趙 天，張建潤，林潘忠

（東南大學 機械工程學院，南京211189）

筆記本電腦風扇散熱系統(tǒng)低噪聲流場優(yōu)化設計

趙 天，張建潤，林潘忠

（東南大學 機械工程學院，南京211189）

對筆記本電腦散熱系統(tǒng)的噪聲進行測試分析，得到各部分噪聲的特性，確定風扇出口噪音是主要噪聲源，建立風扇轉(zhuǎn)速與筆記本電腦出口處噪聲的關系。通過散熱系統(tǒng)的流場分析，發(fā)現(xiàn)散熱翅片出口夾角影響散熱系統(tǒng)冷卻風的風量和風壓，而對噪聲的影響不大，由此提出優(yōu)化散熱翅片出風角，提高散熱效率，從而降低風扇轉(zhuǎn)速，達到減低散熱系統(tǒng)噪聲的目的。實驗表明出風口優(yōu)化后，風扇轉(zhuǎn)速可降低16.8%，散熱系統(tǒng)噪聲下降2.0 dB（A）。

聲學；散熱系統(tǒng)；偶極子模型；翅片設計；流場優(yōu)化；低噪聲

圖1 風扇散熱系統(tǒng)

目前，多數(shù)學者主要研究風扇結構對于噪聲的影響。門艷忠[1]研究了風扇蝸殼擴張角對風扇噪聲的影響，研究表明風扇蝸殼在合適的擴張角范圍內(nèi)噪聲較低；付雙成等[2]研究了傾斜蝸舌結構對離心式風扇流量、功率、噪聲的影響，研究表明相同轉(zhuǎn)速下采用傾斜蝸舌結構雖然流量有小幅損失，但是可以取得良好的降噪效果；Ed Walsh等[3]研究了小型離心式風扇的噪聲排放特性，研究結果表明當風扇的縱橫比（風扇葉片高度與風扇直徑之比）低于0.16時，對空氣的流速和噪聲水平影響最小。目前很少有資料根據(jù)散熱翅片對流場的影響而進行低噪聲設計。

本文研究出發(fā)點是分析建立筆記本電腦散熱系統(tǒng)的風扇轉(zhuǎn)速與噪聲之間關系，研究翅片出風夾角對于散熱系統(tǒng)流場的影響，通過優(yōu)化翅片出風口夾角，降低風扇轉(zhuǎn)速，提高散熱效率，從而降低電腦噪聲。論文首先對筆記本電腦整機進行聲強測試，確定聲場分布及頻率特性，其次對有無翅片的散熱系統(tǒng)分別進行噪聲頻譜測試，根據(jù)結果確定風扇為主要噪聲源；依據(jù)離心風扇偶極子聲學模型建立了風扇出風口噪聲聲功率級與風扇轉(zhuǎn)速之間的關系；通過對風扇流場的仿真計算以及實驗驗證，發(fā)現(xiàn)原翅片出風夾角設計不合理，出風口風量和風壓未達最大值。論文根據(jù)仿真結果設計并制作新的翅片，實驗表明，新的翅片有效提升出風風量和風壓，從而可以在不降低散熱效率前提下，降低風扇轉(zhuǎn)速，減少散熱系統(tǒng)的噪聲，達到低噪聲設計的目的。

1 筆記本電腦整機噪聲源識別與分析

1.1 筆記本電腦整機聲強測試

如圖2(a)所示，對筆記本電腦整機進行聲強測試，噪聲源識別，測試儀器為B&K聲強測試系統(tǒng)。測試中風扇轉(zhuǎn)速為2 640 r/min，風扇葉片數(shù)為29片。

圖2（b）給出了筆記本電腦在全頻域里的聲強分布，從結果可以看出，筆記本電腦最大聲壓分布在圖中A處，該區(qū)域是整機散熱系統(tǒng)所在位置，說明散熱系統(tǒng)噪聲是主要的噪聲源之一；針對風扇旋轉(zhuǎn)頻率為1 276 Hz（），圖2(c)給出了中心頻率1 250 Hz的頻域聲強分布，可以看出，筆記本電腦最大聲壓分布在圖中B處，該區(qū)域同樣是整機散熱系統(tǒng)所在位置。全頻域聲強分布與中心頻率1 250 Hz的頻域聲強分布接近，說明中心頻率1 250 Hz的冷卻風扇噪聲占整機噪聲的主要部分。聲強測試結果說明冷卻風扇噪聲是筆記本電腦整機的主要噪聲源。

1.2 散熱系統(tǒng)噪聲頻譜測試

為評價翅片對散熱系統(tǒng)噪聲的影響，本文對裝有翅片風扇散熱系統(tǒng)及沒有安裝翅片風扇散熱系統(tǒng)分別進行了噪聲頻譜測試分析，圖3為在半消聲室中測試現(xiàn)場，兩次測試風扇轉(zhuǎn)速相同，傳感器與風扇距離相同，這樣測試具有可比性。

測試結果顯示，裝有翅片散熱系統(tǒng)與無翅片散熱系統(tǒng)測點聲壓平均值分別為：54.6 dB（A）及55.3 dB（A），兩次測試所得聲壓級相差不大，相反裝有翅片散熱系統(tǒng)的噪聲值略低于沒有裝翅片情況，說明翅片本身并未產(chǎn)生更大的二次噪聲，反而一定程度上隔掉了風扇產(chǎn)生的噪聲。另一方面從圖4所示的前后兩次1/3倍頻程圖中也可以看出兩次測試的主要噪聲頻率都在1 250 Hz左右，兩者噪聲區(qū)別不大，說明散熱系統(tǒng)的主要噪聲來自于冷卻離心風扇。

圖2 噪聲源聲強測試

圖3 頻譜測試

因此，筆記本電腦整機的主要噪聲來自于散熱系統(tǒng)，而冷卻風扇噪聲是散熱系統(tǒng)的主要噪聲源。

圖4 1/3倍頻程測試結果

2 風扇偶極子噪聲源模型與出口聲壓

測試結果表明離心風扇噪聲是主要噪聲源，已有研究表明，離心風扇的噪聲源主要是偶極子聲源，而單極子或者四級子所占比重很小可忽略不計[4，5]。圖5為偶極子聲源模型，其相當于兩個相距很近的小脈動球源，以相同振幅、相反相位進行振動。

圖5 偶極子聲源模型

脈動球源的空間輻射聲壓表達為

式中A是一待定系數(shù)；r為脈動球源與評價點的距離；ω為角頻率；k為聲波數(shù)[6]。

偶極子的聲壓為兩脈動球源的疊加，由于兩者相位相反，故偶極子的聲壓表達式為

式中r+和r-分別是兩脈動球源與評價點的距離。

由于兩脈動球源相距l(xiāng)很小，有l(wèi)＜＜r，因此可得到以下近似關系

式中β為脈動球源連線與等效偶極子聲源、評價點連線之間的夾角，如圖5所示。

將式（3）帶入式（2）可得

聲源質(zhì)點振動速度與聲壓關系為

式中ρ0為聲傳播介質(zhì)密度。

由式（4）、（5）可以求得聲源振動的徑向質(zhì)點速度表達式為

式中c0為聲傳播速度。

由式（4）、（6）可以求得偶極子輻射聲強表達式為

式中T為聲源振動周期。

由式（7）可得通過半徑r球面的平均聲功率表達式為

式中S為半徑r的球面積，A幅值表達式為

式中ua為聲源振速幅值，定值，設為B；由于kr＜＜1，因此式（9）可寫成

將式（10）帶入式（8）可得

式中ω=2πf，f為風扇旋轉(zhuǎn)頻率

聲波數(shù)k的表達式為

式中n是風扇葉片數(shù)量，N是轉(zhuǎn)速，由式（11）—（13）可得

上式為噪聲平均聲功率級與風扇轉(zhuǎn)速的關系，由關系式可以看出風扇噪聲大小直接決定于風扇的轉(zhuǎn)速。因此流場優(yōu)化的目標是保證散熱效率即控制出口流量不變的前提下，降低風扇轉(zhuǎn)速來減少噪聲。

3 散熱系統(tǒng)流場仿真與實驗驗證

為了研究原散熱系統(tǒng)流場，評價翅片夾角設計是否合理，為流場優(yōu)化提供依據(jù)，通過數(shù)值模擬研究離心風扇流場分布。

3.1 散熱系統(tǒng)流場模擬仿真

3.1.1 建立數(shù)值模型

利用CAD軟件NX建立風扇的幾何模型；將幾何模型導入專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件Hyper Mesh中，采用非結構化四面體網(wǎng)格建立有限元模型；將有限元模型導入Fluent軟件中，進行相關邊界設置，選用k-ε模型的RNG方程，基于SIMPLE算法進行求解[7―11]，有限元模型如圖6。

圖6 有限元模型

3.1.2 仿真結果及分析

圖7給出了風扇出風口速度矢量結果，出風口的流向分布呈現(xiàn)出較為明顯的三個層次，分別為1處與出風口垂直面成約45°方向、2處與出風口垂直面成約65°方向、3處與出風口垂直面成約90°垂直方向。

圖7 出風口流向分布

3.2 實驗驗證

從出口流量以及出風口出風流向兩個方面驗證仿真結果可信性。

（1）風扇轉(zhuǎn)速設定4 940 r/min，進行風洞測試，得到風扇出口流量，圖8是風洞測試現(xiàn)場。

在相同轉(zhuǎn)速下通過仿真計算得到風扇出口流量，表1是仿真與測試結果對比，結果表明仿真所得值與測試所得值誤差較小，仿真結果可信度較高。

表1 出口流量誤差分析

圖8 風洞測試系統(tǒng)

（2）如圖9設計實驗驗證仿真所得出風口出風流向。將風扇置于封閉腔出風卡口處，由外置電源驅(qū)動工作。實驗一在封閉腔內(nèi)填充有色煙霧,實驗二在風扇出風口處固定軟細線。分別在風扇工作時利用高速攝像機追蹤風扇出風口處有色煙霧以及軟細線的流向。

圖9可以看出，風扇的出風流向與仿真結果基本一致，驗證了風扇出風口流向分布的準確性。仿真與實驗結果說明風扇出風口流向分布并不是全部垂直于出風口，原翅片的垂向夾角設計（圖1）與實際流向不一致，影響了出風效率，流場可以進行優(yōu)化以達到最佳出風效率。

圖9 高速攝像機追蹤出風流向

4 流場優(yōu)化設計

根據(jù)流場仿真結果，原翅片的翅片夾角與風扇出風口出風流向不一致，影響了出風效率，設計不合理。本章節(jié)根據(jù)實際的出風口流向分布（圖7）設計了新的翅片，新翅片的CAD模型以及實物如圖10所示，其1、2、3段分別對應于圖7所示的流向分布1、2、3處，翅片夾角與出風流向保持一致，分別與出風口垂直面成45°、65°、90°。

圖10 新翅片模型

設定風扇轉(zhuǎn)速相同，對優(yōu)化前后的散熱系統(tǒng)分別進行風洞測試。圖11為優(yōu)化前后散熱系統(tǒng)的風量風壓性能對比，結果表明優(yōu)化后散熱系統(tǒng)的出口

風量和出口風壓都有明顯提升因此為了保持出風口流量不變，可以降低風扇工作轉(zhuǎn)速。根據(jù)原散熱系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速4 940 r/min下的風量，對使用新翅片的散熱系統(tǒng)調(diào)低轉(zhuǎn)速，使其風量與原翅片風量相同，分別測試原翅片和新翅片散熱系統(tǒng)的噪聲值，測試結果如表2所示。

圖11 優(yōu)化前后風量風壓對比

表2 流場優(yōu)化前后結果對比

表2結果表明，采用新翅片之后，散熱系統(tǒng)的散熱能力不變的前提下，通過降低轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)的噪聲明顯下降。因此，合理地對流場進行優(yōu)化可以達到散熱系統(tǒng)低噪聲的設計目的。

5 結語

(1)論文通過測試證明了散熱系統(tǒng)的主要噪聲是離心風扇的噪聲，離心風扇的噪聲是一個偶極子聲源模型，文中建立了離心風扇噪聲平均聲功率與風扇轉(zhuǎn)速四次方成正比的關系；

(2)散熱系統(tǒng)的流場仿真與實驗結果表明原散熱翅片出風口夾角設計不合理，影響了散熱系統(tǒng)冷卻風的風量和風壓，而對噪聲的影響不大，論文根據(jù)實際出風口流向設計了新的翅片；

(3)新翅片有效地提升了出口風量以及出口風壓，保持散熱能力不變的前提下可以降低轉(zhuǎn)速，從而有效地降低了系統(tǒng)的噪聲。

本文研究結果已經(jīng)應用于某品牌超薄筆記本電腦中，降低了筆記本電腦整機噪聲，對于其它散熱系統(tǒng)的低噪聲優(yōu)化設計也有重要參考價值。

[1]門艷忠，于占斌.離心風機風舌噪聲機理與試驗研究[J].煤礦機械，2003，12：27-28.

[2]付雙成，劉雪東，鄒 鑫，等.傾斜蝸舌對多翼離心風機流場及噪聲的影響[J].噪聲與振動控制，2013，33(3)：87-89.

[3]Ed Walsh,Patrick Walsh,Jeff Punch，et al.Acoustic emissions from active cooling solutions for portable devices[J].IEEETransactionsonComponentsand Packing Technologies,2009，32(4):766-783.

[4]盧傅安，祁大同，湯宏濤.丙烯壓縮機末級偶極子氣動聲源識別[J].西安交通大學學報，2009，43（9）：100-103.

[5]蔡建程，祁大同，盧傅安，等.離心風機基頻氣動偶極子噪聲的數(shù)值研究[J].西安交通大學學報，2009，43(17)：66-70.

[6]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎（第三版）[M].南京：南京大學出版社，2012：203-204.

[7]LI Chun-xi,LEI Yong,WANG Song-ling,et al.A study on the dynamics characteristics of the three-dimensional flow field and the leakage loss features of a centrifugal fan[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2005,20(5):517-520.

[8]Rafael Ballesteros Tajadura,Sandra Velarde Suárez,Juan Pablo Hurtado Cruz.Noise prediction of a centrifugal fan:numerical results and experimental validation[J].Journal of Fluids Engineering,2008(130):091102-1-091102-12.

[9]Bhope D V,Padole P M.Experimental and theoretical analysis of stresses,noise and flow in centrifugal fan impeller[J].Mechanism and Machine Theory,2004(39): 1257-1271.

[10]Yagnesh Sharma N,Vasudeva Karanth K.Numerical analysis of a centrifugal fan for improved performance using splitter vanes[J].World Academy of Science, Engineering and Technology,2009(36):453-459.

[11]LEE Li-sang,KIM Kwang-yong,Samed Abdus.Design optimization of low-speed axial flow fan blade with threedimensional RANS analysis[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2008,22(10):1864-1869.

Optimization of Low-noiseAirflow Field of Laptop’s Thermal System

ZHAOTian,ZHANG Jian-run,LIN Pan-zhong

(School of Mechanical Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China)

Noise of a laptop’s thermal system is tested and analyzed,and the noise characteristics of its different parts are obtained.It is found that the fan’s outlet is the major noise source.Mathematical relationship of the fan’s rotating speed and the noise of the fan’s outlet is established.Through simulation analysis of the airflow field of the thermal system,the fin arrangement angle is found to influence the outflow flux and flow pressure of the cooling wind,but have little contribution to the noise.Thus,the fin arrangement angle is optimized,and the cooling efficiency of the thermal system is raised greatly so that the fan rotating speed can be decreased.As a result,noise of the thermal system is lowed.The experimental results show that the rotating speed can be reduced by 16.8%and the noise can be reduced by 2.0 dB(A)with the same cooling effect after the optimization.

acoustics;thermal system;dipole model;fin design;airflow field optimization;low-noise

1006-1355(2014)03-0047-05

TB53；TH42

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.03.010

筆記本電腦的散熱系統(tǒng)如圖1所示，主要由離心風扇、散熱銅管、散熱翅片等部件組成。其工作機制為散熱銅管將CPU等部件熱量傳至散熱翅片，離心風扇強制風冷。

2013-07-26

江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新基金（BY2011151）；高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備重大專項（2012ZX04002-032）

趙 天（1989-），男，江蘇鹽城人，碩士，目前從事振動與噪聲控制、流場仿真、動態(tài)結構優(yōu)化設計研究。

E-mail:zhaotianseu@126.com

張建潤（1962-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，教授、博導，目前從事振動與噪聲控制、動態(tài)結構優(yōu)化設計、車輛NVH研究。

E-mail:zhangjr@seu.edu.cn