2.4.3. Вибропоглощение (вибродемпфирование)

Уменьшение амплитуды колебаний вторичных источников шума достигается:

• Выбором качественного корпуса системного блока с толстым металлом, жесткой конструкцией, мягкими резиновыми ножками и т.д. (но корпуса – отдельная тема);
• Качественной сборкой системного блока, чтобы ничего не дребезжало, с использованием всех имеющихся в конструкции крепежных отверстий;
• Оклеиванием конструктивных элементов корпуса и самого корпуса изнутри вибропоглощающими (виброизолирующими, вибродемпфирующими и т.д.) материалами.

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.

2.4.4. Звукоизоляция

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:

• отраженная энергия (чем ее больше, тем выше звукоизоляция);
• энергия, поглощаемая внутри конструкции при прохождении волны от одной ее поверхности к другой (чем ее больше, тем выше звукоизоляция);
• энергия, прошедшая сквозь преграду.

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/show/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:

1. Оклеиванием кожуха изнутри звукопоглощающим материалом. Из-за отражения от стенок звук многократно проходит через звукопоглощающий материал и хорошо поглощается внутри кожуха даже не очень толстым слоем этого материала. Но чем толще слой звукопоглощающего материала, тем лучше звукоизоляция. Причем звукоизоляция на высоких частотах улучшается гораздо сильнее, чем на низких. Оклеивание снаружи менее эффективно, так как в этом случае звук проходит через звукопоглощающий материал только один раз.
2. Оклеиванием кожуха вибродемпфирующим материалом. Снижение шума до нескольких раз (до 10…15 дБ) особенно заметено на резонансных частотах короба (да и не только на резонансных частотах), где звукоизоляция “голого” листа резко падает.

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:

3. Применением более жесткого листа - выпуклого, со штампованными ребрами жесткости или гофрированного.
4. Увеличением толщины (массы) стенок. Тут вступает в силу "закон массы", который гласит, что каждое увеличение массы (толщины) стенки вдвое (на 6 дБ) уменьшает громкость проходящего через стенку шума приблизительно в два раза (на 6 дБ).

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.

5. Применением многослойных конструкций с несколькими стенками (обычно двумя-тремя), между которыми располагается звукопоглощающий материал. Для исключения ухудшения звукоизоляции за счет резонансных явлений желательно использовать стенки с разной толщиной (жесткостью). Также следует учитывать, что конструкция с тремя стенками лучше снижает шум, если средняя стенка приближена к одной из крайних.

При использовании звукоизолирующих (шумозащитных) кожухов или коробов очень важно предотвратить передачу структурного шума от винчестера конструктивным элементам кожуха. См. п. 2.4 Виброизоляция (амортизация).