Wentylatory stanowią fundamentalny element systemów inżynieryjnych w szerokim spektrum zastosowań, od przemysłu, przez budownictwo (systemy HVAC, pompy ciepła), po sektor motoryzacyjny (chłodzenie silników spalinowych, a coraz częściej baterii w pojazdach elektrycznych) oraz urządzenia domowe. Ich podstawowa funkcja polega na wymuszaniu przepływu powietrza lub innych gazów w celu wentylacji, chłodzenia - transportu ciepła. W kontekście pojazdów spalinowych, wentylator chłodnicy jest kluczowym komponentem układu chłodzenia, odpowiedzialnym za utrzymanie optymalnej temperatury silnika, zwłaszcza przy niskich prędkościach pojazdu lub na postoju.
Pomimo niezastąpionej roli w zapewnianiu efektywności energetycznej i funkcjonalności systemów chłodzenia oraz wentylacji, wentylatory są powszechnie uznawane za znaczące źródła hałasu. W szczególności w branży motoryzacyjnej, hałas generowany przez wentylator chłodnicy jest jednym z głównych czynników wpływających na ogólny poziom hałasu pojazdu. W określonych przypadkach może być to hałas dominujący nad innymi źródłami, takimi jak silnik czy układ wydechowy, zwłaszcza w konfiguracjach o wysokim przepływie masowym. Wzrastające oczekiwania konsumentów w zakresie komfortu akustycznego, zarówno wewnątrz pojazdów, jak i w środowisku zewnętrznym, w połączeniu z coraz bardziej rygorystycznymi regulacjami dotyczącymi emisji hałasu, sprawiają, że redukcja hałasu wentylatorów staje się pilnym wyzwaniem inżynierskim. Hałas wentylatora bezpośrednio wpływa na postrzeganą jakość produktu i satysfakcję klienta, a także na wizerunek marki.
W przeszłości, hałas wentylatorów był często maskowany przez inne, głośniejsze komponenty, takie jak silniki spalinowe czy układy wydechowe. Jednak, wraz z postępem technologicznym i rosnącym udziałem pojazdów elektrycznych, gdzie brak hałasu silnika uwydatnia inne źródła, hałas wentylatora staje się bardziej dominujący w ogólnym profilu akustycznym pojazdu. Ta zmiana w krajobrazie akustycznym wymusza ewolucję paradygmatu projektowania: hałas nie może być już problemem rozwiązywanym na późnym etapie rozwoju produktu, ale musi być integralnie uwzględniony od samego początku procesu projektowego. Wczesne włączenie analizy akustycznej w fazę projektowania, często z wykorzystaniem zaawansowanych symulacji, pozwala na identyfikację i eliminację potencjalnych źródeł hałasu zanim zostaną zbudowane kosztowne prototypy fizyczne. Takie podejście znacząco skraca cykl rozwoju produktu, obniża koszty i poprawia ogólną jakość oraz konkurencyjność produktu na rynku.
Hałas generowany przez wentylatory można sklasyfikować w trzech głównych kategoriach, z których każda ma odmienne źródła i charakterystyki:
Hałas aerodynamiczny: Jest to dominująca forma hałasu w większości zastosowań wentylatorów. Powstaje w wyniku złożonych interakcji przepływu powietrza z wirnikiem (łopatkami) oraz stałymi komponentami wentylatora, takimi jak obudowa, wsporniki czy elementy prowadzące. W typowych warunkach pracy i przy wyższych prędkościach obrotowych, hałas aerodynamiczny stanowi przeważający wkład w ogólny poziom hałasu wentylatora.
Hałas elektromagnetyczny: Ten rodzaj hałasu ma swoje źródło bezpośrednio w silniku elektrycznym napędzającym wentylator. Podstawowym mechanizmem jego powstawania jest mechaniczne wzbudzenie stojana, będące efektem fluktuacji pola magnetycznego w szczelinie powietrznej (pomiędzy wirnikiem a stojanem). Może być również indukowany przez harmoniczne prądu generowane przez falowniki, co prowadzi do charakterystycznego hałasu przełączania.
Hałas mechaniczny: Jest to hałas generowany przez elementy mechaniczne wentylatora i jego układu napędowego, takie jak łożyska, przekładnie, niewyważenie wirnika czy zużycie sprzęgła wiskotycznego.
Wkład hałasu elektromagnetycznego i mechanicznego staje się istotny i potencjalnie niemaskowany tylko przy niskich prędkościach obrotowych wentylatora, zazwyczaj poniżej 500 do 1000 obrotów na minutę. Powyżej tego zakresu, hałas aerodynamiczny zdecydowanie przeważa, co kieruje większość badań i działań redukcyjnych na jego mechanizmy.
Złożoność problemu hałasu wentylatorów wymaga zintegrowanego podejścia do analizy NVH, które obejmuje nie tylko aerodynamikę, ale także wibroakustykę i elektromagnetyzm. Dominacja hałasu aerodynamicznego w większości warunków pracy wentylatorów oznacza, że pierwotne wysiłki w redukcji hałasu powinny koncentrować się na zrozumieniu i modyfikacji mechanizmów związanych z przepływem powietrza. Jednakże, w specyficznych scenariuszach, takich jak wentylatory niskoprędkościowe czy pojazdy elektryczne, hałas elektromagnetyczny i mechaniczny mogą stać się istotnymi, a nawet dominującymi problemami. To wymaga od inżynierów holistycznego spojrzenia na źródła hałasu.
Stosowanie zaawansowanych narzędzi symulacyjnych, takich jak SIMULIA PowerFLOW dla aeroakustyki, SIMULIA Manatee dla analizy elektromagnetycznego hałasu i wibracji (e-NVH), oraz SIMULIA Wave6 dla wibroakustyki, umożliwia modelowanie złożonych interakcji między różnymi domenami fizyki. Takie wielofizyczne podejście pozwala na kompleksową optymalizację, identyfikując i redukując wszystkie znaczące źródła hałasu w produkcie, co jest kluczowe dla spełnienia rosnących wymagań rynkowych i regulacyjnych.
Hałas aerodynamiczny, będący dominującym składnikiem hałasu wentylatorów, dzieli się na dwie główne kategorie: hałas tonalny (dyskretny) i hałas szerokopasmowy.
Hałas tonalny charakteryzuje się występowaniem wyraźnie słyszalnych, pojedynczych tonów w widmie częstotliwości. Te tony pojawiają się na częstotliwości przejścia łopatki (BPF - Blade Passing Frequency) oraz jej harmonicznych. BPF definiuje się jako iloczyn liczby łopatek wentylatora i częstotliwości obrotów wirnika (wyrażonej w Hz). W niekorzystnych warunkach, tony te mogą być odbierane jako nieprzyjemne wycie lub dudnienie.
Główną przyczyną hałasu tonalnego jest periodyczna fluktuacja obciążenia łopatki, wywołana niejednorodnością średniego pola prędkości przepływu na wlocie wirnika. Gdy łopatka obraca się, napotyka na zmienne warunki przepływu (np. wzdłuż kierunku obwodowego), co powoduje okresowe zmiany kąta wektora i amplitudy względnej prędkości powietrza na krawędzi natarcia. Te fluktuacje prędkości generują periodyczne zmiany sił aerodynamicznych działających na łopatki, które są emitowane jako tony na częstotliwości BPF i jej wielokrotnościach. Źródłami niejednorodności przepływu wlotowego mogą być różnorodne elementy konstrukcyjne lub warunki środowiskowe, takie jak:
Ślady aerodynamiczne stałych przeszkód: wsporniki, czujniki, lub inne elementy umieszczone przed wentylatorem, które zaburzają jednorodność przepływu wlotowego.
Niejednorodny przepływ w kanałach wlotowych: zakrzywienia kanałów lub asymetrie w układzie kanałów wlotowych mogą prowadzić do nierównomiernego rozkładu prędkości.
Innym istotnym mechanizmem generowania hałasu tonalnego jest interakcja wirujących śladów aerodynamicznych łopatek (tzw. śladów turbulentnych) z nieruchomymi elementami umieszczonymi za wirnikiem. Do tych elementów należą:
Łopatki kierujące (OGV - Outlet Guide Vanes): w wentylatorach osiowych z łopatkami kierującymi, interakcja wirujących śladów łopatek z OGV jest znaczącym źródłem hałasu tonalnego.
Wsporniki silnika: elementy mocowania silnik wentylatora, umieszczone za wirnikiem, również mogą generować tony w wyniku interakcji ze śladami łopatek.
Odcięcie spirali (volute cut-off): w wentylatorach odśrodkowych z obudową spiralną, interakcja przepływu w śladach łopatek z odcięciem spirali jest główną przyczyną hałasu tonalnego. Poziom hałasu tonalnego w tym przypadku może być znacznie zredukowany poprzez zwiększenie promieniowego luzu między wirnikiem a odcięciem spirali do co najmniej 10% średnicy wirnika.
Poziom tonów BPF i ich harmonicznych jest silnie związany z geometrią całego układu wentylatora oraz jego obudowy i mocowania, np. odległości pomiędzy łopatkami a elementami stałymi oraz od periodyczności obwodowej tego układu.
Oprócz tonów BPF, w widmie hałasu wentylatorów, zwłaszcza osiowych, mogą pojawiać się również piki podharmoniczne. Są one wynikiem interakcji struktur wirowych, formujących się w szczelinie między końcówką łopatki a obudową (tzw. "tip clearance"), z kolejnymi łopatkami wentylatora. Te wiry obracają się z niższą prędkością kątową niż wał wentylatora, co prowadzi do generowania wąskopasmowych pików na subharmonicznych częstotliwościach przejścia łopatki. Struktury wirowe są często zorganizowane w szereg spirali (do trzech), co prowadzi do wielokrotnych interakcji łopatka-wir na jedno przejście łopatki i wyjaśnia występowanie wyższych pików podharmonicznych. Badania z wykorzystaniem beamformingu potwierdzają, że główne źródła hałasu tonalnego i szerokopasmowego są zlokalizowane w rejonie szczeliny i końcówki łopatki.
Hałas szerokopasmowy (ciągły) charakteryzuje się ciągłym widmem częstotliwości, bez wyraźnych pików tonalnych. Jest to często główny czynnik wpływający na ogólny poziom hałasu, zwłaszcza przy niskich prędkościach obrotowych (poniżej 1500 obr./min).
Jednym z głównych mechanizmów jego powstawania jest "zasysanie" turbulencji (ang. turbulence ingestion noise). Mechanizm ten jest podobny do hałasu tonalnego, ale zamiast jednorodnych nieciągłości, źródłem są losowe fluktuacje prędkości turbulentnego przepływu na wlocie wirnika. Turbulencja na wlocie prowadzi do przypadkowych fluktuacji amplitudy i kąta wektora względnej prędkości powietrza, co skutkuje losowymi fluktuacjami obciążenia łopatki i emisją hałasu szerokopasmowego. Podobne zjawisko występuje, gdy stałe przeszkody za wirnikiem (np. łopatki kierujące) "tną" wirujące turbulentne ślady aerodynamiczne łopatek.1 Kształt widma hałasu wynikającego z "zasysania" turbulencji zależy od stosunku charakterystycznych skal turbulentnych wirów do rozstawu łopatek. Jeśli skale te są znacznie mniejsze niż rozstaw łopatek, widmo jest szerokopasmowe, ponieważ źródła na łopatkach są całkowicie nieskorelowane. Jeśli natomiast skale turbulentne są znacznie większe niż rozstaw łopatek, źródła są bardziej skorelowane, a widmo dźwięku wykazuje "garby" (humps) skupione wokół wielokrotności BPF. Hałas ten jest głównie obserwowany w niskim i średnim zakresie częstotliwości widma dźwięku.
Innym istotnym źródłem hałasu jest hałas wynikający ze zjawisk aerodynamicznych wokół łopatki. Jest on określany jako hałas interakcji łopatki z wirami (ang. Blade-Vortex Interaction – BVI), powstający w wyniku interakcji łopatki z wirami tworzącymi się w jej bezpośrednim otoczeniu. Jest to specyficzne i często dominujące źródło hałasu de facto tonalnego. Występuje on, gdy łopatki wiatraka wchodzą w interakcję z turbulentnymi wirami generowanymi albo przed wiatrakiem (np. z chłodnicy lub niejednorodnego napływu), albo przez poprzedzające łopatki. Ta interakcja tworzy okresowe fluktuacje ciśnienia, które promieniują jako dźwięk. Powstający hałas można podzielić ze względu na dwa odrębne mechanizmy:
Hałas krawędzi spływu: jest to najczęściej główne źródło wysokoczęstotliwościowego hałasu szerokopasmowego w wentylatorach, mające bardzo znaczący wpływ na ogólny poziom mocy akustycznej. Hałas ten powstaje, gdy turbulentna warstwa przyścienna jest konwekowana poza krawędź spływu łopatki, a energia turbulentnych fluktuacji ciśnienia na ściance jest przekształcana w energię akustyczną, która promieniuje do dalekiego pola. Jednym z analitycznych modeli używanych do przewidywania tego hałasu jest model Amieta, który jako danych wejściowych do obliczeń wymaga, takich danych jak gęstość widmowa mocy i rozmiar obszaru poprzecznej fluktuacji ciśnienia aerodynamicznego w pobliżu krawędzi spływu. Model ten ma zastosowanie zarówno do laminarnych, jak i oderwanych (turbulentnych) warstw przyściennych.
Hałas wskutek odrywania się wirów (vortex shedding noise): ten rodzaj hałasu, związany z wirami von Kármána w śladach aerodynamicznych łopatek, występuje, gdy kąt natarcia łopatki wentylatora jest niski, a grubość krawędzi spływu profilu jest duża w porównaniu z grubością warstwy przyściennej. Jest to hałas wąskopasmowy, z "garbem" skupionym wokół częstotliwości zależnej od średniej prędkość przepływu oraz grubość profilu na krawędzi spływu. W wentylatorach osiowych, ze względu na zmienność prędkości względnej wzdłuż krawędzi spływu, "garb" ten jest szerszy niż obserwowany na nieruchomym profilu w jednorodnym przepływie co powoduje powstawanie hałasu szerokopasmowego.
Kolejnym źródłem hałasu jest hałas wiru końcówki łopatki (Tip Vortex Noise), który dotyczy wyłącznie wentylatorów osiowych i mieszanych. Przepływ w szczelinie między końcówką łopatki a obudową jest turbulentny i złożony z powodu lokalnych zjawisk, takich jak wiry indukcyjne powstające na końcówkach łopatek spowodowane przepływem poprzecznym do ruchu łopatki a wynikającym z różnicą ciśnień na obu jej stronach. Hałas ten jest wynikiem interferencji wirów indukcyjnych z obudową i sąsiednią łopatką a jego intensywność wzrasta wraz ze wzrostem odległości promieniowej pomiędzy końcówką łopatki od obudową.
Charakterystyka hałasu aerodynamicznego wentylatorów jest silnie zależna od ich typu i geometrii. Poniżej zestawiono główne źródła hałasu aerodynamicznego dla różnych typów wentylatorów:
Hałas tonalny w wentylatorach osiowych wynika głównie z niejednorodności przepływu wlotowego i interakcji ze stałymi elementami za wirnikiem, takimi jak łopatki kierujące (OGV). Główne źródła hałasu szerokopasmowego to interakcja turbulentnego przepływu wlotowego z łopatkami wirnika, hałas własny łopatki oraz hałas wiru indukcyjnego. W wentylatorach z łopatkami kierującymi, interakcja turbulentnych śladów łopatek z OGV również generuje hałas szerokopasmowy.
Wentylatory odśrodkowe to typ wentylatorów, w których powietrze zmienia kierunek przepływu o 90° - napływa w kierunku równoległym a wypływa w kierunku prostopadłym w stosunku do osi wentylatora. Główną przyczyną hałasu tonalnego w wentylatorach odśrodkowych jest niejednorodność pola przepływu na wlocie wirnika, a w wentylatorach odśrodkowych z obudową spiralną – interakcja przepływu w śladach łopatek z odcięciem spirali. Wentylatory odśrodkowe z łopatkami promieniowymi są znane z bardzo silnego tonu BPF. Z kolei wentylatory odśrodkowe z łopatkami zakrzywionymi do przodu charakteryzują się niskim poziomem hałasu tonalnego ze względu na dużą liczbę łopatek o małej cięciwie. Mechanizmy powstawania hałasu szerokopasmowego są podobne jak w przypadku wentylatorów osiowych, z wyjątkiem hałasu wiru indukowanego, który nie występuje w wentylatorach odśrodkowych. Istotnym źródłem hałasu szerokopasmowego jest natomiast interakcja turbulentnego przepływu na wylocie wirnika z odcięciem spirali i całą obudową. Wentylatory odśrodkowe z łopatkami zakrzywionymi do przodu mają specyficzną charakterystyki akustyczne. Hałas szerokopasmowy jest w nich związany ze strukturą przepływu w całym wentylatorze, a nie tylko między łopatkami. Poziom hałasu w tych wentylatorach wzrasta wraz ze wzrostem natężenia przepływu, nie osiągając minimum w punkcie najlepszej sprawności (BEP), co jest typowe dla innych wentylatorów.
W wentylatorze poprzecznym powietrze przepływa w poprzek wirnika - wpływa do niego w obszarze ssawnym, przepływa przez jego wnętrze i zostaje wyrzucone w obszarze tłocznym. Powietrze przepływa dwukrotnie przez wirnik i dwukrotnie jest przyspieszane. Chociaż wentylatory te znane są ze stosunkowo cichej pracy, to ich charakterystyki aeroakustyczne są silnie uzależnione od charakteru powstających wirów. Podobnie jak w wentylatorach odśrodkowych z łopatkami zakrzywionymi do przodu, poziom hałasu wzrasta w sposób ciągły wraz ze wzrostem natężenia przepływu, bez osiągania minimum w punkcie najlepszej sprawności. Ich hałas jest bardziej związany z ogólnym wzorcem przepływu w całym wentylatorze niż z drobną strukturą przepływu na powierzchniach łopatek.
Precyzyjne określenie poziomu hałasu wentylatorów wymaga zastosowania specjalistycznych metod pomiarowych i analitycznych, które pozwalają na ilościową ocenę emisji akustycznej i identyfikację jej źródeł. W akustyce są wykorzystywane dwa podstawowe parametry do opisu hałasu: poziom ciśnienia akustycznego (SPL) i poziom mocy akustycznej (SWL).
Poziom ciśnienia akustycznego (SPL, ang. Sound Pressure Level) jest wartością mierzalną bezpośrednio za pomocą miernika poziomu dźwięku (sonometru). Wynika on z okresowej zmiany ciśnienia powietrza, która powstaje w wyniku zagęszczeń i rozrzedzeń ośrodka sprężystego (np. powietrza). Ciśnienie akustyczne jest średnią kwadratową wartością tego ciśnienia w ciągu jednego okresu. Ze względu na bardzo szeroki zakres słyszalności ludzkiego ucha (od 20 do 200 000 000 μPa), ciśnienie akustyczne podaje się w skali logarytmicznej w stosunku do ciśnienia odniesienia, które wynosi 20 μPa. Wartość SPL bardzo silnie zależy od odległości od źródła dźwięku, właściwości ośrodka, w którym propaguje fala dźwiękowa oraz otoczenia i zjawisk takich jak odbicia czy pochłanianie. Przykładowo, podwojenie odległości od punktowego źródła dźwięku powoduje zmniejszenie poziomu ciśnienia akustycznego o około 6 dB. Czułość ludzkiego ucha na dźwięk nie jest jednolita w całym zakresie częstotliwości. Ludzkie ucho jest najbardziej wrażliwe w zakresie częstotliwości 1-5 kHz, a najniższy słyszalny poziom ciśnienia akustycznego występuje zazwyczaj między 3000 a 4000 Hz. Mierniki poziomu dźwięku wykorzystują filtry ważenia częstotliwościowego, aby skorygować pomiary SPL do percepcji ludzkiego ucha. Najczęściej stosowanym do pomiaru hałasu środowiskowego jest tzw. filtr A-ważony, ponieważ najlepiej odpowiada czułości ludzkiego ucha na dźwięki o średniej częstotliwości.
Poziom mocy akustycznej (SWL, ang. Sound Power Level) jest wartością, której nie można zmierzyć bezpośrednio, ponieważ jest to miara całkowitej energii dźwięku emitowanej przez źródło na jednostkę czasu, niezależnie od otoczenia. Moc akustyczna jest wyrażana poprzez scałkowanie ciśnienia akustycznego emitowanego przez powierzchnię wokół źródła dźwięku. SWL jest wielkością charakterystyczną dla danego źródła dźwięku, ponieważ nie zależy od czynników takich jak odległość od źródła czy absorpcja dźwięku przez otaczające materiały. W celu wiarygodnego porównania urządzeń, należy opierać się wyłącznie na wartościach poziomu mocy akustycznej.
Pomiar hałasu wentylatorów może być realizowany za pomocą metod laboratoryjnych (w komorach akustycznych) lub metod terenowych (in-situ).
Pomiary laboratoryjne mocy akustycznej wentylatorów są często przeprowadzane w specjalnie zaprojektowanych komorach akustycznych (komory bezechowe i pogłosowe), które minimalizują wpływ środowiska na wynik pomiaru. Komora bezechowa (ang. anechoic chamber) jest pomieszczeniem zaprojektowanym tak, aby wyeliminować odbicia dźwięku, tworząc warunki zbliżone do swobodnego pola akustycznego. Umożliwia to precyzyjne określenie poziomu mocy akustycznej źródła hałasu zgodnie z normami, takimi jak ISO 3745. Pomiary w komorze bezechowej z odbijającą podłogą (semi-anechoic chamber) są często stosowane w przypadku dużych źródeł. Komora bezechowa musi spełniać określone wymagania, weryfikowane poprzez porównanie przestrzennego zaniku poziomu ciśnienia akustycznego ze źródła testowego z zanikiem przewidywanym przez prawo odwrotnych kwadratów. W komorze rozmieszczone są mikrofony na powierzchni pomiarowej (np. półkuli) otaczającej badany obiekt, w punktach odpowiadających różnym polom powierzchni. Norma EN ISO 3744:2010 zaleca sześć pozycji mikrofonów na półkuli, jeśli największy wymiar równoległościanu odniesienia nie przekracza 8 m. Poziom hałasu tła w komorze powinien być co najmniej o 10 dB niższy od poziomu hałasu generowanego przez badane źródło. Jeśli różnica wynosi od 10 dB do 20 dB, stosuje się korekcję. Komora pogłosowa (ang. reverberation room) jest to pomieszczenie o silnie odbijających dźwięk ścianach, które tworzy rozproszone pole akustyczne. Umożliwia to również określenie poziomu mocy akustycznej, szczególnie dla małych źródeł, zgodnie z normami ISO 3743.
W przypadku pomiarów w warunkach rzeczywistych (in-situ), gdzie środowisko akustyczne jest złożone i występują liczne odbicia, stosuje się specjalne metody terenowe, np. mapowanie natężenia dźwięku (ang. sound intensity mapping). Ta metoda pozwala na identyfikację i lokalizację źródeł hałasu na powierzchni badanego obiektu. Mierzy się natężenie dźwięku (czyli przepływ energii akustycznej) w wielu punktach na powierzchni otaczającej źródło, co pozwala na stworzenie mapy konturowej pokazującej rozkład hałasu.1 Mapowanie natężenia dźwięku jest szczególnie przydatne do określania mocy akustycznej w warunkach zbliżonych do pola swobodnego nad płaszczyzną odbijającą, zgodnie z normą PN-EN ISO 3744.23 Badania te są wykonywane za pomocą sondy natężenia dźwięku, składającej się z pary mikrofonów.
Do pomiarów akustycznych wentylatorów wykorzystuje się specjalistyczny sprzęt:
Mierniki poziomu dźwięku (Sonometry): Urządzenia te mierzą SPL i inne parametry akustyczne. Do profesjonalnych zastosowań wymagane są mierniki klasy 1, które spełniają normę IEC 61672.24 Charakteryzują się szerokim zakresem dynamicznym (np. 15.8-140.9 dB(A)) i częstotliwościowym (np. 6 Hz - 20 kHz).25
Mikrofony pomiarowe: Są to precyzyjne mikrofony pojemnościowe o płaskiej charakterystyce częstotliwościowej, używane do zbierania sygnałów akustycznych.
Systemy akwizycji danych (DAQ - Data Acquisition Systems): Służą do cyfrowego próbkowania i rejestrowania sygnałów akustycznych z mikrofonów. Umożliwiają synchroniczne przechwytywanie sygnałów analogowych i cyfrowych, często z obsługą wejść ICP (Integrated Circuit Piezoelectric) dla czujników, takich jak akcelerometry. Oprogramowanie DAQ pozwala na zarządzanie pomiarami, analizę danych i ich wizualizację w czasie rzeczywistym lub offline.
Jedną z kluczowych metod analiz wyników pomiarów hałasu jest analiza widmowa, która pozwala rozłożyć sygnał hałasu na jego składowe częstotliwościowe, ujawniając obecność tonów i charakterystykę hałasu szerokopasmowego. Powszechnie stosowana jest tzw. Szybka Transformata Fouriera (ang. Fast Fourier Transform - FFT) - algorytm służący do wydajnego obliczania dyskretnej transformaty Fouriera (DFT) sygnału w dziedzinie czasu na dziedzinę częstotliwości. Proces pomiaru FFT obejmuje pozyskiwanie sygnału (cyfrowe próbkowanie z częstotliwością próbkowania co najmniej dwukrotnie wyższą niż najwyższa składowa częstotliwości, zgodnie z twierdzeniem Nyquista), opcjonalne okienkowanie (np. okno Hanninga, aby zminimalizować wyciek widmowy), zastosowanie algorytmu FFT, analizę wyników (widmo amplitudowe i fazowe), oraz wizualizację. Istotnym parametrem pomiaru jest rozdzielczość częstotliwościowa, określana jako stosunek częstotliwość próbkowania do liczby próbek, definiującą najmniejsza wykrywalna różnica między dwoma składowymi widmowymi. Analiza FFT jest niezbędna do identyfikacji pików tonalnych (np. BPF i jego harmonicznych) oraz oceny charakterystyki hałasu szerokopasmowego. Pozwala na zrozumienie przyczyn nadmiernego hałasu i ukierunkowanie działań redukcyjnych.
Symulacje numeryczne, w szczególności metody Obliczeniowej Mechaniki Płynów (ang. Computational Fluid Dynamics - CFD) i Aeroakustyki Obliczeniowej (ang. Computational AeroAcoustics - CAA), są nieocenionym narzędziem w projektowaniu i optymalizacji wentylatorów pod kątem redukcji hałasu. W symulacjach hałasu wentylatorów stosuje się różne podejścia, często łączące metody CFD z metodami CAA. Obliczenia CFD jest kluczowym narzędziem do symulowania wzorców przepływu płynów i jest niezbędnym krokiem wstępnym dla CAA. CFD pozwala na analizę, jak powietrze przepływa przez wentylator, przewody, wymienniki ciepła (chłodnice, nagrzewnice), czerpnie, wyrzutnie, nawiewniki, wywiewniki czy filtry identyfikując obszary turbulencji, niestabilności przepływu oraz fluktuacji ciśnienia, które są bezpośrednimi źródłami hałasu. Bez dokładnego rozwiązania pola przepływu, precyzyjne przewidywanie generacji i propagacji dźwięku nie byłoby możliwe.
Symulacje umożliwiają inżynierom szybką analizę i porównanie wielu wariantów projektowych w środowisku wirtualnym. Obejmuje to badanie różnych geometrii łopatek, ich liczby, konstrukcji osłon oraz konfiguracji całego układu przepływu powietrza. Dzięki wczesnemu wykrywaniu i korygowaniu potencjalnych błędów projektowych związanych z hałasem na etapie rozwoju, zanim zostaną zbudowane fizyczne prototypy, można osiągnąć znaczne oszczędności czasu i kosztów. To iteracyjne prototypowanie cyfrowe drastycznie zmniejsza potrzebę używania kosztownych fizycznych prototypów i związanych z nimi testów, skracając czas rozwoju produktu. Korzyści ekonomiczne i czasowe wynikające z zastosowania metod CFD-CAA sprawiają, że narzędzia te są nie tylko instrumentami analitycznymi, ale strategicznymi elementami procesu rozwoju produktu. Oznacza to fundamentalną zmianę z tradycyjnych cykli "buduj-testuj-napraw" – gdzie problemy z hałasem są identyfikowane i rozwiązywane na późnym etapie rozwoju – na paradygmat "symuluj-optymalizuj-waliduj". W tym nowoczesnym podejściu symulacja proaktywnie kieruje początkowymi wyborami projektowymi w zakresie charakterystyki akustycznej, a testy fizyczne służą przede wszystkim ostatecznej walidacji i precyzyjnemu dostrajaniu. Takie proaktywne podejście minimalizuje kosztowne zmiany projektowe na późnym etapie. Jeśli błędy projektowe związane z hałasem zostaną odkryte dopiero po zbudowaniu fizycznych prototypów, ich naprawa może wiązać się ze znacznymi kosztami ponownego oprzyrządowania, materiałów i opóźnień. Oznacza to, że symulacja staje się narzędziem projektowym, umożliwiającym inżynierom eksplorację szerszej przestrzeni projektowej i osiągnięcie optymalnego, cichego rozwiązania znacznie szybciej i taniej niż w przypadku prototypowania fizycznego.
Charakterystyczne cechy hałasu wentylatorów wymagają zastosowania odmiennych podejść modelowania i technik analizy w symulacji. Hałas tonalny jest często związany z deterministycznymi, okresowymi interakcjami (np. interakcja łopatka-ślad, interakcja łopatka-chłodnica), co wymaga przeprowadzenia symulacji niestacjonarnych, które te interakcje dokładnie odzwierciedlają. Hałas szerokopasmowy natomiast wynika z przypadkowej natury turbulencji, co wymaga zastosowania modeli turbulencji (takich jak LES), które odwzorowują niestacjonarne fluktuacje przepływu. To oznacza, że kompleksowa symulacja aeroakustyczna musi precyzyjnie uchwycić zarówno uśredniony przepływ, jak i jego niestacjonarne składowe, aby móc przewidzieć poprawnie pełne widmo hałasu. Jeżeli symulacja wykorzystuje jedynie model przepływu w stanie ustalonym (np. RANS), z natury rzeczy odfiltruje składowe zmienne w czasie, które są odpowiedzialne za generowanie hałasu tonalnego i większości hałasu szerokopasmowego. Dlatego, aby dokładnie przewidzieć hałas wentylatora, symulacja musi być niestacjonarna. Ponadto, ponieważ hałas tonalny i szerokopasmowy pochodzą z różnych mechanizmów fizycznych, wybrane modele obliczeniowej aeroakustyki (CAA) muszą być zdolne do uchwycenia obu zjawisk.
W obszarze symulacji hałasu wentylatorów, bardzo istotne miejsce zajmuje zintegrowany pakiet oprogramowania Dassault Systèmes SIMULIA, który pozwala na kompleksową analizę akustyczną: aeroakustyczną, wibroakustyczną a nawet elektromagnetyczną (e-NVH). W przypadku wentylatorów kluczowymi narzędziami są PowerFLOW/PowerACOUSTICS, Manatee i Wave6.
SIMULIA PowerFLOW stanowi podstawę tego zintegrowanego podejścia, będąc zaawansowanym oprogramowaniem CFD, które wyróżnia się unikalną niestacjonarną metodą obliczeniową opartą na metodzie Lattice-Boltzmann (LBM). To nowatorskie podejście do rozwiązywania równań przepływu płynów oferuje znaczące zalety w symulacji hałasu wentylatorów. LBM jest z natury niestacjonarną i ściśliwą metodą obliczeniową, co czyni ją idealną do obliczeń aeroakustycznych. PowerFLOW bezpośrednio symuluje wieloskalowe przepływy turbulentne, co pozwala na dokładne przewidywanie zarówno hałasu tonalnego, jak i szerokopasmowego. Ta fundamentalna cecha pozwala na bezpośrednie rozwiązywanie przepływu płynu i towarzyszących mu zjawisk akustycznych, bez konieczności stosowania dodatkowych przybliżeń. Jest to szczególnie ważne w badaniach zjawisk przejściowych, które są charakterystyczne dla zastosowań takich jak wentylatory. Dzięki tej właściwości, symulacje LBM mogą być wykorzystywane do przeprowadzania bezpośrednich symulacji akustycznych (Direct CAA). Pomimo tego, że LBM jest globalnie dokładna do drugiego rzędu, wykazuje ona właściwości rozpraszania akustycznego odpowiadające schematom różnic skończonych Naviera-Stokesa szóstego rzędu. Dodatkowo, jej właściwości dyspersyjne są równoważne schematom drugiego lub trzeciego rzędu. Niski poziom dyssypacji numerycznej w schemacie LBM pozwala falom akustycznym na dokładne propagowanie się z obszaru przepływu i źródeł hałasu indukowanego przepływem do dalekiego pola. To sprawia, że możliwe jest bezpośrednie oszacowanie akustyczne nawet w dalekim polu choć obliczeniowo jest to drogie i wymaga dużej rozdzielczości czasowej i przestrzennej (dyskretyzacji) a dokładne rozdzielenie propagacji akustycznej od obszaru źródła w polu bliskim do mikrofonów w polu dalekim w ramach domeny obliczeniowej PowerFLOW jest niepraktyczne. Fale dźwiękowe propagujące się do pola dalekiego to bardzo małe zaburzenia ciśnienia w porównaniu do fluktuacji ciśnienia turbulentnego w obszarze źródła w polu bliskim.
Wizualizacja źródeł hałasu FIND w standardowych systemach HVAC pojazdów (skala kolorów). Wizualizacja przepływu i akustyki w kabinie z wykorzystaniem pochodnej czasowej ciśnienia (skala szarości) (Dassault Systemes)
Dlatego dla dużych odległości wykorzystuje się powszechnie metody analogii akustycznej, rozwiązując równanie Ffowcs Williams–Hawkings (FW-H). Do tego dedykowane jest narzędzie PowerACOUSTICS służące do post-processingu aeroakustycznego. PowerACOUSTICS składa się z czterech modułów, kluczowych dla analizy hałasu wentylatorów:
Moduł analizy spektralnej (Spectral Analysis Module - SPM), który umożliwia szeroki zakres analiz akustycznych i niestacjonarnych przepływów płynów za pomocą filtrowania opartego na transformacie Fouriera.
Moduł analizy pola dalekiego (Far-Field Analysis Module - FFN) służy do przewidywania hałasu promieniowanego do pola dalekiego, np. od wentylatora chłodzącego, wykorzystując analogię akustyczną Ffowcsa Williamsa-Hawkingsa (FW-H) bazującą na sformułowaniu 1A Farassata (2007), które przekształca równanie FW-H do postaci całkowej i pozwala to na obliczenie ciśnienia akustycznego w dowolnym punkcie w przestrzeni na podstawie informacji z powierzchni źródłowej, uwzględniając opóźnienia czasowe związane z propagacją dźwięku. To rozwiązaniem równania FW-H, uwzględniają tylko źródła powierzchniowe, przy założeniu, że powierzchnia porusza się z prędkością poddźwiękową. Sformułowanie 1A koncentruje się na dwóch głównych typach źródeł hałasu pochodzących z ruchomej powierzchni: hałasie monopolowym związany z wypieraniem płynu przez łopatki oraz hałas dipolowym wynikający z ciśnienia wywieranego przez łopatkę na powietrze.
Moduł transmisji hałasu (Noise Transmission Module - NTM), umożliwia obliczanie poziomu hałasu we wnętrzu pojazdu za pomocą analizy typu SEA (Statistical Energy Analysis), spowodowane fluktuacjami ciśnienia na zewnętrznych powierzchniach pojazdu, np szybami będącymi szczególnie efektywnymi w przenoszeniu hałasu do wnętrza. Moduł ten pozwala na generowanie wykresów wyników w różnych jednostkach (np. dB, dBA, dBD) oraz badanie wpływu zmian pakietu wygłuszeniowego (np. laminacji szyb czy grubości szkła) na poziom hałasu.
Moduł wykrywania hałasu wywołanego przepływem (Flow-Induced Noise Detection - FIND) pozwala na identyfikację i ilościowe określenie źródeł hałasu wywołanego przepływem, wykorzystując teorię hałasu wirowego, generując czytelne mapy 3D źródeł hałasu, co ułatwia zrozumienie ich pochodzenia i ukierunkowanie optymalizacji projektu. Wynikiem obliczeń są również oczywiście wykresy historii ciśnienia w funkcji czasu w wirtualnych mikrofonach. W kontekście analizy hałasu wentylatora chłodnicy warto zwrócić uwagę, że PowerFLOW może modelować chłodnicę w uproszczony sposób, jako element porowaty.
PowerACOUSTICS analizuje niestacjonarne wyniki symulacji PowerFLOW pozwalając obliczać zmienne pola akustycznego w praktycznie dowolnej odległości od jego źródła. Podejście to rozdziela problem generowania hałasu od jego propagacji na duże odległości. Symulacje CFD wykonane w PowerFLOW najpierw wychwytują potencjalne źródła hałasu w polu bliskim, a następnie stosowane jest metoda analogii akustycznej w module analizy pola dalekiego w PowerACOUSTICS.
SIMULIA Wave6 to pakiet oprogramowania do symulacji wibroakustycznej i aero-wibroakustycznej, który oferuje unikalne metody analizy hałasu i wibracji w całym słyszalnym zakresie częstotliwości. W kontekście wentylatorów, Wave6 integruje wyniki z PowerFLOW, aby modelować przenoszenie hałasu przez konstrukcję. Oblicza hałas przenoszony przez powietrze i konstrukcję, wykorzystując metody elementów skończonych (FEM) dla niskich częstotliwości (np. do wychwytywania globalnych modów strukturalnych) oraz metody Statystycznej Analizy Energii (SEA) dla średnich i wysokich częstotliwości (np. do modelowania propagacji fal przez złożone struktury). Wave6 umożliwia efektywne przenoszenie geometrii, siatek i wyników z modeli przepływowych i strukturalnych do modeli wibroakustycznych.
Analiza akustyczna systemu HVAC w samochodzie (Dassault Systemes)
W przypadku wentylatorów napędzanych elektrycznie, warto pamiętać o SIMULIA Manatee dedykowanemu analizie hałasu elektromagnetycznego (e-NVH). Manatee oblicza rozkład sił magnetycznych generowanych przez silnik elektryczny wentylatora oraz wynikające z nich wibracje i hałas, oferując zestaw słabo sprzężonych solverów wielodomenowych, które uwzględniają wzajemne oddziaływanie zjawisk elektrycznych, magnetycznych, strukturalnych i akustycznych. Manatee oferuje narzędzi do analizy sygnatur sił magnetycznych, spatiogramów i wykresów udziału, co pomaga zidentyfikować źródła hałasu.
Efektywność praktycznego zastosowania oprogramowania PowerFLOW i PowerACOUSTICS w analizie hałasu potwierdzono w wielu badaniach, gdzie porównywano wyniki symulacji z pomiarami eksperymentalnymi. Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat prace takie prowadzone były i są przez wiele ośrodków uniwersyteckich oraz wielu firm takich jak Valeo, MAHLE czy Dephi/Aptiv.
Bardzo dobrym przykładem jest badanie opisane w artykule „Validation of the Lattice Boltzmann Method for Simulation of Aerodynamics and Aeroacoustics in a Centrifugal Fan,” mających na celu walidację metody Lattice Boltzmanna (LBM) w symulacjach aerodynamicznych i aeroakustycznych wentylatora odśrodkowego. Autorzy, Rebecca Schäfer i Martin Böhle, wykorzystali SIMULIA PowerFLOW, do analizy wentylatora odśrodkowego z obudową spiralną, porównując wyniki symulacji z danymi eksperymentalnymi zebranymi na stanowisku pomiarowym.
Badany wentylator odśrodkowy bez obudowy spiralnej, schematyczny widok stanowiska testowego wentylatora w widoku z góry oraz stanowisko pomiarowe wewnątrz pomieszczenia bezechowego (Schäfer i Martin Böhle, 2020)
Badania koncentrowały się na czterech różnych punktach pracy wentylatora, od częściowego obciążenia do przeciążenia, wykazując bardzo dobrą zgodność między symulacją a pomiarami zarówno w zakresie parametrów aerodynamicznych, jak i akustycznych. Ocena skuteczności PowerFLOW w zakresie aerodynamicznym, obejmująca porównanie przyrostu ciśnienia i sprawność wentylatora, została potwierdzona różnicami wynoszącymi odpowiednio 0,5–3,5% dla współczynnika przyrostu ciśnienia oraz 0,7–2,5% dla sprawności. W zakresie aeroakustycznym, również wykazano doskonałą zgodność widm akustycznych i całkowitego poziomu ciśnienia akustycznego w zakresie częstotliwości od 100 Hz do około 2400 Hz, z różnicą pomiędzy wynikami symulacji a pomiarami na poziomie 0,2–2,4%.
Całkowity poziom ciśnienia akustycznego 𝐿𝑝,𝑒 w porównaniu do pierwszego i drugiego szczytowego poziomu BPF 𝐿𝑝,𝑒 𝐵𝑃𝐹1 i 𝐿𝑝,𝑒 𝐵𝑃𝐹2 wyodrębnionych ze widm akustycznych uśrednionych w pozycjach pomiarowych M1 do M11 w eksperymencie (EXP) oraz symulacji (SIM) (Schäfer i Martin Böhle, 2020)
Ponadto, symulacje LBM były w stanie dokładnie przewidzieć poziomy ciśnienia akustycznego zarówno dla składowych tonalnych (częstotliwości przejścia łopatki – BPF), jak i składowych hałasu szerokopasmowego. Dzięki temu, że PowerFLOW umożliwia bezpośrednią wizualizację pola przepływu i pola akustycznego, dostarcza szczegółowej wiedzy inżynierskiej, identyfikując i lokalizując cztery główne obszary generowania hałasu (obszar języka, przejścia międzyłopatkowe, szczelina między wirnikiem a obudową oraz ślad za krawędzią spływu wirnika), co pokazuje jak skuteczna jest to metoda w porównaniu do konwencjonalnych metod numerycznych, które wymagają dodatkowego etapu do opisu pola akustycznego.
Poziom ciśnienia akustycznego wirnika i obudowy filtrowanych wokół filtra BPF (góra) i w zakresie szerokopasmowym 100–2500 Hz (dół) (Schäfer i Martin Böhle, 2020)
Publikacja ta jest doskonałym potwierdzenie skuteczności metody LBM jako efektywnego podejścia do do projektowaniu wentylatorów o niskim poziomie hałasu.
Bardzo ciekawy przykład analizy akustycznej modułu wentylatora chłodzącego silnik (ang. Condenser, Radiator and Fan Modul - CRFM), typowego dla przemysłu motoryzacyjnego, obejmującego wentylator, silnik elektryczny, osłonę oraz wymienniki ciepła (skraplacz i chłodnica) znaleźć można w artykule Lalliera-Danielsa i współpracowników (2016). Porównano w nim wartości pól akustycznych uzyskane w PowerFLOW i PowerACOUSTICS metodą bezpośrednią oraz analogią akustyczną FW-H z pomiarami eksperymentalnymi.
Model modułu wentylatora chłodzącego silnik (ang. Condenser, Radiator and Fan Modul - CRFM) (Lallier-Daniels i inni, 2016)
W symulacji, ze względu na złożoność siatkowania, wymienniki ciepła są modelowane jako obszary ośrodka porowatego, których opór odzwierciedlał rzeczywiste straty ciśnienia. Dodatkowo, za modułem wentylatora uwzględniono płytę blokującą, symulującą bliskość bloku silnika w samochodzie. Symulacja odzwierciedla stanowisko pomiarowe w komorze pół bezechowej, z dużą domeną i sztucznie zwiększoną lepkością w zewnętrznych warstwach, aby zapobiec odbiciom fal akustycznych. Wentylator pracował w warunkach swobodnego przepływu przy prędkości obrotowej 2535 obr./min, a dane akustyczne zbierano za pomocą 20 punktów pomiarowych umieszczonych 0.5 m przed modułem, odzwierciedlając eksperymentalny układ mikrofonów.
Wyniki uzyskane z symulacji w PowerFLOW porównane z danymi eksperymentalnymi wykazują dobrą ogólną korelację między symulacją a eksperymentem. Widma akustyczne wykazały obecność hałasu tonalnego wokół pierwszej częstotliwości przejścia łopatki (BPF) oraz szerokopasmowego "garbu" w zakresie częstotliwości poniżej drugiej BPF. Ten szerokopasmowy "garb" mógł być powiązany z obecnością wirujących struktur turbulentnych w przepływie, które oddziałują z łopatkami wentylatora. W analizie pola przepływu wykorzystano kryterium identyfikacji wirów λ2, zaproponowane przez Jeong i Hussaina (1995). Współczynnik λ2 jest definiowany w oparciu o wartości własne tensora będącego sumą kwadratów symetrycznej i antysymetrycznej częścią tensora gradientu prędkości. Wir (lub rdzeń wiru) jest identyfikowany jako spójny obszar, w którym tensor ten ma dwie ujemne wartości własne. Wizualizacje λ2 pozwalają na uwidocznienie charakterystycznych wzorców w polu wirowym: pierścienia struktur wirowych w pobliżu szczeliny pomiędzy obudową wentylatora oraz łopatkami, oraz większe struktury pojawiające się w miejscach, gdzie rama modułu skraplacza/chłodnicy/wentylatora (Condenser Radiator Fan Modules - CRFM) jest najbliżej wentylatora. Takie struktury wirowe, zwłaszcza te obracające się z ułamkiem prędkości wentylatora, mogą wchodzić w interakcje z kolejnymi łopatkami, prowadząc do zwiększonego generowania hałasu tonalnego i szerokopasmowego. Wyznaczanie współczynnika λ2 w PowerFLOW jest skuteczną metodą identyfikacji i wizualizacji rdzeni wirów w złożonych przepływach, co ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmów generowania hałasu aeroakustycznego. Również analiza fluktuacji ciśnienia na powierzchni wentylatora, stojana i silnika elektrycznego wykazała wysokie poziomy w obszarach takich jak strona ssąca łopatek w pobliżu krawędzi natarcia, co korelowało z pojawianiem się struktur wirowych.
Izopowierzchnie pola λ2 - mapa konturowa przedstawia znormalizowaną składową poziomą prędkości (Lallier-Daniels i inni, 2016)
W celu identyfikacji i kwantyfikacji dominujących źródeł hałasu, zastosowano analogię akustyczną Ffowcsa Williamsa-Hawkingsa (FW-H) dostępną w PowerACOUSTICS. Powierzchnie, dla których rejestrowano fluktuacje ciśnienia, zostały rozdzielone, aby umożliwić precyzyjną identyfikację źródeł promieniowanego hałasu w polu dalekim. Obejmowały one łopatki wentylatora, piastę, pierścień wentylatora, pierścień osłony, stojan, stojan silnika, wirnik, a także ramę modułu i płytę blokującą. Uzyskane wyniki, które bardzo dokładnie odpowiadały wynikom pomiarów, potwierdziły, że hałas jest głównie wynikiem interakcji powietrza z konstrukcją, co wymaga uwzględnieniem efektów odbić akustycznych od podłoża oraz interakcję z ramą modułu i płytą symulującą blok silnika.
Porównanie gęstości widmowej mocy ciśnienia akustycznego obliczonej w symulacji (CAA) dla czasu analiz 0,35 s (Sim 1) oraz 1,0 s (Sim 2) z wartościami z eksperymentu (EXP)
Analiza uzyskanych wartości takich jak wartości PSD ciśnień akustycznych jak również wzorców kierunkowości dla 1, 2 i 3 BPF wykazała bardzo dobrą zgodność pomiędzy wynikami analizy bezpośredniej CAA w PowerFLOW, obliczeń z użyciem analogii akustycznej FW-H w PowerACOUSTICS oraz bezpośrednimi pomiarami, szczególnie dla wyższych częstotliwości. Analiza udziału źródeł wykazała, że płyta blokująca znacząco przyczynia się do poziomu hałasu w całym spektrum częstotliwości, co jest wynikiem jej ekspozycji na zaburzony przepływ wylotowy z wentylatora. Poziomy PSD ze elementów stojana również ściśle odpowiadały poziomom z ramy modułu. Ostatecznie, dla pierwszej BPF, głównymi czynnikami przyczyniającymi się do hałasu okazały się elementy wirnika i stojana.
Analiza hałasu wentylatorów jest złożonym zagadnieniem, wymagającym holistycznego podejścia, które uwzględnia różnorodne źródła emisji akustycznej oraz zaawansowane metody pomiarowe i symulacyjne. Wentylatory, będące kluczowymi komponentami w wielu systemach, od przemysłowych po motoryzacyjne, są jednocześnie znaczącymi źródłami hałasu, co stawia przed inżynierami wyzwanie optymalizacji ich konstrukcji pod kątem zarówno wydajności, jak i komfortu akustycznego.
Główne źródła hałasu wentylatorów można podzielić na aerodynamiczne, elektromagnetyczne i mechaniczne. Hałas aerodynamiczny, dominujący w większości warunków pracy, wynika z niestacjonarnych interakcji przepływu powietrza z wirnikiem i elementami stałymi. Obejmuje on hałas tonalny (dyskretne piki BPF i harmonicznych, a także podharmoniczne wynikające z wirów końcówki łopatki) oraz hałas szerokopasmowy (ciągłe widmo z ingestii turbulencji, hałasu własnego łopatki i wiru końcówki łopatki). Zrozumienie tych mechanizmów jest fundamentalne dla skutecznej redukcji hałasu.
Pomiar hałasu wentylatorów opiera się na dwóch kluczowych wielkościach: poziomie ciśnienia akustycznego (SPL), który jest mierzalnym efektem zależnym od środowiska, oraz poziomie mocy akustycznej (SWL), który jest inherentną właściwością źródła hałasu, niezależną od otoczenia. Do precyzyjnych pomiarów wykorzystuje się specjalistyczne komory akustyczne (bezechowe i pogłosowe) oraz zaawansowaną instrumentację, taką jak mierniki poziomu dźwięku klasy 1, mikrofony pomiarowe i systemy akwizycji danych. Analiza widma częstotliwości za pomocą Szybkiej Transformaty Fouriera (FFT) jest niezbędna do identyfikacji składowych tonalnych i szerokopasmowych hałasu.
Równolegle z pomiarami eksperymentalnymi, symulacje numeryczne z wykorzystaniem Obliczeniowej Mechaniki Płynów (CFD) i Obliczeniowej Aeroakustyki (CAA) odgrywają coraz większą rolę. Metody takie jak Lattice-Boltzmann Method (LBM) z Very Large Eddy Simulation (VLES) oraz analogia akustyczna Ffowcs-Williams & Hawkings (FW-H) umożliwiają przewidywanie hałasu na wczesnych etapach projektowania, redukując potrzebę kosztownych prototypów fizycznych i dostarczając szczegółowych informacji o źródłach hałasu. Integracja tych symulacji z analizą wibroakustyczną (NVH) pozwala na kompleksowe podejście do redukcji hałasu w całym systemie.
Zintegrowane rozwiązanie SIMULIA, bazujące na PowerFLOW, PowerACOUSTICS, Manatee i Wave6 stanowi potężne narzędzie dla producentów układów chłodzenia i HVAC, umożliwiając projektowanie cichszych i bardziej wydajnych wentylatorów, które spełniają rosnące wymagania rynkowe i regulacyjne w zakresie NVH. Główne zalety tego zintegrowanego podejścia obejmują:
kompleksowe pokrycie wszystkich istotnych źródeł hałasu (aerodynamicznego, elektromagnetycznego, mechanicznego) i ich ścieżek przenoszenia w zintegrowanym środowisku symulacyjnym,
wysoką precyzję dzięki metodzie LBM w PowerFLOW, możliwość optymalizacji na wczesnym etapie projektowania cyfrowego, co znacząco skraca cykl rozwoju produktu i obniża koszty,
głęboki wgląd w mechanizmy powstawania hałasu, a także efektywność i wspieranie interdyscyplinarnej współpracy,
wczesne wykrywanie błędów na etapie projektowania, zanim obiekt zostanie fizycznie zbudowany, co pozwala na ich identyfikację i eliminację - w innym przypadku byłby one zostać wykryte dopiero po wykonaniu instalacji, generując znaczne koszty i nakłady pracy,
redukcja prototypów fizycznych dzięki wykorzystaniu prototypów cyfrowych, co przekłada się na oszczędności czasu i pieniędzy,
dostarczenie szczegółowych danych dotyczących pola przepływu i pola akustycznego, w tym zmiennych, które mogą być trudne lub niemożliwe do zmierzenia eksperymentalnie (np. rozkłady ciśnienia, pola prędkości, struktury turbulentne),
szybką analizę wielu wariantów konstrukcyjnych i warunków pracy (np. różne geometrie łopatek, osłon, prędkości obrotowe) pozwalając na optymalizacji wydajności aerodynamicznej i akustycznej,
lepsze zrozumienie mechanizmów generacji i propagacji hałasu, co jest kluczowe dla skutecznej redukcji.
Dążenie do cichszych i bardziej efektywnych wentylatorów wymaga nie tylko ciągłego rozwoju metod pomiarowych ale również zastosowania narzędzi symulacyjnych, które pozwalają na pogłębianie wiedzy o złożonych interakcjach aerodynamicznych, elektromagnetycznych i mechanicznych, które przyczyniają się do emisji hałasu.
Porównanie gęstości widmowej mocy ciśnienia akustycznego obliczonej w symulacji (CAA) dla czasu analiz 0,35 s (Sim 1) oraz 1,0 s (Sim 2) z wartościami z eksperymentu (EXP)
Analiza uzyskanych wartości takich jak wartości PSD ciśnień akustycznych jak również wzorców kierunkowości dla 1, 2 i 3 BPF wykazała bardzo dobrą zgodność pomiędzy wynikami analizy bezpośredniej CAA w PowerFLOW, obliczeń z użyciem analogii akustycznej FW-H w PowerACOUSTICS oraz bezpośrednimi pomiarami, szczególnie dla wyższych częstotliwości. Analiza udziału źródeł wykazała, że płyta blokująca znacząco przyczynia się do poziomu hałasu w całym spektrum częstotliwości, co jest wynikiem jej ekspozycji na zaburzony przepływ wylotowy z wentylatora. Poziomy PSD ze elementów stojana również ściśle odpowiadały poziomom z ramy modułu. Ostatecznie, dla pierwszej BPF, głównymi czynnikami przyczyniającymi się do hałasu okazały się elementy wirnika i stojana.
Analiza hałasu wentylatorów jest złożonym zagadnieniem, wymagającym holistycznego podejścia, które uwzględnia różnorodne źródła emisji akustycznej oraz zaawansowane metody pomiarowe i symulacyjne. Wentylatory, będące kluczowymi komponentami w wielu systemach, od przemysłowych po motoryzacyjne, są jednocześnie znaczącymi źródłami hałasu, co stawia przed inżynierami wyzwanie optymalizacji ich konstrukcji pod kątem zarówno wydajności, jak i komfortu akustycznego.
Główne źródła hałasu wentylatorów można podzielić na aerodynamiczne, elektromagnetyczne i mechaniczne. Hałas aerodynamiczny, dominujący w większości warunków pracy, wynika z niestacjonarnych interakcji przepływu powietrza z wirnikiem i elementami stałymi. Obejmuje on hałas tonalny (dyskretne piki BPF i harmonicznych, a także podharmoniczne wynikające z wirów końcówki łopatki) oraz hałas szerokopasmowy (ciągłe widmo z ingestii turbulencji, hałasu własnego łopatki i wiru końcówki łopatki). Zrozumienie tych mechanizmów jest fundamentalne dla skutecznej redukcji hałasu.
Pomiar hałasu wentylatorów opiera się na dwóch kluczowych wielkościach: poziomie ciśnienia akustycznego (SPL), który jest mierzalnym efektem zależnym od środowiska, oraz poziomie mocy akustycznej (SWL), który jest inherentną właściwością źródła hałasu, niezależną od otoczenia. Do precyzyjnych pomiarów wykorzystuje się specjalistyczne komory akustyczne (bezechowe i pogłosowe) oraz zaawansowaną instrumentację, taką jak mierniki poziomu dźwięku klasy 1, mikrofony pomiarowe i systemy akwizycji danych. Analiza widma częstotliwości za pomocą Szybkiej Transformaty Fouriera (FFT) jest niezbędna do identyfikacji składowych tonalnych i szerokopasmowych hałasu.
Równolegle z pomiarami eksperymentalnymi, symulacje numeryczne z wykorzystaniem Obliczeniowej Mechaniki Płynów (CFD) i Obliczeniowej Aeroakustyki (CAA) odgrywają coraz większą rolę. Metody takie jak Lattice-Boltzmann Method (LBM) z Very Large Eddy Simulation (VLES) oraz analogia akustyczna Ffowcs-Williams & Hawkings (FW-H) umożliwiają przewidywanie hałasu na wczesnych etapach projektowania, redukując potrzebę kosztownych prototypów fizycznych i dostarczając szczegółowych informacji o źródłach hałasu. Integracja tych symulacji z analizą wibroakustyczną (NVH) pozwala na kompleksowe podejście do redukcji hałasu w całym systemie.
Zintegrowane rozwiązanie SIMULIA, bazujące na PowerFLOW, PowerACOUSTICS, Manatee i Wave6 stanowi potężne narzędzie dla producentów układów chłodzenia i HVAC, umożliwiając projektowanie cichszych i bardziej wydajnych wentylatorów, które spełniają rosnące wymagania rynkowe i regulacyjne w zakresie NVH. Główne zalety tego zintegrowanego podejścia obejmują:
kompleksowe pokrycie wszystkich istotnych źródeł hałasu (aerodynamicznego, elektromagnetycznego, mechanicznego) i ich ścieżek przenoszenia w zintegrowanym środowisku symulacyjnym,
wysoką precyzję dzięki metodzie LBM w PowerFLOW, możliwość optymalizacji na wczesnym etapie projektowania cyfrowego, co znacząco skraca cykl rozwoju produktu i obniża koszty,
głęboki wgląd w mechanizmy powstawania hałasu, a także efektywność i wspieranie interdyscyplinarnej współpracy,
wczesne wykrywanie błędów na etapie projektowania, zanim obiekt zostanie fizycznie zbudowany, co pozwala na ich identyfikację i eliminację - w innym przypadku byłby one zostać wykryte dopiero po wykonaniu instalacji, generując znaczne koszty i nakłady pracy,
redukcja prototypów fizycznych dzięki wykorzystaniu prototypów cyfrowych, co przekłada się na oszczędności czasu i pieniędzy,
dostarczenie szczegółowych danych dotyczących pola przepływu i pola akustycznego, w tym zmiennych, które mogą być trudne lub niemożliwe do zmierzenia eksperymentalnie (np. rozkłady ciśnienia, pola prędkości, struktury turbulentne),
szybką analizę wielu wariantów konstrukcyjnych i warunków pracy (np. różne geometrie łopatek, osłon, prędkości obrotowe) pozwalając na optymalizacji wydajności aerodynamicznej i akustycznej,
lepsze zrozumienie mechanizmów generacji i propagacji hałasu, co jest kluczowe dla skutecznej redukcji.
Dążenie do cichszych i bardziej efektywnych wentylatorów wymaga nie tylko ciągłego rozwoju metod pomiarowych ale również zastosowania narzędzi symulacyjnych, które pozwalają na pogłębianie wiedzy o złożonych interakcjach aerodynamicznych, elektromagnetycznych i mechanicznych, które przyczyniają się do emisji hałasu.