軍用強迫風冷加固計算機噪聲影響因素研究

梁尚勇

(江蘇自動化研究所， 江蘇 連云港 222061)

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軍用強迫風冷加固計算機噪聲影響因素研究

梁尚勇

(江蘇自動化研究所， 江蘇 連云港 222061)

以某強迫風冷軍用加固計算機為研究對象，對加固計算機的噪聲源、噪聲特性及影響噪聲的主要因素進行了實驗研究。研究結果表明：影響強迫風冷軍用加固計算機聲學噪聲特性的因素主要包括風機、機箱風道，同時也排除了風機罩對計算機聲學噪聲特性的影響，并提出各主要影響因素對整機聲學噪聲貢獻的占比，為將來進一步控制強迫風冷軍用加固計算機聲學噪聲指明了方向。

強迫風冷；加固計算機；聲學噪聲；實驗研究

0 引 言

復雜的戰場作戰環境要求處理計算信息核心設備的軍用加固機能夠適應高溫、高濕、耐振、耐化學腐蝕等惡劣工作環境。因此軍用加固機在結構上多設計成密封箱體，以滿足軍用設備的可靠性設計要求。

對于密封箱體而言，其集散熱方式通常有自然冷卻、液冷和強迫風冷。但隨著電子設備硬件技術的發展，軍用加固計算機朝著小型化、高集成度的方向發展[1]，計算機內部熱流密度快速增加。某軍用加固計算機的主機配有高速CPU模塊的主板，功耗高達40 W[2]。因此自然冷卻的方式已不能適應高功耗的設備散熱設計要求。液冷加固計算機屬于設備內部采集熱量并且通過外部降溫設備進行熱量的疏導和交換的工作方式，這也使得其推廣使用受到工作條件和環境的限制。強迫風冷因其空間安裝要求不高，設計生產成本低廉、環境適應性強等優勢，成為高功耗密封箱體熱設計時的首選方式。強迫風冷加固機的散熱取決于散熱通風道和風機排風量這2個指標是否滿足熱設計要求。為提高密封機箱的散熱性能，通常采用加大風機通風量的方式來實現，這也給設備所在的工作環境帶來了噪聲影響。伴隨武器裝備的發展、人機交互性要求的提高，其噪聲控制也將是重點研究對象。

1 強迫風冷加固機結構

強迫風冷軍用加固機的結構如圖1所示，采用加固機前端或者上下兩端進氣，通過加固機尾部的風機將加熱后的熱氣排出，滿足加固機散熱需求。散熱氣流仿真見圖2。

2 噪聲源分析

聲音的本質是一種無質量的壓力波，對于在空氣中傳播的聲音，實質上是聲源使周圍空氣受到疏密交替變化并向外傳遞。這決定了強迫風冷軍用加固機的噪聲來源主要有：

(1) 風機的空氣動力性噪聲

空氣動力性噪聲是由于氣體非穩定流動，即氣流的擾動，氣體與氣體及氣體與周邊物體相互作用產生的噪聲。從噪聲產生的機理看，主要由旋轉噪聲和渦流噪聲組成。

旋轉噪聲是工作輪旋轉時，輪上的葉片打擊周圍氣體介質，引起周圍氣體的壓力脈動而形成的，對于給定的空間某質點來說，每當葉片通過時，打擊這一質點氣體的壓力便迅速起伏一次，旋轉葉片連續地逐個掠過，就不斷地產生壓力波，造成氣流很大的不均勻性，從而向周圍輻射噪聲。

渦流噪聲又稱為紊流噪聲，它主要是氣流流經葉片界面產生分裂時，形成附面層及渦流分裂脫離，而引起葉片上壓力的脈動，輻射出一種非穩定的流動噪聲。渦流噪聲受葉片機械形狀影響較大。

風機的空氣動力性噪聲是旋轉噪聲和渦流噪聲相互混雜的結果。

(2) 結構噪聲

結構噪聲主要是風機自身葉片旋轉時產生的機械振動，引起與之相連接的機械件產生不同幅度共振，從而向周圍環境輻射噪聲。結構噪聲與風機的安裝方式和風機罩的結構形式有著密切的聯系。

(3) 電磁噪聲

風機電機的電磁噪聲與空氣動力性噪聲及結構噪聲相比，其幅度要低得多。

3 噪聲測試

根據《軍用裝備實驗室環境試驗方法 噪聲試驗》(GJB150.17A-2009)和《聲學：信息技術設備和通信設備空氣噪聲測量》(GB/T18313)等相關測試標準，同時考慮該測試主要通過對比噪聲的差異性來分析強迫風冷軍用加固計算機的噪聲特性和主要影響因素，而不是要得到設備準確的噪聲值，所以采用半消聲條件測試[3]，選擇1個測試點作為數據采集點，被測試強迫風冷加固機結構形式分為安裝風機罩形式和直接安裝形式2種。此外，還對風機自身噪聲性能進行測試。具體測試方式示意見圖3。

4 實驗結果

表1為風機2種安裝結構形式下，加固計算機不同噪聲實驗數據。風機型號為4314。表2為不同型號的軸流風機在未安裝時的噪聲實驗數據。表3為風機型號及相應特性。表中：LeqT為等效連續聲級；L5表示5%的聲壓級超過此聲壓級；L10表示10%的聲壓級超過此聲壓級；L50表示50%的聲壓級超過此聲壓級；L90表示90%的聲壓級超過此聲壓級；L95表示95%的聲壓級超過此聲壓級；LSEL表示聲暴露級，并有：LSEL=LeqT+10lgT;表中量的單位為dB。

表1 2種風機安裝方式的噪聲測試數據表

表2 風機噪聲測試數據表

表3 風機型號及相應特性

5 數據分析

由表1可以看出，對于相同安裝條件的設備，噪聲測試點不同，測得的噪聲值也不同。風機氣流的正前方測得噪聲值最大，風機氣流正后方噪聲值最小，這是由于噪聲傳播的方向性造成的。風機產生的噪聲，經過安裝于風機后面的零件表面產生了反射疊加，同時氣流的正前方沒有任何障礙物阻擋，使得噪聲可以毫無阻擋地傳播。而在風機側面和風機后面所測得的噪聲值有明顯的降低。同時由表1可以看出，對2種不同的風機安裝方式，在相同測試點測得的噪聲值沒有明顯變化。

將表2數據和表3數據結合分析，可以看出，風機通風量越大，產生的噪聲值越大；風機的數量由1個增加到2個，噪聲值增加了約3 dB左右，這符合相同幾個聲源下的總聲壓方根值公式：Lp=Lp1+10lgn。 也就是說，每增加一個同樣的風機，噪聲值約增加3 dB。

將表1最后1組數據與表2中第1組數據進行比較，可以看出風機安裝于設備上后，噪聲值增加了約1 dB，屬于結構噪聲，是受設備安裝方式和噪聲反射引起的。

6 降噪措施

通過以上的實驗和數據分析，可以得出結論：(1) 風機氣流方向上的噪聲值最大，與氣流相反方向的噪聲值最小；

(2) 相同結構風機的風量是由電機轉速決定的，轉速越快，風量越大，同時帶來的噪聲也越大；

(3) 相同風機數量每增加1個，噪聲值增加3dB；

(4) 風機的結構安裝方式是否合理對噪聲是有影響的。

根據以上結論，可以采取以下改進措施以達到降噪的目的：

(1) 在噪聲傳播路徑上設置障礙，盡量增加噪聲源到人耳的傳播距離，達到隔聲目的；

(2) 滿足通風量的前提下，采用2個低噪聲的風機；

(3) 噪聲反射表面鋪墊多孔材料，如玻璃棉、毛氈等，達到吸聲目的；

(4) 增加風機罩的結構強度，降低結構振動噪聲傳導，提高風機罩的共振頻率，以達到減振、隔振的目的。

7 結束語

本文以某軍用強迫風冷加固計算機為研究對象，設計了噪聲測試實驗。通過噪聲理論知識，結合實驗數據進行對比，對軍用強迫風冷加固機噪聲影響因素進行了研究，驗證了實驗前對強迫風冷加固機噪聲影響的幾個方面的推斷和猜想，同時得出了影響噪聲因素的4點結論，并針對這4個影響因素，提出了可供設計者參考的降噪措施和解決方案。

[1] 左華,丁慧敏,劉軼斌,等.加固計算機的液冷結構設計和測試技術[J].中國科技信息,2009(10):111-112.

[2] 羅先培,盧錫銘,簡紅繼.加固計算機中雙風道散熱應用研究[J].電子機械工程,2011,27(1):23-25.

[3] 施駿業,姜彩玲,喬俊生,等.筆記本電腦散熱模塊及系統氣動噪聲的實驗研究[J].上海交通大學學報,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