一种亚音速轴流风扇结构及设计方法技术

本发明专利技术提供了一种亚音速轴流风扇结构及设计方法，该风扇结构包括一个设置在风扇扇叶外围的声衬本体，该声衬本体包括环形板和环形亥姆霍兹消声器，环形亥姆霍兹消声器与环形板之间为环形空腔，环形板、环形空腔和环形亥姆霍兹消声器由内到外依次连接构成一个环状结构。本发明专利技术采用微穿孔板串联多个并联亥姆霍兹消声器的声衬结构，可以在声音传播过程中将声能转化为热能，并在风扇的叶片通过频率及其倍频频段实现共振消声，降低特定频段的声压级，改善微穿孔板吸收频段过窄的问题，实现风扇的总体消声。该结构体积小、厚度薄，不会大幅改变风扇的原有结构，适应性强。适应性强。适应性强。

【技术实现步骤摘要】
一种亚音速轴流风扇结构及设计方法


[0001]本专利技术属于轴流风扇设计领域，尤其涉及一种亚音速轴流风扇结构及设计方法。

技术介绍

[0002]随着新能源和电子器件行业的发展，发热器件逐渐趋于小型化、集成化，它们在工作过程中的发热量大大增加。小型轴流散热风扇因其通风量大、体积小、安装方便、操作简单、成本低等特点，成为设计人员的首选散热器件。而与此同时，轴流风扇所带来的噪声污染成为一个严重影响人们工作与生活质量的突出问题。风扇噪声的产生不仅是无效能量的耗散形式，也大大影响了风扇的工作性能和用户对产品的体验，对人们工作效率以及身体健康会产生较大危害。因此，风扇性能的开发与降噪成为了一个必须解决的重要课题。
[0003]目前的亚音速轴流风扇的降噪工作主要分为两个方面：主动降噪和被动降噪。主动降噪通过对风扇本身结构进行优化设计达到重构风扇的流场声压波动进行降噪，主要包括风扇的叶片翼型设计，风扇动静叶设计、扇叶前后缘设计、仿生叶片优化设计等方法；被动降噪主要是从截断风扇声波传播途径的角度来进行设计，主要是添加声衬和对风扇的进出口短管道设计等方法。
[0004]主动降噪方式多样，但是降噪效果不明显，而且设计因素复杂多样，通常难以兼顾降噪效果和气动性能；被动降噪则会大幅改变风扇的结构，增大体积，对于日趋密集化的电子散热领域不适用，同时还会增加风扇的制造成本。基于此，目前所有的主流降噪方法都面临降噪潜力有限、降噪频带过窄，所加入的附加降噪装置体积过大，限制风扇的应用场景的问题。
[0005]中国专利技术专利申请CN109882452A公开了一种基于声学截止的散热风扇降噪装置及其方法，涉及风扇降噪
，包括短管导流罩和固定支架，其短管导流罩是圆筒形状，并与风扇外形相适应，其短管导流罩设置于其固定支架上，并通过其固定支架设置于散热风扇上，位于散热风扇通流区域的上游或下游，并与散热风扇紧密贴合，所述短管导流罩内径D由散热风扇尺寸及转速确定，其导流罩轴向长度L由声学截止条件确定，其散热风扇是具有动静叶干涉结构的风扇。该专利技术能够对散热风扇产生的气动噪声周向声模态的轴向传播起到抑制作用，安装在散热风扇上游还可以矫正散热风扇的进口来流变形，从而降低散热风扇辐射的离散单音噪声。但是，该专利申请中使用的是短管道截止高阶(越低阶越不易被截止)声波模态的方法，它的设计关键在于管道长度，严格来说，它的降噪效果是有限、单一、不灵活，即无法针对特定频率进行消声，无法断言在其它风扇中仍然有效，而且管道长度仍然会对实际安装有制约。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种亚音速轴流风扇结构及设计方法，以解决现有风扇降噪设备对于环境适用性和频率针对性差的技术问题。
[0007]一种亚音速轴流风扇结构，该结构包括风扇壳体及安装在风扇壳体上的风扇扇
叶，所述风扇扇叶的外围设有一个声衬本体，所述声衬本体固定在风扇壳体上；
[0008]所述声衬本体包括环形板和环形亥姆霍兹消声器，所述环形亥姆霍兹消声器与环形板之间设置环形空腔，所述环形板、环形空腔和环形亥姆霍兹消声器由内到外依次连接构成一个环状结构；
[0009]所述环形板上开设有环向排列的若干通孔；
[0010]所述环形亥姆霍兹消声器包括亥姆霍兹共鸣腔，所述亥姆霍兹共鸣腔与环形空腔之间通过若干个间隔设置的连接管连通。
[0011]由此，本专利技术通过环形板和环形亥姆霍兹消声器设计的声衬结构，依据微穿孔板和亥姆霍兹共振消声的方式，可以在声音传播过程中将声能转化为热能，并在风扇的叶片通过频率及其倍频频段实现共振消声，降低特定频段的声压级，改善微穿孔板吸收频段过窄的问题，实现风扇的总体消声。该结构体积小、厚度薄，不会大幅改变风扇的原有结构，适应性强。
[0012]进一步，所述声衬本体一体热塑成型。
[0013]再进一步，所述声衬本体平行于径向的截面呈矩形或梯形。
[0014]更进一步，所述声衬本体由ABS、POM或PC材料制成。
[0015]此外，所述通孔和连接管由金属针穿刺加工而成。
[0016]基于同一个专利技术构思，本专利技术还提供了一种如上所述的亚音速轴流风扇结构的设计方法，在该设计方法中所述环形板的厚度t和孔隙率p通过下列公式求得：
[0017][0018][0019]式中：r为相对声阻，m为相对声质量，f0为所述声衬本体共振频率，t为环形板的厚度，d1为通孔的直径，p为环形板的孔隙率；
[0020]所述环形空腔的厚度D以及式{1}中的相对声质量m通过下列公式求得：
[0021][0022][0023]式中：f2、f1为所述声衬本体吸声带宽的最大、最小频率，r为相对声阻，c为空气中的声速；
[0024]所述通孔的排列结构通过下列公式求得：
[0025][0026]式中：p为环形板的孔隙率，d1为通孔的直径，M为所述环形板在其宽度方向上每列
所述通孔的个数，θ为在圆周方向上相邻两个通孔的圆心与风扇圆心所成的圆心角度，R为所述环形板的半径，L为所述环形板的宽度；
[0027]所述亥姆霍兹共鸣腔的高度H通过下列公式求得：
[0028][0029][0030]V＝πL[(R+t+D+l+H)2‑
(R+t+D+l)2]ꢀꢀꢀꢀꢀ
{9}
[0031]式中：s为所述连接管的截面面积，l为连接管的长度，d2为连接管直径，c为空气中的声速，f0为共振频率，V为亥姆霍兹共鸣腔的体积，L为所述环形板的宽度，R为所述环形板的半径，t为环形板的厚度，D为环形空腔的厚度。
[0032]由此，本专利技术提供了一种声衬结构的精确设计加工方法，以确保声衬结构的每个部件都能很好与亚音速轴流风扇相适应。依据此设计方法所得的声衬结构在提供显著降噪效果的同时，避免了常规降噪结构对亚音速轴流风扇的气动性能产生不良影响，有效缓解了降噪设计和性能设计之间的矛盾。
[0033]进一步，式{2}中的相对声阻r通过下列公式求得：
[0034][0035]式中：α0为吸声系数。
[0036]再进一步，所述f2、f1通过公式f
02
＝f2×
f1求得，式中f0为所述声衬本体共振频率，f2、f1为所述声衬本体吸声带宽的最大、最小频率。
[0037]本专利技术的一种亚音速轴流风扇结构及设计方法具有以下优点：
[0038]本专利技术所提出的声衬结构设计方法对不同尺寸的亚音速轴流风扇具有通用性。本专利技术提供了一种有效降噪的声衬结构，可以吸收某风扇声源的高峰值频段的声能量，通过共振消声将声能转化为热能，降低风扇的离散单音噪声，同时具有较宽频带的吸声范围，不对轴流风扇的气动性能产生影响，其结构小巧，超薄，兼顾了轴流风扇在具体应用场景下的应用性。
附图说明
[0039]图1为本专利技术的亚音速轴流风扇结构示意图；
[0040]图2为本专利技术的声衬本体局部结构示意图；
[0041]图3为未加装本专利技术装声衬结构的风扇声源声压
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种亚音速轴流风扇结构，包括风扇壳体(6)及安装在风扇壳体(6)上的风扇扇叶(4)，所述风扇扇叶(4)的外围设有一个声衬本体(5)，所述声衬本体(5)固定在风扇壳体(6)上；其特征在于：所述声衬本体(5)包括环形板(1)和环形亥姆霍兹消声器(3)，所述环形亥姆霍兹消声器(3)与环形板(1)之间设置环形空腔(2)，所述环形板(1)、环形空腔(2)和环形亥姆霍兹消声器(3)由内到外依次连接构成一个环状结构；所述环形板(1)上开设有环向排列的若干通孔(1
‑
1)；所述环形亥姆霍兹消声器(3)包括亥姆霍兹共鸣腔(3
‑
2)，所述亥姆霍兹共鸣腔(3
‑
2)与环形空腔(2)之间通过若干个间隔设置的连接管(3
‑
1)连通。2.根据权利要求1所述的亚音速轴流风扇结构，其特征在于，所述声衬本体(5)一体热塑成型。3.根据权利要求1所述的亚音速轴流风扇结构，其特征在于，所述声衬本体(5)平行于径向的截面呈矩形或梯形。4.根据权利要求1所述的亚音速轴流风扇结构，其特征在于，所述声衬本体(5)由ABS、POM或PC材料制成。5.根据权利要求1所述的亚音速轴流风扇结构，其特征在于，所述通孔(1
‑
1)和连接管(3
‑
1)由金属针穿刺加工而成。6.一种权利要求1至5任意一项所述的亚音速轴流风扇结构的设计方法，其特征在于，所述环形板(1)的厚度t和孔隙率p通过下列公式求得：所述环形板(1)的厚度t和孔隙率p通过下列公式求得：式中：r为相对声阻，m为相对声质量，f0为所述声衬本体(5)共振频率，t为环形板(1)的厚度，d1为通孔(1
‑
1)的直径，p为环形板(1)的孔隙率；所述环形空腔(2)的厚度D以及式{1}中的相对声质量m通过下列公...

【专利技术属性】
技术研发人员：张红亮，欧阳虎平，李劼，廖佳喜，邹忠，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：