6. 噪声控制与散热

机器设计中一个日益关键的方面是处理运行产生的废热和声学噪声。这可能看起来像一个枯燥的主题,但如果你希望你的机器寿命长久,散热是一个至关重要的问题——因为电子元件自身废热产生的热应力几乎肯定会使其报废。你肯定希望那个致命时刻来得晚一些而不是早一些。另一方面,散热会产生声学噪声,而人类对噪声的容忍度不高。

这种权衡比你想象的更棘手;这是根本原因,尽管我在“终极 Linux Box”系列文章中提出了不惜一切代价的前提,但我并没有采用相对奇异的技术,例如液冷超频或 RAID 磁盘阵列来提升性能。诚然,它们最初可能看起来很有吸引力——但是超频芯片和磁盘驱动器阵列需要大量的冷却和许多移动部件,而且如果身边放着一个听起来很像怠速喷气发动机的东西,就很难进行编程等创造性工作。

在 2001 年,我们已经达到了热负荷与冷却噪声权衡成为个人机器性能的有效限制因素的程度。十年前,即使是低端和中端“服务器”机器在设计上也与个人 PC 有相当重要的差异(不同的处理器和总线类型、不同的速度范围等)。如今,在高端市场,专用服务器架构正在退却,其他一切看起来都像 PC。而“PC”和“服务器”之间的主要区别在于服务器位于服务器机房中,并且可以拥有带有大量嘈杂风扇的巨型机箱。

那么,我们如何为个人、桌面或桌旁机器管理这种权衡呢?仔细选择组件,并愿意为具有低温运行和低噪声特性的组件支付一些溢价会有很大帮助。即使是非常有见地的系统集成商通常也负担不起这样做,因为他们面临着持续的竞争压力,需要通过使用通用组件来降低价格和成本。

在设计中降低预期噪声和热量需要不同的策略。相对容易找到 PC 设计中发声部件的分贝值。而且,一旦你了解一点基本的听力学和一些基本的经验法则,就不难对你的设计的噪声程度形成合理的估计。估计设计的散热量更难,部分原因是 PC 子系统的废热排放往往比机械部件的声学排放以更复杂的方式变化。这意味着你可以并且应该尝试提前为低噪声进行设计,但另一方面,预计需要在原型中监测散热问题,并通过增加更多冷却来解决这些问题。

以下是你需要了解的控制设计噪声排放的基本听力学知识

声音以分贝为单位测量,缩写为 dB,相对于听力阈值“A”。(因此,高于该阈值的声级写为“dBA”。)该标度是对数的,每增加 3dB,声音强度大约翻倍。

对于非相位相关的声音,分贝值以对数和形式相加。因此,如果 X 和 Y 是不相关的声源,


dBA(X + Y) = 10 * log(10 ^ (dBA(X)/10) + 10 ^ (dBA(Y)/10))

上述公式的一个结果是,对于不相关的声源,dBA(X + Y) 不可能比 dBA(X) 和 dBA(Y) 中较大的值高出 3dB(对于完全相关的声源,则为 6dB)。

来自点声源的声音按平方反比定律衰减,距离每增加一倍,大约衰减 6dB。

分贝标度上的重要阈值

0 dBA

听力阈值

20 dBA

树叶沙沙作响,安静的客厅

30 dBA

安静的办公室

40 dBA

轻声交谈

45 dBA

根据 EPA,分心阈值

50 dBA

安静的街道,平均办公室噪声

60 dBA

正常交谈(1 英尺距离)

70 dBA

车内

75 dBA

大声唱歌(3 英尺)

80 dBA

典型的家用立体声音响聆听音量

PC 发出的声学噪声通常是由气流产生的白噪声、驱动器主轴和风扇中轴承摩擦产生的高频噪声,以及所有螺旋桨发出的恒定频率“叶片通过”噪声(后者通常比白噪声和轴承啸叫更强烈)的组合。

最好的低噪声滚珠轴承机箱风扇发出约 20dBA 的噪声。典型的含油轴承风扇发出 30-50dBA 的噪声。

根据不可或缺的 Tom's Hardware 网站,选择一个好的机箱可以将计算机内部的噪声水平至少降低 5dB。我们将通过在内部添加吸音材料来改进这一点。