С первой частью нашего исследования вы можете ознакомиться здесь.
Многие из тех, кто работает за персональным компьютером, со временем перестают обращать внимание на постоянный шум, который, даже не будучи замеченным, способен утомить и сделать раздражительным.
Шум – звуки, мешающие восприятию речи, музыки, отдыху, работе и т.д.
Обычно в зависимости от режимов работы шум, создаваемый современными винчестерами, бывает порядка (24…37) дБА. И подавлять этот шум желательно до тех пор, пока ухо человека не перестанет его улавливать. В абсолютно тихом помещении это соответствует порогу слышимости.
Очень кратко.
Порог слышимости – минимальная величина звукового давления, при которой звук данной частоты может быть ещё воспринят ухом человека.
За порог слышимости принят уровень звукового давления около 20 мкПа (интенсивность, или мощность звука — 1 пВт/м2), соответствующий порогу слышимости здорового молодого человека в диапазоне частот (1…4) кГц, где слух наиболее чувствителен к звукам. Этот уровень и принимается за уровень 0 дБ. Слуховое ощущение громкости звука зависит не только от звукового давления (или интенсивности звука), но и от частоты колебаний.
Громкость звуков чистых тонов (гармонических колебаний) различной частоты оценивают, сравнивая их громкость с громкостью чистого тона частотой 1000 Гц. Уровень звукового давления чистого тона (в дБ) с частотой 1000 Гц, на слух столь же громкого, как и измеряемый звук, называется уровнем громкости данного звука (в фонах). Например, кривая равной громкости, которой на частоте 1 кГц соответствует уровень звукового давления 120 дБ, называется "120 Фон". Хотя на частоте порядка 3,5 кГц этому уровню громкости в 120 Фон соответствует давление около 105 дБ, а на частотах 45 Гц и 9500 Гц соответственно около 130 дБ.
Как видно, ухо человека максимально чувствительно к звукам с частотой (1…5) кГц и менее чувствительно к звукам других частот. Учитывая это, производители измерителей уровня звука предложили использовать для измерения уровня звукового давления в дБ корректирующие фильтры с так называемыми "взвешенными" характеристиками.
Кривая А учитывает особенности восприятия негромких звуков, а кривые B и C – более громких. Наибольшее распространение получило “взвешивание” по кривой А, лучше всего соответствующее субъективной экспертной оценке негромких звуков. На такое измерение шума в единице измерения указывает дополнительная буква А, например, дБА или дБ(А). При измерении шумовых характеристик дисковых накопителей этот метод “взвешивания” принимается по умолчанию, а применение других кривых оговаривается особо.
Компания Samsung, например, приводит следующую примерную “взвешенную” частотную зависимость уровня звукового давления шума HDD при поиске данных.
Такая зависимость учитывает особенности слуха и наглядно показывает “заметность” различных частотных составляющих шума, демонстрируя, в каких частотных диапазонах наиболее важно снизить уровень шумов диска, а где они менее заметны для человеческого уха.
Для человеческого слухового восприятия характерна весьма низкая точность оценки абсолютной величины громкости звука. Гораздо лучше оцениваются не абсолютные величины сигналов, а их относительные изменения друг относительно друга. Да и то, человек в среднем может различить два сигнала по громкости, если они отличаются друг от друга не менее чем на 3 дБ, то есть вдвое по мощности звука или в 1,4 раза по звуковому давлению. Еще одной особенностью человеческого слухового восприятия является маскирование одного звука другим. Четкое восприятие звука возможно только в том случае, когда его интенсивность заметно превышает уровень помех в том же диапазоне спектра, причем это превышение должно быть порядка (10…15) дБ или в (3…5) раз.
Рассмотренные особенности слуха позволяют определять уровень шума системного блока, который будет незаметен в помещениях с различным уровнем фонового шума.
1. Типичный шум современного “стандартного” системного блока офисного компьютера без каких-либо особых мер по снижению шума составляет (35…45) дБА. Это вполне годится для офиса. Нет смысла делать тише офисный компьютер, если в офисе «фоновые» шумы с улицы, от работающих кондиционеров или постоянно болтающих сотрудников обычно превышают 45 дБА. Компьютер на их фоне практически не будет слышен, поскольку суммарный шум от двух источников одинаковой громкости всего на 3 дБ выше каждого из них, а такая разница почти неразличима нашим ухом. Соответственно, нет нужды подавлять шум современных винчестеров, обычно не превышающий (24…37) дБА.
2. Если системный блок расположен в относительно тихом городском помещении с уровнем шума примерно в (30…35) дБА, то приемлемым можно считать шум системного блока на уровне не более 30 дБА. Тут уже нужны определенные меры по подавлению шума. И, в первую очередь, подавление треска головок в режимах чтения, записи и поиска данных, поскольку многие современные винчестеры в этих режимах создают шум на (4…6) дБА больше, чем на холостом ходу. Такое изменение звука очень заметно и раздражительно.
3. Для тихой домашней комнаты шумовой фон составляет днем (25…30) дБА и (15…25) дБА ночью (если никто не храпит, не гудит холодильник, не воет ветер за окном и т.д.). Тогда днем компьютер должен шуметь не более тех же (25…30) дБА. А вот для неслышной ночной работы ему потребуются уже почти нереальные нынче (15…20) дБА. Такой уровень удовлетворил бы самого взыскательного пользователя, однако на данный момент его практическая реализация сопряжена со значительными трудностями. Поэтому ночью даже тихий дисковый накопитель с уровнем шума (24…30) дБА будет отчетливо слышен, несмотря на то, что корпус системного блока несколько заглушает воздушный шум. Для достижения таких же параметров нужны серьезные меры по подавлению шума.
И еще. Ощущение громкости, в общем, не соответствует утомляющему, травмирующему действию звуков и шумов. Если ощущение громкости достигает максимума где-то в районе от 1 до (3…5) кГц, то раздражающее действие звука на нервную систему тем больше, чем выше его частота (вплоть до границы ультразвука).
В тихом компьютере жесткий диск - один из самых шумных компонентов. Шум от жесткого диска — колебания (вибрации), порождаемые в нем движением его электромеханических элементов конструкции. Различают три основных причины возникновения вибраций и шумов винчестеров:
Если в состоянии покоя шум и вибрации исходят от двигателя и вращающихся дисков, то в режиме чтения и записи добавляется шум позиционирования блока магнитных головок (треск).
От жесткого диска шум может распространяться как по воздуху, так и по конструктивным элементам системного блока. Соответственно различают две составляющих шума – воздушную и структурную.
Воздушный шум (airborne acoustics) — это звук, создаваемый компонентом и передаваемый по воздуху. Он распространяется примерно так: вибрации винчестера приводят в колебательные движения частицы воздуха внутри корпуса. Эти колебания воздуха через отверстия в стенках проникают наружу компьютерного корпуса и воспринимаются органами слуха как шум. Кроме того, колебания частиц воздуха, достигнув стенок корпуса, в свою очередь вызывают их колебательные движения. Колеблющиеся стенки корпуса превращаются во вторичный источник воздушного шума и уже сами вызывают колебательные движения частиц воздуха снаружи корпуса, которые также воспринимаются органами слуха как шум.
Структурный шум (structure-borne sound) - шум, возникающий при непосредственном контакте вибрирующего винчестера с конструктивными элементами корпуса. Он порождается всей конструкцией изделия, его структурой, распространяется непосредственно по элементам конструкции корпуса и излучается на всем пути своего распространения. Т.е. вибрации передаются от работающего винчестера через непосредственный контакт и крепеж на корзину, а далее - на стенки корпуса и другие конструктивные компоненты корпуса, на блок питания, материнскую плату и т.д., и т.п. Соответственно, все эти элементы начинают вибрировать и превращаются во вторичные источники воздушного шума внутри корпуса. Вибрации же стенок корпуса вызывают колебательные движения частиц воздуха снаружи корпуса.
Выводы:
Установка же нескольких дисков в одну корзину может привести к резкому увеличению уровня шума, и не только за счет резонанса системы. Может возникнуть очень раздражающая модуляция (изменение громкости) звука с частотой равной разности частот вращения блинов для установленных винчестеров. Эта разность частот может быть от десятых долей до десятков герц.
Исследования, проведенные в компании Seagate, показали, что если диск жестко закреплен на шасси, доминирующими являются именно структурные шумы, а собственные (воздушные) шумы накопителя значительно меньше влияют на общий уровень шумов системы. Поскольку площадь стенок корпуса значительна, то они "более удачно" излучают низкочастотные шумы. Поэтому уровень таких шумов у винчестера, смонтированного в корпусе, как правило, будет выше, чем приводится в спецификациях на компонент. Особенно достает гул с частотой, равной частоте вращения блинов винчестера. Например, при частоте вращения блинов 7200 об/мин образуются крайне неприятный звук с частотой (7200 об/мин) / 60 сек = 120 Гц. Да и более высокочастотные шумы, передаваемые на корпус, могут многократно усиливаться всевозможными резонирующими элементами конструкции.
Здесь надо твердо усвоить:
Производители измеряют только воздушные шумы жестких дисков. Для исключения влияния на результаты вторичных источников звука жесткий диск при измерениях подвешивается на эластичных нитях. Полученные значения приводится в спецификациях на диск.
Чтобы не слышать шум винчестера, надо заглушить его внутри системного блока. Т.е. не дать шуму выйти наружу. Как же может распространяться шум от жесткого диска из системного блока в окружающую среду?
Обычно пути распространения шума, создаваемого винчестером, следующие:
1. Структурный шум:
2. Воздушный шум:
Отсюда вытекают следующие важнейшие задачи:
Итак, задачи поставлены. Посмотрим какже они решаются.
Прежде всего надо познакомиться с параметрами дисков, мнением специалистов, обзорами и форумами по выбору дисков в Интернете. Исходя из результатов, выбрать одну, а лучше несколько моделей.
Перед покупкой жесткого диска не стесняйтесь попросить подключить к выбранным моделям питающее напряжение. Прислушайтесь и оцените шум. Возьмите работающий диск в руку и почувствуйте его вибрации. Причем учтите, что шумовые свойства различны не только у дисков разных производителей или моделей, но даже и внутри одной партии дисков. Подумайте и сделайте вывод о необходимости покупки той или иной модели.
Менять потом будет сложнее.
Следующий способ - уменьшение скорости перемещающихся головок по дорожкам дисков позволяет за счет замедления работы винчестера уменьшить треск головок винчестера, "скачущих" по дорожкам дисков (один из самых неприятных шумов ПК). Снизить его можно путем настройки Automatic Acoustic Management (AAM). Режим AAM интересен тем, что его можно включить самостоятельно с помощью утилит производителя (рекомендуется) или других программ для диагностики и ремонта винчестеров (например, MHDD). Результат иногда бывает очень заметным: вместо громкого треска - мягкое приглушенное перекатывание. Обратной стороной медали является увеличение времени доступа в полтора, а то и в два раза, что снижает общую производительность винчестера. К сожалению, уменьшить скорость вращения блинов диска физически не представляется возможным, так как приводит к его полной неработоспособности.
Третий способ - увеличение массы винчестера. Позволяет уменьшить механические вибрации и шумы, вызванные как перемещением головок при поиске и вращении пластин, так и работой двигателя. Эффект уменьшения шумов за счет увеличения массы хорошо проявляется по отношению к высокочастотным возмущающим силам. На низких же частотах ее эффект может быть недостаточным (зависит от степени утяжеления). Масса неподвижной части жесткого диска может увеличиваться за счет установки на диск различных утяжеляющих пластин, радиаторов, грузов и т.д.
Уменьшения шума винчестера можно добиться не только за счет уменьшения шума электромеханических элементов. Неплохим и оригинальным решением можно считать наращивание оперативной памяти. С ее увеличением число обращений к виртуальной памяти и, соответственно, загрузка винчестера и шум от него резко сокращаются (подразумевается в виду шум, издаваемый блоком магнитных головок).
Раз именно структурные шумы доминируют в общем уровне шумов, то именно уменьшению амплитуды структурного шума, передаваемого от винчестера конструктивным элементам корпуса, в первую очередь и следует уделить внимание. Очень наглядно необходимость борьбы со структурным шумом можно проверить с помощью простого эксперимента. Снимите винчестер со штатного места в корзине и положите его на лист мягкого поролона или просто возьмите диск в руку, и если шум от диска резко уменьшится, то надо бороться именно со структурным шумом.
Прежде всего, возникает вопрос: как уменьшить амплитуду структурного шума, передаваемого от винчестера конструктивным элементам корпуса?
Да с помощью амортизаторов, как в автомобиле. Амортизация, или виброизоляция - это ослабление вибрации и ударов. И очевидно, что для амортизации между винчестером и корзиной нужно разместить упругий элемент, т.е. проложить резинку или, например, приспособить пружинку.
Амплитуда передаваемых от диска колебаний будет зависеть как от конструктивных особенностей, так и от применяемых материалов и уменьшаться с увеличением:
Отсюда следует, что исходно для уменьшения структурного шума необходимо выбрать корпус, изготовленный из толстого металла, оснащенного жесткой и тяжелой корзиной с многочисленными гнутыми или штампованными ребрами жесткости. Дальнейшего снижения амплитуды структурных шумов можно добиться если внедрить на пути распространения шума упругие (звукопоглощающие) материалы. Поэтому первичные источники шума в системе охлаждения (жесткий диск, а при наличии и вентиляторы, вентиляционные решетки, воздухозаборники) и их крепежные элементы (болты, саморезы, салазки и т.д.) необходимо отделить от конструктивных элементов, особенно от элементов крепления и самого корпуса звукоизолирующими материалами. Для этого в местах касания источниками шума конструктивных элементов и самого корпуса, а также под головки ВСЕХ болтов крепления вентиляторов, накопителей и т.д., необходимо подложить, например, резиновые прокладки или шайбы. Чем толще они будут, тем лучше, но практика показала, что даже тонкие шайбы способны уменьшить структурный шум, особенно высокочастотный.
Здесь главное исключить прямое соприкосновение источника шума с конструктивными элементами и самим корпусом как непосредственно, так и через их крепежные элементы (болты, саморезы, салазки и т.д.). Где-то в этой цепи обязательно должен быть звукопоглощающий материал.
Использование прокладок или шайб относится к простейшим решениям, которые стоит использовать, пожалуй, только для офисных компьютеров. Для дальнейшего улучшения подавления шумов необходимы специальные, более эластичные, виброизолирующие крепления первичных источников шума с использованием различных амортизаторов (виброизоляторов) или мягких подвесов.
Амортизаторы (виброизоляторы) и мягкие подвесы — это механические элементы крепления компонентов, изготовленные из эластичных, упругих материалов и используемые для уменьшения амплитуды вибраций, передаваемых от винчестера конструктивным элементам корпуса с целью снижения уровня структурных вибраций и шумов.
Для их создания могут использоваться различные пружины, а также резиновые, каучуковые, резинометаллические, силиконовые и другие упругие элементы. Используемые материалы и конструктивные решения должны обладать высоким постоянством параметров в течение срока службы, не иметь дополнительных резонансов и других факторов нестабильности. Чем мягче и эластичнее используемый материал, тем лучше подавляются структурные шумы, однако слишком мягкие или деформирующиеся со временем упругие элементы крепления не обеспечивают надежного механического крепления. Конструктивно виброизоляторы обычно представляют собой разнообразные стойки с упругими элементами из резины, силикона и т.д. Иногда в качестве упругих элементов используются пружины.
При применении виброизоляторов для крепления жестких дисков в моменты перемещения головок с одной дорожки на другую возникает довольно сильная вибрация всего накопителя. В старых винчестерах это затрудняло точное наведение головки, снижало производительность всего устройства и/или нарушало целостность записанных данных и, следовательно, считалось нецелесообразным. Однако в современных накопителях эта проблема практически решена.
С использованием таких стоек жесткий диск, как правило, устанавливается в 5,25" отсек системного блока. Например, в системе монтажа innoVibe для снижения структурного шума диска используются специальные эластичные пластиковые стойки, усиленные стекловолокном. Горизонтальное положение стоек предусматривает установку диска в 5,25" отсек.
Эластичные стойки позволяют снизить вибрации, структурные шумы от мотора и от блока магнитных головок. При этом система монтажа не мешает циркуляции воздуха вокруг жесткого диска при его обдуве для охлаждения. Аналогичной конструкцией снабжен, например, антивибрационный крепеж Scythe Hard Disk Stabilizer 2 для жесткого диска.
Иногда по конструктивным соображениям жесткий диск удобнее расположить на дне корпуса системного блока. В этом случае, например, пружины с одной стороны могут крепиться винтами в штатных местах к диску, а с другой стороны – саморезами к обязательно жесткому и, желательно, тяжелому металлическому основанию. Для основания допустимо использовать пластик или дерево. А основание через виброизолирующую прокладку ложится на дно корпуса.
Степень подавления структурных шумов ограничивается минимальной жесткостью пружин (эластичных элементов), при которой они еще обеспечивают надежное механическое крепление, т.е. удерживают диск над основанием и не гнутся под тяжестью HDD.
Виброизоляторы в виде разнообразных упругих стоек можно использовать для компьютеров, расположенных в тихих офисах или тихих городских помещениях.
Крепления основания непосредственно к корпусу следует избегать, не говоря уже о креплении пружин непосредственно к дну корпуса. Это не только не обеспечит должного подавления структурных шумов, но и может их увеличить. Особенно это относится к свистящим высокочастотным составляющим, прекрасно распространяющимся по металлическим пружинам. Хорошей степенью подавления структурных шумов среди подобных конструкций обладает конструкция с силиконовыми стойками.
Чем меньше диаметр и больше длина стоек, тем лучше подавляются шумы, однако меньше механическая жесткость и прочность крепления снижаются. При очень малом диаметре и большой длине стоек они начинают гнуться под тяжестью HDD и перестают удерживать его над основанием.
Как же быть, если хочется дальнейшего улучшения подавления шумов, а диск уже не держится на стойках? А решение очень простое: надо уменьшить диаметр, увеличить длину виброизоляторов и подвесить на них HDD. Именно такие крепления-подвесы обладают, пожалуй, самой высокой эффективностью подавления структурных шумов. Причем чем эластичнее и мягче подвес, тем меньше амплитуда структурного шума передаваемого от винчестера. Например, в устройстве No-Vibes III виброизоляция осуществляется с помощью трех круглых резиновых колец-растяжек закрепленных на крепкой металлической раме. Сама рама с диском размещается в 5.25" отсеке. На рисунке ниже показано, как крепится жесткий диск.
Когда сверху устанавливается третье резиновое кольцо, диск ложится на 4 мягкие прокладки на углах металлической рамки. Прокладки обеспечивают мягкую поддержку винчестера. Однако третье кольцо может и не использоваться. Оно только увеличивает механическую прочность крепления (важно при транспортировке). Без него диск полностью подвешен и не касается мягких прокладок. Это обеспечивает лучшую виброизоляцию, поскольку делает подвеску более мягкой и эластичной. Снижение общего шума системного блока особенно заметно именно при полностью подвешенном диске (применении только двух резиновых колец).
Та же идея, что и в устройстве No-Vibes III, очень широко используется и в самодельных конструкциях:
При самостоятельной разработке таких конструкций необходимо стараться равномерно распределять вес винчестера между подвесами, правильно выбирать число, материал эластичных элементов и их толщину. Увеличение числа эластичных элементов, излишнее их натяжение или использование слишком толстых подвесов:
Неравномерное распределение веса винчестера между шнурами, применение слишком тонких эластичных элементов и излишнее их натяжение грозит обрывом подвеса. Для гарантированного исключения обрыва подвеса в качестве эластичного элемента можно использовать бельевые или шляпные резиновые шнуры, имеющие нитевую оплетку. Практически растяжение (или натяжение) каждого из эластичных элементов под воздействием веса HDD лучше выбирать около половины от максимально допустимой величины растяжения (величины грозящей обрывом шнура).
Еще надежнее от обрыва предохраняет шнурок для обуви, пропитанный силиконом: его удобно крепить, а при небольшой степени растяжения он ведет себя как силиконовый, а нитяная основа не дает ему порваться:
Растяжение (или натяжение) каждого из таких эластичных элементов под воздействием веса HDD лучше выбирать так же около половины от максимально допустимой величины растяжения (величины, ограниченной растяжением нитяной составляющей). Такие конструктивные решения обладают, пожалуй, наилучшей совокупностью таких качеств как:
Поэтому именно такие решения и рекомендуются в первую очередь для использования в действительно малошумящих системах, используемых в тихих домашних комнатах.
Однако в некоторых особо тяжелых случаях, например, при использовании сильно вибрирующих винчестеров и “жестяных”, дребезжащих NoName корпусов с корзинами, выполненными из тонкой жести, без ребер жесткости устройства типа No-Vibes III с подвешиванием одного и, особенно, нескольких дисков на эластичных растяжках со своими обязанностями могут не справляться. Это объясняется тем, что конструкция подвеса в устройствах типа No-Vibes III неоптимальна с точки зрения подавления структурных шумов.
Дело в том, что для обеспечения надежной фиксации диск зажат сверху и снизу между растяжками. Увеличение натяжения верхних растяжек с целью обеспечения надежной фиксации диска автоматически приводит к увеличению натяжения нижних растяжек. Суммарная сила натяжения эластичных элементов, проходящих под винчестером, превышает его вес.
Причем, чем меньше угол α между растяжками (см. рисунок выше), тем больше натяжение и верхних, и нижних растяжек. При очень сильном натяжении растяжек жесткость подвеса может стать избыточной для надежного подавления структурных шумов. И причиной для особенно занудного гула с частотой равной частоте вращения блинов винчестера.
Так как вектор амплитуды вибраций находится практически в плоскости блинов винчестера, то для максимально возможного подавления структурных шумов используются подвесы с вертикальным расположением эластичных шнуров. В этом случае если плоскость блинов винчестера расположена горизонтально (классическое положение HDD), а эластичные нити подвеса расположены вертикально, то вес винчестера будет действовать вдоль нитей подвеса, т.е. по направлению наибольшей жесткости подвеса. А вот в направлении вектора амплитуды вибраций, действующего перпендикулярно нитям подвеса, подвес будет обладать изумительной эластичностью, так как в данном случае подвес работает не на растяжение, а на изгиб.
Это позволяет добиться максимального подавления структурных шумов и использовать для изготовления подвесов не только силикон, резину (а еще лучше бельевые или шляпные резиновые шнуры, имеющие нитевую оплетку), но даже и войлок.
Однако многие конструкции, реализующие такой способ, не обеспечивают механической прочности крепления дисков. Представьте, что будет при транспортировке компьютеров с таким креплением дисков. Для безопасной транспортировки можно, например, мягко ограничить амплитуду перемещений диска эластичными упорами-ограничителями.
Положение их регулируется таким образом, что в рабочем положении они не касаются винчестера. А вот с увеличением амплитуды вибраций или при наклоне системного блока при транспортировке упоры-ограничители вступают в работу. Достоинство конструкции – возможность использования очень мягкого подвеса из любого материала без головной боли о возможности его обрыва.
Бывает, что эластичные вертикальные шнуры используют для подвеса целиком всей корзины с винчестерами и элементами охлаждения. Закрепление резиновых шнуров сверху и снизу позволяет осторожненько транспортировать системный блок.
При разработке подвесов с вертикальным расположением эластичных шнуров следует помнить, что чем эластичнее и длиннее подвесы, тем лучше подавляются структурные шумы. Однако и чувствительность к внешним воздействиям тоже выше. Например, на четырех силиконовых подвесах длиной всего (15...30) мм и диаметром (4...6) мм в системном блоке, стоящем на столе, винчестер начинает раскачиваться как на качелях даже при наборе текста (ударах пальцев по клавиатуре). А вот с войлочными подвесами аналогичных размеров таких раскачиваний не наблюдается. Но, естественно, и подавление структурного шума похуже. Поэтому здесь необходимо учитывать не только размеры, но и свойства применяемых материалов.
Попадаются конструкции с использованием в подвесах листового материала:
Такие конструкции подавляют шумы похуже вышеописанных. Существуют и другие конструкции подвеса дисков. Общим недостатком всех способов амортизации, или виброизоляции отдельных дисков является практически полное отсутствие передачи тепла от диска к корзине. Поэтому такие решения следует применять либо для дисков с малым тепловыделением, либо при наличии дополнительных мер по охлаждению дисков.
Уменьшение амплитуды колебаний вторичных источников шума достигается:
Поглощение вибрации происходит за счет вязкой деформации вибропоглощающего слоя, вследствие чего энергия колебаний превращается в тепло. Свойства материала к вибропоглощению оценивается коэффициентом механических потерь.
Коэффициент механических потерь - отношение энергии вибраций, рассеянной за один период колебаний, ко всей накопленной звуковой энергии.
Он характеризует скорость затухания колебаний в системе и может быть от 0 до 1. Нулевой коэффициент потерь означает, что если такую систему возбудить кратковременным импульсом, колебания в ней не затухнут никогда. Единичный же коэффициент указывает, что колебания в такой системе погаснут в течение одного периода. Обычно этот коэффициент бывает от 0,05 до 0,25. Чем он больше, тем лучше демпфирование.
Вибропоглощающие материалы используются обычно на частотах (20…500) Гц и, как правило, совместно со звукопоглощающими материалами, работающими на более высоких частотах (см. далее). Первыми клеятся вибродемпфирующие материалы, гасящие звук от дрожащих корпусных панелей. С этой задачей прекрасно справляются тяжелые пластичные материалы на основе битума, полимеров, каучуков и т.д.
При отсутствии материалов, специально предназначенных для виброизоляции компьютерных корпусов, для этой цели лучше всего использовать материалы, используемые для тех же целей в автомобилях. Их можно встретить на автомобильных рынках в виде самоклеющихся листов. Используемый клей со временем не должен стареть и распадаться. Для усиления эффекта кладут несколько слоев материала. Чем толще материал, тем лучше вибродемпфирование. Обходится это, конечно, дороже. Поверх виброизолирующего материала обычно располагается вспененный звукопоглощающий материал.
Корпус изнутри лучше оклеивать целиком. Не стоит, понятное дело, заклеивать посадочное место материнской платы или, например, вентиляционные отверстия, необходимые для организации охлаждающих воздушных потоков. А вот вентиляционные отверстия, способствующие образованию перекрестных и взаимно мешающих воздушных потоков, а также потоков, проходящих напрямую от таких отверстий до выхлопного вентилятора, минуя нагретые компоненты (указано стрелкой на рисунке ниже), НАСТОЯТЕЛЬНО рекомендуется заклеить.
В этом случае получается звукопоглощающее покрытие по всей внутренней поверхности корпуса. Особенно тщательно виброизолирующим материалом проклеиваются стенки отсеков дисководов, чтобы максимально уменьшить передачу вибраций через них от винчестеров на стенки корпуса. Только не обклеивайте непосредственно источники тепла, устройства охлаждения (радиаторы, винчестеры), платы с радиоэлементами, а то они "сварятся", так как звукоизолирующие материалы являются обычно и великолепными теплоизолирующими материалами.
Опыт оклейки показывает, что температура внутри системного блока обычно остается на прежнем уровне или даже уменьшается, если были заклеены ненужные вентиляционные отверстия, способствующие проходу воздуха напрямую от воздухозаборников до выхлопного вентилятора, минуя нагретые устройства.
Главная задача звукоизоляции жесткого диска очевидна, наверное, всем: не дать воздушным шумам выйти наружу системного блока. В настоящее время в реальной жизни слово “звукоизоляция” получило достаточно много толкований. От обобщенного названия целого ряда материалов до совокупности мероприятий и средств для снижения уровня акустических шумов. Мы под звукоизоляцией (винчестера) будем подразумевать следующее.
Звукоизоляция - снижение уровня воздушного шума, проникающего от винчестера наружу системного блока.
Количественно звукоизоляция оценивается величиной снижения уровня воздушного шума, выражаемой, например, в децибелах или процентах.
Далее, не углубляясь в сложные закономерности, кратко остановимся только на основных понятиях, связанных со звукоизоляцией.
Воздушный шум от винчестера распространяется по воздуху внутри корпуса системного блока до первого попавшегося предмета (преграды) и возбуждает в нем вторичные колебания.
При этом падающая на преграду звуковая энергия делится на три составляющих:
Если же за счет отражения и поглощения звуковая энергия, прошедшая сквозь преграду, уменьшается настолько, что становится соизмеримой с шумовым фоном в помещении и менее его, то звук перестает быть слышимым. Здесь же следует отметить, что для звукоизоляции могут использоваться или процесс отражения звука, или процесс поглощения звука, или оба вместе.
Материал, отражающей преграды, должен быть тяжелым, плотным, без пор и пустот, проводящих звук. Обычно используются металл или пластик. Пусть это, например, будет стальная стенка толщиной один миллиметр. Тогда на частоте 1200 Гц такая стенка пропускает около 1/1700 части звуковой энергии и снижает звуковое давление (громкость) приблизительно в 41 раз (около 32 дБ). Подробнее см. /lab/amp/18026/Shum_kompjuterov_i_ne_tolko .
Ведь если на эту величину подавить шумы современных тихих дисковых накопителей с уровнем шума (21…36) дБ, то у лучших из них уровень шума будет меньше 0 дБ. Т.е. меньше порога слышимости! Этот факт дает очень радужные надежды.
Структура звукопоглощающих материалов пористая или волокнистая при наличии большого числа открытых и сообщающихся между собой пор. Важно, чтобы поры были открытыми, т.е. сообщались между собой. В результате большая удельная поверхность материалов, создаваемая стенками открытых пор, способствует активному преобразованию энергии звуковых колебаний в тепловую энергию вследствие потерь на трение. Во-первых, за счет трения между собой частиц воздуха, проталкиваемых звуковой волной в порах или межволоконном пространстве. Во-вторых, из-за трения воздуха о волокна или поры, поверхность которых весьма велика. В-третьих, вследствие трения волокон друг о друга и трения частиц звукопоглощающего материала.
Если поры закрытые, как в пенополиэтилене или пенопласте, звукопоглощающие свойства будут хуже – в каждом пузырьке воздух, упруго сжимаясь, отражает звуковую волну назад. Эффективность звукопоглощающих материалов оценивается коэффициентом звукопоглощения.
Коэффициент звукопоглощения - отношение поглощенной энергии к падающей энергии звука.
Он характеризует способность материала поглощать звуковые волны и бывает от 0 до 1 (иногда выражается в процентах от 0 до 100%). При нулевом коэффициенте звукопоглощения звуковая энергия материалом не поглощается. Единица означает, что вся звуковая энергия поглощена материалом. Частотные характеристики, или зависимости коэффициента звукопоглощения от частоты, для нескольких материалов различной толщины приведены на рисунке.
DampTek® foam толщиной около 7,5 мм - прекрасный звукопоглощающий материал с открытыми ячейками. Он предназначен специально для оклейки компьютерных корпусов http://www.nexustek.nl/damptek_noise_absorption_mat.htm .
Изолон ППЭ - материал с закрытыми ячейками - используется для тепло-, звуко-, гидроизоляции в строительстве, автомобилестроении и других отраслях. Его звукопоглощающие свойства значительно скромнее http://www.izolon.ru/prod.html.
Характеристики большинства других звукопоглощающих материалов аналогичной толщины проходят обычно между характеристиками DampTek® foam и Изолона ППЭ. Например, даже широко распространенный строительный материал ДВП (древесноволокнистая плита) обладает определенными звукопоглощающими свойствами и при отсутствии лучших материалов им можно оклеивать стенки корпуса. Однако, конечно, лучше использовать специальные материалы, например, DampTek foam , который на частотах более 1000 Гц поглощает практически 100% энергии звуковой волны.
Если вспомнить примерную “взвешенную” частотную зависимость уровня звукового давления шума HDD при поиске данных, то можно сделать вывод, что именно на этих частотах и нужно хорошее подавление воздушного шума. Это обстоятельство также подает определенные надежды.
Конечно, звукоотражающие преграды в идеале "работают" эффективнее звукопоглощающих. Например, для одинакового снижения уровня "выходящего" звука толщина звукоотражающей конструкции может быть в десятки раз меньше толщины звукопоглощающего материала. На практике же наилучшую звукоизоляцию обеспечивают конструкции, в которых используется как отражение, так и поглощение звуковой энергии.
Итак, чтобы винчестер наглухо звукоизолировать со всех сторон, его надо поместить в какой-то звукоизолирующий (шумозашитный) кожух или короб. Причем, чтобы у звука не было легких путей наружу, кожух должен быть герметичным без всяких щелей и отверстий. Герметичность кожуха можно обеспечить, например, резиновыми прокладками, герметиком и т.д.
Тогда звуковая волна будет многократно отражаться внутри кожуха от его стенок и самого винчестера. И при каждом отражении от кожуха часть звуковой энергии будет пробиваться наружу. В результате звукоизолирующая способность стальной преграды уменьшается более чем в три раза (на 10 дБ) по сравнению с гипотетической ситуацией, когда отраженная волна вовсе бы отсутствовала. Тогда на частоте 1200 Гц такой стальной кожух будет пропускать уже около 1/150 части звуковой энергии и снижать звуковое давление (громкость) уже только приблизительно в 12,5 раз (на 22 дБ). Обидно.
Кроме того, звукоизоляция становится менее эффективной с понижением частоты звука. При понижении частоты звука на октаву (вдвое) звукоизолирующая способность преграды уменьшается тоже вдвое. Вывод: преграда является хорошим средством для изоляции средних и высоких частот, но чем глубже бас, тем больше проблем. И это тоже нездорово.
Улучшить звукоизоляцию можно:
Например, при использовании для звукопоглощения пенополиуретана (ППУ) толщиной 10 мм и вибродемпфирующего материала Isolеrmat толщиной 2,7 мм (ISO-5), имеющего не только хорошие вибродемпфирующие и неплохие звукоотражающие свойства, звукоизоляция стального листа значительно возрастает:
Пусть это будет, например, стальная стенка толщиной два миллиметра. Тогда на частоте 1200 Гц такая стенка пропускает только около 1/7000 части звуковой энергии и снижает звуковое давление (громкость) приблизительно в 83 раза (около 38 дБ). А вот втрое более легкая алюминиевая стенка толщиной в те же два миллиметра на частоте 1200 Гц пропускает уже около 1/780 части звуковой энергии и снижает звуковое давление (громкость) приблизительно в 28 раз (на 29 дБ). Эти результаты даже хуже, чем у стальной стенки толщиной 1 мм.
При использовании звукоизолирующих (шумозащитных) кожухов или коробов очень важно предотвратить передачу структурного шума от винчестера конструктивным элементам кожуха. См. п. 2.4 Виброизоляция (амортизация).
В процессе разработки и монтажа многослойной конструкции также очень важно не допустить, чтобы структурный шум распространялся напрямую от внутренних стенок через элементы крепления к внешним стенкам. Ведь таким образом внешние стенки напрямую начинают переизлучать звук, полученный от внутренней стенки, а звукопоглощающий материал между стенок остается, что называется «не у дел». Поэтому места крепления стенок необходимо изолировать амортизаторами (см. п. 2.4 Виброизоляция (амортизация)). И только тогда конструкция начнет ощутимо гасить шумы.
А как же будут влиять на звукопоглощение отверстия в герметичном кожухе? Ведь к жесткому диску как-то надо подводить питание и IDE или SATA шлейфы. Например, чтобы просунуть сквозь кожух шлейф IDE и разъем питания, минимальная общая площадь отверстий составит около 1/100 площади кожуха при его размерах 50х130х180 мм.
Тогда, даже если пренебречь увеличением звукопроводности отверстия вследствие дифракции и просто считать, что отверстие проводит лишь весь падающий на нее прямой звук от источника, то и тогда через щель пройдет 1/100 часть звуковой энергии. Т.е. на частоте 1200 Гц в 1,5 раза больше, чем через весь рассмотренный выше кожух со стальными стенками толщиной 1 мм. Дифракция же звука приводит к усиленной звукопроводности щелей и отверстий. Чем ниже частота, тем больше коэффициент увеличения эффективной площади отверстия вследствие дифракции. На частоте 1200 Гц он достигает шести, т.е. с учетом дифракции отверстие проводит уже в 9 раз больше звуковой энергии, чем весь кожух. Ну, а с учетом того, что звукопроводность щелей даже несколько больше, чем звукопроводность отверстий равной площади, становится совсем невесело.Как же с этим бороться?
Вспомним старинные рецепты звукозащиты для замочных скважин, например, массивные металлические пластинки на оси над скважиной по обе стороны двери. Аналогично тяжелыми, плотными пластинами, играющими роль отражающих преград и должно, и нужно по возможности плотно, без щелей, лучше “внахлест” прикрывать все отверстия.
Очень кстати будет применение различного рода герметизирующих прокладок либо герметика (плотного, тяжелого типа пластилина – легко наносится, хорошо держится, легко снимается).
Совсем неплохо подвод осуществлять с помощью переходных разъемов, распаянных с разных сторон пластины, перекрывающей проход звука через щель.
Можно герметично вклеить разъемы в отверстия в кожухе и т.д. и т.п.
Объединяет все способы одно - перекрытие "легких путей" для звука за пределы кожуха. Однако для подавления шума не стоит бездумно заключать винчестеры в герметичные короба, обкладывать диски со всех сторон поролоном, стекловатой, пористой резиной и т.д. Это объясняется тем, что многие модели дисков греются сильно, и в подобном «инкубаторе» могут попросту «свариться» при температуре выше положенных по паспорту (50…60) °С.
Для исключения перегрева необходимо предусмотреть отвод тепла от жесткого диска за пределы звукоизолирующих коробов. Тепло обычно отводят либо за счет теплопроводности с помощью контакта диска с кожухом или тепловых трубок или специальных пластин, либо за счет вынужденной конвекции (обдува воздухом).
Примером конструкции с использованием специальных пластин является такое устройство как SilentDrive. Эта конструкция представляет собой коробочку со звукоизоляцией и предусмотренным отводом тепла от банки винчестера. Тепло от верхней и нижней плоскости винчестера передается через специальные пластины к внешнему теплоотводящему устройству (например, радиатору).
Устройства типа SilentDrive с отводом тепла с помощью специальных пластин или тепловых трубок, конечно, несколько ослабляют воздушные шумы. Но они обладают целым рядом общих недостатков:
При использовании принудительной конвекции в кожухе должны быть отверстия немалой площади, как для подвода холодного воздуха, так и для отвода нагретого. Но ведь отверстия пагубны для звукоизоляции! Правильно. Поэтому отверстия оснащаются глушителями (как в автомобиле), которые должны свободно пропускать через себя поток воздуха и не пропускать звуковые колебания. Вся конструкция превращается в шумозащитный короб-воздуховод или просто глушитель (как у автомобиля).
В конструкциях шумозащитных коробов-воздуховодов используются те же идеи, что и конструкциях звукоизолирующих (шумозащитных) кожухов. Исключением является наличие отверстий для забора холодного воздуха и выхлопа нагретого. Простейший глушитель обычно представляет собой изогнутый воздуховод или воздуховод с перегородками, оклеенный (желательно не только изнутри, но и снаружи) виброизолирующими и шумопоглощающими материалами.
При размещении HDD в шумозащитном коробе-воздуховоде крепление диска лучше осуществлять с помощью подвесов. Такая конструкция может обеспечить не только уменьшение воздушного шума, но и подавление структурного шума, отличное охлаждение как банки, так и электроники диска.
Для организации охлаждающего воздушного потока могут использоваться специально предназначенные для этого вентиляторы, установленные на входе, на выходе или внутри глушителя. Здесь надо отметить, что при установке вентиляторов внутри глушителя их шум так же поглощается в глушителе!
Для установки производительного и малошумящего вентилятора большого диаметра необходимо увеличение размеров глушителя. Однако в этом случае глушитель может применяться для установки в него сразу нескольких HDD. Глушитель может устанавливаться в любом месте внутри корпуса, в том числе и на любой из его стенок, на дне.
При установке на стенку или дно желательно обеспечить доступ к наружному воздуху. В этом случае наличие отверстия в корпусе и вентиляторы учитываются при расчете общей системы охлаждения. Если есть доступ к наружному воздуху, то для организации воздушного потока может использоваться система общего охлаждения системного блока, особенно с пониженным давлением в корпусе системника. Т.е. при наличии выхлопных вентиляторов, например, на задней стенке корпуса и в блоке питания можно обеспечить разность давлений между входом и выходом глушителя, достаточную для организации воздушного потока, охлаждающего винчестер.
В этом случае нет дополнительных вентиляторов и, следовательно, нет создаваемого ими шума. Однако при снятии, например, боковой крышки корпуса воздушный поток внутри короба исчезает, и жесткий диск варится в собственном соку!
В рассмотренных конструкциях уменьшаются не только воздушные шумы. Мягкий подвес обеспечивает прекрасное подавление структурных шумов. А “облизывающий” воздушный поток обеспечивает прекрасное охлаждение как банки, так и электроники винчестера.
А может, чтобы не изобретать велосипед, неплохо познакомиться с идеями, заложенными в конструкции автомобильных глушителей? Дело в том, что и шумозащитный короб-воздуховод и автомобильный глушитель, по сути, выполняют одно и то же. Они должны свободно пропускать через себя поток воздуха (газов) и не пропускать звуковые колебания.
Для заимствования, пожалуй, наиболее подходят идеи автомобильных глушителей трех типов, отличающихся принципами работы. Это ограничители, отражатели и поглотители.
1. Принцип работы глушителя-ограничителя прост. В корпусе наличествует дроссель (узкая труба, диафрагма), т.е. некое акустическое сопротивление, а за ним сразу большой объем, аналог емкости.
Звуковые колебания, продавливаемые через сопротивление, сглаживаются объемом. Энергия рассеивается в дросселе, нагревая воздух. Чем меньше отверстие диафрагмы, тем эффективней сглаживание. Но тем больше сопротивление потоку. Да, не лучшая конструкция. Однако в качестве одного из последовательно включенных в системе глушителей - довольно распространенная конструкция.
2. В корпусе глушителя-отражателя организуется большое количество акустических зеркал (стенок напротив воздуховодов), от которых звуковые волны отражаются.
Известно, что при каждом отражении часть энергии теряется, тратится на нагрев зеркала. Если устроить для звука целый лабиринт из зеркал, то, в конце концов, можно рассеять почти всю энергию. Наружу выйдет весьма ослабленный звук. Значительно лучшая конструкция, хотя в недрах глушителя поток газа многократно меняет направление, что так же создает некоторое сопротивление потоку газов. Такая несколько упрощенная конструкция в виде шумозащитного воздуховода-змейки используется, пожалуй, чаще других.
3. Принцип работы глушителей-поглотителей заключается в поглощении акустических волн неким пористым материалом. Если звук, например, через отверстия в воздуховоде направить в шумоизолирующий материал, то колебательная энергия волны будет постепенно гаситься, превращаясь в тепловую энергию. А еще лучше весь воздуховод обклеить шумоизолирующим материалом:
Поглотители позволяют построить конструкцию глушителя без уменьшения сечения трубопровода и даже без изгибов. Такой глушитель получает минимально возможное сопротивление потоку, однако и хуже всего снижает шум.
На практике, как правило, используются различные комбинации всех приведенных типов. Различных типов глушителей в системе обычно бывает два и больше.
Следует обратить внимание на одну особенность различных кожухов и глушителей, без которой не достичь эффективного снижения шума. Если на стенках изнутри кожуха или глушителя любого типа нет звуковибропоглощающего материала, то источником звука становятся сами стенки. Иногда звуковибропоглощающий материал располагается и с наружной стороны стенок кожуха или глушителя. Это и есть та мера, которая позволит ограничить излучение звука через стенки кожухов и глушителей.
Есть еще одно обстоятельство, которое тоже нельзя обойти вниманием. Это тембр звука. Практически любой используемый звукопоглощающий материал поглощает в большей степени высокочастотные составляющие, придавая звуку “благородную” мягкость и бархатистость. Это даже при неполном подавлении звука визжащего и трещащего винчестера резко снижает его раздражающее воздействие. Например, треск головок винчестера не только ослабляется, но и превращается в своеобразное побулькивание, которое раздражает гораздо меньше.
Иногда применяются бескорпусные глушители, изготовленные только из шумопоглощающих материалов. Тогда в качестве отражающих преград на пути распространения звука используются стенки корпуса системного блока. Бескорпусные глушители проще в изготовлении, но хуже подавляют шумы.
В качестве своеобразного дополнительного шумозащитного воздуховода можно использовать пространство между передней стенкой корпуса и пластмассовой передней панелью. В этом случае, вся передняя стенка корпуса и вся пластмассовая передняя панель изнутри за исключением необходимых для организации охлаждающих воздушных потоков вентиляционных отверстий оклеиваются виброизолирующим и шумопоглощающим материалами:
Кроме того, чтобы звук не распространялся по прямой линии из корпуса наружу, отверстия в передней стенке корпуса, расположенные напротив воздухозаборника, закрываются металлической или пластиковой преградой, и все это оклеивается виброизолирующим и шумопоглощающим материалами. А чтобы сопротивление воздушному потоку не возрастало, отверстия напротив HDD расширяются. Такая доработка кроме уменьшения шума позволяет резко улучшить охлаждение жесткого диска.
Итак, основные идеи рассмотрены, пути намечены. Пора за дело.
Продолжение следует.