声学/冷却风扇噪声
随着电气/电子设备的尺寸越来越小，功能越来越强大，冷却设备的噪声变得越来越重要。本页将解释小型轴流冷却风扇在台式机/笔记本电脑等电子产品中产生噪声的根源。风扇噪声的来源包括气动噪声以及风扇本身的运行声音。本页将重点介绍气动噪声产生的机制。
如果打开一台台式电脑，你可能会发现三个（或更多）风扇。例如，通常在 CPU 散热器上、电源供应单元的后面板上、机箱通风孔上、显卡上，甚至在主板芯片组上（如果是最新的主板）都会找到风扇。让许多人感到困扰的电脑噪音主要来自冷却风扇，如果硬盘驱动器（硬盘）相当安静的话。当英特尔奔腾处理器首次推出时，CPU 上不需要风扇，但是，现代 CPU 即使没有冷却风扇也无法运行几秒钟。随着 CPU 密度的增加，名义运行的热传递需要增加气流，这会导致越来越多的噪音。台式电脑中常用的风扇类型是轴流风扇，而笔记本电脑中则使用离心式鼓风机。几种风扇类型显示这里 (pdf 格式)。不同的风扇类型具有不同的噪声产生和性能特征。本页主要考虑轴流风扇。
下图显示了一个典型 120 mm 直径电子设备冷却风扇的噪声频谱。在一个麦克风位于风扇上游侧 1 m 处使用。该风扇具有 7 个叶片、4 个用于电机安装的支柱，并在 13V 电压下运行。施加了一定量的负载。蓝色曲线是消声室的背景噪声，绿色曲线是风扇运行时的响度频谱。
(*BPF = 叶片通过频率)
该图中显示的每个噪声元素都是由以下一种或多种产生机制引起的。
叶片厚度噪声是由流体体积位移产生的。风扇叶片具有厚度和体积。当转子旋转时，每个叶片的体积会使流体体积发生位移，因此它们会相应地使近场压力波动，从而产生噪声。这种噪声在运行频率上是音调的，对于冷却风扇来说通常非常弱，因为它们的 RPM 相对较低。因此，风扇叶片的厚度几乎不会影响电子冷却风扇的噪声。
(对于高速涡轮机械，例如直升机旋翼，这种噪声可能会变得很严重。)
由于均匀稳定的气动力而产生的声音与叶片厚度噪声非常相似。对于低速风扇来说，它非常弱，并且取决于风扇 RPM。由于即使在理想条件下，风扇也需要一些稳定的叶片力才能完成其工作，因此这种噪声是无法避免的。众所周知，可以通过增加叶片数量来降低这种噪声。
非均匀（仍然稳定）入口流会导致叶片在其角度位置变化时产生非均匀气动力。这会在叶片通过频率及其谐波处产生噪声。它是电子冷却风扇的主要噪声源之一。
如果风扇叶片非常靠近非对称结构，则会产生不稳定的相互作用力。然后，风扇会经历类似于处于非均匀流场中的运行条件。有关详细信息，请参阅声学/转子定子相互作用。
这种噪声是由叶片与其前方叶片的叶尖涡之间的相互作用引起的，对于冷却风扇来说并不严重。
- 点击这里 阅读失速的定义和气动描述。
由于失速引起的噪声是一种复杂的现象，发生在低流量时。由于某种原因，如果流动局部受到干扰，会导致其中一个叶片失速。因此，该叶片的上游通道被部分阻塞。因此，平均流动被从该通道中转移。这会导致靠近最初失速叶片上游侧的最近叶片的迎角增加，流动再次失速。另一方面，第一个叶片的另一侧没有失速，因为流动角减小了。
失速单元反复地以约 30~50% 的运行频率绕着叶片旋转，方向与叶片相反。这一系列现象导致叶片力不稳定，从而产生噪声和振动。
即使在进气流均匀稳定时，转子不对称也会导致在旋转频率及其谐波处产生噪声（显然不是叶片通过频率）。
非定常流动会在叶片上产生随机力。它会扩散离散频谱噪声并使其连续。在低频变化的情况下，扩散的连续频谱噪声会围绕旋转频率，并产生窄带噪声。进气流的随机速度波动会产生宽带噪声频谱。随机噪声分量的产生将在以下部分介绍。
即使在稳定且均匀的进气流中，叶片上也会存在随机力波动。这是来自湍流叶片边界层。由于这个原因会产生一些噪声，但主要噪声是由边界层经过叶片后缘产生的。叶片后缘会将非传播近场压力散射成可传播声场。
具有随机时间历史的进气流速度波动会在叶片上产生随机力，并产生宽带频谱噪声。
由于某种原因，涡流可能会从叶片上分离。然后，叶片周围的循环流开始发生变化。这会导致叶片上产生非均匀力，以及噪声。这种现象的经典例子是'卡门涡街'。（一些图片和动画。）涡流脱落机制可能发生在低速风扇的层流边界层中，也可能发生在高频风扇的湍流边界层中。
流动分离会导致上面解释的失速。这种现象会导致随机噪声，它会扩散所有离散频谱噪声，并将噪声转换为宽带噪声。
由于冷却风扇是管道式轴流式机器，叶片尖端与外壳之间的环形间隙是噪声产生的重要参数。在旋转时，由于风扇上游和下游的压差，环形间隙中会产生另一股流动。由于这种流动，在间隙中会产生叶尖涡流，并且随着环形间隙变大，宽带噪声会增加。
一旦风扇安装完毕，即使风扇在声学方面设计良好，也可能出现意想不到的噪声问题。这称为安装效果，两种类型适用于冷却风扇。
影响风扇进气流的结构会导致安装效果。例如，Hoppe & Neise [3] 表明，在 500mm 风扇的进气法兰处使用和不使用喇叭形喷嘴会导致噪声功率变化 50dB（不过，此应用针对的是更大且更吵的风扇）。
此效果在管道系统应用中体现。一些高性能显卡采用管道系统进行直接排气。
风扇产生的声功率不仅与其叶轮速度和工作条件有关，还取决于连接到其进气口和排气口的管道系统的声阻抗。因此，风扇和管道系统不仅应从气动噪声原因进行匹配，还应从声学考虑进行匹配。
冷却风扇的降噪有一些限制
1. 主动噪声控制在经济上不可行。80mm 冷却风扇仅售 5~10 美元。它仅适用于高端电子产品。
2. 限制某些气动现象以降低噪声可能会导致风扇性能严重下降。当然，提高风扇转速是噪声的主要影响因素。
下面一些链接的网站介绍了风扇噪声的不同方面，例如主动转速控制或风扇使用的各种轴承的噪声比较。如果叶片通过噪声占主导地位，消声器将是有益的。
以下网站介绍了 PC 噪声的一些实际问题。
冷却风扇噪声比较 - 滑动轴承与滚珠轴承（pdf 格式）
简要解释风扇噪声来源和降噪建议
扫掠角影响的比较
各种 80mm 风扇噪声的比较
特定台式机机箱的降噪
另一个特定台式机机箱的降噪
CPU 冷却风扇噪声的非正式研究
PC 机箱风扇噪声的非正式研究
台式机主动风扇速度优化器，用于最大程度地降低噪声
[1] Neise, W. 和 Michel, U.，"涡轮机械的气动噪声"
[2] Anderson, J.，"空气动力学基础"，第 3 版，2001 年，McGrawHill
[3] Hoppe, G. 和 Neise, W.，"Ventilatoren fur Vergleich verschiedener Gerauschmessnerfahren。Forschungsbericht FLT 3/1/31/87，Forschungsvereinigung fur Luft- und Trocknungstechnik e. V.，Frankfurt/Main，德国