Bakalářská práce. Možnosti odhlučnění počítače

Bakalářská práce

Možnosti odhlučnění počítače vypracoval: Jakub Jelínek vedoucí práce: doc. RNDr. Karel Pellant, CSc. obor: Aplikovaná informatika a řízení 2006

Strana 3

Místo této strany vložit do vazby Zadání bakalářské práce

Strana 5

ANOTACE Předložená práce se zabývá příčinami vzniku hluku u počítačů a možnostmi jeho snižování. Pro potřeby práce byly použity dva způsoby měření akustických veličin charakterizujících hluk, a to jednak měření intenzitní sondou firmy (akustický analyzátor PULSE firmy Brüel & Kjaer) a jednak měření akustického tlaku pomocí hlukoměru 2231 firmy Brüel & Kjaer.

ANNOTATION The aim of this thesis is to discuss the causes of noise in personal computers. The possibilities of their prevention, regulation or removing are analyzed. The results of two measuring methods are presented in this work – the measurement of acoustic intensity (analyzer PULSE - Brüel & Kjaer) and sound pressure level measurement (noise meter Brüel & Kjaer).

Strana 7

PODĚKOVÁNÍ doc. RNDr. Karlu Pellantovi, CSc. za pomoc a konzultace s touto prací. Ing. Pavlu Švancarovi za pomoc s měřením Analyzátorem PULSE s intenzitní sondou. doc. Ing. Vojtěchu Mišunovi, CSc. za pomoc s měřením Hlukoměrem.

Strana 9

Obsah: 1 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3 3.1 3.2

Formulace problému a cíle řešení................................................................................11 Teoretická část................................................................................................................13 Zvuk a jeho vlastnosti...................................................................................................13 Psychoakustika..............................................................................................................14 Zdroje hluku v počítači.................................................................................................16 Aerodynamický hluk v počítači....................................................................................16 Hluk od vibrací..............................................................................................................17 Výsledky experimentálních měření..............................................................................19 Měření intenzitní sondou...............................................................................................20 Výsledky měření...........................................................................................................21

3.2.1 Závěr měření intenzitní sondou...............................................................................................25

3.3 Měření hlukoměrem......................................................................................................26 3.3.1 Výsledky měření......................................................................................................................27 3.3.2 Závěr měření............................................................................................................................27

4

Současné trendy snižování hlučnosti počítačů............................................................29 4.1 Snížením hlučnosti vhodným výběrem chladícího systému.........................................29 4.1.1 Aktivní chlazení pomocí ventilátorů.......................................................................................29 4.1.2 Pasivní chlazení vzduchem.....................................................................................................31 4.1.3 Aktivní chlazení vodou...........................................................................................................32

4.2 Snížení hlučnosti úpravami chladících systémů............................................................33 4.2.1 Zvukově pohltivé vložky.........................................................................................................33 4.2.2 Snížení hlučnosti ventilátorů pomocí regulace otáček ...........................................................35

4.3 Snížení hlučnosti odstraňováním příčin vzniku hluku..................................................37 4.3.1 Omezování vzniku turbulence.................................................................................................38 4.3.2 Omezování vzniku sirénového hluku......................................................................................39 4.3.3 Omezení možnosti vzniku vibrací...........................................................................................39

5

Závěr...............................................................................................................................41 Seznam použité literatury.............................................................................................43

Strana 11

1

FORMULACE PROBLÉMU A CÍLE ŘEŠENÍ

Práce s počítačem je dnes běžná pracovní činnost, při níž je uživatel každodenně vystaven působení řadě negativních vlivů. S postupem času začaly být diskutovány a řešeny problémy spojené s ergonomií, správnou polohou těla a režimem práce. Problémy s dlouhodobým působením relativně nízkého hluku ovšem zůstaly bez pozornosti. Přitom tento problém s rozvojem technologií narůstá, protože je vyžadován stále silnější výkon počítačů. S větším výkonem roste i odpadní teplo procesorů a tím větší nároky na chlazení zpravidla pomocí ventilátorů, které jsou jedním z hlavních zdrojů generovaného hluku. Přitom bylo prokázáno, že dlouhodobé působení hluku na člověka má velký vliv na snížení koncentrace, efektivity a na zvýšení únavy popř. vzniku stresu. Proto Světová zdravotní organizace vytkla jako cíl pro bezproblémovou komunikaci dosažení hladiny pozadí hluku pod úroveň 35 dB [1]., což současné sestavy rozhodně nesplňují (u starších sestav je udáván hluk kolem 60 dB). Cílem této práce bylo zjistit charakter zdroje hluku ventilátorů chlazení a jeho frekvenční složení. Zároveň bylo sledováno šíření hluku ventilátorů přes krytování počítače. Pro tento účel bylo provedeno měření v rámci systému PULSE intenzitní sondou. Na základě měření hladin akustického tlaku pomocí hlukoměru pak byla provedena diskuse možností snížení generovaného hluku použitím zvukoizolačních vrstev.

Strana 13

2

TEORETICKÁ ČÁST

2.1

Zvuk a jeho vlastnosti

Obecně můžeme zvuk definovat jako mechanické kmitání, které je charakterizováno pohybem částic pružného prostředí od 16 Hz do 20 kHz. Rozsah vnímání zvuku je přitom silně individuální, jen málokdo je schopen vnímat celé pásmo frekvencí, především horní hranice je velmi proměnná a závislá mimo jiné na věku. Vibrace a kmitání mimo pásmo audiofrekvencí neslyšíme, přesto jsme je schopni vnímat a mohou mít i nepříznivý vliv na zdraví či psychiku. Zvuky pod slyšitelnou hranicí (0,7 - 16 Hz) označujeme jako infrazvuk. Jsou to velmi nízké frekvence, které lidské tělo vnímá hmatem a jsou schopny rozvibrovat celý povrch těla či bránici. Zvuky nad slyšitelnou hranicí (do 50 kHz) označujeme jako ultrazvuk. Ve volném prostoru se zvuk šíří od zdroje všemi směry volně a jeho šíření můžeme popsat tzv. vlnoplochami, které oddělují místa kde dochází ke kmitání od míst dosud nekmitajících. Je-li zdroj zvuku malý (bodový), mají vlnoplochy tvar koule, je-li zdrojem např. rozměrná deska, jsou vlnoplochy rovinné. Za rovinné považujeme i vlnoplochy ve velké vzdálenosti od bodového zdroje, poloměr pomyslné koule už je tak velký, že její výseč ve sledovaném bodě může být nahrazena rovinnou plochou. Šíření zvukových vln v prostoru popisuje celá řada fyzikálních principů. Vlny se v prostoru odrážejí, lámou i ohýbají, sčítají se s jinými vlnami, podléhají tlumení atd.

Obr. 1 Šíření energie zvukových vln. Dopadá-li zvuková vlna na překážku, dojde k jejímu odrazu. Přitom u pevné překážky se výchylky částic kmitání vln odrazí s opačnou fází u poddajné překážky se stejnou fází. V obou případech odražená vlna postupuje proti přímé vlně a dochází k jejich skládání neboli interferenci. Výsledkem je tzv. stojaté vlnění, u něhož jsou některé body prostoru neustále v klidu (uzly) a jiné v maximálním pohybu (kmitny). V reálném prostředí se zvuk šíří od zdroje konečnou rychlostí k posluchači. Ve volném i uzavřeném prostoru je dominantní přímá vlna, postupující po přímce mezi místem, kde zvuk vzniká a místem jeho příjmu. Čelo zvukové vlny dorazí k místu poslechu se zpožděním, daným rychlostí šíření zvuku. Pokud je zdroj zvuku v uzavřeném prostoru, přistupují k přímé vlně ještě i vlny, které se odrazí od stěn, které prostor ohraničují. Odražené vlny se k posluchači nešíří přímo, ale odrazem ode stěn či jiných předmětů. Jejich dráha je delší a do místa poslechu dorazí se zpožděním a se slabší amplitudou, protože při každém odrazu dochází i k částečnému pronikání vln za akustické rozhraní (obr. 1). . V místě poslechu se odražené vlny skládají s vlnou přímou a mění tak lokálně charakter přijímaného zvuku, v prostoru se pak vytváří obecné zvukové pole. O tom, kolik z dopadající energie se odrazí rozhodují zásadní měrou akustické vlastnosti stěny. U akusticky odrazivé a hladké plochy se skoro všechna energie odrazí zpět (např. kovové stěny). U akusticky pohltivé plochy se neodrazí téměř žádná energie (měkké a porézní materiály). Poměr dopadající a odražené energie je u většiny reálných překážek kmitočtově závislý, kromě akustických parametrů závisí koeficient odrazu odrážející stěny také na její tloušťce. U většiny technických

Strana 14

2 Teoretická část

materiálů jsou proto hodnoty povrchové absorpce tabelovány. Odraz vln ode stěn a dalších předmětů v prostoru má zásadní vliv na jeho akustické vlastnosti, především na dozvuk. Intenzita zvuku v místě poslechu se zvyšuje díky vlnám, které by jinak směřovaly mimo posluchače. Časový posun odražených vln pak vytváří efekt dozvuku, který zaplňuje prostor zvukem a silně ovlivňuje zvukový vjem. Odražené vlny mohou díky vzájemné interferenci způsobit v poslechovém prostoru místní zkreslení zvuku, např. potlačením některých frekvencí. Dalším jevem, který ovlivňuje šíření zvukových vln v prostoru je ohyb. Vyskytují-li se v poslechovém prostoru objekty, jejichž rozměry jsou srovnatelné s délkou zvukové vlny (pro slyšitelné frekvence to jsou centimetry až jednotky metrů), zvuková vlna se šíří i za tyto překážky tj. dochází k ohybu vlnění. Vlastnosti ohybu jsou opět frekvenčně závislé ale ještě více než odraz a lom [2]. Zvuk je charakterizován na základě měření absolutních hodnot akustického tlaku zvuku, který je udáván v Pascalech [Pa] popř. v relativních hodnotách (tj. hladině) akustického tlaku vzhledem k hodnotě referenční v decibelech [dB]. Příklady hodnot některých zvuků jsou v Tab.1 [3]. Ak. tlak [Pa] Práh bolesti Bourací kladivo

Hladina [dB]

112,5

135

20

120

Hovor

0,02

60

Šelest listí

0,0002

20

Práh slyšitelnosti 0,00002 0 Tab. 1 Rozmezí akustického tlaku a hladiny akustického tlaku. Při interferenci zvukových vln dochází ke sčítají amplitud kmitů, nikoliv ke sčítání hladin akustického tlaku. Pokud máme dva zdroje zvuku o stejné hladině, není jeho výsledná hladina dvojnásobná. Jedná se o logaritmickou závislost a navýšení hladiny závisí na rozdílu obou hladin Tab.2. Rozdíl dvou zdrojů zvuku v dB

0

1

2

3

4

5

6

7

Přírůstek k větší hladině 3 2,5 2 2 1,5 1 1 1 Tab. 2 Přírůstek hladiny zvuku v interferenci dvou zdrojů.

8

9

10

0,5

0,5

0

Z tabulky je zřejmé, že dva stejné zdroje mají výslednou hladinu o 3 dB větší než každý z nich. U rozdílu větším než 10 dB je navýšení nulové, výsledná hladina je tedy hladinou hlasitějšího zdroje.

2.2

Psychoakustika

Z hlediska akustiky je důležitý i koncový prvek celého akustického řetězce zdroj - prostor posluchač. Kmitavý pohyb zdroje dorazí až do sluchového orgánu lidského ucha, kde z roviny objektivní fyzikální reality přejde do oblasti subjektivního vnímání. Zvuk je ve vnitřním uchu převeden na nervové podněty, které jsou složitým způsobem zpracovány v mozku. Jejich analýza, srovnání s dosavadními zkušenostmi a vybavení ve vědomí a podvědomí už probíhají u každého jedince individuálně, konečný účinek zvukového signálu tak není přesně popsatelný, lze definovat jen obecné a obecně platné závislosti. Vjem zvukového signálu je souhrnem subjektivních veličin, které jsou přímým obrazem objektivních fyzikálních veličin jako jsou frekvence, amplitudy, intenzity a časové průběhy zvukového signálu. Sluchový vjem je velmi silně závislý na frekvenci a intenzitě zvuku, výsledný vjem je rovněž značně ovlivněn tím, zda posloucháme zvuk s jednou frekvencí nebo jejich více či méně složitou směs. Zvuky, které u posluchače vyvolají sluchový vjem lze zařadit do tzv. sluchového pole (obr. 2).


Strana 15

Obr. 2 Vymezení sluchového pole člověka. Tvar sluchového pole je opět individuální pro každého člověka. Zdola je vymezen křivkou, popisující práh slyšitelnosti, kde zvuky pod tímto prahem neslyšíme. Seshora pak křivkou prahu bolesti, kde zvuky nad tímto prahem vyvolávají bolestivý vjem a mohou vést k poškození samotného sluchového orgánu i psychiky. Maximální citlivost sluchu spadá do oblasti mezi 500 až 4000 Hz, pro nižší a vyšší frekvence prudce klesá. Sluchový vjem jako subjektivní odraz objektivní reality nekopíruje přesně fyzikální skutečnost. Zřetelné je to především u vjemu hlasitosti, kde míra podráždění sluchu způsobená zvukem není přímo úměrná fyzikální energii. Podle Fechner-Weberova zákona hlasitost roste s logaritmem intenzity zvuku. Tato závislost však opět není lineární jelikož je frekvenčně závislá. Jednotkou hlasitosti je fón [Ph], který odpovídá hodnotě intenzity při referenční frekvenci 1 kHz. Závislost vjemu hlasitosti na frekvenci je dobře patrná z grafu křivek stejné hlasitosti (obr.3).

Obr. 3 Křivky subjektivního vnímání zvuku.

Strana 16


Z grafu je patrné, že hodnoty intenzity v [dB] a hlasitosti ve fónech [Ph] si odpovídají jen pro frekvenci 1 kHz. Pro nízké a vysoké frekvence je při stejné intenzitě vjem hlasitosti nižší (pro stejnou hlasitost je tedy nutná vyšší intenzita zvuku), pro frekvence kolem cca 5 kHz naopak vyšší. Pro vyšší intenzity zvuku jsou křivky plošší, frekvenční závislost se zmenšuje. Určování hlasitosti ve fónech je z akustického hlediska nepraktické, vyjadřuje totiž hlasitost při poslechu jediné frekvence. Vnímáme-li celé spektrum současně, uvedené závislosti přesně neplatí, proto se u obecného zvuku hlasitost vyjadřuje v jednotkách son. Jeden son odpovídá subjektivní hlasitosti tónu 1 kHz na hladině 40 dB, má-li zvuk hlasitost subjektivně 2 x vyšší, je jeho hlasitost 2 sony [2].

2.3

Zdroje hluku v počítači

Zdroje zvukové energie stolního počítače představují vždy rotující části. Lze je přitom rozdělit na stálé (jednoduché ventilátory) a sekvenční (rotující části s nestejnoměrnou rychlostí – pevné disky, CD - DVD mechaniky, regulované ventilátory). U stálých zdrojů je hladina zvukové energie dána otáčkami a případnými vadami částí či opotřebením. Sekvenční zdroje pak mění vytvářenou zvukovou energii podle činnosti. U obou případů zdrojů lze říci, že čím vyšší otáčky jsou otáčky, tím je i zpravidla vyšší hodnota vytvářeného hluku. Přitom lze určit tři hlavní příčiny vzniku hluku [4]: • • •

2.4

Nestacionární a turbulentní proudění vzduchu (aerodynamický hluk) Kmitání částí konstrukcí Nárazy pohybujících se součástek

Aerodynamický hluk v počítači

K zajištění chlazení aktivních částí (procesory apod.) se standardně používá proudění vzduchu. Aerodynamický hluk takto vzniklý je proto významnou složkou a určuje i výsledný hluk celého počítače. Mezi hlavní příčiny vyvolávající aerodynamický hluk patří: • • • • • •

Turbulentní nebo pulzující výtok vzduchu z otvorů do klidného prostředí. Nestacionární a vířivé proudění vznikající při obtékání pevných těles tvořících překážky v proudícím vzduchu. Turbulentní proudění obtékající pevná tělesa, tvořící překážky v proudícím prostředí (mřížky). Proudění podél pevných těles vytvářející vířící proudění v mezní vrstvě. Pohyb pevných těles v nerovnoměrném proudícím prostředí nebo přerušování tohoto proudění (sirénový hluk ve ventilátorech). Pulzující proudění prostředí vyvolané např. otáčením listů vrtule.

Hladina aerodynamického hluku a jeho spektrum závisí na rychlosti otáček ventilátoru, počtu listů vrtule a jejich tvaru. Možnosti snížení aerodynamického hluku vyplývají z hlavních příčin jeho vzniku výše uvedených. V mnohých případech jsou však velmi omezené a je nutno hluk dořešit nápravnými opatřeními (tlumiče hluku, oddělení zdroje hluku, dodatečná izolace krytování apod.) [4] nebo rovnou vyměnit zdrojovou součást za jinou, kde je snížena hladina hluku konstrukčními úpravami.


2.5

Strana 17

Hluk od vibrací

V tomto případě vlivem působení budících sil dochází ke vzniku vibrací pevnofázových struktur. Mechanické kmity se pak z místa působení síly přenášejí konstrukcí na rozměrnější povrchové plochy a ty se jednak vyzařují v podobě akustické energie do okolí počítače a jednak přenášejí do konstrukcí dotýkajících se skříně počítače (bočních krytů). Na přenosu a vyzařování zvukových vln se tedy nepodílejí jen ty části počítače, jež jsou funkčně v poli působících vtištěných sil, ale i ty části, které jsou ke konstrukci pouze pevně připevněny. Přitom tento dodatečný hluk pak mohou způsobovat hlavně ty kryty, které nejsou pevně dotaženy a při vibracích narážejí do dalších částí. Primární příčinou vzniku hluku od vibrací pak může být [4]: • • • •

Nevyváženost rotujících částí. Vůle v rotujících částech. Tření nerovností povrchů v rotujících částech. Vůle v uchycení komponentů.

Strana 19

3

VÝSLEDKY EXPERIMENTÁLNÍCH MĚŘENÍ

Určení celého frekvenčního složení zdroje hluku a lokalizaci míst vyzařování hluku z počítače jsme provedli na základě měření intenzitní sondou s analyzátorem PULSE od firmy Brüel & Kjaer. Jako měřený objekt jsme použili běžný počítač (od firmy ASUS) a přidali jsme do přední části skříně pro zlepšení cirkulace vzduchu jeden 80mm ventilátor a jeden systém chlazení dvěma 40mm ventilátory umístěnými v 5,25" slotu (obr. 4). Použitý systém opěrných bodů a měřený počítač je na obr. 5.

Obr. 4 Model měřeného počítače, umístění ventilátorů.

Obr. 5 Měřený objekt : a) soustava opěrných bodů, b) umístění pomocných ventilátorů

Strana 20

3.1

3 Výsledky experimentálních měření

Měření intenzitní sondou

K měření jsme použili analyzátor PULSE Brüel & Kjaer typ 3560D s 1/2" mikrofony 4189 a Intenzitní sondou typ 3599. Systém PULSE byl řízen pomocí laptopu se softwarovým vybavením Labshop 9.0. Měřily jsme v rozsahu 20 – 20 kHz v reálných podmínkách kanceláře. Analyzátor PULSE je koncipován jako systém využívající hostitelský počítač a je řízen jeho programovým vybavením. Signál se zpracovává v externí jednotce vstupních modulů. Jeden signál přitom může být rozdělen na několik virtuálních kanálů a je zpracováván virtuálními analyzátory v reálném čase. Jedná se o skříňový analyzátor v typickém „rackovém“ provedení tj. s několika sloty do kterých je možné přidávat další moduly. V technické akustice mají akustická měření pomocí intensitní sondy na měření intenzity zvuku vzrůstající tendenci použití. Z měření pomocí intenzitní sondy lze stanovit akustický výkon zdroje i v situacích, kdy měření založené na akustickém tlaku není možné z důvodu přítomnosti pole odražených vln. Díky tomu že tato metoda nevyžaduje speciální akustické prostory (jako jsou bezdozvukové komory), lze ušetřit velké náklady spojené s pořízením akustických komor. Další velkou výhodou je to, že měření intenzivní sondou umožňují lokalizaci zdrojů hluku za překážkami a kryty. Typ 3599 je dvou-mikrofonová sonda pro měření intenzity zvuku (obr. 6a). Je speciálně konstruována pro použití s Brüel & Kjaer analyzátory. Souprava sondy obsahuje dálkové ovládání ZH 0632 a 1/2" mikrofonový pár Typ 4197, který umožňuje v 1/3 oktávovém frekvenčním spektru měření mezi 20 Hz a 6,3 kHz, horní hranice 1/3 oktávového frekvenčního spektra může být dále rozšířena pomocí korekce akustického tlaku do 10kHz. Pro naše měření jsme prováděli amplitudovou kalibraci pomocí kalibrátoru Typ 4231. Kalibrace se prováděla pro každý mikrofon zvlášť [6]. Při měření byla poloha sondy vždy umístěna ve vzdálenosti 10cm od polohy jednotlivých opěrných bodů měřící sítě (obr. 6b).

Obr.6 a) Mikrofonní pár na intenzitní sondě b) Měření intenzitní sondou


3.2

Strana 21

Výsledky měření

Pro jednotlivé frekvence 1/3 pásma byly pro jednotlivé plochy vymezující objem počítače zpracovány mapy izolinií intenzity akustického tlaku pro frekvence 1kHz, 2kHz a 4kHz - obr.8a-8c. Pro přední a zadní panel jsou uvedeny ještě mapy izolinií pro frekvence 250Hz, 500Hz a 5kHz - obr. 8d a obr. 8e. Z map pro jednotlivé frekvence a měření předního a zadního panelu byly vybrány maximální hodnoty intenzity a vyneseny v závislosti na frekvenci (obr. 7a a obr. 7b) tj. získali jsme přehled o frekvenční závislosti vyzařované akustické energie.

Obr. 7a- Závislost maximálních hodnot intenzity na frekvenci, naměřených na čelním panelu počítače

Obr. 7b- Závislost maximálních hodnot intenzity na frekvenci, naměřených na zadním panelu počítače

Strana 22

3 Výsledky experimentálních měření 1kHz

Obr. 8a- Izolinie hodnot ak ustick é intenzity pro jednotlivé plochy počítače pro frek venci 1k Hz


Strana 23

2kHz

Obr. 8b- Izolinie hodnot ak ustick é intenzity pro jednotlivé plochy počítače pro frek venci 2k Hz

Strana 24

3 Výsledky experimentálních měření 4kHz

Obr. 8c- Izolinie hodnot ak ustick é intenzity pro jednotlivé plochy počítače pro frek venci 4k Hz


Strana 25

250Hz 500Hz 5000Hz Obr. 8d- Izolinie hodnot ak ustick é intenzity pro jednotlivé frek vence pro přední panel počítače.

250Hz

500Hz

Obr. 8e- Izolinie hodnot ak ustick é intenzity pro jednotlivé frek vence pro zadní panel počítače. Mapy na obr. 8d a obr. 8e jsou všechny ve stejné škále jako pro frekvenci 2kHz (viz obr. 9b). 3.2.1 Závěr měření intenzitní sondou Měření intenzitní sondou ukázala, že pro danou konfiguraci ventilátorů se hluk z počítače šíří hlavně čelní stěnou, což je nepříznivá skutečnost vzhledem k tomu, že tato stěna je natočena směrem k uživateli počítače. Případná protihluková opatření pomocí zvukoizolačních materiálů by tedy měla být směrována právě na tuto část krytu. Z hlediska frekvencí je možné hluk považovat za širokopásmový s pomalým poklesem intensity s narůstající frekvencí, což naznačuje, že hlavními zdroji hluku jsou ventilátory. Dále se ukázalo že perforace plechu, nasávací otvory a všeobecně všechny otvory ve skříni počítače snižují z akustického hlediska účinnost zakrytování skříně.

Strana 26

3.3


Měření hlukoměrem

Při tomto měření byl hlavně sledován hluk od elektrického zdroje počítače a byly učiněny pokusy se snížením hluku použitím zvukoizolačních vrstev. Měřený počítač byl použit stejný z předchozího měření bez přídavných ventilátorů ale se starším hlučnějším elektrickým ATX zdrojem. Pro diskusi účinnosti možných protihlukových opatření byl jednak vyroben externí tlumič hluku a bylo také provedeno měření pro případ obalení elektrického zdroje na bočních stěnách molitanem, z důvodu umožnění proudění vzduchu čelní a zadní stěna obalována nebyla.. Měření bylo provedeno hlukoměrem Brüel & Kjaer typ 2231, jako měřená akustická veličina byla odečítána maximální efektivní hodnota SPL s opakováním po 1 vteřině. Hlukoměr 2231 je univerzální, ruční, bateriový analyzátor zvuku, skládající se z technických prostředků a operačního systému. Tento ruční přenosný přístroj je schopen provádět rychlá měření akustického tlaku a jeho analýzu při sledování hluku na veřejných místech a v pracovních prostorách. Pro různé úlohy je řízen aplikačními programy, při měření je možné provádět i přímé propojení s PC pomocí volitelného programu pro Windows (software firmy Brüel & Kjaer [6]). Měřili jsme při dvou různých umístění elektrického zdroje: a) uvnitř počítačové skříně, tedy v normálním provozním umístění, b) vně počítačové skříně, tedy bez vlivu zakrytování počítače Byly sledovány 2 základní protihlukové úpravy a jejich kombinace : a) interní jednoduchý absorpční tlumič instalovaný uvnitř počítače ve formě obalení elektrického zdroje po stranách molitanem (obr. 9a) b) externí reflexně-absorpční tlumič. Tento tlumič se skládal z jednoduché konstrukce z lepenky a vloženého molitanu. Tento tlumič byl umístěn vně počítače před otvorem ventilátoru elektrického zdroje v zadní části počítačové skříně, mikrofon byl polohován za tlumič ve vzdálenosti 9cm. Takto umístěný tlumič pomáhal tlumit hluk generovaný jak ventilátorem zdroje tak i hluk od ventilátoru procesoru (obr. 9b).

Obr. 9 Použitá protihluková opatření - a) obložení elektrického zdroje molitanem uvnitř počítačové skříně, b) externí složený tlumič.


Strana 27

3.3.1 Výsledky měření Měření probíhalo v zasedací místnosti ÚMTMB FSI VUT. Hlukoměrem jsme měřili hladinu hluku s použitím filtru All pass (1 Hz – 70 kHz) a při aplikaci frekvenčního vážení A filtrem v pásmu 20 Hz – 20 kHz, naměřené hodnoty jsou v tab. 3 a tab. 4. All Pass

Filtr A

Chyba měření

Hluk pozadí

59

29

± 1 dB

Interní + externí tlumič

65

59

± 0,5 dB

Externí tlumič

65

59

± 0,5 dB

Interní tlumič

84

63,8

± 0,5 dB

Bez úprav 84 63,8 ± 0,1 dB Tab. 3 Naměřené hodnoty hluku pro elektrický zdroj umístěný standardně v počítači. Filtr A

Chyba měření

28

± 1 dB

Interní + externí tlumič

55,8

± 0,5 dB

Externí tlumič

55,8

± 0,5 dB

Interní tlumič

60,9

± 0,5 dB

Hluk pozadí

Bez úprav 60,9 ± 0,1 dB Tab. 4 Naměřené hodnoty hluku pro elektrický zdroj mimo počítač. 3.3.2 Závěr měření Ze srovnání výsledků jednotlivých měření ve formě grafu na obr. 10 je zřejmé, že molitan umístěný na bočních stěnách zdroje neměl na tlumení hluku žádný vliv. Vnější obložení podélných stěn elektrického zdroje absorpčním materiálem bylo tedy neúčinné, větší účinek by zřejmě mělo obložení molitanem vnitřních stěn počítače (uvnitř zdroje není dostatečný prostor), jelikož by tlumilo vlny odrážené. Výraznější efekt vykázal externí tlumič, který dosahoval snížení hluku o 4-5 dB i při poměrně jednoduché konstrukci. 85

Hladina hluku [dB] Samostatný el. zdroj vně počítače (Filtr A) El. zdroj umístěný v počítači (Filtr A) El. zdroj umístěný v počítači (Filtr All Pass)

80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 Bez úprav

Typ úpravy

Obalení el. zdroje molitanem

Externí tlumič

Obalení el. zdroje molitanem

Hluk pozadí

+ externí tlumič

Obr. 10 Graf naměřených hodnot hluku pomocí Hlukoměru

Strana 29

4

SOUČASNÉ TRENDY SNIŽOVÁNÍ HLUČNOSTI POČÍTAČŮ

Snížení hlučnosti počítače lze dosáhnout několika způsoby. Bezesporu nejefektivnějším opatřením je výběr vhodného (tj. s nízkou hlučností) chlazení základních počítačových komponent vyzařujících tepelnou energii (elektrický zdroj, procesor, čip grafické karty, čip základové desky a mechanická zařízení) již při vybírání konfigurace počítače. Důležité je také to, aby zabudování chladicích zařízení do počítače nezpůsobovalo vznik vzduchových turbulencí uvnitř počítače, pro tento účel už bývají ventilátory zpravidla opatřeny vhodným „zapouzdřením“ proudícího vzduchu pomocí kulisových tlumičů ve tvaru válce. Jestliže dříve uživatel neměl příliš na výběr, tak dnešní solidní nabídka od řady výrobců by měla uspokojit i ty nejnáročnější uživatele. Pořízení nové počítačové sestavy s kvalitním chlazením však nemusí nutně znamenat, že její hladina hlučnosti je již konečná. V důsledku opotřebení hlučnost ventilátorů může s časem narůstat (mnohonásobně rychleji u levných ventilátorů vyrobených zpravidla z méně kvalitních materiálů).

4.1

Snížením hlučnosti vhodným výběrem chladícího systému

Z průzkumu trhu je jasně vidět rostoucí zájem výrobců počítačových komponentů o zefektivnění chlazení a následného ztišení počítačů. Prvním a nejdůležitějším krokem k tichému počítači je samotný výběr komponentů. Díky veliké škále komponentů může sám uživatel vhodným nákupem komponentů dosáhnout poměrně nízké hlučnosti počítačové sestavy. Pro běžného uživatele ale začíná být nabídka komponent poněkud nepřehledná a tak v naprosté většině případů vybírá pouze mezi základními parametry sestavy a chlazení nechává plně na dodávající firmě. U levnějších variant sestav se však zpravidla chlazení stává podřadnou částí sestavy, což má za následek i vyšší hladiny hluku. Široký výběr je jak mezi klasickými ventilátory tak i různými alternativními variantami s přídavnými pasivními prvky. Kupříkladu běžná sestava obsahuje klasický ATX zdroj s 80mm ventilátorem, jeden přídavný 80mm ventilátor pro podporu proudění vzduchu. Procesor má zpravidla svůj ventilátor dodávaný výrobcem a na základové desce čip BIOSu bývá chlazen aktivním 40mm ventilátorem. Za cenu navýšení ceny zhruba o 600,- Kč můžeme dosáhnout efektivnějšího a mnohem tiššího chlazení, pokud provedeme následující úpravy: a) nahradíme ATX zdroj s 80mm ventilátorem variantou se 120mm ventilátorem; b) přídavný 80mm ventilátor nahradíme 120mm ventilátorem; c) na procesor dáme ventilátor regulovaný teplotou; d) aktivní ventilátor 40mm na základové desce nahradíme pasivním chladičem. Cena [Kč] Hlučnost [dB] Zdroj ATX s 80mm ventilátorem 500 25 Zdroj ATX s 120mm ventilátorem 700 15 80mm ventilátor 120mm ventilátor

90 200

30 15

Výrobcem dodávaný ventilátor Teplotou regulovaný ventilátor

0 300

30 15

0 10

30 0

590 1210

38 20

40mm ventilátor pasivní chladič Původní sestava Upravená sestava 4.1.1 Aktivní chlazení pomocí ventilátorů

Nejběžnějším chladícím médiem je vzduch. Aby bylo chlazení efektivní je nutné aby ohřátý vzduch proudil a odváděl teplo pryč ze skříně počítače a dovnitř byl nasáván okolní chladnější vzduch. K tomu jsou přidávány do počítačové skříně ventilátory umožňující lepší cirkulaci vzduchu kolem

Strana 30

4 Současné trendy snižování hlučnosti počítačů

chlazených ploch. V době před pěti lety bylo na trhu jen pár typů ventilátorů, dnes je k dispozici celá škála, v rozměrech od 40 do 120mm je jejich použití možné kdekoliv uvnitř počítače. Dříve používané 80mm ventilátory byly poměrně hlučné, proto jsou současně preferovány poměrně tiché 120mm ventilátory s pomalejšími otáčkami. Oproti starým kluzným ventilátorům jsou dnes hlavní trendy v kuličkových nebo fluidních ložiscích. Z těchto jsou nejnáchylnější k opotřebení kuličková ložiska a proto je v některých typech výrobce používá dvouřadé typy (Tab. 5). Hlučnost [dB] Rozměry [mm] Otáčky [ot/m] PrimeCooler - kuličková ložiska 19 40 4500 20 50 4000 26 60 3600 28 70 3000 23 80 2000 22 92 1800 34 120 1800 Arctic - Fluidní ložiska, tlumič vibrací 22 80 2000 23,5 92 2000 23,5 120 1500 Coolink - regulované, dvouřadá kuličková ložiska 11-19 80 1000-2000 7-18 92 800-1500 9-17 120 700-1200

Cena [Kč] 154 154 189 225 213 189 165 154 189 225 308 332 415

Tab. 5 Příklad ventilátorů do skříně z nabídky firmy Alzasoft 4/2006 [7]. Největší vývoj prodělaly chladiče na procesory. Jelikož existuje velké množství patic pro procesory (socketů) existuje i velké množství chladičů. Vždy se jedná o kombinaci pasivního chladiče (hliníkového nebo měděného) a ventilátoru. Zde jsou ve většině typů používány kuličková nebo keramická ložiska (Tab. 6). Objevuje se ale i použití fluidních nebo novějších kapalinových ložisek. Hlučnost [dB] Rozměry [mm] Otáčky [ot/m] PrimeCooler -dvouřadá kuličková ložiska Manuální regulace 16-29 80 1600-3000 20-32 92 1600-3000 15-30 120 1200-2500 Arctic - keramická ložiska Manuální regulace 16-25 80 2000-3000 Termoregulace 12-23 80 1400-2800 12-23 87 1000-2500 Zalman - dvouřadá kuličková ložiska Manuální regulace 18-27,5 92 1350-2600 20-32 120 1000-2000

Cena [Kč]

439 475 749

356 296 356

784 1010

Tab.6 Příklad ventilátorů pro procesory z nabídky firmy Alzasoft 4/2006 [7].


Strana 31

Je zajímavé, jaké hladiny hluku udávají výrobci u 120mm ventilátorů. I když ventilátory tohoto typu ve skutečnosti za provozu vyzařují nejmenší hluk, mají udávány vyšší hladiny hluku než ventilátory s nižšími hodnotami průměru vrtule. Je to pravděpodobně proto, že tyto zavádějící hodnoty jsou způsobeny testováním při maximálních otáčkách, na kterých pak ventilátory v reálných podmínkách nepracují. Takto je tomu i u ostatních ventilátorů. Příkladem může být 87 mm ventilátor Arctic Silencer Ultra 64 TC (obr. 11), kde výrobce uvádí otáčky 1000-2500 ot/m přitom v praxi se tento ventilátor pohybuje mezi 700-1300 ot/m.

Obr. 11 Arctic Silencer Ultra 64 TC 4.1.2 Pasivní chlazení vzduchem Pasivní chladiče dosahují snížení teploty zvětšením plochy objektu tj. zvýšením hodnoty vyzařovaného tepla. Čím je plocha chladiče větší, tím je možné odvést větší množství tepla, z toho důvodu mají chladiče také žebrování. Jednotlivé počítačové komponenty produkují řádově desítky wattů (někdy je to i přes 100 W) tepla. To jsou dost vysoké hodnoty a plocha pro potřebné chlazení by byla příliš velká. To bylo příčinou toho, že se pasivní chladiče začaly opatřovat ventilátory. Prožene-li se po ochlazované ploše větší množství vzduchu, dosáhne se efektivnějšího chlazení. A v konečném důsledku můžeme plochu zmenšit tolikrát, kolikrát více vzduchu po chladiči proháníme [8]. Použitím pasivních chladičů při zajištění dostatečné cirkulace vzduchu lze zpravidla nahradit několik zbytečných ventilátorů. Mimo klasické žebrované chladiče je velký výběr v pasivních chladičích s technologií heatpipe. Technologie heatpipe je založena na principu uzavřené trubice, kde na jejím "ohřívaném" konci je kapalina s nízkým bodem varu, která se zahříváním začíná vypařovat a v plynném skupenství stoupá na "chlazený" konec, kde kondenzuje a po stěnách trubice se vrací v kapalném skupenství zpět. Při ohřevu kapaliny je odpadní teplo z čipu použito na změnu skupenství a ta pak v podobě horké páry putuje na opačný konec, který je nutné chladit na teplotu při které pára zkondenzuje (obr. 12). Oproti klasické konvenci nabízí tedy technologie heatpipe vyšší účinnost přenosu tepla, ale pouze za předpokladu dostatečného teplotního rozdílu obou konců trubice a její správné orientace [7]. Musíme ovšem říci že heatpipe chladiče bývají velkých rozměrů a ne v každém případě je pro toto řešení dostatek prostoru. Pasivními chladiči lze nahradit ventilátory na méně zatěžovaných čipech jako jsou čipové sady na základových deskách nebo na low-endových grafických kartách (kartách ve spodní třídě výkonnosti viz. obr. 13). K dispozici jsou i elektrické zdroje s pasivním chlazením (obr. 14). Bohužel svou cenou kolem 4 000,- Kč odradí většinu uživatelů.

Strana 32


Obr. 12 Princip technologie Heatpipe.

Obr. 13 Příklady pasivního chladiče Heatpipe na grafické kartě.

Obr. 14 Příklady elektrických zdrojů s pasivním chlazením. 4.1.3 Aktivní chlazení vodou Zde není jako chladící médium využíván primárně vzduch ale kapalina. Vodní chlazení je sice oproti klasickým ventilátorům nákladné ale dosahuje mnohonásobně lepších výsledků, a v celku mnohem menším hlukem. Je několik druhů provedení. Některé typy chladí kapalinu pomocí ventilátorů, jiné pasivním chlazením ve výměníku. Dobrým příkladem prvního typu je vodní chlazení firmy AQcool. Na skutečně tichém chodu a vysokém chladícím výkonu vodního chladiče se podílí zejména jeho konstrukce. Vodní chladič je totiž umístěn z vnější strany počítačové skříně a je chlazen vzduchem o pokojové teplotě (obr. 15). Externí řešení výrazně zvyšuje chladící výkon a zároveň odvádí teplo z počítačové skříně. Externím řešením se i podařilo snížit riziko vylití kapaliny do počítače na minimum. Závažným nedostatkem drtivé většiny vodních chladičů bývá absence spínání čerpadla a ochrana před nechtěným odpojením napájení vodního chlazení. Součástí modelu AQX 500RS je tzv. ochrana proti nechtěnému odpojení napájení a součástí je také spínání čerpadla a ventilátoru počítačem.


Strana 33

První pohled na externí část chladiče může v uživateli vzbudit nedůvěru jestliže uvidí ventilátor. Pro zvýšení výkonu je součástí kvalitní ventilátor s kuličkovým ložiskem, ale optimální otáčky a vhodné umístění nezpůsobuje aerodynamický hluk a chladič je tichý. Montáž celého systému zabere 5 minut a zvládne ji každý. Spousta zájemců o vodní chlazení odradila nutnost nevratných úprav na svém počítači nebo složitost zapojení, která vyžaduje ve většině případů slušnou dávku zkušeností. S tímto typem je tomu jinak, díky své konstrukci mohou být vodní chladiče řady AQX 500RS již od výroby zkompletovány, plněny kapalinou a připraveny k okamžitému použití [9]. Jiné firmy např. Thermaltake kapalinu chladí na jednom až dvou externích výměnících. Ventilátor na menším výměníku má regulaci otáček v rozmezí 1300 - 2400 ot/m, u větších výměníků mají ventilátory konstantní otáčky 1300 ot/m. Pumpa zajišťující průtok kapaliny je poměrně tichá (16 dB), díky keramickému hřídeli je schopna protlačit systémem až 400 litrů kapaliny za hodinu. Dražší systémy stejné firmy pak používají na chlazení výměník ve tvaru věže vysoké 640mm. Zde se kapalina chladí bez ventilátorů, průtok je ovšem udáván jen 120 litrů za hodinu [7]. Cenově se tyto systémy pohybují mezi 2 500 – 4 000,- Kč v základních sestavách. Další chladiče je nutno přikoupit a tak výsledná cena může být dvojnásobná. Do kancelářských počítačových sestav se tyto chladící systémy jistě nehodí, ale na výkonnou grafickou stanici je už použití vhodnější.

Obr. 15 Vodní chlazení AQCool AQX 500RS

4.2

Snížení hlučnosti úpravami chladících systémů

Druhým krokem k tichému počítači je samotná úprava již existující sestavy. Mezi velmi účinné metody snížení hlučnosti je obložení vnitřních ploch skříně počítače zvukově pohltivým materiálem, nebo přidat regulaci ventilátorů (pokud již nejsou regulované od výrobce). Nejefektivnější je použití obou metod zároveň. 4.2.1 Zvukově pohltivé vložky Pohlcování zvukové energie je významným prostředkem k řešení akustických problémů uzavřených prostorů. Ke snížení hladiny akustického tlaku je vhodné použít materiály se širokopásmovým účinkem. Tyto materiály mají převážně porézní strukturu. Jedná se o látky pórovité nebo vláknité, v jejichž objemu se nacházejí póry vyplněné vzduchem, z hlediska povrchové úpravy je přitom nutné dosáhnout pronikání zvukové vlny dovnitř pohltivého materiálu. Použitím těchto materiálů se sníží zvuková energie vln odražených od vnitřních ploch počítačové skříně, čímž se i sníží hodnota akustického tlaku uvnitř počítače. Zároveň se sníží i hodnota amplitudy akustických vln procházejících stěnami počítače do okolního prostoru. Klasickými pórovitými materiály jsou např. polyuretanové pěny (molitan), které jsou sice dostupné, ale nejsou nejvhodnějším materiálem pro izolaci skříně. Tento materiál je totiž silně hořlavý a proto není vhodný pro prostředí, kde se může

Strana 34


nacházet množství nabitého prachu, a kde tím pádem hrozí riziko zkratu popř. vzniku požáru. Proto se k izolacím zpravidla používají upravované molitany s lepšími protipožárními vlastnostmi. Jsou ovšem dražší a dostupné jen v některých obchodech. Vhodnější je proto použití vláknitých materiálů, které jsou tvořeny skelnými mikrovlákny, minerální plstí apod (např. materiály používané firmou Dexx viz obr. 16 a obr. 17). Tyto materiály mají sice i vysoký tepelně izolační potenciál, ale je třeba si uvědomit že naprostá většina tepla se odvádí prouděním vzduchu, nikoliv přes konstrukci skříně. K efektivnímu izolování skříně by mělo postačit pokrytí 50% povrchu. Tudíž zaizolování bočnic skříně by mělo být dostačující. Tloušťka materiálu odpovídá vzorci:

h=

1 c 10 f m

h tloušťka vrstvy v m. c rychlost zvuku ve vzduchu v m/s. h tedy udává přibližně tloušťku vrstvy, při níž se materiál stává účinným nad kmitočtem fm , tedy kdy činitel pohltivosti vzrůstá nad 60% [4]. Z tohoto vztahu je zřejmé, že pohlcování nízkých kmitočtů by vyžadovalo velké tloušťky. Např. pro frekvence nad 1kHz by bylo třeba zhruba 3,4cm silnou vrstvu izolace, což v omezeném prostoru skříně nebývá realizovatelné. Aplikace absorpčních materiálů pouze v rozích krytů by zřejmě nebyla účinná, protože jak je známo ze stavební akustiky, pro všechny módy uzavřených prostorů je akustický tlak v rozích maximální. Maximálním hodnotám tlaku však odpovídají nízké hodnoty rychlostí, což má za následek v daném místě i nízkou absorpci. Látka [m/s] Látka Kaučuk 40 Beton CO2 260 Stříbro Kyslík 317 Platina Vzduch 0 0C 331 Led Dusík 336 Mosaz Vzduch 20 0C 343 Dřevo bukové Korek 500 Cihly Vodík 1270 Ocel Voda 4 0C 1400 Hliník Voda 20 0C 1400 Sklo Tab.7 Rychlost šíření zvuku v materiálech [10].

[m/s] 1700 2700 2800 3200 3400 3400 3600 5000 5100 5200

Dalším typem možné úpravy je použití přídavného externího tlumení. Je to v podstatě jediná možnost jak snížit hluk elektrického zdroje, pokud nechceme zasahovat do jeho vnitřku. Vhodné umístění je zřejmě na zadní straně skříně, v blízkosti otvoru pro ventilátor, tlumič by však nesměl znemožňovat výměnu vzduchu do okolního prostoru. Z hlediska dosažení odrazu zvukových vln jako materiál pro stěny tlumiče by byly vhodné materiály s vysokou hodnotou měrné hustoty (např. kovy), ale jak ukázaly výsledky vlastních měření, pro výrazné snížení hluku (o 5dB) postačuje i lepenka v kombinaci s molitanovou vystýlkou.


Strana 35

Obr. 16 Příklad vnitřního obložení firmy DEXX

Obr. 17 Detaily vnitřního obložení firmy DEXX 4.2.2 Snížení hlučnosti ventilátorů pomocí regulace otáček Je zřejmé, že ventilátor pracující na konstantních otáčkách není efektivní, buď větrá příliš (v naprosté většině případů) nebo nedostatečně. Pro první případ je nejednodušší zredukovat napětí a tím i snížit otáčky ventilátoru. Tato úprava je vhodná u ventilátorů u kterých víme, že jsou naddimenzovány vzhledem k místu a funkci. Např. když na slabší procesor dáme ventilátor s hodně nadprůměrným výkonem nebo pro dodatečné ventilátory ve skříni, které pouze pomáhají cirkulaci vzduchu. Zredukovat napětí lze několika způsoby. U jednoduchých ventilátorů bez měření otáček které mají pouze v napájení 12V a uzemnění lze tento 2-pinový konektor redukcí napojit na 4-pinový, který používají pevné disky a mechaniky (obr. 18). Tento lze napojit na napájení přímo z elektrického zdroje počítače a to s napětím jak 12V tak 7V nebo 5V podle kombinace kterou zvolíme (viz tab.8 a obr. 19).

Obr. 18 Příklad redukce napájení z 12V na 7V. Zapojení 1 Zapojení 2 Výsledné 12V zem 12V 12V 5V 7V 5V zem 5V Tab.8 Kombinace zapojení dvou kabelů a jejich výsledné napětí.

Strana 36


Obr. 19 a) 3-pinový konektor ventilátoru (země, 12V a měření otáček), b) standardní 4-pinový konektor pro napájení komponentů jako jsou mechaniky a pevné disky. Další úpravou je vložení odporu do napájecího obvodu ventilátoru (obr. 20). Nejvhodnější je použití odporových diod které jsou stabilní a nevykazují výkyvy v napětí jako normální odpory.

Obr. 20 Příklad redukce pomocí odporu. Manuální regulace se většinou provádí zapojením obvodu ventilátoru na regulační jednotku která obsahuje nastavitelné odpory (potenciometry) a umísťuje se do 5,25 palcového slotu v čelním panelu skříně (obr. 21a). Tato regulace je efektivní pouze pro zregulování na aktuální situaci a u naddimenzovaného chlazení.

Obr. 21 a) manuální regulační jednotka do 5,25" slotu, b) Termocontroler TC1 firmy CASH Termoregulace používá tepelné odpory v místě regulovaného prvku. Tato regulace je nejefektivnější jelikož udržuje teplotu na stejných hodnotách a ventilátor pracuje vždy jen na potřebných otáčkách. Nejdokonalejším regulačním prostředkem jsou regulační karty. Např. termocontrolery firmy CASH dokáží nejen snížit hlučnost ventilátorů pod 20dB, ale dokáží i snížit příkon o 30%. Dále karta chrání počítač před poruchami a v případě nebezpečí bezpečně počítač vypne (obr. 21b) [11].


Strana 37

Regulace se dá realizovat i softwarově. Existuje řada programů pomocí kterých lze, pokud to základová deska a ventilátory dovolují, hlídat a regulovat ventilátory. V tomto případě je ovšem nutné mít spolehlivý BIOS na základové desce, jelikož softwarový kolaps může způsobit vážné poškození hardwaru. Většina standardních desek ale má v BIOSu hlídání teplot na procesoru a v případě překročení mezních hodnot počítač vypne.

4.3

Snížení hlučnosti odstraňováním příčin vzniku hluku

Třetím a závěrečným krokem v dosažení tichého počítače je vlastní omezení vzniku hluku. Konstrukce počítačové skříně a vnitřní uspořádání mnohdy napomáhá vzniku hluku. Odstranění zbytečných překážek, uspořádání kabelů uvnitř počítačové skříně a nekonfliktní umístění počítače nejen odstraní nadbytečné zdroje hluku, ale i zlepší proudění vzduchu a tak i efektivitu chlazení počítače (obr. 22).

Obr. 22 Příklad vhodné cirkulace vzduchu. V současné době se výrobci snaží snížit nároky na chlazení technologicky snižováním odpadního tepla, které produkují procesory. Momentální stav je takový, že výkon procesoru je regulován podle aktuální činnosti procesoru snižováním pracovní frekvence a snižováním napětí. To umožňuje snížení odpadního tepla (a tím i hlučnosti) v režimu sníženého zatížení procesoru (technologie „Cool and Quiet“ firmy AMD ). Pro běžné uživatele je však tento případ poměrně častý, např. při editování textů. A otázka hlučnosti je zde zejména aktuální. Další možností úprav je aplikace chlazení na bázi ledniček nebo na principu Peltierova článku (obr. 23). Řešení chlazení na bázi ledniček je však svým způsobem nevhodné kvůli tomu, že nutný příkon vlastního chlazení přesahuje příkon samotného počítače. Na těle chlazení přitom mohou kondenzovat páry, které zvyšují nebezpečnost zkratu. Přesto tento druh chlazení se snažilo aplikovat i pár profesionálních firem (např. Kryogen viz obr. 24).

Obr. 23 Peltierův článek

Strana 38


Mnoho alternativních typů chlazení vykazují zajímavější výsledky. Podobně vysokou energetickou náročnost chlazení vykazují i systémy založené na principu Peltierova článku tj. kdy dochází k přenosu tepla pomocí elektrické energie vzniklé při rozdílu teplot dvou kovů. Výhodou tohoto chlazení je to, že lze dosáhnout nižší teploty na chladiči než je v okolí, problémem je zmiňovaná energetická náročnost a kondenzace vodních par.

Obr. 24 Koncepce kompresorového chlazení firmy Kryogen 4.3.1 Omezování vzniku turbulence Pro potlačení turbulencí uvnitř počítače je možné použití přechodových tunelů s pozvolnou změnou průřezu, vzduchových tunelů nebo vzduchových kolen s dostatečným poloměrem zakřivení (obr. 25a) [4]. Účinné je zejména pro vyvedení proudícího vzduchu od procesoru ke stěně skříně. Pro toto řešení je nutné mít vhodnou počítačovou skříň. Například při vertikálním uložení elektrického zdroje není tato úprava možná, jelikož elektrický zdroj je před procesorem a tak cloní možný odvod vzduchu. Toto provedení uložení elektrického zdroje je vůbec nejnešťastnější řešení. Dále pak záleží na bočnici skříně. Většina skříní má bočnice pouze perforované bez větších větracích otvorů. Zde je nutné otvor pro boční vyvedení vzduchu od procesoru vyříznout, což mnoho uživatelů jistě odradí. Většina skříní oproti tomu má pozici pro ventilátor na zadní straně. Sem je pak možné vést odváděcí koleno bez větších úprav. Bohužel u větších chladičů procesorů nezbývá mnoho místa pro dostatečný poloměr zakřivení kolena a tak kromě přímého vyvedení není na tuto úpravu prostor. Většina levnějších provedení počítačových skříní používá pro krytí výstupů ventilátorů mřížky, zhotovené přímo do plechu skříně pomocí kruhových otvorů. Zamezením vzniku turbulencí v tomto případě nejlépe dosáhneme odstraněním této části krytu a její nahrazení nejlépe drátěným krytem, který neklade proudění takový odpor.

Obr. 25 a) vzduchové koleno firmy Thermaltake, b) odpružený a zakrytovaný box pro HDD


Strana 39

Turbulentní proudění vzniká také rotací ploten pevných disků a médií v mechanikách. Těmto zdrojům hluku lze předejít pouze zakrytováním mechaniky nebo HDD (obr. 25b). Zde opět platí, že vhodný výběr hodně pomůže. Dnešní typy pevných disků pracují většinou s fluidními ložisky a například firma Seagate uvádí, že hlučnost jejich disků je pod 30 dB v klidovém stavu a při plném zatížení se hlučnost nenavýší více jak o 2 dB. Standardní je přitom navýšení o 4-6dB [12]. 4.3.2 Omezování vzniku sirénového hluku Přesekávání vzduchu lopatkami a rotace ventilátorů v blízkosti ostrých hran vyvolávají sirénový hluk. Frekvenční složení spektra a převládající fázové složky závisejí na rychlosti proudu vzduchu (počtu otáček a počtu lopatek). Snížení hluku lze dosáhnout především snížením rychlosti proudění nebo otáček, zaoblením hran, tvarem a počtem lopatek, zvětšení vzdálenosti stabilních a rotujících částí (obr. 26) [4]. Vhodným výběrem ventilátoru předejdeme většině problémů. Pokud u počítače používáme již zmíněný vzduchový tunel, je vhodně ventilátor oddálit od pasivní části chlazení posunem v tomto tunelu. Vhodným uchycením předejdeme i vibracím.

Obr. 26 Proudění vzduchu u těsně a volně umístěného ventilátoru. 4.3.3 Omezení možnosti vzniku vibrací Zamezení vibrací bočních krytů je většinou řešena už výrobci, a to použitím perforovaného plechu, tedy plechu s mnoha kruhovými otvory. Zde vzniká takzvaný „akustický zkrat“, tedy vyrovnání akustického tlaku za i před krytem [4]. Pokud kryt perforaci nemá lze ji buď dodatečně vytvořit nebo použít zpevnění plechu pomocí lepící pásky vedenou z rohů napříč krytem. Samozřejmostí jsou dotažené šrouby uchycení všech částí počítače. Samotná skříň by měla být měkce postavena na rovném a pevném povrchu, neměla by se dotýkat boky či vrchem jiných konstrukcí např. stolu.

Obr. 27 Příklady pružného uchycení ventilátoru na pasivním chladiči. U aktivních částí počítače jako jsou ventilátory, pevné disky a mechaniky je vhodné odpružit jejich uložení pomocí podložek. Samozřejmě gumové podložky a následné přišroubování mnoho nevyřeší. Buď se část přišroubuje k pružnému mezičlánku, a tento se samotný přišroubuje ke skříni, nebo se musí část přichytit bez pomocí šroubů (například izolepou, gumičkou apod. viz obr. 27 a obr. 28). Pružné mezičlánky je třeba vlastnoručně vyrobit nebo je možné koupit hotové úložiště zejména pro pevné disky (i s vlastním chlazením). Použití šroubu sice není úplně nevhodné ale musel

Strana 40


by se obalit pružným materiálem. Tím by ale bylo potřeba zvětšit díry pro přichycení na ventilátoru a použít šrouby úzkého profilu s maticemi než samozařezávací šrouby běžně používané. V případě, že ventilátor vykazuje horší vůli otáčení je potřeba jej vyčistit a umožnit mu snadné otáčení. U levných verzí ventilátorů tomu dochází velmi často, protože rotor zde klouže pouze po hřídeli a mazání ploch dlouho nevydrží (obr. 29).

Obr. 28. Příklad pružného uchycení ventilátoru na bočnici skříně. Proto je mnohem lepší pořídit kvalitnější ventilátor s ložisky. Pokud je ventilátor správně navrhnut a vyroben neměli by se žádné dodatečné vibrace vyskytovat. Tomu ovšem tak často nebývá a jedná se většinou o dražší typy. Standardní ventilátor může vykazovat nadbytečné vibrace z motorku nebo ložisek. Je zřejmé že pokud není rotor ventilátoru dobře vyvážen tak se časem nesouměrně opotřebuje a hluk se rapidně zvětší. Ale nalezení nesouměrnosti nebo nevyváženosti a následné úpravy budou stěží v silách běžného uživatele a tak se nikdo nevyhne výměně ventilátoru.

Obr. 29 Kluzná ložiska starších typů ventilátorů.

Strana 41

5

ZÁVĚR

Cílem práce bylo provedení diskuse možností snížení hlučnosti počítačů. V úvodu jsou rozebrány hlavní příčiny vzniku aerodynamického hluku a hluku od vibrací a rázů pevnofázových struktur. Pro tento účel byla provedena rešerše dostupných údajů o současných vývojových trendech zaměřených na snižování hluku jednotlivých počítačových komponent, a to zejména hlučnost ventilátorů. Provedený průzkum trhu ukázal na rostoucí zájem výrobců počítačových komponentů o oblast chlazení a ztišení počítačů, takže poměrně nízké hlučnosti je možné dosáhnout vhodnou volbou komponentů, zejména chladicích ventilátorů a používání pasivních chladičů. Významná jsou také opatření zaměřená na snižování vzniku turbulencí uvnitř počítače použitím přechodových tunelů s pozvolnou změnou průřezu, vzduchových tunelů nebo vzduchových kolen s dostatečným poloměrem zakřivení. S cílem zjištění frekvenčního složení zdroje hluku a zjištění míst, odkud hlavně hluk z počítače vychází, byla provedena i vlastní experimentální měření systémem PULSE. Dále byla provedena i měření hodnot akustického tlaku pomocí hlukoměru s cílem posouzení vlivu případného použití absorpčních a reflexních tlumičů. Měření intenzitní sondou ukázalo, že hluk počítače je poměrně širokopásmový tj. zřejmě pochází od ventilátorů. Zároveň měření intenzitní sondou ukázala, že k silnému vyzařování hluku dochází i proti směru proudění vzduchu nasávacími otvory v předním čele krytu tj. ve směru uživatele. Případná protihluková opatření pomocí zvukoizolačních materiálů by tedy měla být směrována právě na tuto část krytu. Vzhledem k širokopásmovému charakteru hluku počítačů však použití jen obkládáním stěn absorpčními vrstvami je zřejmě málo účinné, protože pro dosažení potřebného efektu není v počítači dostatek vnitřního prostoru. Účinnější je proto u čel počítačů použití kompaktních krytů s vysokou hodnotou plošné hustoty a to i za cenu zvýšení hmotnosti počítače. Pozornost by také měla být věnována otvorům zakrytování skříně, kde dochází k vyzařování hluku i při malých hodnotách perforací. Nasávací otvory v krytu počítačů by tedy měly být umisťovány na zadních partií boků nebo na zadním čele, kde by bylo možné případně polohovat i reflexně-absorpční tlumiče. Tah vnitřní cirkulace by pak musel být veden tunelem do přední části počítače. Z měření akustického tlaku pomocí hlukoměru ukázalo,že i poměrně jednoduchá konstrukce absorpčně-reflexního tlumiče umožňuje dosáhnout výrazného snížení vyzařovaného hluku. Hlavním problémem odstraňování hluku je širokopásmovost aerodynamického hluku generovaného chladícími ventilátory. Perspektivní jsou v současné době technologická řešení snižování hlučnosti, která umožňují „pružné“ snižování výkonu počítače při nízkém zatížení procesoru. Další možností je uzavření počítačů do klimatizovaných, zvukotěsných boxů s použitím jednoduše odnímatelných krytů. Realizace by byla možná buď speciálně upravených pracovních stolů nebo stavební úpravou místností.

Strana 43

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] PFISTER Anne-Marie. World Health Organization. Guidelines for Community Noise – Executive summary [online]. 2000, 29. srpen 2003 [cit. 23.5.2006]. Dostupné na : http://www.who.int/docstore/peh/noise/ComnoiseExec.htm [2] BERNAT Petr. Akustika, vznik a šíření zvuku....[online] 13. dubna 2005 [cit. 23.5.2006]. Dostupné na: http://home.vsb.cz/petr.bernat/texty/varhany/anatomie/pistaly_akustika.htm [3] Acousti Products - PC Noise Article.[online] 23. května 2006 [cit. 23.5.2006]. Dostupné na: http://www.acoustiproducts.com/en/quiet_pcs_noise.asp [4] VAŇKOVÁ Marie a kolektiv. Hluk, vibrace a ionizující záření v životním a pracovním prostředí část II – 1. vydání. Vysoké učení technické v Brně, 1996. 164 s. ISBN 80-214-0818-9 [5] ZBOŘIL Viktor. FS ČVUT - Hlukoměr 2231 Brüel & Kjaer. [online] 23. března 2006 [cit. 23.5.2006] Dostupné na: http://www2.fs.cvut.cz/web/index.php?id=272 [6] Brüel & Kjær. What is PULSE Platform? [online] 23. května 2006 [cit. 23.5.2006] Dostupné na: http://www.bksv.com/1433.asp [7] SPLYCHAL Zbynek. Internetový obchod firmy Alzasoft [online]. 26.dubna 2006 [cit. 26.4.2006] Dostupné na: http://www.alzasoft.cz [8] Uživatel i08i Internetový časopis Gamezone, Tichý počítač bez kompromisů #1 [online]22.01.2006 [cit. 23.5.2006] Dostupné na: http://www.gamezone.cz/articles/show/15216/ [9] AQCOOL – tiché vodní chalzení výpočetní techniky [online] 23. května 2006 [cit. 23.5.2006] Dostupné na: http://www.vodnichlazeni.cz [10] Zvuk a hluk (hluk.doc) [11] CASH s.r.o. - ultra tiché počítače [online]. 23. května 2006 [cit. 23.5.2006] Dostupné na: http://www.silent.wz.cz/ [12] Výrobce harddisků Seagate. Disc Drive Acoustics [online]. 23. května 2006 [cit. 23.5.2006] Dostupné na: http://www.seagate.com/support/kb/disc/tp/acoustics.html [13] BRABEC Stanislav. Seriál Počítač běžící, větrající, spící [online]. 27.5.2002 – 17.6.2002 [cit. 23.5.2006] Dostupné na: http://www.root.cz/serialy/pocitac-bezici-vetrajici-spici/ [14] The Heatsink Guide. All about PC cooling [online] 26.dubna 2006 [cit. 26.4.2006] Dostupné na: http://www.heatsink-guide.com/ [15] KWOLEK Jiří. Upravujeme PC: zpomalovač větráčků [online]26.července 2002 [cit. 23.5.2006] Dostupné na : http://computer.zive.cz/h/Testcentrum/Ar.asp?ARI=106755&CHID=2&EXPS=&EXPA= [16] Svět hardware – chlazení a skříně [online] 23. května 2006 [cit. 23.5.2006] Dostupné na: http://www.svethardware.cz/branch.jsp?name=Chlazen%C3%AD+a+sk%C5%99%C3%ADn%C4 %9B [17] DEXX, Značkové počítače a digitální technika [online] 23. května 2006 [cit. 23.5.2006] Dostupné na: http://www.dexx.cz/tichapc.asp [18] Internetový časopis PCTuning. Úpravy: snížení hluku [online] 23. května 2006 [cit. 23.5.2006] Dostupné na: http://www.pctuning.cz/index.php?option=com_content&task=blogcategory&id=40&Itemid=58 [19]Poliščuk, R.: Instrukce pro autory závěrečných prací, 2006, Dostupné na: http://autnt.fme.vutbr.cz/doc/SZZ2006_Instrukce.pdf [20]Poliščuk, R.: Titulní strana závěrečné práce. 2006 Dostupné na: http://autnt.fme.vutbr.cz/doc/DPBP2006.pdf

Bakalářská práce. Možnosti odhlučnění počítače

Recommend Documents