的振動由系統(tǒng)進行并放大，就像小提琴的情況一樣。
　　空氣傳播的噪音。由于系統(tǒng)的氣流，可??能會發(fā)生額外的湍流，從而產(chǎn)生類似于長笛工作原理的聲音。
　　降噪的考慮和調(diào)整
　　首先要注意風扇的工況點。噪音并不總是隨著風扇速度直線增加。例如，50% RPM 并不等于噪音總音量的 50%。此外，僅當風扇以速度旋轉(zhuǎn)時，速度時的音量才有意義。
　　渦流或流動特性因風扇類型和轉(zhuǎn)子葉片幾何形狀而異。軸流式和離心式風扇并不總是沿直線吹氣或在其出風口的每個點吹出相同量的空氣。這會影響系統(tǒng)，因為如果氣流受到干擾，可能會產(chǎn)生噪音。
　　將空氣從系統(tǒng)中抽出可以降低噪音水平，但風扇需要承受更高的工作溫度，因為它會吸入所有熱空氣，從而增加其溫度。
　　另一方面，如果風扇將空氣吹入系統(tǒng)，如有必要，它可以集中在熱點上，并驅(qū)散熱量或?qū)⑵鋷щx系統(tǒng)的主要熱源。風扇在設備中相對于用戶的位置也可能是決定哪種變體更好的決定因素。
　　使用較大的風扇并以較慢的速度運行可以快速消除由于較低的轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生的空氣噪音，因為較小的風扇必須旋轉(zhuǎn)得更快才能達到類似的效果。然而，在這種情況下還必須考慮相應的工作點。與較大的風扇相比，較小的風扇在 PQ 曲線上的相同工作點處具有更陡的特性線。根據(jù)工作點，這可以使較小的風扇在其特性曲線的更優(yōu)化區(qū)域中運行。因此，它比大風扇更安靜。
　　然而，“更大”并不總是指同一件事。它可以表示在所有方向、X 軸和 Y 軸（寬度和高度）或 Z 軸（厚度）上的縮放。后一種情況會增加壓力。 X 和 Y 縮放會導致壓力和氣流增加。
　　\[\.V \sim n\cdot D^{3}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\ ,\,\,\,\,氣流\\
　　\Delta p\sim n^{2}\cdot D^{2}\cdot\rho\,\,\,\,\,\,\,\,\ ,\,\,壓力\\
　　P\sim n^{3}\cdot D^{5}\cdot\rho\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \,\,\,\,功率\\
　　n=速度\,旋轉(zhuǎn)\\
　　D=尺寸\,(xyz)\\
　　\rho=密度\]
　　圖 1. 計算對壓力和氣流影響的比例定律。
　　調(diào)整葉片幾何形狀可以優(yōu)化風扇各自工作點的特性曲線并減少噪音的產(chǎn)生。
　　將轉(zhuǎn)子葉片的數(shù)量更改為更多或更少的葉片可以使風扇在旋轉(zhuǎn)速度比以前慢的同時保持其性能值。它也可以轉(zhuǎn)得更快，但由于阻力較小，噪音的音量不會增加，甚至可能會減少。這也對頻譜產(chǎn)生影響。
　　可以優(yōu)化風扇外殼的幾何形狀，以減少或改變風扇和翅片、護指罩以及空氣入口和出口之間的空氣湍流。風扇應該冷卻的系統(tǒng)本身也可以進行優(yōu)化，例如，通過改變氣流方向和風扇相對于其他組件的間距，以及通過密封孔，可以減少空氣傳播的噪音，而減振器可用于減少或避免結(jié)構(gòu)噪聲。
　　優(yōu)化步驟
　　要優(yōu)化風扇和系統(tǒng)，您必須考慮：
　　功耗
　　熱圖（冷空氣需要流向哪里？每個組件的允許溫度是多少？）
　　可用的安裝空間，通過 3D 模型或樣品
　　所需壽命
　　環(huán)境溫度以及吹出溫度 => 確定實現(xiàn)所需壽命所需的必要措施
　　如果可能，應獲取具有類似要求的過去項目的信息。將評估兩到三個概念想法的可行性和成本。
　　因此，會選擇接近要求的標準風扇并進行測試（如果有）。然后將這些測試結(jié)果作為參考，標準風扇可能成為定制風扇的基礎。
　　如何避免產(chǎn)生噪音
　　模擬

　　在原型設計開始之前，仿真有助于降低空氣噪聲并優(yōu)化系統(tǒng)效率。話雖如此，制造商應該始終進行模擬，因為只有制造商知道其風扇的確切葉片幾何形狀。在不了解這一點的情況下，只能粗略估計風扇的出風量。然而，風扇的出風量通常是確定散熱器應具有什么形狀、哪個方向有效或風扇葉片幾何形狀是否應適應現(xiàn)有系統(tǒng)的決定性因素。

　　圖 2. 流動模擬。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 
　　模擬可以顯示：
　　由于氣流而產(chǎn)生空氣噪聲的地方
　　如果系統(tǒng)設計時考慮到所有熱管理組件的相互作用
　　如果熱管理能夠更好地協(xié)調(diào)和調(diào)整以作為一個系統(tǒng)而不是單個組件運行，則可以節(jié)省或更換材料。
　　單組分測試
　　單組件測試是噪聲優(yōu)化的開始。值得注意的是，需要測試和測量代表性數(shù)量的樣品在整個速度范圍內(nèi)的共振，因為：
　　速度和噪音不一定均勻地增加。由于某些條件，在某些速度下可能會出現(xiàn)噪聲尖峰，這意味著有時風扇在較低速度下會達到比在速度下更高的噪聲水平。
　　不平衡不僅在速度下可能是一個問題，而且在較低速度下也會出現(xiàn)問題。它會產(chǎn)生振動和噪音，并導致使用壽命縮短。
　　電機齒槽扭矩會產(chǎn)生振動，從而導致可聽見的共振。
　　根據(jù)振動測試和噪聲譜的結(jié)果，應進行適當?shù)母淖儊斫鉀Q問題。
　　每次調(diào)整都會在系統(tǒng)的不同操作點以相關速度進行測試，并使用 3D 打印或 CNC 加工樣本進行聲學測量。需要注意的是，這不僅涉及整體聲壓級，還涉及音質(zhì)。

　　示例 VW82469：第三頻段兩側(cè)不得同時突出超過 3 dB。

　　圖3. 系統(tǒng)優(yōu)化前單獨風扇示意圖（符合標準）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 
　　一旦達到期望的結(jié)果，就需要根據(jù)客戶的要求和行業(yè)標準對風扇進行調(diào)節(jié)，即將風扇暴露在受控環(huán)境中的各種環(huán)境條件下，例如非常高和低溫，通常是交替的，鹽水噴霧或浸入鹽水浴中，并在一定條件下長時間持續(xù)運行風扇。
　　在調(diào)節(jié)之后或過程中定期，在所謂的參數(shù)測試中更詳細地測試調(diào)節(jié)對風扇在噪音和其他參數(shù)方面的影響。如果有必要的話，還會進行進一步的改進。
　　在可靠性要求非常高的行業(yè)（例如汽車和能源行業(yè)）中，進行此類測試系列通常是常態(tài)。所描述的測試和進一步的測試并行或依次進行，以使風扇能夠在困難條件下使用。
　　系統(tǒng)測試

　　在對單個組件或與這些組件并行進行成功的模擬和測試后，將根據(jù)各種行業(yè)標準（例如專門為音質(zhì)表征而開發(fā)的 VW82469 或其他制造商的相應標準）進行在系統(tǒng)測試。由于多種原因，物理測試是必要的。僅舉一例：像 VW82469 這樣的光譜調(diào)查尚無法足夠可靠地進行模擬。

　　圖4. 系統(tǒng)中風扇示意圖（不符合標準）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 
　　這些測試是重要和步驟的一部分，旨在幾乎消除在批量生產(chǎn)開始前不久必須重新設計風扇或系統(tǒng)的風險。在這種情況下，應特別注意振動測試，以確保不會傳輸或放大結(jié)構(gòu)噪聲，因為系統(tǒng)中的振動可能比單個風扇的振動要明顯得多。
　　在僅更換風扇的現(xiàn)有系統(tǒng)中，系統(tǒng)測試通常只是每個組件的 B 樣本和 C 樣本階段（即“單組件測試”下概述的噪聲優(yōu)化期間）參數(shù)測試的另一部分。

　　假設系統(tǒng)與風扇并行開發(fā)，并且熱管理和系統(tǒng)應該正確對齊。在這種情況下，風扇制造商需要客戶系統(tǒng)的樣本，是在設計凍結(jié)之后，因為與終設計的任何偏差都可能導致結(jié)果不太準確并延長優(yōu)化時間。

　　圖5. 系統(tǒng)優(yōu)化后的風扇示意圖（符合標準）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 
　　經(jīng)過調(diào)節(jié)的新風機安裝在系統(tǒng)中，并在 B 樣本階段再次進行參數(shù)測試。通常在多次運行中對系統(tǒng)和風扇進行測試，并對風扇和系統(tǒng)進行優(yōu)化。這可能是風扇或系統(tǒng)組件的修改，例如重新加工散熱器以消除空氣阻力或?qū)е略胍艋蚱渌到y(tǒng)缺陷的開口。 B 樣本優(yōu)化完成后，設計驗證測試 (DVT) 就開始，其中將使用基于 B 樣本階段終設計的 C 樣本（例如加工零件）。正常情況下，C-Sample階段應該不會再出現(xiàn)什么意外，多應該進行微調(diào)。如果發(fā)生異常并存在問題，則會出現(xiàn)另一個優(yōu)化和測試周期。否則，C 樣品將在 DVT 結(jié)束時轉(zhuǎn)入系列生產(chǎn)。