聲學/冷卻風扇噪聲
隨著電氣/電子裝置的尺寸越來越小，功能越來越強大，冷卻裝置的噪聲變得越來越重要。本頁將解釋小型軸流冷卻風扇在臺式機/筆記型電腦等電子產品中產生噪聲的根源。風扇噪聲的來源包括氣動噪聲以及風扇本身的執行聲音。本頁將重點介紹氣動噪聲產生的機制。
如果開啟一臺臺式電腦，你可能會發現三個（或更多）風扇。例如，通常在 CPU 散熱器上、電源供應單元的後面板上、機箱通風孔上、顯示卡上，甚至在主機板晶片組上（如果是最新的主機板）都會找到風扇。讓許多人感到困擾的電腦噪音主要來自冷卻風扇，如果硬碟驅動器（硬碟）相當安靜的話。當英特爾奔騰處理器首次推出時，CPU 上不需要風扇，但是，現代 CPU 即使沒有冷卻風扇也無法執行幾秒鐘。隨著 CPU 密度的增加，名義執行的熱傳遞需要增加氣流，這會導致越來越多的噪音。臺式電腦中常用的風扇型別是軸流風扇，而筆記型電腦中則使用離心式鼓風機。幾種風扇型別顯示這裡 (pdf 格式)。不同的風扇型別具有不同的噪聲產生和效能特徵。本頁主要考慮軸流風扇。
下圖顯示了一個典型 120 mm 直徑電子裝置冷卻風扇的噪聲頻譜。在一個麥克風位於風扇上游側 1 m 處使用。該風扇具有 7 個葉片、4 個用於電機安裝的支柱，並在 13V 電壓下執行。施加了一定量的負載。藍色曲線是消聲室的背景噪聲，綠色曲線是風扇執行時的響度頻譜。
(*BPF = 葉片透過頻率)
該圖中顯示的每個噪聲元素都是由以下一種或多種產生機制引起的。
葉片厚度噪聲是由流體體積位移產生的。風扇葉片具有厚度和體積。當轉子旋轉時，每個葉片的體積會使流體體積發生位移，因此它們會相應地使近場壓力波動，從而產生噪聲。這種噪聲在執行頻率上是音調的，對於冷卻風扇來說通常非常弱，因為它們的 RPM 相對較低。因此，風扇葉片的厚度幾乎不會影響電子冷卻風扇的噪聲。
(對於高速渦輪機械，例如直升機旋翼，這種噪聲可能會變得很嚴重。)
由於均勻穩定的氣動力而產生的聲音與葉片厚度噪聲非常相似。對於低速風扇來說，它非常弱，並且取決於風扇 RPM。由於即使在理想條件下，風扇也需要一些穩定的葉片力才能完成其工作，因此這種噪聲是無法避免的。眾所周知，可以透過增加葉片數量來降低這種噪聲。
非均勻（仍然穩定）入口流會導致葉片在其角度位置變化時產生非均勻氣動力。這會在葉片透過頻率及其諧波處產生噪聲。它是電子冷卻風扇的主要噪聲源之一。
如果風扇葉片非常靠近非對稱結構，則會產生不穩定的相互作用力。然後，風扇會經歷類似於處於非均勻流場中的執行條件。有關詳細資訊，請參閱聲學/轉子定子相互作用。
這種噪聲是由葉片與其前方葉片的葉尖渦之間的相互作用引起的，對於冷卻風扇來說並不嚴重。
- 點選這裡 閱讀失速的定義和氣動描述。
由於失速引起的噪聲是一種複雜的現象，發生在低流量時。由於某種原因，如果流動區域性受到干擾，會導致其中一個葉片失速。因此，該葉片的上游通道被部分阻塞。因此，平均流動被從該通道中轉移。這會導致靠近最初失速葉片上游側的最近葉片的迎角增加，流動再次失速。另一方面，第一個葉片的另一側沒有失速，因為流動角減小了。
失速單元反覆地以約 30~50% 的執行頻率繞著葉片旋轉，方向與葉片相反。這一系列現象導致葉片力不穩定，從而產生噪聲和振動。
即使在進氣流均勻穩定時，轉子不對稱也會導致在旋轉頻率及其諧波處產生噪聲（顯然不是葉片透過頻率）。
非定常流動會在葉片上產生隨機力。它會擴散離散頻譜噪聲並使其連續。在低頻變化的情況下，擴散的連續頻譜噪聲會圍繞旋轉頻率，併產生窄帶噪聲。進氣流的隨機速度波動會產生寬頻噪聲頻譜。隨機噪聲分量的產生將在以下部分介紹。
即使在穩定且均勻的進氣流中，葉片上也會存在隨機力波動。這是來自湍流葉片邊界層。由於這個原因會產生一些噪聲，但主要噪聲是由邊界層經過葉片後緣產生的。葉片後緣會將非傳播近場壓力散射成可傳播聲場。
具有隨機時間歷史的進氣流速度波動會在葉片上產生隨機力，併產生寬頻頻譜噪聲。
由於某種原因，渦流可能會從葉片上分離。然後，葉片周圍的迴圈流開始發生變化。這會導致葉片上產生非均勻力，以及噪聲。這種現象的經典例子是'卡門渦街'。（一些圖片和動畫。）渦流脫落機制可能發生在低速風扇的層流邊界層中，也可能發生在高頻風扇的湍流邊界層中。
流動分離會導致上面解釋的失速。這種現象會導致隨機噪聲，它會擴散所有離散頻譜噪聲，並將噪聲轉換為寬頻噪聲。
由於冷卻風扇是管道式軸流式機器，葉片尖端與外殼之間的環形間隙是噪聲產生的重要引數。在旋轉時，由於風扇上游和下游的壓差，環形間隙中會產生另一股流動。由於這種流動，在間隙中會產生葉尖渦流，並且隨著環形間隙變大，寬頻噪聲會增加。
一旦風扇安裝完畢，即使風扇在聲學方面設計良好，也可能出現意想不到的噪聲問題。這稱為安裝效果，兩種型別適用於冷卻風扇。
影響風扇進氣流的結構會導致安裝效果。例如，Hoppe & Neise [3] 表明，在 500mm 風扇的進氣法蘭處使用和不使用喇叭形噴嘴會導致噪聲功率變化 50dB（不過，此應用針對的是更大且更吵的風扇）。
此效果在管道系統應用中體現。一些高效能顯示卡採用管道系統進行直接排氣。
風扇產生的聲功率不僅與其葉輪速度和工作條件有關，還取決於連線到其進氣口和排氣口的管道系統的聲阻抗。因此，風扇和管道系統不僅應從氣動噪聲原因進行匹配，還應從聲學考慮進行匹配。
冷卻風扇的降噪有一些限制
1. 主動噪聲控制在經濟上不可行。80mm 冷卻風扇僅售 5~10 美元。它僅適用於高階電子產品。
2. 限制某些氣動現象以降低噪聲可能會導致風扇效能嚴重下降。當然，提高風扇轉速是噪聲的主要影響因素。
下面一些連結的網站介紹了風扇噪聲的不同方面，例如主動轉速控制或風扇使用的各種軸承的噪聲比較。如果葉片透過噪聲占主導地位，消聲器將是有益的。
以下網站介紹了 PC 噪聲的一些實際問題。
冷卻風扇噪聲比較 - 滑動軸承與滾珠軸承（pdf 格式）
簡要解釋風扇噪聲來源和降噪建議
掃掠角影響的比較
各種 80mm 風扇噪聲的比較
特定桌上型電腦機箱的降噪
另一個特定桌上型電腦機箱的降噪
CPU 冷卻風扇噪聲的非正式研究
PC 機箱風扇噪聲的非正式研究
桌上型電腦主動風扇速度最佳化器，用於最大程度地降低噪聲
[1] Neise, W. 和 Michel, U.，"渦輪機械的氣動噪聲"
[2] Anderson, J.，"空氣動力學基礎"，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，德國