台式机单频噪音的研究与应用

袁康 孙昌玉 王翠国

一、项目概述

（一）项目背景和意义

游戏台式机作为个人电脑的一个细分领域，有着非常不错的稳定的市场占有率，目前该市场存在大量的DIY用户，组装电脑时一般不会考虑噪音问题，他们往往把电脑的游戏性能放在第一位，用户长期在充满噪音污染的环境中使用电脑，将会对人体造成诸如烦躁、易怒、听力减退等一系列影响。随着现代科学技术的发展，对噪音问题的深入研究，特别是引起人们注意的单频噪音，也有了长足的发展和进步，对这些问题人类已经不再陌生。通过现有的技术手段和检测方法，完全能够设计出静音舒适，性能强大的台式电脑。

本项目在保证电脑游戏性能的前提下为用户提供静音舒适的使用环境，让用户专注于游戏体验的同时，不会对周围人群产生噪音污染。

（二）现有研究基础、特色和优势

联宝科技2021年便携式计算机出货4286万台，年度营收1310亿，进出口额109亿美金，两岸四地共有2000多名研发设计人员，每年设计超过100款产品，拥有海量产品设计和生产数据。建有安徽省博士后工作站、国家级智能制造示范基地、庐州实验室，能为产品方案验证提供强大的理论分析和实验验证的数据支撑。

二、主要研究内容

（一）主要研究内容

随着人们生活水平的不断提高，对游戏台式电脑的要求已经从原来的单一追求性能到现在更加注重产品的使用体验，而噪音是影响一个产品综合体验的关键因素之一。本项目研究内容是如何通过现有的技术手段来改善最为影响用户体验的单频噪音的问题。

（二）技术要点

1.理论依据

对于单频噪音，在ECMA-74和ISO 7779中有明确的定义，其主要算法有两种为TNR(Tone-to NoiseRatio)和PR(Prominence Ratio)[1]。TNR计算单频峰值声压和该单频峰值所在的临界频带剩余的声压差，如果计算值超过阈值，那么就认定为单频噪音；PR计算单频峰值所在临界频带的声压和左右两个相邻临界频带的声压差，如果计算值超过阈值，那么就认定为单频噪音；TNR和PR的计算方法，ECMA-74和ISO 7779中有相应的公式可以直接使用，测试软件会在后台完成计算。产品设计人员无须了解具体公式或算法，而要更重视计算结果是否超过阈值，测试结果与哪些因素相关。

2.测试方法

根据ECMA-74和ISO 7779的相关规定，测试机台的放置位置有具体要求。

三、技术方案

(一)机箱布局

机箱的布局是前面板有两颗系统风扇进风，后板固定一颗风扇出风，机箱顶部固定两颗风扇散热，CPU上固定一颗风扇散热，显卡散热器固定1～3颗风扇散热，底部有电源风扇以及两块台式机的机械硬盘。

机箱噪音来源是系统风扇、显卡风扇、CPU散热器风扇、电源风扇和机械硬盘。风扇和机械硬盘会发出单频噪音，因风扇和机械硬盘安装于机箱中，而单频噪音某些频率段与机箱机构发生共振放大后传到人耳，经过计算，若TNR或PR值超过规定的阈值就会认定为单频噪音。

(二)噪音的原因分析

在原始设计的状态下，机箱的TNR与PR测试数据为：TNR FRONT最大值为21.35dB，在120Hz处；TNR BACK最大值为16.75dB，在120Hz处；PR FRONT最大值11.20dB，在1679Hz处，PR BACK最大值为14.91dB，在1679Hz处。此机械硬盘的转速为7200r/min，频率为120Hz，而TNR fail的频率均在120Hz，所以TNR fail的主要原因是来自机械硬盘。PR fail的频率有2个，1180Hz附近和1679Hz附近，1180Hz附近为120Hz的10倍频，1679Hz附近为120Hz的14倍频，所以PR fail的主要原因也是来自机械硬盘。

机械硬盘通过塑料托架安装在硬盘支架中，塑料托架上有4颗减震螺钉。硬盘和塑料托架组件安装于硬盘支架，两者之间为无螺丝结构；硬盘支架通过6颗螺丝和机箱固定，硬盘支架和机箱前墙之间有一片减震泡棉。硬盘噪音来源有两个，一个是硬盘马达旋转时产生的噪音，二是硬盘马达旋转和相关结构件产生的共振。

硬盘马达的旋转会产生X轴和Y轴两个方向的振动，Y轴方向硬盘支架底部和顶部为敞口结构，与硬盘无直接或间接接触；硬盘通过塑胶托架依靠硬盘支架侧壁固定，所以共振主要来自硬盘支架侧壁的X方向，而硬盘支架在Y方向刚度相对于X方向大很多，产生共振的可能性极低，可以忽略。

从原始设计的结构可以看出，硬盘支架在顶部依靠2颗螺丝和一片减震泡棉来限制其在X方向的振动，但在硬盘支架的底部，X方向没有限位或者减震结构，几乎是处于自由的状态，非常容易被激发共振。

(三)技术方案的验证

1.硬盘支架对噪音影响的验证：

通过以上分析可知，限制硬盘支架底部X方向的摆动可以减小振动，从而改善噪音。在硬盘支架底部和机箱前墙之间增加一片减震泡棉后的实测数据为：TNR Front最大值为7.09，在120Hz处，未超阈值，Back最大值为8.39，在1828Hz处，超出阈值；PR Front最大值为11.22，在1184Hz处，超出阈值，Back最大值为8.24，在1702Hz处，未超阈值。从这些实测结果可以看出，增加减震泡棉改善非常明显。

2.组装间隙对噪音影响的验证：

从结构分析看，硬盘塑胶托架和硬盘支架之间为无螺丝固定结构，也无弹性结构消除装配间隙，硬盘的旋转会因为这个装配间隙而产生振动，形成噪音。

消除这些组装间隙后的实测数据：TNR Front最大值为5.43，在120Hz处，未超阈值，Back最大值为3.96，在120Hz处，超出阈值；PR Front最大值为11.7，在1166Hz处，超出阈值，Back最大值为7.2，在1831Hz处，未超阈值。

3.减震钉对噪音影响的验证：

减震钉位于硬盘和塑胶托架之间，为隔绝硬盘振动的第一道屏障，所以减震钉的材质和硬度直接关系着减震的效果。在应用解决方案1和解决方案2的前提下，使用不同硬度和不同材质的减震钉进行实测，通过实测数据可以看出，更换减震钉材质和硬度对结果改善不明显，当前减震钉材质和硬度无须改善。当前设计的减震钉材质为CHEMEICAL COATLON NX-70A TPU，硬度为50。

4.风扇对噪音影响的验证：

风扇作为机箱噪音的重要来源，TNR和PR测试的噪音是机器处于待机模式的噪音，此时系统的负载不高，发热量不大，风扇均处于最低转速模式，噪音较小。依次拔掉后系统风扇、显卡风扇、CPU风扇、电源风扇和前系统风扇后进行实测，从实测的数据可以看出，拔掉CPU风扇和前/后的系统风扇和显卡风扇，对噪音测试结果几乎没有影响，但拔掉电源风扇，PR值明显变大，说明电源风扇不仅没有产生额外的噪音，反而抵消了一部分其他模组产生的噪音。

将后系统风扇由自攻螺丝直接固定改为橡胶拉钉固定，如图1，以减少风扇传递到机箱的振动，经过实测，改为橡胶拉钉后噪音减小。

图1 后系统风扇

将前系统风扇由自攻螺丝直接固定改为塑胶支架卡扣固定，如图2，并在塑胶支架上增加弹性结构和减震泡棉，经过实测，改为塑胶支架固定后噪音减小。

图2 前系统风扇

5.脚垫对噪音影响的验证：

脚垫作为机箱和桌面唯一接触的部位，除了具有脚垫常规的一些功能外，另外一个重要的功能就是隔绝机箱的振动，将机箱的振动消除或者减弱，阻止其振动传递到桌面。脚垫的高度及硬度影响着减震的效果，分别用不同硬度和不同高度的脚垫进行实测，从实测的数据看，脚垫的硬度降低，TNR和PR会有改善，但改善有限，说明脚垫的硬度不是影响噪音的主要原因。另外，脚垫加高TNR和PR会变大，说明脚垫的高度不宜过高。

6.硬盘塑胶托架结构对噪音影响的验证：

根据前面硬盘相关结构设计的分析可知，硬盘塑胶托架和硬盘支架之间无螺丝固定，存在装配间隙，硬盘马达旋转产生的振动会因为这个间隙而放大。根据前面验证可知，在消除塑胶托架间隙后TNR和PR都有较大的改善，但消除硬盘塑胶托架转配间隙的同时并没有增加弹性减震结构，所以在硬盘塑胶托架和硬盘支架之间增加弹性支撑结构，该弹性结构兼具消除间隙和减震的功能，能够改善因硬盘旋转引起的振动而产生的噪音，从硬盘塑胶托架增加弹性结构的实测数据看，在增加一片减震泡棉的基础上，加上硬盘塑胶托架增加弹性结构已经能够使机箱的TNR和PR满足阈值要求。

7.硬盘支架对噪音影响的仿真研究：

通过前面的验证可知，此机箱的风扇不是噪音的来源，那么机箱的噪音主要来源是机械硬盘，而机械硬盘的噪音来源有两个方面，一是机械硬盘马达旋转产生的噪音，二是机械硬盘马达旋转与机箱其他结构件共振产生的噪音。硬盘支架作为直接与硬盘接触的结构件，是产生共振最关键的结构件，所以通过仿真研究硬盘支架的模态特性[2]，并结合实测的数据来验证对策的有效性，可以快速定位并解决问题。

通过仿真数据结合实测结果，TNR和PR超spec的主要原因是硬盘的旋转和硬盘支架发生共振，那么问题的关键在于如何提高硬盘支架的固有频率从而避免共振的发生。物体固有频率与物体的刚度成正比，与质量成反比，采用提高硬盘支架的刚度或者减小硬盘支架的质量来改变物体固有频率。提高刚度的方法有很多，如选用强度高的材料、增加材料的厚度、增加固定支点、增加横梁补强等方式。为验证这一假设，可以将材料的刚度提高10倍后计算模态的仿真数据，从刚度增加的仿真数据可以看出，随着刚度的增加，硬盘支架的固频也随之升高，与硬盘发生共振的机会也越来越小，所以提高硬盘支架刚度的方案理论上是可行的。但实际产品中不可能无限加大硬盘支架的刚度，硬盘支架刚度越大，材料的成本会越高，考虑经济效益和用户体验的平衡，所以硬盘支架的固频只需避开容易与硬盘发生共振的几个频率点即可。

(四)技术方案的应用与探讨

单频噪音是一个比较抽象的问题，其产生原因与众多的因素相关，各个因素对结果的影响程度也不尽相同，快速找到主要的因素才能对症下药，从而解决噪音的问题。经过此项目的实测结果和仿真数据可以看出，台式电脑的单频噪音主要是由机械硬盘马达的旋转引起的，改善噪音的主要方向是减振和避免共振两个方面[3]，主要的改善措施包括但不限于以下几点：

1.机械硬盘和硬盘支架之间要有吸收振动的弹性结构或者橡胶减振垫；

2.尽可能提高固定机械硬盘的支架的结构刚度，使其固有频率和模态振型避免与机械硬盘一致；

3.固定机械硬盘的机构件之间应有弹性结构消除组装间隙；

4.在满足其他要求的前提下，使用硬度小的机箱脚垫。消费电子产品其单频噪音产生的原因大同小异，解决方案也基本一致，以上这些改善措施可以推广到同类架构的所有的消费类电子产品，做到在产品设计阶段就考虑到单频噪音的问题，从而大降低在试产阶段反复测试工作量，避免过多的设计修改，达到设计即通过的理念，提升产品品质，提高用户体验。