臺式機單頻噪音的研究與應用

袁康 孫昌玉 王翠國

一、項目概述

（一）項目背景和意義

游戲臺式機作為個人電腦的一個細分領域，有著非常不錯的穩定的市場占有率，目前該市場存在大量的DIY用戶，組裝電腦時一般不會考慮噪音問題，他們往往把電腦的游戲性能放在第一位，用戶長期在充滿噪音污染的環境中使用電腦，將會對人體造成諸如煩躁、易怒、聽力減退等一系列影響。隨著現代科學技術的發展，對噪音問題的深入研究，特別是引起人們注意的單頻噪音，也有了長足的發展和進步，對這些問題人類已經不再陌生。通過現有的技術手段和檢測方法，完全能夠設計出靜音舒適，性能強大的臺式電腦。

本項目在保證電腦游戲性能的前提下為用戶提供靜音舒適的使用環境，讓用戶專注于游戲體驗的同時，不會對周圍人群產生噪音污染。

（二）現有研究基礎、特色和優勢

聯寶科技2021年便攜式計算機出貨4286萬臺，年度營收1310億，進出口額109億美金，兩岸四地共有2000多名研發設計人員，每年設計超過100款產品，擁有海量產品設計和生產數據。建有安徽省博士后工作站、國家級智能制造示范基地、廬州實驗室，能為產品方案驗證提供強大的理論分析和實驗驗證的數據支撐。

二、主要研究內容

（一）主要研究內容

隨著人們生活水平的不斷提高，對游戲臺式電腦的要求已經從原來的單一追求性能到現在更加注重產品的使用體驗，而噪音是影響一個產品綜合體驗的關鍵因素之一。本項目研究內容是如何通過現有的技術手段來改善最為影響用戶體驗的單頻噪音的問題。

（二）技術要點

1.理論依據

對于單頻噪音，在ECMA-74和ISO 7779中有明確的定義，其主要算法有兩種為TNR(Tone-to NoiseRatio)和PR(Prominence Ratio)[1]。TNR計算單頻峰值聲壓和該單頻峰值所在的臨界頻帶剩余的聲壓差，如果計算值超過閾值，那么就認定為單頻噪音；PR計算單頻峰值所在臨界頻帶的聲壓和左右兩個相鄰臨界頻帶的聲壓差，如果計算值超過閾值，那么就認定為單頻噪音；TNR和PR的計算方法，ECMA-74和ISO 7779中有相應的公式可以直接使用，測試軟件會在后臺完成計算。產品設計人員無須了解具體公式或算法，而要更重視計算結果是否超過閾值，測試結果與哪些因素相關。

2.測試方法

根據ECMA-74和ISO 7779的相關規定，測試機臺的放置位置有具體要求。

三、技術方案

(一)機箱布局

機箱的布局是前面板有兩顆系統風扇進風，后板固定一顆風扇出風，機箱頂部固定兩顆風扇散熱，CPU上固定一顆風扇散熱，顯卡散熱器固定1～3顆風扇散熱，底部有電源風扇以及兩塊臺式機的機械硬盤。

機箱噪音來源是系統風扇、顯卡風扇、CPU散熱器風扇、電源風扇和機械硬盤。風扇和機械硬盤會發出單頻噪音，因風扇和機械硬盤安裝于機箱中，而單頻噪音某些頻率段與機箱機構發生共振放大后傳到人耳，經過計算，若TNR或PR值超過規定的閾值就會認定為單頻噪音。

(二)噪音的原因分析

在原始設計的狀態下，機箱的TNR與PR測試數據為：TNR FRONT最大值為21.35dB，在120Hz處；TNR BACK最大值為16.75dB，在120Hz處；PR FRONT最大值11.20dB，在1679Hz處，PR BACK最大值為14.91dB，在1679Hz處。此機械硬盤的轉速為7200r/min，頻率為120Hz，而TNR fail的頻率均在120Hz，所以TNR fail的主要原因是來自機械硬盤。PR fail的頻率有2個，1180Hz附近和1679Hz附近，1180Hz附近為120Hz的10倍頻，1679Hz附近為120Hz的14倍頻，所以PR fail的主要原因也是來自機械硬盤。

機械硬盤通過塑料托架安裝在硬盤支架中，塑料托架上有4顆減震螺釘。硬盤和塑料托架組件安裝于硬盤支架，兩者之間為無螺絲結構；硬盤支架通過6顆螺絲和機箱固定，硬盤支架和機箱前墻之間有一片減震泡棉。硬盤噪音來源有兩個，一個是硬盤馬達旋轉時產生的噪音，二是硬盤馬達旋轉和相關結構件產生的共振。

硬盤馬達的旋轉會產生X軸和Y軸兩個方向的振動，Y軸方向硬盤支架底部和頂部為敞口結構，與硬盤無直接或間接接觸；硬盤通過塑膠托架依靠硬盤支架側壁固定，所以共振主要來自硬盤支架側壁的X方向，而硬盤支架在Y方向剛度相對于X方向大很多，產生共振的可能性極低，可以忽略。

從原始設計的結構可以看出，硬盤支架在頂部依靠2顆螺絲和一片減震泡棉來限制其在X方向的振動，但在硬盤支架的底部，X方向沒有限位或者減震結構，幾乎是處于自由的狀態，非常容易被激發共振。

(三)技術方案的驗證

1.硬盤支架對噪音影響的驗證：

通過以上分析可知，限制硬盤支架底部X方向的擺動可以減小振動，從而改善噪音。在硬盤支架底部和機箱前墻之間增加一片減震泡棉后的實測數據為：TNR Front最大值為7.09，在120Hz處，未超閾值，Back最大值為8.39，在1828Hz處，超出閾值；PR Front最大值為11.22，在1184Hz處，超出閾值，Back最大值為8.24，在1702Hz處，未超閾值。從這些實測結果可以看出，增加減震泡棉改善非常明顯。

2.組裝間隙對噪音影響的驗證：

從結構分析看，硬盤塑膠托架和硬盤支架之間為無螺絲固定結構，也無彈性結構消除裝配間隙，硬盤的旋轉會因為這個裝配間隙而產生振動，形成噪音。

消除這些組裝間隙后的實測數據：TNR Front最大值為5.43，在120Hz處，未超閾值，Back最大值為3.96，在120Hz處，超出閾值；PR Front最大值為11.7，在1166Hz處，超出閾值，Back最大值為7.2，在1831Hz處，未超閾值。

3.減震釘對噪音影響的驗證：

減震釘位于硬盤和塑膠托架之間，為隔絕硬盤振動的第一道屏障，所以減震釘的材質和硬度直接關系著減震的效果。在應用解決方案1和解決方案2的前提下，使用不同硬度和不同材質的減震釘進行實測，通過實測數據可以看出，更換減震釘材質和硬度對結果改善不明顯，當前減震釘材質和硬度無須改善。當前設計的減震釘材質為CHEMEICAL COATLON NX-70A TPU，硬度為50。

4.風扇對噪音影響的驗證：

風扇作為機箱噪音的重要來源，TNR和PR測試的噪音是機器處于待機模式的噪音，此時系統的負載不高，發熱量不大，風扇均處于最低轉速模式，噪音較小。依次拔掉后系統風扇、顯卡風扇、CPU風扇、電源風扇和前系統風扇后進行實測，從實測的數據可以看出，拔掉CPU風扇和前/后的系統風扇和顯卡風扇，對噪音測試結果幾乎沒有影響，但拔掉電源風扇，PR值明顯變大，說明電源風扇不僅沒有產生額外的噪音，反而抵消了一部分其他模組產生的噪音。

將后系統風扇由自攻螺絲直接固定改為橡膠拉釘固定，如圖1，以減少風扇傳遞到機箱的振動，經過實測，改為橡膠拉釘后噪音減小。

圖1 后系統風扇

將前系統風扇由自攻螺絲直接固定改為塑膠支架卡扣固定，如圖2，并在塑膠支架上增加彈性結構和減震泡棉，經過實測，改為塑膠支架固定后噪音減小。

圖2 前系統風扇

5.腳墊對噪音影響的驗證：

腳墊作為機箱和桌面唯一接觸的部位，除了具有腳墊常規的一些功能外，另外一個重要的功能就是隔絕機箱的振動，將機箱的振動消除或者減弱，阻止其振動傳遞到桌面。腳墊的高度及硬度影響著減震的效果，分別用不同硬度和不同高度的腳墊進行實測，從實測的數據看，腳墊的硬度降低，TNR和PR會有改善，但改善有限，說明腳墊的硬度不是影響噪音的主要原因。另外，腳墊加高TNR和PR會變大，說明腳墊的高度不宜過高。

6.硬盤塑膠托架結構對噪音影響的驗證：

根據前面硬盤相關結構設計的分析可知，硬盤塑膠托架和硬盤支架之間無螺絲固定，存在裝配間隙，硬盤馬達旋轉產生的振動會因為這個間隙而放大。根據前面驗證可知，在消除塑膠托架間隙后TNR和PR都有較大的改善，但消除硬盤塑膠托架轉配間隙的同時并沒有增加彈性減震結構，所以在硬盤塑膠托架和硬盤支架之間增加彈性支撐結構，該彈性結構兼具消除間隙和減震的功能，能夠改善因硬盤旋轉引起的振動而產生的噪音，從硬盤塑膠托架增加彈性結構的實測數據看，在增加一片減震泡棉的基礎上，加上硬盤塑膠托架增加彈性結構已經能夠使機箱的TNR和PR滿足閾值要求。

7.硬盤支架對噪音影響的仿真研究：

通過前面的驗證可知，此機箱的風扇不是噪音的來源，那么機箱的噪音主要來源是機械硬盤，而機械硬盤的噪音來源有兩個方面，一是機械硬盤馬達旋轉產生的噪音，二是機械硬盤馬達旋轉與機箱其他結構件共振產生的噪音。硬盤支架作為直接與硬盤接觸的結構件，是產生共振最關鍵的結構件，所以通過仿真研究硬盤支架的模態特性[2]，并結合實測的數據來驗證對策的有效性，可以快速定位并解決問題。

通過仿真數據結合實測結果，TNR和PR超spec的主要原因是硬盤的旋轉和硬盤支架發生共振，那么問題的關鍵在于如何提高硬盤支架的固有頻率從而避免共振的發生。物體固有頻率與物體的剛度成正比，與質量成反比，采用提高硬盤支架的剛度或者減小硬盤支架的質量來改變物體固有頻率。提高剛度的方法有很多，如選用強度高的材料、增加材料的厚度、增加固定支點、增加橫梁補強等方式。為驗證這一假設，可以將材料的剛度提高10倍后計算模態的仿真數據，從剛度增加的仿真數據可以看出，隨著剛度的增加，硬盤支架的固頻也隨之升高，與硬盤發生共振的機會也越來越小，所以提高硬盤支架剛度的方案理論上是可行的。但實際產品中不可能無限加大硬盤支架的剛度，硬盤支架剛度越大，材料的成本會越高，考慮經濟效益和用戶體驗的平衡，所以硬盤支架的固頻只需避開容易與硬盤發生共振的幾個頻率點即可。

(四)技術方案的應用與探討

單頻噪音是一個比較抽象的問題，其產生原因與眾多的因素相關，各個因素對結果的影響程度也不盡相同，快速找到主要的因素才能對癥下藥，從而解決噪音的問題。經過此項目的實測結果和仿真數據可以看出，臺式電腦的單頻噪音主要是由機械硬盤馬達的旋轉引起的，改善噪音的主要方向是減振和避免共振兩個方面[3]，主要的改善措施包括但不限于以下幾點：

1.機械硬盤和硬盤支架之間要有吸收振動的彈性結構或者橡膠減振墊；

2.盡可能提高固定機械硬盤的支架的結構剛度，使其固有頻率和模態振型避免與機械硬盤一致；

3.固定機械硬盤的機構件之間應有彈性結構消除組裝間隙；

4.在滿足其他要求的前提下，使用硬度小的機箱腳墊。消費電子產品其單頻噪音產生的原因大同小異，解決方案也基本一致，以上這些改善措施可以推廣到同類架構的所有的消費類電子產品，做到在產品設計階段就考慮到單頻噪音的問題，從而大降低在試產階段反復測試工作量，避免過多的設計修改，達到設計即通過的理念，提升產品品質，提高用戶體驗。