工程声学/冷却风扇产生的噪音
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随着电力/电子设备越来越小，越来越实用，冷却设备的噪音变得越来越重要。本页面将解释用于台式机/笔记本电脑等电子产品的轴流式冷却风扇产生的噪声的来源。风扇噪声的来源包括气动噪声以及风扇本身的运行声音。本页面将重点关注气动噪声产生的机制。
一台台式机内部可能会有三个（或更多）风扇。通常，CPU 散热器上、电源单元后部、机箱通风口处会有一个风扇，显卡上可能会有一个风扇，如果主板芯片组是最新款的，那么主板上可能还会有一个风扇。如果硬盘驱动器比较安静，那么电脑中让人感到烦躁的噪音主要来自冷却风扇。当英特尔奔腾处理器首次推出时，CPU 上根本不需要风扇，但是大多数现代 CPU 即使在没有冷却风扇的情况下也无法运行几秒钟，而一些 CPU（例如英特尔的 Prescott 内核）对冷却要求极其严格，这通常会导致越来越多的噪音。台式电脑中使用的风扇类型几乎都是轴流式风扇，而笔记本电脑中通常使用离心式风扇。几种风扇类型显示这里（pdf 格式）。不同的风扇类型在噪声产生和性能方面具有不同的特点。轴流式风扇是本页面中考虑的主要类型。
下图显示了一个典型电子设备冷却风扇的噪声频谱图。一个麦克风位于距离风扇上游侧 1 米的位置。风扇直径为 120 毫米，有 7 个叶片，4 个支架用于电机安装，工作电压为 13 伏。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噪声响度频谱图。
(*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个或多个产生机制引起的。
叶片厚度噪声是由流体的体积位移产生的。风扇叶片具有厚度和体积。当转子旋转时，每个叶片的体积会位移流体的体积，从而导致附近区域的压力波动，进而产生噪声。这种噪声在运行频率处为音调，对于冷却风扇来说通常非常弱，因为它们的转速比较低。因此，风扇叶片的厚度几乎不影响电子冷却风扇的噪声。
（这种噪声对于高速涡轮机械（例如直升机旋翼）来说可能很严重）
由于均匀和稳定的空气动力产生的声音，其特征与叶片厚度噪声非常相似。对于低速风扇来说，它非常微弱，并且取决于风扇的转速。由于风扇正常运行至少需要理想的稳定叶片力，即使在理想状态下，这种噪声也无法避免。众所周知，增加叶片数量可以降低这种噪声。
不均匀（但稳定）的进气流会导致叶片在旋转过程中受到不均匀的空气动力。这会在叶片通过频率及其谐波处产生噪声。这是电子冷却风扇的主要噪音来源之一。
如果风扇叶片非常靠近非对称的结构，则会产生不稳定的叶片相互作用力。然后风扇会经历类似于位于不均匀流场中的运行状态。
这种噪声是由叶片与前一片叶片的叶尖涡流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** 的定义和空气动力学描述。
失速引起的噪声是一种复杂的现象，发生在低流量情况下。出于某种原因，如果流动局部受到干扰，它会导致其中一片叶片失速。结果，该叶片的上游通道部分阻塞。因此，平均流量偏离该通道。这会导致最初失速叶片上游侧的最近叶片的迎角增加，流动再次在那里失速。另一方面，第一个叶片的另一侧由于流动角减小而没有失速。
重复地，失速单元以约 30~50% 的运行频率绕叶片旋转，方向与叶片相反。这一系列现象会导致不稳定的叶片力，并因此产生噪声和振动。
即使进气流均匀稳定，转子的不对称也会导致旋转频率及其谐波（显然不是叶片通过频率）处的噪声。
不稳定流动会导致叶片上的随机力。它会散布离散谱噪声并使其连续。在低频变化的情况下，散布的连续谱噪声围绕旋转频率，并产生窄带噪声。进气流的随机速度波动会产生宽带噪声谱。随机噪声成分的产生在以下部分中介绍。
即使在稳定和均匀的进气流中，叶片上也会存在随机力波动。这是由于湍流叶片边界层造成的。虽然也会为此原因产生一些噪声，但主要的噪声是由边界层经过叶片尾缘产生的。叶片尾缘将非传播近场压力散射到可传播的声场中。
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，并产生宽带谱噪声。
出于某种原因，涡流可能会从叶片上分离。然后围绕叶片的循环流动开始发生变化。这会导致叶片上的非均匀力，并产生噪声。这种现象的典型例子是 '卡门涡街'。（一些图像和动画。）涡流脱落机制可能发生在低速风扇的层流边界层中，也可能发生在高速风扇的湍流边界层中。
流动分离会导致上述失速。这种现象会导致随机噪声，它会散布所有离散谱噪声，并将噪声变为宽带噪声。
由于冷却风扇是管道式轴流式机器，叶尖与机壳之间的环形间隙是产生噪声的重要参数。在旋转过程中，由于风扇上游和下游之间的压差，环形间隙中还会发生另一种流动。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，即使风扇在声学上设计良好，也可能会出现意想不到的噪声问题。这被称为安装效果，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] 指出，在 500mm 风扇的进气法兰处安装和不安装喇叭口喷嘴会导致噪声功率改变 50dB（不过，这种应用针对的是更大、噪声更大的风扇）。
这种效应在管道系统应用中有所体现。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是其叶轮转速和工作条件的函数，而且还取决于连接到其进气口和出气口的管道系统的声阻抗。因此，风扇和管道系统不仅要从空气动力学噪声角度进行匹配，还要从声学角度进行匹配。
冷却风扇的降噪存在一些限制。
- 主动降噪在经济上不可行。80mm 冷却风扇仅售 5~10 美元。它只适用于高端电子产品。
- 为了降噪而限制某些空气动力学现象会导致风扇性能严重下降。增加风扇转速当然是对噪音影响更大的因素。
在以下链接的网站中介绍了关于风扇噪音的不同方面，例如主动转速控制或风扇中使用的各种轴承的噪音比较。
以下网站介绍了一些 PC 噪音的实际问题
- 冷却风扇噪音比较 - 滑动轴承与滚珠轴承 (PDF 格式)
- 简要解释风扇噪音来源和降噪建议
- 扫掠角效应比较
- 各种 80mm 风扇的噪音比较
- 特定台式机机箱的降噪
- 另一个特定台式机机箱的降噪
- CPU 冷却风扇噪音的非正式研究
- PC 机箱风扇噪音的非正式研究
- 台式电脑最小噪音的主动风扇速度优化器
- 一些通用的风扇噪音降低技术
- 各种应用和培训 - Brüel & Kjær
[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.，“Vergleich verschiedener Gerauschmessverfahren fur Ventilatoren. Forschungsbericht FLT 3/1/31/87, Forschungsvereinigung fur Luft- und Trocknungstechnik e. V., Frankfurt/Main, Germany