工程聲學/冷卻風扇產生的噪音
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隨著電力/電子裝置越來越小，越來越實用，冷卻裝置的噪音變得越來越重要。本頁面將解釋用於桌上型電腦/筆記型電腦等電子產品的軸流式冷卻風扇產生的噪聲的來源。風扇噪聲的來源包括氣動噪聲以及風扇本身的執行聲音。本頁面將重點關注氣動噪聲產生的機制。
一臺臺式機內部可能會有三個（或更多）風扇。通常，CPU 散熱器上、電源單元后部、機箱通風口處會有一個風扇，顯示卡上可能會有一個風扇，如果主機板晶片組是最新款的，那麼主機板上可能還會有一個風扇。如果硬碟驅動器比較安靜，那麼電腦中讓人感到煩躁的噪音主要來自冷卻風扇。當英特爾奔騰處理器首次推出時，CPU 上根本不需要風扇，但是大多數現代 CPU 即使在沒有冷卻風扇的情況下也無法執行幾秒鐘，而一些 CPU（例如英特爾的 Prescott 核心）對冷卻要求極其嚴格，這通常會導致越來越多的噪音。臺式電腦中使用的風扇型別幾乎都是軸流式風扇，而筆記型電腦中通常使用離心式風扇。幾種風扇型別顯示這裡（pdf 格式）。不同的風扇型別在噪聲產生和效能方面具有不同的特點。軸流式風扇是本頁面中考慮的主要型別。
下圖顯示了一個典型電子裝置冷卻風扇的噪聲頻譜圖。一個麥克風位於距離風扇上游側 1 米的位置。風扇直徑為 120 毫米，有 7 個葉片，4 個支架用於電機安裝，工作電壓為 13 伏。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噪聲響度頻譜圖。
(*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個或多個產生機制引起的。
葉片厚度噪聲是由流體的體積位移產生的。風扇葉片具有厚度和體積。當轉子旋轉時，每個葉片的體積會位移流體的體積，從而導致附近區域的壓力波動，進而產生噪聲。這種噪聲在執行頻率處為音調，對於冷卻風扇來說通常非常弱，因為它們的轉速比較低。因此，風扇葉片的厚度幾乎不影響電子冷卻風扇的噪聲。
（這種噪聲對於高速渦輪機械（例如直升機旋翼）來說可能很嚴重）
由於均勻和穩定的空氣動力產生的聲音，其特徵與葉片厚度噪聲非常相似。對於低速風扇來說，它非常微弱，並且取決於風扇的轉速。由於風扇正常執行至少需要理想的穩定葉片力，即使在理想狀態下，這種噪聲也無法避免。眾所周知，增加葉片數量可以降低這種噪聲。
不均勻（但穩定）的進氣流會導致葉片在旋轉過程中受到不均勻的空氣動力。這會在葉片透過頻率及其諧波處產生噪聲。這是電子冷卻風扇的主要噪音來源之一。
如果風扇葉片非常靠近非對稱的結構，則會產生不穩定的葉片相互作用力。然後風扇會經歷類似於位於不均勻流場中的執行狀態。
這種噪聲是由葉片與前一片葉片的葉尖渦流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** 的定義和空氣動力學描述。
失速引起的噪聲是一種複雜的現象，發生在低流量情況下。出於某種原因，如果流動區域性受到干擾，它會導致其中一片葉片失速。結果，該葉片的上游通道部分阻塞。因此，平均流量偏離該通道。這會導致最初失速葉片上游側的最近葉片的迎角增加，流動再次在那裡失速。另一方面，第一個葉片的另一側由於流動角減小而沒有失速。
重複地，失速單元以約 30~50% 的執行頻率繞葉片旋轉，方向與葉片相反。這一系列現象會導致不穩定的葉片力，並因此產生噪聲和振動。
即使進氣流均勻穩定，轉子的不對稱也會導致旋轉頻率及其諧波（顯然不是葉片透過頻率）處的噪聲。
不穩定流動會導致葉片上的隨機力。它會散佈離散譜噪聲並使其連續。在低頻變化的情況下，散佈的連續譜噪聲圍繞旋轉頻率，併產生窄帶噪聲。進氣流的隨機速度波動會產生寬頻噪聲譜。隨機噪聲成分的產生在以下部分中介紹。
即使在穩定和均勻的進氣流中，葉片上也會存在隨機力波動。這是由於湍流葉片邊界層造成的。雖然也會為此原因產生一些噪聲，但主要的噪聲是由邊界層經過葉片尾緣產生的。葉片尾緣將非傳播近場壓力散射到可傳播的聲場中。
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，併產生寬頻譜噪聲。
出於某種原因，渦流可能會從葉片上分離。然後圍繞葉片的迴圈流動開始發生變化。這會導致葉片上的非均勻力，併產生噪聲。這種現象的典型例子是 '卡門渦街'。（一些影像和動畫。）渦流脫落機制可能發生在低速風扇的層流邊界層中，也可能發生在高速風扇的湍流邊界層中。
流動分離會導致上述失速。這種現象會導致隨機噪聲，它會散佈所有離散譜噪聲，並將噪聲變為寬頻噪聲。
由於冷卻風扇是管道式軸流式機器，葉尖與機殼之間的環形間隙是產生噪聲的重要引數。在旋轉過程中，由於風扇上游和下游之間的壓差，環形間隙中還會發生另一種流動。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，即使風扇在聲學上設計良好，也可能會出現意想不到的噪聲問題。這被稱為安裝效果，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] 指出，在 500mm 風扇的進氣法蘭處安裝和不安裝喇叭口噴嘴會導致噪聲功率改變 50dB（不過，這種應用針對的是更大、噪聲更大的風扇）。
這種效應在管道系統應用中有所體現。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是其葉輪轉速和工作條件的函式，而且還取決於連線到其進氣口和出氣口的管道系統的聲阻抗。因此，風扇和管道系統不僅要從空氣動力學噪聲角度進行匹配，還要從聲學角度進行匹配。
冷卻風扇的降噪存在一些限制。
- 主動降噪在經濟上不可行。80mm 冷卻風扇僅售 5~10 美元。它只適用於高階電子產品。
- 為了降噪而限制某些空氣動力學現象會導致風扇效能嚴重下降。增加風扇轉速當然是對噪音影響更大的因素。
在以下連結的網站中介紹了關於風扇噪音的不同方面，例如主動轉速控制或風扇中使用的各種軸承的噪音比較。
以下網站介紹了一些 PC 噪音的實際問題
- 冷卻風扇噪音比較 - 滑動軸承與滾珠軸承 (PDF 格式)
- 簡要解釋風扇噪音來源和降噪建議
- 掃掠角效應比較
- 各種 80mm 風扇的噪音比較
- 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 冷卻風扇噪音的非正式研究
- PC 機箱風扇噪音的非正式研究
- 臺式電腦最小噪音的主動風扇速度最佳化器
- 一些通用的風扇噪音降低技術
- 各種應用和培訓 - Brüel & Kjær
[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.，“Vergleich verschiedener Gerauschmessverfahren fur Ventilatoren. Forschungsbericht FLT 3/1/31/87, Forschungsvereinigung fur Luft- und Trocknungstechnik e. V., Frankfurt/Main, Germany