冷却技术中的降噪处理

tcsm | 11 十月, 2006 20:53

　　对电子产品设计人员来说，外围部件或风扇发出的噪声是一个必须解决的大问题。有几种方法可以降低甚至消除冷却过程产生的噪声。

　　在轴流风扇中，空气在框架支柱之间的流动是风扇的最大噪声源，为抵消噪声，支柱几乎全部位于风扇的排气端。

　　进入风扇进气端的气流是层流，从排气端流出的气流是湍流。遇到障碍的层流所产生的特定频率的噪声，发出可以听见的哨声。但如果湍流遇到障碍，其噪声则分布于另外的特定频谱范围，哨声听不见了，这种噪声比较好忍受。

尽量减少噪声

有几种方法可以降低噪声：

* 在扇叶和支柱之间保留空隙。
　　缩小扇叶和支柱之间的间隙，噪声会增大。但增加扇叶和支柱之间的间隙也会减弱气流。

* 减少支柱数量。
　　风扇支柱起结构支撑作用。缩减支柱数量和尺寸有助于大幅降低风扇噪声，特别是在高转速情况下。

* 平衡扇叶和支柱。
　　扇叶较多可以提供较多的气流，但增加扇叶数量也会导致扇叶扫到更多的支柱，从而增加噪声。扇叶数量和支柱数量之间的配合可以造成共振，增强某些频段的噪声。这个现象称为拍频。

* 降低扇叶转速。
扇叶扫过支柱的次数越多，噪声越大。

* 给框架增加出风口。
　　这种方法是利用气流的顶端漩涡回收损失的能量，使漩涡产生的噪声降低3～5dBA。这个方法的缺点是由于框架工具设计较复杂而使/制造成本增加。

噪声源

电子换向装置

　　电子换向器噪声在采用低速风扇的场合显得日益突出。由于气流噪声降低，电子换向器噪声变得越来越明显。为降低电子换向器噪声，可以使切换频率超出可听频率范围。不过，这需要增加额外元件，因而会增加风扇系统的成本。

　　直流无刷风扇利用半导体换向器控制电动机换向。在某些设计中，切换频率在可听频率范围内。例如，假设设计一个5000rpm的风扇。在单极设计中，每转一圈切换一次。经过计算，频率应为166.667Hz。因此，半导体切换的频率是166Hz，这在人耳可以听见的频率范围内。

轴承

　　轴承质量，如形状、尺寸、润滑剂和滚珠数量，对噪声影响很大。如果轴承的外壳太紧，轴承的外围跑道就会紧压滚珠，导致摩擦噪声。在设计良好的风扇电动机中，轴承噪声应该微乎其微。有缺陷的轴承在转动时会产生噪声。

风扇振动

　　风扇总是会伴随一些振动。设计或制造不良的风扇会有明显的振动，导致风扇的结构材料卡嗒卡嗒响。这种振动主要来源于转子不平衡。一般来说，转子不平衡可以在生产环节纠正。

控制系统噪声

　　噪声还可以由风扇外围部件——包括护手板、空气过滤器、管道、进气孔和湍流空气——产生。所幸的是，只要在设计过程开始阶段解决好噪声控制问题，就能使系统的噪声大幅降低。

　　一般来说，在设计阶段选择尽可能大的风扇尺寸有助于降低噪声。如果要获得同样的气流，较大的风扇可以比较小的风扇转数少。风扇转速低噪声就低。大风扇的另一个好处是，从电学和空气动力学来说大风扇有较高的冷却效率。

速度控制

　　控制系统噪声的一个最佳途径是控制风扇转速。风扇转速可以用几种不同方法控制，其中大部分要用到热敏技术。

　　风扇工作的目的是散热，所以根据热源温度控制风扇转速是一个有效的冷却方法。温度可以用热敏电阻或固态温度传感器监测。一旦掌握温度，就可以用电阻控制、直流电压控制或脉宽调制（PWM）控制这三种方法中的一种来控制风扇转速。

　　电阻控制方法是，在与风扇相连的电阻发生变化时，风扇转速就改变。如果热敏电阻直接与风扇相连，这个速度控制方法非常实用。

　　改变风扇转速控制引线的电压电平是三种速度控制方法中最直接最简单的方法。直流电压电平提高，风扇转速就增加。

　　因为PWM控制可以对风扇进行非常精确的速度控制，所以它在喜欢采用数字控制的复杂系统中最流行。在这类风扇中，PWM忙闲度（工作和空闲的比率）提高，风扇转速就增加。

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