军用强迫风冷加固计算机噪声影响因素研究

梁尚勇

(江苏自动化研究所， 江苏 连云港 222061)



军用强迫风冷加固计算机噪声影响因素研究

梁尚勇

(江苏自动化研究所， 江苏 连云港 222061)

以某强迫风冷军用加固计算机为研究对象，对加固计算机的噪声源、噪声特性及影响噪声的主要因素进行了实验研究。研究结果表明：影响强迫风冷军用加固计算机声学噪声特性的因素主要包括风机、机箱风道，同时也排除了风机罩对计算机声学噪声特性的影响，并提出各主要影响因素对整机声学噪声贡献的占比，为将来进一步控制强迫风冷军用加固计算机声学噪声指明了方向。

强迫风冷；加固计算机；声学噪声；实验研究

0 引 言

复杂的战场作战环境要求处理计算信息核心设备的军用加固机能够适应高温、高湿、耐振、耐化学腐蚀等恶劣工作环境。因此军用加固机在结构上多设计成密封箱体，以满足军用设备的可靠性设计要求。

对于密封箱体而言，其集散热方式通常有自然冷却、液冷和强迫风冷。但随着电子设备硬件技术的发展，军用加固计算机朝着小型化、高集成度的方向发展[1]，计算机内部热流密度快速增加。某军用加固计算机的主机配有高速CPU模块的主板，功耗高达40 W[2]。因此自然冷却的方式已不能适应高功耗的设备散热设计要求。液冷加固计算机属于设备内部采集热量并且通过外部降温设备进行热量的疏导和交换的工作方式，这也使得其推广使用受到工作条件和环境的限制。强迫风冷因其空间安装要求不高，设计生产成本低廉、环境适应性强等优势，成为高功耗密封箱体热设计时的首选方式。强迫风冷加固机的散热取决于散热通风道和风机排风量这2个指标是否满足热设计要求。为提高密封机箱的散热性能，通常采用加大风机通风量的方式来实现，这也给设备所在的工作环境带来了噪声影响。伴随武器装备的发展、人机交互性要求的提高，其噪声控制也将是重点研究对象。

1 强迫风冷加固机结构

强迫风冷军用加固机的结构如图1所示，采用加固机前端或者上下两端进气，通过加固机尾部的风机将加热后的热气排出，满足加固机散热需求。散热气流仿真见图2。

2 噪声源分析

声音的本质是一种无质量的压力波，对于在空气中传播的声音，实质上是声源使周围空气受到疏密交替变化并向外传递。这决定了强迫风冷军用加固机的噪声来源主要有：

(1) 风机的空气动力性噪声

空气动力性噪声是由于气体非稳定流动，即气流的扰动，气体与气体及气体与周边物体相互作用产生的噪声。从噪声产生的机理看，主要由旋转噪声和涡流噪声组成。

旋转噪声是工作轮旋转时，轮上的叶片打击周围气体介质，引起周围气体的压力脉动而形成的，对于给定的空间某质点来说，每当叶片通过时，打击这一质点气体的压力便迅速起伏一次，旋转叶片连续地逐个掠过，就不断地产生压力波，造成气流很大的不均匀性，从而向周围辐射噪声。

涡流噪声又称为紊流噪声，它主要是气流流经叶片界面产生分裂时，形成附面层及涡流分裂脱离，而引起叶片上压力的脉动，辐射出一种非稳定的流动噪声。涡流噪声受叶片机械形状影响较大。

风机的空气动力性噪声是旋转噪声和涡流噪声相互混杂的结果。

(2) 结构噪声

结构噪声主要是风机自身叶片旋转时产生的机械振动，引起与之相连接的机械件产生不同幅度共振，从而向周围环境辐射噪声。结构噪声与风机的安装方式和风机罩的结构形式有着密切的联系。

(3) 电磁噪声

风机电机的电磁噪声与空气动力性噪声及结构噪声相比，其幅度要低得多。

3 噪声测试

根据《军用装备实验室环境试验方法 噪声试验》(GJB150.17A-2009)和《声学：信息技术设备和通信设备空气噪声测量》(GB/T18313)等相关测试标准，同时考虑该测试主要通过对比噪声的差异性来分析强迫风冷军用加固计算机的噪声特性和主要影响因素，而不是要得到设备准确的噪声值，所以采用半消声条件测试[3]，选择1个测试点作为数据采集点，被测试强迫风冷加固机结构形式分为安装风机罩形式和直接安装形式2种。此外，还对风机自身噪声性能进行测试。具体测试方式示意见图3。

4 实验结果

表1为风机2种安装结构形式下，加固计算机不同噪声实验数据。风机型号为4314。表2为不同型号的轴流风机在未安装时的噪声实验数据。表3为风机型号及相应特性。表中：LeqT为等效连续声级；L5表示5%的声压级超过此声压级；L10表示10%的声压级超过此声压级；L50表示50%的声压级超过此声压级；L90表示90%的声压级超过此声压级；L95表示95%的声压级超过此声压级；LSEL表示声暴露级，并有：LSEL=LeqT+10lgT;表中量的单位为dB。

表1 2种风机安装方式的噪声测试数据表

表2 风机噪声测试数据表

表3 风机型号及相应特性

5 数据分析

由表1可以看出，对于相同安装条件的设备，噪声测试点不同，测得的噪声值也不同。风机气流的正前方测得噪声值最大，风机气流正后方噪声值最小，这是由于噪声传播的方向性造成的。风机产生的噪声，经过安装于风机后面的零件表面产生了反射叠加，同时气流的正前方没有任何障碍物阻挡，使得噪声可以毫无阻挡地传播。而在风机侧面和风机后面所测得的噪声值有明显的降低。同时由表1可以看出，对2种不同的风机安装方式，在相同测试点测得的噪声值没有明显变化。

将表2数据和表3数据结合分析，可以看出，风机通风量越大，产生的噪声值越大；风机的数量由1个增加到2个，噪声值增加了约3 dB左右，这符合相同几个声源下的总声压方根值公式：Lp=Lp1+10lgn。 也就是说，每增加一个同样的风机，噪声值约增加3 dB。

将表1最后1组数据与表2中第1组数据进行比较，可以看出风机安装于设备上后，噪声值增加了约1 dB，属于结构噪声，是受设备安装方式和噪声反射引起的。

6 降噪措施

通过以上的实验和数据分析，可以得出结论：(1) 风机气流方向上的噪声值最大，与气流相反方向的噪声值最小；

(2) 相同结构风机的风量是由电机转速决定的，转速越快，风量越大，同时带来的噪声也越大；

(3) 相同风机数量每增加1个，噪声值增加3dB；

(4) 风机的结构安装方式是否合理对噪声是有影响的。

根据以上结论，可以采取以下改进措施以达到降噪的目的：

(1) 在噪声传播路径上设置障碍，尽量增加噪声源到人耳的传播距离，达到隔声目的；

(2) 满足通风量的前提下，采用2个低噪声的风机；

(3) 噪声反射表面铺垫多孔材料，如玻璃棉、毛毡等，达到吸声目的；

(4) 增加风机罩的结构强度，降低结构振动噪声传导，提高风机罩的共振频率，以达到减振、隔振的目的。

7 结束语

本文以某军用强迫风冷加固计算机为研究对象，设计了噪声测试实验。通过噪声理论知识，结合实验数据进行对比，对军用强迫风冷加固机噪声影响因素进行了研究，验证了实验前对强迫风冷加固机噪声影响的几个方面的推断和猜想，同时得出了影响噪声因素的4点结论，并针对这4个影响因素，提出了可供设计者参考的降噪措施和解决方案。

[1] 左华,丁慧敏,刘轶斌,等.加固计算机的液冷结构设计和测试技术[J].中国科技信息,2009(10):111-112.

[2] 罗先培,卢锡铭,简红继.加固计算机中双风道散热应用研究[J].电子机械工程,2011,27(1):23-25.

[3] 施骏业,姜彩玲,乔俊生,等.笔记本电脑散热模块及系统气动噪声的实验研究[J].上海交通大学学报,2007,41(3):465-468.

Research into Noise Influence Factor of Military Forced Air Cooling Ruggedized Computer

LIANG Shang-yong

(Jiangsu Automation Research Institute,Lianyungang 222061,China)

Taking a certain forced air cooling military ruggedized computer as study object,this paper performs experimental study to the noise source,noise characteristics of ruggedized computer and the main factors influencing noise.The study result shows that:the factors effecting noise characteristics of the forced air cooling ruggedized computer include fans and chassis air channel,and the influence of wind hood on computer acoustic noise characteristics is excluded.This paper also puts forward the contribution ratio of the main influencing factors on the total acoustic noise,which points out the direction for the further study of forced air cooling ruggedized computer acoustic noise control.

forced air cooling;ruggedized computer;acoustic noise;experimental study

2016-10-13

TP36

B

CN32-1413(2017)02-0106-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.024