Шумові характеристики кольорів і методика вимірювання рівня шуму

1. вихідні передумови
2. Його Величність Шумомір
3. постановка експерименту
4. Обробка та аналіз результатів вимірювань
5. додатковий аналіз
6. Висновки

Протягом останніх двох років ми спостерігаємо технологічний прорив в області виробництва радіаторів процесорних кулерів: широкого поширення набули екструзійні радіатори з коефіцієнтом консолі 18 і вище, стали буденними технології вакуумної пайки, bonded / fabricated fins і folded fins, що вважалися раніше майже екзотичними. Однак базовий принцип, на якому ґрунтується функціонування кольорів, залишається колишнім - повітряне охолодження на основі вимушеної конвекції. І якраз у частині цієї горезвісної вимушеної конвекції вже давно нічого кардинально нового не з'являється: виробники йдуть второваним шляхом збільшення геометричних розмірів вентиляторів, кількості лопатей і швидкості обертання крильчатки. В результаті, кулер, обладнаний потужним вентилятором типорозміру 60х60х25 мм зі швидкістю обертання крильчатки більше 6000 RPM, стає найважливішою джерелом шуму в комп'ютері, начисто заглушаючи інші вельми "гучноголосі" пристрою, будь то вентилятори в блоках харчування, корпусні вентилятори, жорсткі диски і т. п. Безсумнівно, такий стан справ наполегливо вимагає від нас проведення не тільки ретельних температурних тестів, але і об'єктивного аналізу шумових характеристик кольорів.

У недавньому огляді продукції Thermaltake ми вже коротко торкнулися цієї теми і привели результати наших вимірів, які не вдаючись, однак, в методичні деталі. Тепер же ми детально розглянемо всі основні моменти, пов'язані з акустичними властивостями кольорів, і дамо відповідь на три сакраментальні питання:

• Чим вимірювати?
• Як вимірювати?
• Як отримати достовірний результат?

Що ж, приступимо!

вихідні передумови

А почнемо ми, мабуть, зі з'ясування причин виникнення шуму (небажаного звуку) при функціонуванні вентиляторів, встановлених в комп'ютерних системах (в складі процесорних кулерів або ж окремо в комп'ютерному корпусі). Існує всього два основних механізми виникнення шуму вентиляторів, і відповідно цей шум прийнято розділяти на дві категорії:

• аеродинамічний шум
• механічний шум

Аеродинамічний шум. Якщо основна причина виникнення аеродинамічного шуму, скажімо так, тривіальна (обертання крильчатки вентилятора), то фізика цього явища досить складна. Тому я не буду особливо вдаватися в деталі, а лише зазначу, що джерелом шуму в цьому випадку є вихори в турбулентному прикордонному шарі, що виникає на поверхні лопатей крильчатки. Інтенсивність шуму тут залежить від кута атаки і швидкості обертання крильчатки (чим більше кут атаки і вище швидкість обертання, тим більше виявляється інтенсивність аеродинамічного шуму). Спектр аеродинамічного шуму вентиляторів є безперервним (широкосмуговий шум) і, як правило, має максимальну інтенсивність на частоті:

Fmax = K * (Vb / d * cosα),

де K - коефіцієнт, який визначається конфігурацією вентилятора; Vb - лінійна швидкість лопаті (м / с); d - максимальна товщина лопаті; α - кут атаки.

Додатковим джерелом аеродинамічного шуму є перешкоди на вході і, особливо, на виході вентилятора. Зокрема, таким "перешкодою" є радіатор кулера. Основна причина шуму в цьому випадку - ті ж самі вихори в турбулентному прикордонному шарі, тільки тепер прикордонний шар утворюється вже на поверхні ребер радіатора. Інтенсивність шуму залежить тут від швидкості повітряного потоку і конфігурації перешкод.

Механічний шум. Як випливає з назви, джерелом такого шуму є підшипники вентиляторів. Серед користувачів існує думка, що механічний шум виникає тільки внаслідок зносу або конструктивних дефектів підшипників і повинен практично відсутні у справних вентиляторів. У реальному житті все інакше: ідеальних підшипників, звичайно ж, не буває! :)

Якщо взяти в розгляд стандартний підшипник ковзання, то і на поверхні вала, і на внутрішній поверхні втулки обов'язково присутні мікроскопічні тріщини, раковини і т.п. Очевидно, що при цьому в парі вал-втулка виникає тертя, і без шуму тут вже не обійтися. Певний шумовий внесок вносять і стопорні шайби, які обертаються (точніше кажучи, прокручуються) разом з валом.

Що ж стосується конструктивних дефектів підшипника, то вони можуть серйозно погіршити ситуацію і значно збільшити інтенсивність шуму. Найбільш істотним з них у разі підшипника ковзання є дисбаланс ротора (крильчатки), який зазвичай призводить до так званої еліпсності втулки (на поперечному зрізі внутрішня поверхня втулки має форму еліпса замість окружності). Такий дефект є причиною появи чітко виражених тонів в низько- і среднечастотной області спектра шуму підшипника. Інтенсивність шуму при цьому збільшується, і в суб'єктивному відчутті він стає дуже дратівливим. Також дуже несприятливо впливають на акустичні властивості вентилятора на підшипнику ковзання неякісна мастило (або її недостатність) і великий зазор між валом і втулкою.

Якщо звернутися тепер до підшипників кочення, то сама їх конструкція привертає до шуму. Адже це цілий комплекс, що труться деталей: внутрішнє і зовнішнє кільце (обойми), тіла кочення (кульки), сепаратор. Більш того, підшипники кочення, на відміну від підшипників ковзання, дуже сприйнятливі до зовнішніх механічних впливів (удари, падіння і т.п.). І, як наслідок, мають багатий "букет" дефектів, що зазвичай призводить до більш високої інтенсивності шуму. Тому немає нічого дивного в тому, що вентилятори на підшипниках кочення навіть в нормальному (справному) стані зазвичай на 2-3 дБА гучніше своїх "близнюків" на підшипниках ковзання.

Взагалі кажучи, існує ще одна категорія шуму, пов'язаного з вентиляторами, в комп'ютерних системах. Це так звана структурна вібрація. Але до неї ми звернемося трохи пізніше.

Зараз же ми займемося розглядом нашого першого сакраментального питання і визначимо, який засіб вимірювань можна використовувати в нашій дослідницькій практиці.

Його Величність Шумомір

Міжнародні стандарти, що визначають засоби і методи вимірювання шуму, з'явилися відносно недавно - в кінці 60-х. Але вони стали результатом копіткої багаторічної праці багатьох і багатьох дослідників, які склали свої голови (в переносному сенсі, звичайно) на славу торжества науки. А адже потрудитися було над чим!

Головною проблемою на шляху отримання коректних кількісних оцінок став, так би мовити, людський фактор, адже шум (та й звук взагалі) - явище скоріше психофізіологічний, ніж чисто фізичне. Тому для кількісної оцінки шуму потрібно було прийняти до уваги не тільки фізичні властивості самого явища, а й його сприйняття людиною і вплив на організм. Дійсно, людське вухо, в термінах електроніки, є нелінійним перетворювачем звукових коливань і грає роль складного смугового фільтра (навіть цілого комплексу фільтрів): гучність низькочастотних, середньочастотних і високочастотних тональних звуків з однаковим рівнем звукового тиску в суб'єктивному сприйнятті буде різна (тон середньої частоти здається голосніше тонів низькою і високою частот). Цілком природно, що відповідь на питання, як врахувати психофізику шуму в його кількісних оцінках, можна було отримати тільки досвідченим шляхом.

На початку 30-х років групою американських вчених були проведені найважливіші практичні дослідження залежності суб'єктивної гучності звуку від його частоти. Результатом цих досліджень стало сімейство кривих, що показують розходження рівнів інтенсивності звуку для чистих тонів, які здаються однаково гучними. Надалі ці криві отримали назву контурів гучності (друга назва - криві Флетчера-Менсона).

На основі контурів однакової гучності (точніше, контурів, що відповідають рівням 40, 70 і 100 дБ) було запропоновано ввести в дослідну практику три методики частотної коригування рівнів звукового тиску для врахування особливостей сприйняття звуку людиною і отримання простої одно-числової характеристики замість повного частотного аналізу шуму (в октавних або третьоктавних смугах частот) або ж додатково до нього. Зараз ці три методики іменуються частотними характеристиками корекції (зважування) A, B і C.

Треба зауважити, що стандартом де-факто стала характеристика А, і результати вимірювань рівнів звуку, скоригованих саме по цій характеристиці, фігурують в переважній більшості нормативних і технічних документів. Що стосується характеристик B і С, то перша канула в лету, друга ж все ще знаходить застосування в деяких галузях (зокрема, при дослідженні шуму реактивних двигунів і військової техніки).

Отже, перша вимога до нашого шумомірами визначено: наявність в ньому хоча б коректує схеми А. Ну, з цим проблем не буде, оскільки така "примочка" є практично у всіх шумомірах (реалізувати її в "залозі" не складає особливих труднощів). Далі, чи достатньо нам буде обмежитися тільки рівнем звуку LA, скоригованими за влучним висловом A, і відмовитися від проведення частотного аналізу шуму? В общем-то, досить, якщо ми хочемо лише орієнтовно підтвердити (або спростувати) відповідність конкретного кулера встановленим гігієнічним нормам (чому ми маємо право в більшості випадків "підміняти" шум всієї системи в цілому шумом одного тільки кулера, я розповім трохи пізніше). Але наша мета полягає не тільки в цьому. Більш важливим завданням для нас є об'єктивне порівняння шумових характеристик різних кольорів, і в цьому випадку без проведення частотного аналізу шуму (в октавних або ж третьоктавних смугах частот) про таке порівнянні навіть і заїкнутися-то не можна. Тому частотний аналіз просто зобов'язаний бути невід'ємною частиною нашого експерименту.

Що ж, прояснюється ще одне, друга вимога до шумомірами: для наших цілей є обов'язковим наявність в ньому технічних засобів частотного аналізу шуму. І ось тут вже можуть виникнути великі проблеми (в основному, фінансового плану):

1. Найбільш гнучко провести частотний аналіз шуму можна тільки за допомогою спеціалізованих аналізаторів спектра, які, як правило, жахливо дороги (вартість тільки програмних засобів обробки результатів експерименту може налічувати не одну тисячу "вічнозелених").
2. На практиці зазвичай обмежуються аналізом шуму в октавних смугах частот, і більшість сучасних прецизійних шумомірів мають вбудовані октавні смугові фільтри, що дозволяють проводити такий аналіз. Шумоміри з вбудованими октавними фільтрами, звичайно, дешевше аналізаторів спектра. Але і їх ціна лежить в межах 5-10 тисяч, які, як відомо, на дорозі не валяються.
3. У деяких випадках може знадобитися аналіз шуму в третьоктавних смугах частот. Фільтри, що дозволяють проводити такий аналіз, є далеко не у всіх шумомірах і часто є опцією, що поставляється по окремому замовленню. Найцікавіше, що ця "опція" зазвичай обходиться замовникові в досить кругленьку суму і в дуже "запущених" випадках може становити не менше 70-100% від вартості самого шумомера!

Ну і, нарешті, є ще одне, вже третє за рахунком вимога до нашого вимірювального обладнання: воно повинно бути точним і мати гарну стабільність параметрів. Тут також можливе виникнення проблем, оскільки не всі (навіть відносно дорогі) шумоміри укомплектовані якісними високочутливими мікрофонами і мають дійсно низький рівень власного шуму, що вноситься вимірювальним трактом.

Так, проблем маса. Але їх все одно потрібно було якось вирішити. Скажу без зайвої скромності: нам вдалося це зробити, причому без особливих втрат як в якості, так і в кількості ;-)

Ми не стали гнатися за передовою вимірювальною технікою, а зупинили свій вибір на "старичка" Bruel & Kjaer Type 2203, який є надійним аналоговим приладом, успішно "відпахати" майже двадцятирічний стаж роботи без єдиного зауваження.

Чому саме шумомір Bruel & Kjaer Type 2203? Тому, що даний прилад:

• потрапив до нас в руки на найбільш прийнятних умовах ;-)
• відповідає 1 класу точності згідно з ГОСТ 17187-71 і занесений до Державного реєстру засобів вимірювальної техніки
• дозволяє проводити оперативну калібрування внутрішнім джерелом еталонного напруги
• за якістю вимірювального тракту не набагато поступається найсучаснішим шумомірами від Bruel & Kjaer і Larson Davis

Є ще один дуже важливий момент, який зіграв визначальну роль у виборі цього приладу: наш шумомір був частиною, так би мовити, VIP-комплекту. І потрапив до нас саме в його складі, що включає, крім самого шумомера, додаткові набори октавних і третьоктавних фільтрів - Type 1613 і Type 1616, відповідно.

У підсумку, з залученням прецизійного шумоміра Bruel & Kjaer Type 2203 все три вищевказаних вимоги, що пред'являються до нашого вимірювального обладнання, були практично повністю задоволені.

Звичайно, одне тільки засіб вимірювання (нехай навіть найсучасніше і високоточне) буде марною іграшкою без добре вивіреної методики проведення вимірювань, іншими словами, без продуманого і якісно поставленого експерименту. І, як ви правильно розумієте, мова заходить про те, що пора вже розглянути нашу методику вимірювання шуму і відповісти на другий сакраментальне питання :)

постановка експерименту

Процедура коректних вимірювань шуму істотно ускладнюється тим, що для їх проведення потрібно строго певна акустична обстановка (умови вимірювань), будь це метод визначення рівня звукової потужності джерел шуму у вільному звуковому полі або ж, навпаки, в дифузному звуковому полі. Єдиний метод, який не залежить від зовнішніх умов при проведенні вимірювань - це визначення рівня звукової потужності на основі інтенсивності звуку. Але для його реалізації потрібно спеціалізований шумомір, обладнаний двухмікрофонним інтенсіметріческім зондом. Подібного шумомера в нашому розпорядженні просто-напросто немає.

Тому, виходячи з можливостей нашого обладнання (і наших власних можливостей, які далеко не завжди збігаються з нашими бажаннями :)), при виборі методики експерименту ми зупинилися на методі визначення шумових характеристик джерел шуму у вільному звуковому полі над звукоотражающей площиною (ГОСТ 12.1.026 -80). Чому було обрано саме цей метод? Причин кілька:

По-перше, даний метод не дуже вимогливий до умов проведення вимірювань. Експеримент може бути поставлений як в полузаглушенних камерах, так і на відкритих майданчиках і в приміщеннях.

По-друге, мікрофон нашого шумомера має оптимальну (лінійну) частотну характеристику саме в умовах вільного звукового поля.

По-третє, даний метод дозволяє обмежитися частотним аналізом шуму в октавних смугах частот замість аналізу в третьоктавних смугах. Для наших цілей в більшості випадків частотний аналіз в третьоктавних смугах буде невиправданий як по витраченому на його проведення часу, так і по добротності результату.

Ну і, нарешті, по-четверте, ми маємо доступ до полузаглушенной камері.

Тепер коротко про саму процедуру вимірювань (всі подробиці проведення подібних вимірів можна знайти в тексті ГОСТу). Експеримент проводиться в полузаглушенной камері (заглушена камера зі звуковідбивальних підлогою) з геометричними розмірами 5х5х4 м. Перед проведенням вимірів рівня шуму кольорів оцінюється рівень фонового шуму (вимірюється в центрі і по периметру приміщення в чотирьох точках на відстані 1 м від стін, отримані результати усереднюються) . Далі кулери закріплюються в центрі приміщення на висоті 0,35 м на пружному підвісі, встановленому на невисокому штативі. Як поверхні вимірювання обрана півсфера з радіусом 1,2 м, а кількість точок вимірювання та їх розташування на поверхні півсфери відповідають вимогам ГОСТу. Спочатку проводиться вимір рівня звуку LA в кожній точці. За усередненим результату приймається рішення про можливість проведення подальших вимірювань або ж про необхідність внесення поправок Δ до вимірюваних рівнями звуку (звукового тиску) відповідно до умов Таблиці 1.

Если різніця ΔL более 6 дБА, то в Кожній точці проводитися серія вимірювань рівнів звукового тиску в октавних Смуга частот и уровня звуку LA; Кожне вимір триває 3 хвилини и реєструється Середнє значення показникiв приладнати. Робочі результати по всех точках зазнають надалі математичних обробка (аналізуються и усереднюються) для Отримання кінцевого результату дослідження - Скоригований и усередненіх рівнів звукового тиску в октавних Смуга частот або рівнів звуку LA. Визначення рівнів звукової потужності не проводиться, але в разі потреби ця процедура може бути з легкістю проведена на основі наших кінцевих результатів дослідження.

Отже, схоже, пора зайнятися розглядом методики обробки результатів вимірювань і відповісти на третій сакраментальне питання.

Обробка та аналіз результатів вимірювань

Спочатку масив результатів вимірювань аналізується, і за умовами Таблиці 1 вносяться необхідні корективи, що враховують фоновий шум. Далі результати усереднюються за формулою:

Де Lm - усереднений рівень звукового тиску в октавной смузі (або рівень звуку LA); Li - i-й рівень звукового тиску в октавной смузі (або рівень звуку LA); n - число точок вимірювань; K - постійна, що враховує вплив відбитого звуку (експериментально певне значення цієї постійної становить 0,9 дБ, при розрахунках округляється до 1 дБ).

Вітчизняний ГОСТ обмежується поданням результату вимірів тільки у вигляді Lm. Однак споріднений зарубіжний стандарт (ISO 3744) наполягає на поданні результату в дещо іншій формі:

Ld = Lm + 1,645 * σr,

де Ld - протокольний результат (кінцевий результат); σr - СКО результатів вимірювань.

Добавка до рівня Lm фактично враховує похибку вимірювань (думаю, множник 1,645 добре знайомий фахівцям-метрологам). Для нашого методу вимірювань величина параметра σr, певна стандартом ISO 3744, становить 1,5 дБ. Ми проявили деяку вільність і злегка збільшили значення даного параметра (похибка вимірювань іноді краще трохи перебільшити, ніж применшити). В результаті, співвідношення, яке використовується для представлення результату вимірів, виглядає дуже просто:

Ld = Lm + 3.

Отримані значення Ld округлюються до найближчого цілого. Підсумком обробки результатів є діаграма, яка і публікується в оглядах.

додатковий аналіз

"Гаразд, - може заперечити самий в'їдливий і критично налаштований читач, - все це добре. Але на якій підставі ви вимірюєте шум одного тільки кулера, окремо від комп'ютерної системи в цілому, і після цього порівнюєте отримані результати з ПДУ, які є гігієнічними нормами саме загального шуму комп'ютера, а не окремих його компонентів ?! "

Не виключаю, що подібних критичних настроїв у наших читачів могло б і не виникнути, проте, питання правомірності "підміни" шуму всієї системи в цілому шумом тільки кулера надзвичайно важливий і вимагає розгляду. Що ж, давайте розберемося з цією справою!

Природно, для кінцевого користувача було б цікаво, яким буде рівень шуму в його конкретній системі при установці якогось конкретного кулера. Але дати таку інформацію (причому об'єктивну і точну) не представляється можливим. Покопаємось трохи в прайсах контор роздрібної торгівлі комплектуючими. І що ми там побачимо? Не менш тисячі найменувань різних материнських плат, жорстких дисків, відеокарт, корпусів ATX, нарешті! Але ж всі ці компоненти надають найбезпосередніший вплив на загальний рівень шуму системи, і при заміні, скажімо, жорсткого диска або корпусного БП рівень цього шуму може відчутно змінитися. Охопити весь спектр можливих конфігурацій просто нереально - провести подібні вимірювання не наважився б навіть Сізіф! ;-)

Є, звичайно, методологічний принцип найгіршого варіанту: вибираємо попередньо саму гучну комп'ютерну систему і проводимо вимірювання вже на її основі. Отриманий при цьому результат буде показувати найвищий рівень шуму з усіх можливих і може вважатися цілком об'єктивною точкою відліку для подальших оцінок шуму більш "спокійних" систем. Але як вибрати цей горезвісний самий найгірший (в акустичному сенсі) варіант з усього різноманіття конфігурацій? Відповідь на таке запитання немає, оскільки гучність системи залежить не тільки від самої цієї системи, але і від кулера, встановленого в ній. Мова тут йде про структурну вібрації, згаданої на початку статті. Справа в тому, що кулер є не тільки джерелом шуму, а й джерелом вібрації. Вібраційні коливання (які, як правило, лежать в діапазоні від 10 до 500 Гц) передаються на корпус через жорсткі зчленування (кріплення кулера, кріплення материнської плати) і є причиною додаткового шуму з частотами аж до 4 кГц і вище, залежно від конструкції корпусу (внаслідок, так би мовити, гармонійного розмноження коливань). Тому цілком ймовірно, що досить тиха система може серйозно підкачати в акустичному сенсі при установці якогось іншого кулера з більш високим рівнем вібрації.

Ситуація, звичайно, непроста. Але вихід з неї був знайдений! Ми не стали жорстко впиратися в методологічні принципи, а провели додаткові дослідження, вибравши кілька систем в чотирьох різних корпусах (два брендових і два кооперативно-китайських) і два щодо "віброактивність" кулера - GlobalWin FOP38 і Thermaltake Mini Copper Orb.

Результати дослідження виявилися досить цікавими:

1. Рівень звуку LA системи без кулера (замість нього використовувався мідний радіатор Thermalright SK-6) не перевищував 43-45 дБА (навіть в корпусі Asustek FK600).
2. При установці кулера Thermaltake Mini Copper Orb рівень звуку всієї системи склав 49-52 дБА (в залежності від корпусу), тобто збільшився щодо шуму кулера в чистому вигляді всього на 1-4 дБА.
3. При установці кулера GlobalWin FOP38 рівень звуку склав 54-56 дБА, тобто зменшився щодо шуму кулера на 1-3 дБА!

На підставі результатів додаткового частотного аналізу шуму, проведеного для кожного випадку, ми прийшли до наступних висновків:

1. Хоча більшість користувачів вважає, що комп'ютерні корпусу є свого роду резонаторами, що збільшують шум, такий стан справ дійсно не у всіх випадках: для кулерів з надмірно високим рівнем шуму (більше 55 дБА) спостерігається його ослаблення!
2. Корпуси схильні проявляти властивості смугового фільтра (скоріше, фільтра нижніх частот) - рівні звукового тиску в третьоктавних смугах з середньогеометричними частотами 5000 Гц і вище (а для "товстостінних" брендових корпусів - і від 3150 Гц) виявилися нижчими відповідних рівнів для "просто" кулера мінімум на 1-2 дБ.
3. Рівні в самих нижніх частотах, навпаки, виявилися "підтягнутими" максимум на 5-6 дБ. Цей ефект значною мірою проявив себе саме в брендових корпусах.
4. На середніх частотах ситуація була неоднозначною: китайські корпусу піднімали рівні звукового тиску приблизно на 3-6 дБ, брендові ж залишали їх практично без зміни (підвищення в межах 1 дБ) або навіть знижували.

Отже, що ж ми маємо в підсумку?

По-перше, рівень звуку LA комп'ютерних систем, начинених кулерами з високопродуктивними вентиляторами, практично не відрізняється від рівня звуку LA власне самих цих кольорів (в межах похибки вимірювань, зазначеної в розділі Обробка та аналіз результатів вимірювань )! Тому ми маємо повне право порівнювати наші результати з гігієнічними нормами шуму (правда, порівняння це є тільки орієнтовними).

По-друге, при установці кольорів в корпусу змінюється спектральний склад шуму: спостерігається його зосередження в низькочастотної і среднечастотной областях.

Нарешті, по-третє, "товстостінні" брендові корпусу в суб'єктивному ставленні виявляються краще, ніж кооперативно-китайські: у систем в "лівих" корпусах шум зміщений і посилений в среднечастотной області акустичного спектру, відповідно, здається більш дратівливим, ніж переважно низькочастотний шум систем в брендових корпусах, незважаючи на майже однаковий в деяких випадках рівень звуку LA.

Ну що ж, відповіді на три сакраментальні питання, сформульованих на початку статті, дані. Можна з більш-менш спокійною совістю робити остаточні висновки ;-)

Висновки

Наш метод практично повністю відповідає вимогам ГОСТ 12.1.026-80. Завдяки цьому, ми отримуємо достовірні і відтворювані результати вимірювань шуму, що дозволяють проводити об'єктивний порівняльний аналіз кольорів по їх шумовим характеристикам. Більш того, на основі наших результатів можна давати орієнтовні оцінки шуму і всієї комп'ютерної системи в цілому в разі використання кольорів, обладнаних високопродуктивними вентиляторами. Що ж стосується конструктивної критики на адресу нашої методики, то вона, як завжди, тільки вітається! ;-)