陳艷娟 羅劉敏 岳宗豪

摘要：隨著信息技術的不斷進步和人類生活水平的提高，筆記本電腦已經(jīng)成為人們工作和生活離不開的工具。然而，筆記本電腦工作時排風扇會產(chǎn)生噪音，這極大地影響著人們的心情和工作效率。為了降低筆記本電腦風扇產(chǎn)生的噪音，本研究從FDB和扇葉結構兩個方面對其進行了改進，利用Pro/E建立了改進的風扇結構模型，同時通過壓力測試實驗進一步對改進后的效果進行了驗證。實驗結果表明：通過FDB和扇葉結構的改進，風扇系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性得到了提高，達到了降噪的目的。

關鍵詞：噪音;FDB;扇葉;壓力測試;平穩(wěn)性

中文分類號：TP302? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）26-0230-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

筆記本散熱時風扇所產(chǎn)生的噪音是一直以來很難攻克的問題。研究表明，風扇噪音主要分為四大類：高速噪音、低速噪音、軸承音、干涉音[1]。低速噪音主要是當風扇低速運動時軸承內(nèi)部油膜形成不均勻而產(chǎn)生氣泡，軸心旋轉(zhuǎn)擠壓氣泡而產(chǎn)生;而高速噪音主要是當風扇高速運動時軸心做不規(guī)則“偏心”旋轉(zhuǎn)，導致軸心刮碰軸承或者扇葉刮碰風扇外殼而產(chǎn)生。所以這類噪音產(chǎn)生的原因主要有兩個，一是因為軸心有劃傷或缺損，二是因為扇葉的不平衡量太大。這兩種情況都會使軸心在高速旋轉(zhuǎn)的時候發(fā)生晃動[2]。軸承音，即軸承內(nèi)部的聲音，當油膜形成不均勻、油膜中有氣泡時或者軸心做不規(guī)則“偏心”運動時軸心摩擦FDB產(chǎn)生的聲音。干涉音主要是當軸心的“偏心”運動幅度過大時扇葉會刮碰到風扇的上下內(nèi)殼，產(chǎn)生劇烈的摩擦聲而產(chǎn)生，或因矽鋼片某一部分排幅不均勻，導致繞線高度過高、夸極限松動，銅線摩擦到扇葉產(chǎn)生的噪音[3]。

可見，無論產(chǎn)生的是低速噪音、高速噪音還是軸承音、干涉音，究其根本原因都是由風扇運動時軸心做不規(guī)則“偏心”旋轉(zhuǎn)造成的。因此，本研究擬從含油軸承（Fluid Dynamic Bearing， FDB）和扇葉兩個方面對筆記本電腦風扇進行結構改進，并構建模型和使用壓力測試試驗對改進后的風扇進行驗證，以期達到降低風扇噪音的目的。

2 風扇結構的改進

2.1 FDB的改善

FDB又稱為多孔質(zhì)軸承，以金屬粉末為主要原料，用粉末冶金法制作燒結體，而且在制造過程中可自由調(diào)節(jié)孔隙的數(shù)量、大小、形狀及分布等。故含油軸承具有制造成本低、能吸振、噪聲小等優(yōu)點[4]。

含油軸承產(chǎn)生噪音的主要原因是油膜形成過程中將扇葉軸心裝入已經(jīng)點過油的FDB中時，F(xiàn)DB內(nèi)部空氣逃不出去，隨著軸心的擠壓被壓入油膜中而產(chǎn)生氣泡，軸心旋轉(zhuǎn)擠壓氣泡而產(chǎn)生。這種現(xiàn)象不僅會產(chǎn)生噪音，而且會使本來設計好的最大極值的油量溢出銅套，對風扇壽命造成影響。故在FDB上設置逃氣槽（如圖1所示）可以避免此類問題。同時在FDB正面即上表面油膜最薄弱的位置設置α倒角（如圖1所示），可以減少因軸心做不規(guī)則“偏心”運動造成的FDB與軸心的相互磨損。這兩點都可以通過改善粉末冶金工藝中的模具來達到[5]。

2.2 扇葉結構的改善

在實際生產(chǎn)中的規(guī)格如果達不到理想狀態(tài)，無法保證空扇葉或磁環(huán)在360°的圓上每個位置的質(zhì)量平衡。這樣就會導致扇葉在旋轉(zhuǎn)時處于不平衡狀態(tài)，扇葉帶著軸心一起做“偏心”運動，使軸心與FDB相互摩擦產(chǎn)生噪音。而且在高速旋轉(zhuǎn)時會帶動整個風扇振動，使得風扇在電腦內(nèi)部十分不穩(wěn)定，影響整個系統(tǒng)。故可采用添加平衡泥的方式來改善這種狀況。

添加平衡泥之前需要測出扇葉的偏擺值及偏心運動程度，通常使用三軸鐳射的方式進行測量。測試機臺以扇葉光標點為原點，以鐳射檢測的方式測試扇葉旋轉(zhuǎn)時的不平衡量（偏擺值）和風扇扇葉與風扇外殼的上、下尺寸空間，進而便可得知扇葉旋轉(zhuǎn)時做“偏心”運動的程度，在對應的角度添加適量的平衡泥使扇葉達到平衡狀態(tài)[6-7]。具體方式如下：

偏擺值，即扇葉面在旋轉(zhuǎn)時擺動的最高點與最低點的極差值，設為W。首先確定扇葉的葉片數(shù)i（i=72pcs），設底座到扇葉上鐳射點的厚度為Z，則有：

當風扇扇葉以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時鐳射頭會在扇葉上采集N個數(shù)據(jù)。

讀取數(shù)據(jù)呈周期性的變化，采集的數(shù)據(jù)為扇葉的值、扇葉間隙的值。根據(jù)兩者的周期性變化可以得知采集到的測試數(shù)據(jù)為扇葉的測試值，記為M。[M1，M2，M3……Mi;Mi+1，Mi+2]……。將M除以扇葉葉片數(shù)得到的結果取整數(shù)，記為X。即可知道測試時風扇旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。

則第一片扇葉的測試值為：

依次類推便可得到每一片扇葉的測試值，其中的最大值和最小值的差即為偏擺值W。求取每片扇葉的X次測試值的平均值記為[Ziave]。

為了計算風扇扇葉與外殼的上、下尺寸空間，首先假設：Pil是打在Pillow（底座）上所有值的平均數(shù);W是打在扇葉單個葉片值的所有點的平均值（有效圈數(shù)內(nèi)的點）中的最大值減去最小值，故Pillow內(nèi)表面到Cover（外殼）內(nèi)表面的高度（空間理論風扇高度）為[Zcp=Z（ave）+w2]。風扇扇葉到外殼上表面記為上GAP，風扇扇葉到外殼下表面記為下GAP。三軸鐳射共有三個測試鐳射點，便可得出這兩組數(shù)據(jù)，即：Z1，Z2，Z3;Zcp，Z2cp，Z3cp。

當風扇旋轉(zhuǎn)時的平衡度設為T，任意取三點測試的偏擺值W1、W2、W3，其中最大值記為Wmax。R為風扇的旋轉(zhuǎn)半徑，便可得：

3 壓力試驗

在以往的設計中大部分學者只注重了設計部分卻忽略了風扇在系統(tǒng)中運行時的實際狀況，故將改進后的風扇結構進行壓力試驗。風扇在電腦中運行時會受很多外界因素的影響，例：風扇本身很薄，雖然設置了上、下GAP參數(shù)，但在風扇收到外力擠壓的時候會使上、下外殼變形。這會使扇葉摩擦到上、下外殼，不僅會產(chǎn)生明顯噪音而且影響風扇壽命。首先設風扇在理想狀態(tài)下工作，扇葉無“偏心”運動，由設計參數(shù)和上述公式可知：