軍用強(qiáng)迫風(fēng)冷加固計(jì)算機(jī)噪聲影響因素研究

梁尚勇

(江蘇自動(dòng)化研究所， 江蘇 連云港 222061)

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軍用強(qiáng)迫風(fēng)冷加固計(jì)算機(jī)噪聲影響因素研究

梁尚勇

(江蘇自動(dòng)化研究所， 江蘇 連云港 222061)

以某強(qiáng)迫風(fēng)冷軍用加固計(jì)算機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)加固計(jì)算機(jī)的噪聲源、噪聲特性及影響噪聲的主要因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：影響強(qiáng)迫風(fēng)冷軍用加固計(jì)算機(jī)聲學(xué)噪聲特性的因素主要包括風(fēng)機(jī)、機(jī)箱風(fēng)道，同時(shí)也排除了風(fēng)機(jī)罩對(duì)計(jì)算機(jī)聲學(xué)噪聲特性的影響，并提出各主要影響因素對(duì)整機(jī)聲學(xué)噪聲貢獻(xiàn)的占比，為將來進(jìn)一步控制強(qiáng)迫風(fēng)冷軍用加固計(jì)算機(jī)聲學(xué)噪聲指明了方向。

強(qiáng)迫風(fēng)冷；加固計(jì)算機(jī)；聲學(xué)噪聲；實(shí)驗(yàn)研究

0 引 言

復(fù)雜的戰(zhàn)場作戰(zhàn)環(huán)境要求處理計(jì)算信息核心設(shè)備的軍用加固機(jī)能夠適應(yīng)高溫、高濕、耐振、耐化學(xué)腐蝕等惡劣工作環(huán)境。因此軍用加固機(jī)在結(jié)構(gòu)上多設(shè)計(jì)成密封箱體，以滿足軍用設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于密封箱體而言，其集散熱方式通常有自然冷卻、液冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷。但隨著電子設(shè)備硬件技術(shù)的發(fā)展，軍用加固計(jì)算機(jī)朝著小型化、高集成度的方向發(fā)展[1]，計(jì)算機(jī)內(nèi)部熱流密度快速增加。某軍用加固計(jì)算機(jī)的主機(jī)配有高速CPU模塊的主板，功耗高達(dá)40 W[2]。因此自然冷卻的方式已不能適應(yīng)高功耗的設(shè)備散熱設(shè)計(jì)要求。液冷加固計(jì)算機(jī)屬于設(shè)備內(nèi)部采集熱量并且通過外部降溫設(shè)備進(jìn)行熱量的疏導(dǎo)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(huán)境的限制。強(qiáng)迫風(fēng)冷因其空間安裝要求不高，設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本低廉、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，成為高功耗密封箱體熱設(shè)計(jì)時(shí)的首選方式。強(qiáng)迫風(fēng)冷加固機(jī)的散熱取決于散熱通風(fēng)道和風(fēng)機(jī)排風(fēng)量這2個(gè)指標(biāo)是否滿足熱設(shè)計(jì)要求。為提高密封機(jī)箱的散熱性能，通常采用加大風(fēng)機(jī)通風(fēng)量的方式來實(shí)現(xiàn)，這也給設(shè)備所在的工作環(huán)境帶來了噪聲影響。伴隨武器裝備的發(fā)展、人機(jī)交互性要求的提高，其噪聲控制也將是重點(diǎn)研究對(duì)象。

1 強(qiáng)迫風(fēng)冷加固機(jī)結(jié)構(gòu)

強(qiáng)迫風(fēng)冷軍用加固機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用加固機(jī)前端或者上下兩端進(jìn)氣，通過加固機(jī)尾部的風(fēng)機(jī)將加熱后的熱氣排出，滿足加固機(jī)散熱需求。散熱氣流仿真見圖2。

2 噪聲源分析

聲音的本質(zhì)是一種無質(zhì)量的壓力波，對(duì)于在空氣中傳播的聲音，實(shí)質(zhì)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(qiáng)迫風(fēng)冷軍用加固機(jī)的噪聲來源主要有：

(1) 風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力性噪聲

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

旋轉(zhuǎn)噪聲是工作輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪上的葉片打擊周圍氣體介質(zhì)，引起周圍氣體的壓力脈動(dòng)而形成的，對(duì)于給定的空間某質(zhì)點(diǎn)來說，每當(dāng)葉片通過時(shí)，打擊這一質(zhì)點(diǎn)氣體的壓力便迅速起伏一次，旋轉(zhuǎn)葉片連續(xù)地逐個(gè)掠過，就不斷地產(chǎn)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(jīng)葉片界面產(chǎn)生分裂時(shí)，形成附面層及渦流分裂脫離，而引起葉片上壓力的脈動(dòng)，輻射出一種非穩(wěn)定的流動(dòng)噪聲。渦流噪聲受葉片機(jī)械形狀影響較大。

風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力性噪聲是旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲相互混雜的結(jié)果。

(2) 結(jié)構(gòu)噪聲

結(jié)構(gòu)噪聲主要是風(fēng)機(jī)自身葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，引起與之相連接的機(jī)械件產(chǎn)生不同幅度共振，從而向周圍環(huán)境輻射噪聲。結(jié)構(gòu)噪聲與風(fēng)機(jī)的安裝方式和風(fēng)機(jī)罩的結(jié)構(gòu)形式有著密切的聯(lián)系。

(3) 電磁噪聲

風(fēng)機(jī)電機(jī)的電磁噪聲與空氣動(dòng)力性噪聲及結(jié)構(gòu)噪聲相比，其幅度要低得多。

3 噪聲測試

根據(jù)《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 噪聲試驗(yàn)》(GJB150.17A-2009)和《聲學(xué)：信息技術(shù)設(shè)備和通信設(shè)備空氣噪聲測量》(GB/T18313)等相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮該測試主要通過對(duì)比噪聲的差異性來分析強(qiáng)迫風(fēng)冷軍用加固計(jì)算機(jī)的噪聲特性和主要影響因素，而不是要得到設(shè)備準(zhǔn)確的噪聲值，所以采用半消聲條件測試[3]，選擇1個(gè)測試點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，被測試強(qiáng)迫風(fēng)冷加固機(jī)結(jié)構(gòu)形式分為安裝風(fēng)機(jī)罩形式和直接安裝形式2種。此外，還對(duì)風(fēng)機(jī)自身噪聲性能進(jìn)行測試。具體測試方式示意見圖3。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1為風(fēng)機(jī)2種安裝結(jié)構(gòu)形式下，加固計(jì)算機(jī)不同噪聲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。風(fēng)機(jī)型號(hào)為4314。表2為不同型號(hào)的軸流風(fēng)機(jī)在未安裝時(shí)的噪聲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表3為風(fēng)機(jī)型號(hào)及相應(yīng)特性。表中：LeqT為等效連續(xù)聲級(jí)；L5表示5%的聲壓級(jí)超過此聲壓級(jí)；L10表示10%的聲壓級(jí)超過此聲壓級(jí)；L50表示50%的聲壓級(jí)超過此聲壓級(jí)；L90表示90%的聲壓級(jí)超過此聲壓級(jí)；L95表示95%的聲壓級(jí)超過此聲壓級(jí)；LSEL表示聲暴露級(jí)，并有：LSEL=LeqT+10lgT;表中量的單位為dB。

表1 2種風(fēng)機(jī)安裝方式的噪聲測試數(shù)據(jù)表

表2 風(fēng)機(jī)噪聲測試數(shù)據(jù)表

表3 風(fēng)機(jī)型號(hào)及相應(yīng)特性

5 數(shù)據(jù)分析

由表1可以看出，對(duì)于相同安裝條件的設(shè)備，噪聲測試點(diǎn)不同，測得的噪聲值也不同。風(fēng)機(jī)氣流的正前方測得噪聲值最大，風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲，經(jīng)過安裝于風(fēng)機(jī)后面的零件表面產(chǎn)生了反射疊加，同時(shí)氣流的正前方?jīng)]有任何障礙物阻擋，使得噪聲可以毫無阻擋地傳播。而在風(fēng)機(jī)側(cè)面和風(fēng)機(jī)后面所測得的噪聲值有明顯的降低。同時(shí)由表1可以看出，對(duì)2種不同的風(fēng)機(jī)安裝方式，在相同測試點(diǎn)測得的噪聲值沒有明顯變化。

將表2數(shù)據(jù)和表3數(shù)據(jù)結(jié)合分析，可以看出，風(fēng)機(jī)通風(fēng)量越大，產(chǎn)生的噪聲值越大；風(fēng)機(jī)的數(shù)量由1個(gè)增加到2個(gè)，噪聲值增加了約3 dB左右，這符合相同幾個(gè)聲源下的總聲壓方根值公式：Lp=Lp1+10lgn。 也就是說，每增加一個(gè)同樣的風(fēng)機(jī)，噪聲值約增加3 dB。

將表1最后1組數(shù)據(jù)與表2中第1組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以看出風(fēng)機(jī)安裝于設(shè)備上后，噪聲值增加了約1 dB，屬于結(jié)構(gòu)噪聲，是受設(shè)備安裝方式和噪聲反射引起的。

6 降噪措施

通過以上的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，可以得出結(jié)論：(1) 風(fēng)機(jī)氣流方向上的噪聲值最大，與氣流相反方向的噪聲值最??；

(2) 相同結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是由電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的，轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)量越大，同時(shí)帶來的噪聲也越大；

(3) 相同風(fēng)機(jī)數(shù)量每增加1個(gè)，噪聲值增加3dB；

(4) 風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)安裝方式是否合理對(duì)噪聲是有影響的。

根據(jù)以上結(jié)論，可以采取以下改進(jìn)措施以達(dá)到降噪的目的：

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

(2) 滿足通風(fēng)量的前提下，采用2個(gè)低噪聲的風(fēng)機(jī)；

(3) 噪聲反射表面鋪墊多孔材料，如玻璃棉、毛氈等，達(dá)到吸聲目的；

(4) 增加風(fēng)機(jī)罩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲傳導(dǎo)，提高風(fēng)機(jī)罩的共振頻率，以達(dá)到減振、隔振的目的。

7 結(jié)束語

本文以某軍用強(qiáng)迫風(fēng)冷加固計(jì)算機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了噪聲測試實(shí)驗(yàn)。通過噪聲理論知識(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)軍用強(qiáng)迫風(fēng)冷加固機(jī)噪聲影響因素進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)前對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷加固機(jī)噪聲影響的幾個(gè)方面的推斷和猜想，同時(shí)得出了影響噪聲因素的4點(diǎn)結(jié)論，并針對(duì)這4個(gè)影響因素，提出了可供設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)的液冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測試技術(shù)[J].中國科技信息,2009(10):111-112.

[2] 羅先培,盧錫銘,簡紅繼.加固計(jì)算機(jī)中雙風(fēng)道散熱應(yīng)用研究[J].電子機(jī)械工程,2011,27(1):23-25.

[3] 施駿業(yè),姜彩玲,喬俊生,等.筆記本電腦散熱模塊及系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲的實(shí)驗(yàn)研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),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