袁康 孫昌玉 王翠國(guó)

一、項(xiàng)目概述

（一）項(xiàng)目背景和意義

游戲臺(tái)式機(jī)作為個(gè)人電腦的一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，有著非常不錯(cuò)的穩(wěn)定的市場(chǎng)占有率，目前該市場(chǎng)存在大量的DIY用戶，組裝電腦時(shí)一般不會(huì)考慮噪音問(wèn)題，他們往往把電腦的游戲性能放在第一位，用戶長(zhǎng)期在充滿噪音污染的環(huán)境中使用電腦，將會(huì)對(duì)人體造成諸如煩躁、易怒、聽(tīng)力減退等一系列影響。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)噪音問(wèn)題的深入研究，特別是引起人們注意的單頻噪音，也有了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)這些問(wèn)題人類已經(jīng)不再陌生。通過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)手段和檢測(cè)方法，完全能夠設(shè)計(jì)出靜音舒適，性能強(qiáng)大的臺(tái)式電腦。

本項(xiàng)目在保證電腦游戲性能的前提下為用戶提供靜音舒適的使用環(huán)境，讓用戶專注于游戲體驗(yàn)的同時(shí)，不會(huì)對(duì)周圍人群產(chǎn)生噪音污染。

（二）現(xiàn)有研究基礎(chǔ)、特色和優(yōu)勢(shì)

聯(lián)寶科技2021年便攜式計(jì)算機(jī)出貨4286萬(wàn)臺(tái)，年度營(yíng)收1310億，進(jìn)出口額109億美金，兩岸四地共有2000多名研發(fā)設(shè)計(jì)人員，每年設(shè)計(jì)超過(guò)100款產(chǎn)品，擁有海量產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。建有安徽省博士后工作站、國(guó)家級(jí)智能制造示范基地、廬州實(shí)驗(yàn)室，能為產(chǎn)品方案驗(yàn)證提供強(qiáng)大的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)支撐。

二、主要研究?jī)?nèi)容

（一）主要研究?jī)?nèi)容

隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)游戲臺(tái)式電腦的要求已經(jīng)從原來(lái)的單一追求性能到現(xiàn)在更加注重產(chǎn)品的使用體驗(yàn)，而噪音是影響一個(gè)產(chǎn)品綜合體驗(yàn)的關(guān)鍵因素之一。本項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容是如何通過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)手段來(lái)改善最為影響用戶體驗(yàn)的單頻噪音的問(wèn)題。

（二）技術(shù)要點(diǎn)

1.理論依據(jù)

對(duì)于單頻噪音，在ECMA-74和ISO 7779中有明確的定義，其主要算法有兩種為TNR(Tone-to NoiseRatio)和PR(Prominence Ratio)[1]。TNR計(jì)算單頻峰值聲壓和該單頻峰值所在的臨界頻帶剩余的聲壓差，如果計(jì)算值超過(guò)閾值，那么就認(rèn)定為單頻噪音；PR計(jì)算單頻峰值所在臨界頻帶的聲壓和左右兩個(gè)相鄰臨界頻帶的聲壓差，如果計(jì)算值超過(guò)閾值，那么就認(rèn)定為單頻噪音；TNR和PR的計(jì)算方法，ECMA-74和ISO 7779中有相應(yīng)的公式可以直接使用，測(cè)試軟件會(huì)在后臺(tái)完成計(jì)算。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員無(wú)須了解具體公式或算法，而要更重視計(jì)算結(jié)果是否超過(guò)閾值，測(cè)試結(jié)果與哪些因素相關(guān)。

2.測(cè)試方法

根據(jù)ECMA-74和ISO 7779的相關(guān)規(guī)定，測(cè)試機(jī)臺(tái)的放置位置有具體要求。

三、技術(shù)方案

(一)機(jī)箱布局

機(jī)箱的布局是前面板有兩顆系統(tǒng)風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)，后板固定一顆風(fēng)扇出風(fēng)，機(jī)箱頂部固定兩顆風(fēng)扇散熱，CPU上固定一顆風(fēng)扇散熱，顯卡散熱器固定1～3顆風(fēng)扇散熱，底部有電源風(fēng)扇以及兩塊臺(tái)式機(jī)的機(jī)械硬盤。

機(jī)箱噪音來(lái)源是系統(tǒng)風(fēng)扇、顯卡風(fēng)扇、CPU散熱器風(fēng)扇、電源風(fēng)扇和機(jī)械硬盤。風(fēng)扇和機(jī)械硬盤會(huì)發(fā)出單頻噪音，因風(fēng)扇和機(jī)械硬盤安裝于機(jī)箱中，而單頻噪音某些頻率段與機(jī)箱機(jī)構(gòu)發(fā)生共振放大后傳到人耳，經(jīng)過(guò)計(jì)算，若TNR或PR值超過(guò)規(guī)定的閾值就會(huì)認(rèn)定為單頻噪音。

(二)噪音的原因分析

在原始設(shè)計(jì)的狀態(tài)下，機(jī)箱的TNR與PR測(cè)試數(shù)據(jù)為：TNR FRONT最大值為21.35dB，在120Hz處；TNR BACK最大值為16.75dB，在120Hz處；PR FRONT最大值11.20dB，在1679Hz處，PR BACK最大值為14.91dB，在1679Hz處。此機(jī)械硬盤的轉(zhuǎn)速為7200r/min，頻率為120Hz，而TNR fail的頻率均在120Hz，所以TNR fail的主要原因是來(lái)自機(jī)械硬盤。PR fail的頻率有2個(gè)，1180Hz附近和1679Hz附近，1180Hz附近為120Hz的10倍頻，1679Hz附近為120Hz的14倍頻，所以PR fail的主要原因也是來(lái)自機(jī)械硬盤。

機(jī)械硬盤通過(guò)塑料托架安裝在硬盤支架中，塑料托架上有4顆減震螺釘。硬盤和塑料托架組件安裝于硬盤支架，兩者之間為無(wú)螺絲結(jié)構(gòu)；硬盤支架通過(guò)6顆螺絲和機(jī)箱固定，硬盤支架和機(jī)箱前墻之間有一片減震泡棉。硬盤噪音來(lái)源有兩個(gè)，一個(gè)是硬盤馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪音，二是硬盤馬達(dá)旋轉(zhuǎn)和相關(guān)結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的共振。

硬盤馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生X軸和Y軸兩個(gè)方向的振動(dòng)，Y軸方向硬盤支架底部和頂部為敞口結(jié)構(gòu)，與硬盤無(wú)直接或間接接觸；硬盤通過(guò)塑膠托架依靠硬盤支架側(cè)壁固定，所以共振主要來(lái)自硬盤支架側(cè)壁的X方向，而硬盤支架在Y方向剛度相對(duì)于X方向大很多，產(chǎn)生共振的可能性極低，可以忽略。

從原始設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以看出，硬盤支架在頂部依靠2顆螺絲和一片減震泡棉來(lái)限制其在X方向的振動(dòng)，但在硬盤支架的底部，X方向沒(méi)有限位或者減震結(jié)構(gòu)，幾乎是處于自由的狀態(tài)，非常容易被激發(fā)共振。

(三)技術(shù)方案的驗(yàn)證

1.硬盤支架對(duì)噪音影響的驗(yàn)證：

通過(guò)以上分析可知，限制硬盤支架底部X方向的擺動(dòng)可以減小振動(dòng)，從而改善噪音。在硬盤支架底部和機(jī)箱前墻之間增加一片減震泡棉后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為：TNR Front最大值為7.09，在120Hz處，未超閾值，Back最大值為8.39，在1828Hz處，超出閾值；PR Front最大值為11.22，在1184Hz處，超出閾值，Back最大值為8.24，在1702Hz處，未超閾值。從這些實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，增加減震泡棉改善非常明顯。

2.組裝間隙對(duì)噪音影響的驗(yàn)證：

從結(jié)構(gòu)分析看，硬盤塑膠托架和硬盤支架之間為無(wú)螺絲固定結(jié)構(gòu)，也無(wú)彈性結(jié)構(gòu)消除裝配間隙，硬盤的旋轉(zhuǎn)會(huì)因?yàn)檫@個(gè)裝配間隙而產(chǎn)生振動(dòng)，形成噪音。

消除這些組裝間隙后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：TNR Front最大值為5.43，在120Hz處，未超閾值，Back最大值為3.96，在120Hz處，超出閾值；PR Front最大值為11.7，在1166Hz處，超出閾值，Back最大值為7.2，在1831Hz處，未超閾值。

3.減震釘對(duì)噪音影響的驗(yàn)證：

減震釘位于硬盤和塑膠托架之間，為隔絕硬盤振動(dòng)的第一道屏障，所以減震釘?shù)牟馁|(zhì)和硬度直接關(guān)系著減震的效果。在應(yīng)用解決方案1和解決方案2的前提下，使用不同硬度和不同材質(zhì)的減震釘進(jìn)行實(shí)測(cè)，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，更換減震釘材質(zhì)和硬度對(duì)結(jié)果改善不明顯，當(dāng)前減震釘材質(zhì)和硬度無(wú)須改善。當(dāng)前設(shè)計(jì)的減震釘材質(zhì)為CHEMEICAL COATLON NX-70A TPU，硬度為50。

4.風(fēng)扇對(duì)噪音影響的驗(yàn)證：

風(fēng)扇作為機(jī)箱噪音的重要來(lái)源，TNR和PR測(cè)試的噪音是機(jī)器處于待機(jī)模式的噪音，此時(shí)系統(tǒng)的負(fù)載不高，發(fā)熱量不大，風(fēng)扇均處于最低轉(zhuǎn)速模式，噪音較小。依次拔掉后系統(tǒng)風(fēng)扇、顯卡風(fēng)扇、CPU風(fēng)扇、電源風(fēng)扇和前系統(tǒng)風(fēng)扇后進(jìn)行實(shí)測(cè)，從實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)可以看出，拔掉CPU風(fēng)扇和前/后的系統(tǒng)風(fēng)扇和顯卡風(fēng)扇，對(duì)噪音測(cè)試結(jié)果幾乎沒(méi)有影響，但拔掉電源風(fēng)扇，PR值明顯變大，說(shuō)明電源風(fēng)扇不僅沒(méi)有產(chǎn)生額外的噪音，反而抵消了一部分其他模組產(chǎn)生的噪音。

將后系統(tǒng)風(fēng)扇由自攻螺絲直接固定改為橡膠拉釘固定，如圖1，以減少風(fēng)扇傳遞到機(jī)箱的振動(dòng)，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，改為橡膠拉釘后噪音減小。

圖1 后系統(tǒng)風(fēng)扇

將前系統(tǒng)風(fēng)扇由自攻螺絲直接固定改為塑膠支架卡扣固定，如圖2，并在塑膠支架上增加彈性結(jié)構(gòu)和減震泡棉，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，改為塑膠支架固定后噪音減小。

圖2 前系統(tǒng)風(fēng)扇

5.腳墊對(duì)噪音影響的驗(yàn)證：

腳墊作為機(jī)箱和桌面唯一接觸的部位，除了具有腳墊常規(guī)的一些功能外，另外一個(gè)重要的功能就是隔絕機(jī)箱的振動(dòng)，將機(jī)箱的振動(dòng)消除或者減弱，阻止其振動(dòng)傳遞到桌面。腳墊的高度及硬度影響著減震的效果，分別用不同硬度和不同高度的腳墊進(jìn)行實(shí)測(cè)，從實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)看，腳墊的硬度降低，TNR和PR會(huì)有改善，但改善有限，說(shuō)明腳墊的硬度不是影響噪音的主要原因。另外，腳墊加高TNR和PR會(huì)變大，說(shuō)明腳墊的高度不宜過(guò)高。

6.硬盤塑膠托架結(jié)構(gòu)對(duì)噪音影響的驗(yàn)證：

根據(jù)前面硬盤相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析可知，硬盤塑膠托架和硬盤支架之間無(wú)螺絲固定，存在裝配間隙，硬盤馬達(dá)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)因?yàn)檫@個(gè)間隙而放大。根據(jù)前面驗(yàn)證可知，在消除塑膠托架間隙后TNR和PR都有較大的改善，但消除硬盤塑膠托架轉(zhuǎn)配間隙的同時(shí)并沒(méi)有增加彈性減震結(jié)構(gòu)，所以在硬盤塑膠托架和硬盤支架之間增加彈性支撐結(jié)構(gòu)，該彈性結(jié)構(gòu)兼具消除間隙和減震的功能，能夠改善因硬盤旋轉(zhuǎn)引起的振動(dòng)而產(chǎn)生的噪音，從硬盤塑膠托架增加彈性結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，在增加一片減震泡棉的基礎(chǔ)上，加上硬盤塑膠托架增加彈性結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠使機(jī)箱的TNR和PR滿足閾值要求。

7.硬盤支架對(duì)噪音影響的仿真研究：

通過(guò)前面的驗(yàn)證可知，此機(jī)箱的風(fēng)扇不是噪音的來(lái)源，那么機(jī)箱的噪音主要來(lái)源是機(jī)械硬盤，而機(jī)械硬盤的噪音來(lái)源有兩個(gè)方面，一是機(jī)械硬盤馬達(dá)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪音，二是機(jī)械硬盤馬達(dá)旋轉(zhuǎn)與機(jī)箱其他結(jié)構(gòu)件共振產(chǎn)生的噪音。硬盤支架作為直接與硬盤接觸的結(jié)構(gòu)件，是產(chǎn)生共振最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件，所以通過(guò)仿真研究硬盤支架的模態(tài)特性[2]，并結(jié)合實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證對(duì)策的有效性，可以快速定位并解決問(wèn)題。

通過(guò)仿真數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果，TNR和PR超spec的主要原因是硬盤的旋轉(zhuǎn)和硬盤支架發(fā)生共振，那么問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何提高硬盤支架的固有頻率從而避免共振的發(fā)生。物體固有頻率與物體的剛度成正比，與質(zhì)量成反比，采用提高硬盤支架的剛度或者減小硬盤支架的質(zhì)量來(lái)改變物體固有頻率。提高剛度的方法有很多，如選用強(qiáng)度高的材料、增加材料的厚度、增加固定支點(diǎn)、增加橫梁補(bǔ)強(qiáng)等方式。為驗(yàn)證這一假設(shè)，可以將材料的剛度提高10倍后計(jì)算模態(tài)的仿真數(shù)據(jù)，從剛度增加的仿真數(shù)據(jù)可以看出，隨著剛度的增加，硬盤支架的固頻也隨之升高，與硬盤發(fā)生共振的機(jī)會(huì)也越來(lái)越小，所以提高硬盤支架剛度的方案理論上是可行的。但實(shí)際產(chǎn)品中不可能無(wú)限加大硬盤支架的剛度，硬盤支架剛度越大，材料的成本會(huì)越高，考慮經(jīng)濟(jì)效益和用戶體驗(yàn)的平衡，所以硬盤支架的固頻只需避開(kāi)容易與硬盤發(fā)生共振的幾個(gè)頻率點(diǎn)即可。

(四)技術(shù)方案的應(yīng)用與探討

單頻噪音是一個(gè)比較抽象的問(wèn)題，其產(chǎn)生原因與眾多的因素相關(guān)，各個(gè)因素對(duì)結(jié)果的影響程度也不盡相同，快速找到主要的因素才能對(duì)癥下藥，從而解決噪音的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)此項(xiàng)目的實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)可以看出，臺(tái)式電腦的單頻噪音主要是由機(jī)械硬盤馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)引起的，改善噪音的主要方向是減振和避免共振兩個(gè)方面[3]，主要的改善措施包括但不限于以下幾點(diǎn)：

1.機(jī)械硬盤和硬盤支架之間要有吸收振動(dòng)的彈性結(jié)構(gòu)或者橡膠減振墊；

2.盡可能提高固定機(jī)械硬盤的支架的結(jié)構(gòu)剛度，使其固有頻率和模態(tài)振型避免與機(jī)械硬盤一致；

3.固定機(jī)械硬盤的機(jī)構(gòu)件之間應(yīng)有彈性結(jié)構(gòu)消除組裝間隙；

4.在滿足其他要求的前提下，使用硬度小的機(jī)箱腳墊。消費(fèi)電子產(chǎn)品其單頻噪音產(chǎn)生的原因大同小異，解決方案也基本一致，以上這些改善措施可以推廣到同類架構(gòu)的所有的消費(fèi)類電子產(chǎn)品，做到在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就考慮到單頻噪音的問(wèn)題，從而大降低在試產(chǎn)階段反復(fù)測(cè)試工作量，避免過(guò)多的設(shè)計(jì)修改，達(dá)到設(shè)計(jì)即通過(guò)的理念，提升產(chǎn)品品質(zhì)，提高用戶體驗(yàn)。