第12章 热设计中的噪声

\[ L _ {\mathrm{I}} = 1 0 \lg \frac {I}{I _ {0}} \tag {12-4} \]

式中， \(L_{1}\) 为声强级，单位为 dB；I 为声强，单位为 \(W/m^{2}\) ； \(I_{0}\) 为基准声强 \(I_{0}=10^{-12}W/m^{2}\) 。

5. 声功率和声功率级

声源在单位时间内辐射出的总声能量称为声功率。

单位时间内通过垂直于声传播方向上面积为 S 的平均声能量，称为平均声能量流或平均声功率。

声功率级定义为声功率和基准声功率之比取以 10 为底的对数后再乘以 10，用 \(L_{\mathrm{W}}\) 表示，单位为 dB，见式（12-5）。

\[ L _ {\mathrm{w}} = 1 0 \lg \frac {W}{W _ {0}} \tag {12-5} \]

式中， \(W_{0}\) 为基准声功率， \(W_{0}=10^{-12}W\) 。

在有反射波存在的声场中，声强往往不能反映其能量关系。在实际情况下，有很多因素影响声强和声压，声强和声压的测量值与环境有关，对于同一个声源，在不同场合、不同方向、不同测点，所测得的声强和声压值可能是不同的。但是，同一个声源在不同的环境下所辐射的声功率是一个不变的量，反映了声源的声学特性。声压级、声强级和声功率级三者之间的关系如下：

\[ L _ {\mathrm{I}} = L _ {\mathrm{P}} + 1 0 \lg \left(\frac {4 0 0}{\rho_ {0} c _ {0}}\right) \tag {12-6} \]

\[ L _ {\mathrm{W}} = L _ {\mathrm{I}} + 1 0 \lg S \tag {12-7} \]

\[ L _ {\mathrm{W}} = L _ {\mathrm{P}} + 1 0 \lg \left(\frac {4 0 0}{\rho_ {0} c _ {0}}\right) + 1 0 \lg S \tag {12-8} \]

式中，S 为声源辐射的面积； \(c_{0}\) 和 \(\rho_{0}\) 分别为声速和介质密度。由式（12-6）～式（12-8）可知，通过测量距声源 r 处某点的声压，即可算出该声源的声强级和声功率级。而基于声强和声压对环境的敏感性，电子产品中，多数以声功率级来衡量产品的噪声大小 \(^{[2]}\) 。对于应用场景较为单一的产品，会使用声压级来描述其噪声等级，声强则较少用到。

6. 多声源间的叠加计算

当电子产品中有多个风扇时，就需要计算其声音的叠加效果。对于多个声源来讲，声功率和声强可以代数相加，即 n 个声源的声功率和声强的和为

\[ W = W _ {1} + W _ {2} + \dots + W _ {n} \tag {12-9} \]

\[ I = I _ {1} + I _ {2} + \dots + I _ {n} \tag {12-10} \]

由此得到总声功率级和声强级分别为

\[ L _ {\mathrm{w}} = 1 0 \lg \frac {W}{W _ {0}} = 1 0 \lg \frac {W _ {1} + W _ {2} + \cdots + W _ {n}}{W _ {0}} \tag {12-11} \]

\[ L _ {1} = 1 0 \lg \frac {I}{I _ {0}} = 1 0 \lg \frac {I _ {1} + I _ {2} + \cdots + I _ {n}}{I _ {0}} \tag {12-12} \]

而对于声压级，压强是不能直接叠加的。压强与力直接相关，需要按照类似矢量的方式计算其叠加值。对于 n 个声源，其总的声压为

\[ P = \sqrt {P _ {1} ^ {2} + P _ {2} ^ {2} + \cdots + P _ {n} ^ {2}} \tag {12-13} \]

因此，声压级的大小为

\[ L _ {\mathrm{P}} = 2 0 \lg \frac {P}{P _ {0}} = 1 0 \lg \frac {P _ {1} ^ {2} + P _ {2} ^ {2} + \cdots + P _ {n} ^ {2}}{P _ {0} ^ {2}} = 1 0 \lg \left(1 0 ^ {\frac {L _ {\mathrm{P} 1}}{1 0}} + 1 0 ^ {\frac {L _ {\mathrm{P} 2}}{1 0}} + \dots + 1 0 ^ {\frac {L _ {\mathrm{P} n}}{1 0}}\right) \tag {12-14} \]

12.3 声音的分析

电子产品中不止关注声压级或者声功率级，更需要控制产品的声品质，即产品的实际听觉体验。实际产品中，声源一般是由许多不同频率、不同强度的声音组合而成的，当产品噪声不满足要求而需要优化时，首先必须定位出现问题的声音频率。声音的分析需要了解如下概念。

12.3.1 频程与频谱

在实际分析声学问题时，将声音的频率划分为若干个小段，就是通常所说的频程或频带。频程有上限频率值、下限频率值和中心频率值，上下限频率之差称为频程带宽 \(^{[3]}\) 。实测发现，比较两个不同频率的声音时，若频率提高一倍，则听起来音调提高的程度也是相同的，即音调亦提高 1 倍。故对于两个不同频率的声音来说，反映声音特性差异的是频率的比值而不是其差值。频程的划分用其上限频率和下限频率的比值来表示，即

\[ \frac {f _ {\text {上限}}}{f _ {\text {下限}}} = 2 ^ {n} \tag {12-15} \]

若 n=1，则称为 1 倍频程；若 n=1/3，则称为 1/3 倍频程。上下限频率之差称为带宽；通常会使用某频程的中心频率来命名该频程。中心频率的定义如下：

\[ f _ {\text {中心}} = \sqrt {f _ {\text {上限}} f _ {\text {下限}}} \tag {12-16} \]

在噪声的测量与分析中，最常用的是 1 倍频程和 1/3 倍频程。在以频率为横坐标，以对应频率下声音的强度量（声压、声强或者声压级等）为纵坐标绘制出的声音频谱图中，根据中心频率和倍频程定义，可以把频率范围很大的声音切割成不同的频程，便于分析。在频谱图中，听觉效果较好的乐音由一系列简谐波所组成，是一系列离散的谱线，如图 12-2a 所示。而一般机器所发出的噪声往往包含很多频率和强度都不相同杂音，声音连续地分布在相当宽的频带范围内，

如图 12-2b 和 c 所示。

对噪声源进行频谱分析，可以快速地定位出哪些频率的声音对声音的总效果贡献相对较大。结合频率与结构件之间的关系，可以找出系统中的主噪声源，为有效合理地控制噪声提出科学依据。

12.3.2 响度与响度级

声压级和声功率级可以用来衡量声音的强度，但电子产品关注更多的是人的听觉感受。听觉感受不仅与声压有关，还和频率有关 \(^{[4]}\) 。声压级相同而频率不同的声音听起来可能具有完全不同的感受。如机加工车间车床、铣床等设备发出的高频噪声尖锐刺耳，在相同声压级下，中央空调发出的噪声就柔和得多。再举一个极端的例子：频率高于 20kHz 的超声波或低于 20Hz 的次声波，无论其声压级多高，人耳都完全听不见。为了考虑不同频率的声音对人听觉感受的影响，声学中引入了响度和响度级的概念，其意义详述如下。

1. 响度级

响度级是表示声音响度的量，它把声压级和频率用一个物理量统一起来，既考虑声音的物理效应，又考虑声音对人耳听觉的生理效应，它是人们对噪声的主观评价的基本量之一 \(^{[4]}\) 。纯音是指由单一频率组成的声音 \(^{[5]}\) ，一个声音的响度级定义为与 1000Hz 纯音等响的声压级，用 \(L_{N}\) 表示，其单位为 phon（中文读音 “方”）。如 48dB、2000Hz 的纯音，听起来与 50dB、1000Hz 的纯音等响，则该声音的响度级为 50phon。通过将不同频率和声压级的噪声与 1000Hz 的纯音进行比较，就可以绘制出等响曲线。图 12-3 所示为由鲁滨孙和达逊提出并已为国际标准化组织所采用的等响曲线，故又称为 ISO 等响曲线。图中的每一条曲线相当于声压级和频率不同而响度相同的声音。从等响曲线可以看出，人耳对高频声，特别是频率在 2000～5000Hz 的声音较为敏感，而对低频声音感觉较为迟钝。电子产品噪声控制中，可以根据人们对不同频率声音的敏感度采取针对性降噪措施。

2. 响度

响度描述的是声音的响亮程度，表示人耳对声音的主观感受，单位为 sone（中文读音 “宋”），定义 1sone 为 40phon，且响度级每改变 10phon，响度相应改变 1 倍。响度用公式表示为

\[ N = 2 ^ {\frac {L _ {\mathrm{N}} - 4 0}{1 0}} \tag {12-17} \]

式中，N 为响度，单位为 sone； \(L_{N}\) 为响度级，单位为 phon。该式适用范围为 20～120phon。

对于不同的纯音，如果用响度表示其大小，则可以直接叠加获得其复音的响度。例如有两个频率分别为 500Hz 和 3000Hz 的纯音，其响度级分别为 70phon 和 60phon，则合成后的复音响度为

\[ N = 2 ^ {\frac {7 0 - 4 0}{1 0}} + 2 ^ {\frac {6 0 - 4 0}{1 0}} = (8 + 4) \text { sone } = 1 2 \text { sone } \]

其对应的响度级约为 75.8phon。

3. 噪声的响度

电子产品中的噪声是由许多频率不同、强度也不同的声音复合而成的，而且不同频率的噪声之间还会产生掩蔽效应。复合音总响度的计算需要先测出噪声的频带声压级，从图 12-4 中查出各频带的响度指数，然后按式（12-18）计算复声的总响度

\[ N _ {\mathrm{t}} = N _ {\max} + F \left(\sum_ {i = 1} ^ {n} N _ {i} - N _ {\max}\right) \tag {12-18} \]

式中，n 为频带数；F 为用来考虑不同频率声音的掩蔽效应的系数 \(^{[6]}\) ，其大小取决于噪声分析所采用的带宽，对于 1/3 倍频程 F=0.15，1/2 倍频程 F=0.2，1 倍频程 F=0.3。

12.3.3 计权声级

之前已经多次强调了频率对声音感受的影响。在使用声级计测试所得的声音

数据进行处理时，有 A、B、C 三种滤波计权网络。计权网络的本质是将不同频率声音的声压级按照一定规则加权修正后，再叠加计算得到噪声的总声压级 \(^{[6]}\) 。通过 A、B、C 三种计权网络测试所得的计权声级单位分别为 dB（A）、dB（B）、dB（C），如图 12-5 所示。其中 A 计权网络是模拟人耳对 40phon 纯音的响应，与 40phon 的等响曲线倒立后的形状接近，它使接收、通

过的低频段的声音（500Hz 以下）有较大衰减。这一计权方式最符合普通人对声音的听觉感受，在电子产品噪声控制领域已经被广泛使用。

12.4 声音的传播

声音是由振动产生的，其本质是一种机械波，具有波动的普遍特征。在传播途中遇到坚硬的障碍物时，会发生反射、绕射和吸收。声波的反射指的是声波在遇到障碍物时传播方向发生改变的现象。一般规则光滑平表面的声波的反射角和入射角相等，而凹凸不平的表面容易发生乱反射，即散射。回声就是典型的声波反射现象。当声波遇到障碍物时，部分声波能够绕过障碍物的边缘继续传播的现象称为绕射或衍射。低频噪声（波长较长）更容易发生绕射，根据可听声的频率范围和声速可以推算出可听声的波长范围为 17cm～17m，所以低频噪声可以绕过常见的物体继续传播。当声波碰到壁面时，还有部分声音会被吸收。多孔介质类物体（如毛布、地毯、海绵等）吸声效果较好，这是因为声音进入这类物体的表面后会被多次反射，过程中不断被吸收，声能转换成热能。不过不必担心，电子产品所遇到的场景中，因为常见的声音能量极低，由声音转换过来的热量是非常小的，所以不会是造成设备过热的显著因素。

一些频率相同的声波叠加后还会产生干涉，干涉的结果是使空间声场中各处的声音不一样响亮，甚至很小。如果它们的相位相同，也就是在同一时刻处于相同的压缩或膨胀状态，则两个声波互相叠加后会加强；若相位相反，则叠加后会减弱；如果它们之间存在着一定的相位差，则叠加后有增强也有减弱。主动降噪（Active Noise Control，ANC）利用的就是声波的干涉作用，它通过产生与外界噪声相等的反向声波将噪声中和，从而实现降噪的效果。

由于声波是一种机械振动波，因此也会导致共振。共振的危害可能是巨大的，机器的运转会因共振而损坏。电子产品中，声波与设备内某结构件产生共振则会导致设备发生微小振颤，从而影响寿命。电子产品的设计中应当竭力避免噪声与设备内关键元器件共振。当然，共振也可以用来消声，共振消声器就是利用声波与共振腔产生共振将其声音吸收转化为热能，从而使噪声降低的装置。

12.5 电子产品热设计中的噪声

在电子产品中，由于频繁启停，电路中的电感产生的电磁力也是波动的，这一波动诱导出的振动会产生噪声。但绝大多数情况下，在强迫风冷的设备中，风扇是电子产品的主要噪声源（液冷系统中还有泵，装有热管的设备中，如果热管存在弯折，也可能产生非连续噪声），如果电路板设计合理，则电感产生的噪声相对风扇或泵的噪声几乎可忽略不计。因此，控制风机的噪声是电子产品声学设计

的关键。

风扇噪声主要组成部分如图 12-6 所示。

12.5.1 气动噪声

风扇的气动噪声（空气动力学噪声）包括旋转噪声和涡旋噪声。

1. 旋转噪声

旋转噪声是由于叶片周围不对称结构与叶片旋转

所形成的周向不均流场相互作用而产生的噪声。当工作叶轮旋转时，动叶周期性地承受前面静叶排出的不均匀气流，气流作用在动叶上产生振动，诱发噪声。叶片在不光滑或不对称机壳中也会产生旋转噪声。旋转噪声的频率与风扇转速相关，用公式表达如下：

\[ f = i n z / 6 0 \tag {12-19} \]

式中，n, z 和 i 分别为每分钟的转速、叶片数和谐波次数， \(i = 1, 2, 3, \cdots, i = 1\) 为基频。

旋转噪声具有显著的离散频谱特性，其基频为叶片通过频率和它的高次谐音。一般而言，基频声音最强，其次是二次谐波、三次谐波、……，总趋势逐渐减弱。

由式（12-19）可以看出，当将叶片数增加 1 倍而转速保持不变时，由于基频增加 1 倍，原来的奇次谐波成分被取消，假定各谐波成分的强度近似相同，理论上旋转噪声的强度将降低一半，因此通常叶片数的增多对降低噪声是有利的 \(^{[7]}\) 。

旋转噪声的声压与风机的功率成正比，而与叶轮的半径成反比。所以，当功率与叶片尖端的圆周速度给定时，从降低噪声的角度应尽量使叶轮半径大一些。即当叶尖圆周速度相同时，尺寸大、转速低的风扇噪声比尺寸小、转速高的风扇低。叶尖处的圆周速度会显著影响声音强度，当其增加时，旋转噪声的声功率将迅速增加。

2. 涡旋噪声

涡旋噪声又称为涡流噪声或紊流噪声。涡流噪声主要是由于气流流经叶片时产生紊流附面层及漩涡与漩涡分裂脱体，引起叶片上压力脉动而造成的。边界层脱离和紊流脉动弹性较大，故漩涡噪声具有很宽的频率范围，也称为宽频噪声。涡旋噪声的频率取决于叶片与气体的相对速度，而旋转叶片的圆周速度则随着与圆心的距离而变化。从圆心到圆周，速度连续变化，所以叶片旋转所产生的涡旋噪声就具有连续的噪声频谱，频带宽度也将随雷诺数的提高而缓慢地增大。

实际上，各种系列风机的旋转噪声与涡旋噪声总是同时存在。若叶片尖端的圆周速度相应的马赫数小于 0.4，则涡旋噪声占主导地位；若叶片尖端的圆周速度相应的马赫数大于 0.4，则旋转噪声占主导地位 \(^{[7]}\) 。

12.5.2 机械噪声

风机在经过一段时间的运转后，会产生多种机械噪声，包括但不限于：

当系统产生异响时，从声源出发，可以从上述八点切入。

12.5.3 电磁噪声

风机要想运转，必须要有电动机。电动机中的通电线圈在磁场中受力而转动，径向交变的电磁力将会激发电磁噪声。某些情况下，变更电动机中的相数有助于优化噪声体验。

12.6 噪声测量

噪声测量的方法有很多。电子产品领域中，问题现场定位时通常使用声级计，测量便捷高效，但误差较大。正式的精准测量则需将产品放置在半消音室中，根据标准布置麦克风进行测试，如图 12-7 所示。

12.7 噪声控制设计

电子产品的噪声控制设计非常复杂，它需要深度结合散热、结构、软件、硬件等几乎一切与产品形态、性能有关的因素，某些情况下，一些微小的结构特征就可能对噪声产生显著影响。从宏观的问题解决思路分析，产品噪声优化设计可以从声源、传声路径和声音接收者三个维度进行。

12.7.1 控制声源

电子产品中，风扇或泵是主要的噪声源，控制声源意味着控制风扇或泵产生的噪声。这又可以从两个方面入手：

12.7.2 控制传声路径

1. 消声

为抑制声音的传播，可以在气流通道上加装消声装置，噪声在经过这些装置时，可以被削弱或被不同程度地吸收。根据消声原理，消声装置种类很多。电子产品领域常用的有如下三类：

2. 隔声

隔声原理非常简单，就是使用墙体、箱子等构件屏蔽噪声在某个方向的传播，将其控制在一定范围之内，常用方法如下 [9]：

3. 吸声

通过在壁面上贴附吸声材料或设计吸声结构将传播至此处的噪声吸收掉的控制方法称作吸声降噪。

12.7.3 控制声音接收者

电子产品产生的声音最重要的接收者是人。当所有措施都不能满足噪声要求时，只能让人佩戴耳塞、耳罩、有源消声头盔等设备改善声音接收者的感受。改变声音接收者已经脱离了电子产品噪声控制的范畴，本书不再详述。

12.8 噪声仿真

与温度和速度类似，电子产品的噪声也可以通过软件来进行模拟计算。声波实际上是空气压力的波动，因此噪声的仿真需要计算压力场，而产生声音的压力波动相对大气压而言实际上非常小，故需要精度很高的流场模拟才能获得较为准确的计算结果。汽车工业和飞行器工业中，振动部件繁多，噪声的仿真还需要引入固体振动仿真。电子行业中广泛采用的 Flotherm、Ansys Icepak 和 6sigamaET 等热仿真软件，由于引入了大量简化，计算所得的流场和压力场精度有限，都暂时无法实现噪声模拟的功能。目前常用的声学仿真软件有 LMS Virtual Lab 和 Actran。CFD 软件 Fluent 和 Star CCM 也可对气动噪声进行模拟。

12.9 本章小结

风扇或泵作为关键的热设计物料，同时又是最主要的噪声源，使得热设计工程师不得不深入关注它们的噪声问题。本章介绍了工程声学的基础知识和常见的降噪方法。声学本身是一门综合性较强的学科，它涉及空气动力学和结构振动，作者水平有限，仅从热设计工程师的角度给出本章的内容作为参考，这样对常见的设计可以定性地从方向上提出一些降噪建议，在参与噪声优化讨论时，也基本能够理解其机理，并做到从散热角度提供一些设计建议。深度的声学评价和噪声优化设计需要更多声学知识。读者可根据需求自行深入研究。

参考文献

13.1 为什么要对风扇进行调速

对于风冷产品，风扇的设计要使得产品在整个可能的工作温度区间内保持散热安全，比如一款服务器，它的设计温度区间可能是 \(-5\sim 40^{\circ}\mathrm{C}\) 。根据热设计准则，系统的散热设计需要保证其在 \(40^{\circ}\mathrm{C}\) 环境温度下正常工作，但该产品并不总是工作在 \(40^{\circ}\mathrm{C}\) 的环境温度下。通常，数据中心或办公室内的环境温度为 \(25^{\circ}\mathrm{C}\) 左右，甚至可以说 \(25^{\circ}\mathrm{C}\) 才是产品最常工作的温度环境。电子产品的核心散热组件为散热器、导热界面材料和风扇等，前两者一般是固定不变的，但风扇是一个动件，可以方便地根据元器件的温度调整其转速以改变系统的散热状态，使风扇转速和元器件温度始终保持在合理的数值下。实际的工程设计中，执行精益设计的强迫风冷产品，室温 \(25^{\circ}\mathrm{C}\) 和最高温 \(40^{\circ}\mathrm{C}\) 都必须要考虑：

降低风扇转速的益处包括但不限于以下四个方面：

1）降低设备噪声：同一颗风扇，转速越低，噪声越低，风扇转速与噪声的经验关系式为

\[ \mathrm{SPL} _ {\mathrm{RPM1}} = \mathrm{SPL} _ {\mathrm{RPM0}} + K \cdot \lg \frac {\mathrm{RPM1}}{\mathrm{RPM0}} \tag {13-1} \]

式中，SPL（Sound Pressure Level）为声压级噪声；RPM（Round Per Minute）为风扇转速；K 为经验参数，不同风扇该参数可能会有变化。电子产品常用的风扇一般在 50～60 之间，常用 55 来对风扇的噪声进行初步评估。

举例 风扇 A 全转速，即 5000r/min 时，噪声为 60 dB（A），转速为 50%，即 2500r/min 时，噪声为多少？

\[ \mathrm{SPL} _ {2 5 0 0 \mathrm{r} / \min} = \mathrm{SPL} _ {5 0 0 0 \mathrm{r} / \min} + 5 5 \lg \frac {2 5 0 0}{5 0 0 0} = 6 0 + 5 5 \lg 0. 5 = 4 3. 4 \mathrm{dB(A)} \]

电子产品中，通过降低风扇转速来改善设备噪声体验是热设计中非常重要的一环。

13.2 风扇智能调速的条件

风扇调速设计必须有以下三个先决条件，其调速流程如图 13-1 所示。

1）风扇转速是可调的，并且设备的电路板支持这一功能。

2）设备中有温度传感器，并且

13.2.1 风扇转速必须可控

本书第 8 章已经从线型上简介了两线风扇、三线风扇和四线风扇，如图 13-2 所示，这三种风扇的转速的控制机理有所差别。

两线风扇：两根线分别为电源正负极，可通过控制输入正极的电压来控制风