Методика тестирования корпусных вентиляторов


Предисловие

Корпусной вентилятор — весьма простая вещь, однако, его тестирование не такая тривиальная задача, как может показаться на первый взгляд. Для того чтобы оценить конкретный корпусной вентилятор, мы разработали методику тестирования, которая ориентирована на определение таких важных характеристик, как шум и создаваемый воздушный поток.

В компьютерной технике, воздушное охлаждение до сих пор является основным методом отвода тепла от различных элементов и компонентов системы. Мобильные ПК, такие как ноутбуки, ультрабуки в основном обходятся единой системой охлаждения, которая отвечает за отвод тепла от самых горячих элементов. Но если говорить о настольных компьютерах, то здесь складывается несколько иная ситуация, в силу того, что такие компьютеры, как правило, покупаются с расчетом на дальнейшую модернизацию или же изначально представляют собой высокопроизводительные системы, где активное охлаждение требуется не только процессору и видеокарте, но и остальным не менее важным компонентам. Корпуса для настольных ПК в своем большинстве имеют не одно посадочное место для установки вентиляторов различного размера. Установка этих вентиляторов должна помочь в обеспечении отвода тепла от разных внутренних компонентов ПК: системной платы, корзины дисков, видеокарты и т. д. В ряде случаев они играют лишь вспомогательную роль, однако самые мощные и высокопроизводительные настольные ПК зачастую нуждаются в них, так как элементы такого компьютера выделяют слишком много тепла.

За основу новой методики мы взяли часть наработок из нашей недавней статьи, посвященной тестированию процессорных кулеров, так как эти устройства в большинстве своем несут в себе обычный или несколько видоизмененный корпусной вентилятор. Для того чтобы оценить конкретный вентилятор, необходимо выделить наиболее важные характеристики исследуемой модели. На наш взгляд такими характеристиками являются шум и производительность, выраженная в создаваемом вентилятором воздушном потоке. Совокупность этих двух параметров может достаточно четко охарактеризовать вентилятор, что позволит сравнивать разные модели между собой. Построив график зависимости этих двух величин, а именно зависимости объемной производительности вентилятора от уровня шума, на выходе мы получим однозначный критерий оценки потребительских качеств вентилятора, так как эти два параметра взаимосвязаны. Кроме того, используя такой подход, можно сравнивать модели вентиляторов разной размерности, что очень удобно в силу того, что на рынке представлена масса различных вентиляторов, отличающихся как по конструкции, так и по типоразмеру.

Корпусные вентиляторы, как и процессорные кулеры, имеют два основных типа управления скоростью вращения крыльчатки: с помощью сигналов от ШИМ-контроллера и с помощью изменения напряжения питания в диапазоне от 1 до 12 В. Более подробно об этих методах управления мы рассказывали в нашей методике посвященной тестированию кулеров, поэтому мы не будем останавливаться на этом. Отметим лишь один важный момент. Современные системные платы имеют несколько разъемов для подключения корпусных вентиляторов. Бюджетные платы в большинстве своем имеют лишь один или два 4-контактных разъема, которые предполагают управление вентилятором посредством ШИМ, в то время как более дорогие модели плат могут похвастаться целым набором 4-контактных разъемов для подключения корпусных вентиляторов. С другой стороны, на рынке представлено немало различных внешних блоков управления корпусными вентиляторами, которые могут регулировать напряжение питания в диапазонах от 5 до 12 В. Более того, зачастую корпусные вентиляторы подключают напрямую к 5 В или 12 В шине питания, без использования промежуточных резисторов или реостатов. Таким образом, можно констатировать, что для корпусных вентиляторов до сих пор основным методом управления остается динамическое изменение напряжения питания. Поэтому при тестировании вентиляторов мы использовали оба метода управления, чтобы «отвязать» процесс от конкретной системной платы, блока питания или реостата.

Условия и инструменты тестирования

Чтобы обеспечить одинаковые условия тестирования всех исследуемых моделей корпусных вентиляторов, мы использовали отдельный стенд, который ранее задействовали при тестировании процессорных кулеров.

Стенд базируется на системной плате Biostar TPower X79 и процессоре Intel Core i7-3820, однако в процессе тестирования он применялся только для снятия показаний с отдельных инструментов и фактически не участвовал в процессе тестирования. Температура окружающей среды в ходе тестирования поддерживалась на уровне 22-24 °C, а сам стенд для тестирования располагался в открытом корпусе Cooler Master Lab Test Bench.

Для формирования управляющих ШИМ-импульсов применялся отдельный ШИМ-контроллер, который позволял задавать коэффициент заполнения в пределах от 0 до 100% с частотой 25 кГц и амплитудой 5 В.

Mastech HY1802D

Для задания необходимого напряжения питания использовался внешний блок питания Mastech HY1802D, позволяющий регулировать напряжение питания в диапазоне от 0 до 18 В. Скорость вращения вентилятора контролировалась посредством данных утилиты AIDA64 и данных, полученных с платы ШИМ-контроллера (к ней также был подключен провод от тахометра вентилятора).

Smart Sensor AS856

Для определения создаваемого вентилятором воздушного потока мы использовали анемометр Smart Sensor AS856, который подключается к компьютеру по USB и позволяет экспортировать полученные данные в xls-файл. Измерение скорости воздушного потока производилось с помощью специальной камеры, в основе которой лежит обычный таз. С одной стороны через специальный переходник к этой камере прикреплялся тестируемый вентилятор, а с другой была установлена крыльчатка ручного анемометра. Для этого в дне таза было просверлено отверстие, в которое и «устанавливался» анемометр.

Стенд

Вообще конструкция данной камеры весьма забавна, а описание ее создания может занять целую статью, но в рамках этого материала нам достаточно сказать следующее: каждая исследуемая модель крепится к камере с помощью своего собственного переходника таким образом, чтобы внутри камера оставалась полностью герметичной. Это необходимо для того, чтобы установленный вентилятор мог работать в качестве всасывающего элемента. Анемометр, установленный напротив вентилятора, в данном случае снимает показания о скорости воздушного потока, который вытягивается исследуемым вентилятором. Измерение скорости потока на входе в камеру позволяет избежать влияния вихревых потоков, генерируемых крыльчаткой вентилятора, в выдуваемом потоке воздуха. Отметим, что такая камера позволяет измерять воздушный поток у вентиляторов различного типоразмера. Однако полученные в результате этих измерений данные можно использовать только для сравнения вентиляторов одинакового типоразмера, так как создаваемое входным отверстием и крыльчаткой анемометра воздушное сопротивление постоянно и не меняется. Тогда как в условиях реальной эксплуатации вентилятор большего размера обычно нагружается пропорционально меньше, например, устанавливается на решетку большего размера или на соответствующее диаметру крыльчатки отверстие.

Стенд

Указываемые в технических характеристиках вентиляторов значения производительности или объемного расхода (чаще всего в м³/ч или в кубических футов в минуту, CFM — cubic feet per minute) будут отличаться от полученных нами значений, так как измерения производятся различными способами и другими измерительными приборами. При этом, очевидно, что производитель приводит данные по расходу, полученные в условиях свободного потока воздуха (если не указано иное), когда создаваемое вентилятором статическое давление равно нулю. В реальности (как и в условиях нашего теста) движению воздуха от и/или к вентилятору всегда всегда создается какое-то сопротивление и поток воздуха будет гораздо меньше, приведенного производителем на коробке с вентилятором. К сожалению, в случае компьютерных вентиляторов зависимости давления от объемного расхода обычно не приводятся. Поскольку это новая методика, мы допускаем, что в дальнейшем этот тест и инструменты для измерения могут быть несколько модифицированы или заменены.

Шумомер

Измерение уровня шума проводилось в специальной звукопоглощающей камере. Высокочувствительный шумомер располагался в 21 см от верхнего торца вентилятора. В свою очередь сам вентилятор подвешивался на четырех резинках, которые проходили через штатные отверстия для крепления. Резинки растягивались, и вентилятор как бы «подвисал» в воздухе, что позволило нивелировать возможные шумы, в том случае если бы вентилятор просто стоял на полу или был бы закреплен на плоскости. Такое местоположение было выбрано и для того, чтобы не привязываться к габаритам тестируемого вентилятора. Показания уровня шума снимались после стабилизации в течение 3-5 минут. Отметим, что при измерении уровня шума не использовалась стандартная методика, по которой тестируют вентиляторы сами производители. Поэтому надо понимать, что полученные нами данные нельзя сравнивать с уровнем шума, указанным в технических характеристиках вентиляторов, а можно применять только для сравнения уровня шума моделей, протестированных именно по нашей методике. Согласно нашим замерам, при отсутствии источников шума показания шумомера в звукопоглощающей комнате составляют 17,5-17,9 дБА. Субьективно уровень шума в этой комнате настолько низкий, что воспринимается среднестатистическим человеком как полная и «гнетущая» тишина.

Этапы тестирования

  1. определение зависимости скорости вращения вентилятора от коэффициента заполнения ШИМ-импульсов и/или напряжения питания;
  2. определение объемной производительности вентилятора при управлении с помощью ШИМ-импульсов и/или изменением напряжения питания;
  3. определение уровня шума в зависимости от скорости вращения вентилятора при управлении с помощью ШИМ-импульсов и/или изменением напряжения питания;
  4. построение кривой соответствия объемной производительности вентилятора и уровня шума от скорости вращения вентилятора при управлении с помощью ШИМ-импульсов и/или изменением напряжения питания;
  5. определение напряжения питания, при котором вентилятор начинает свое вращение;
  6. определение напряжения питания, ниже которого вентилятор прекращает свое вращение.
SilverStone FW141

В качестве наглядного примера, мы приведем данные полученные нами для корпусного вентилятора SilverStone FW141 (кодовое обозначение S1501312HP-4M), который использовался нами при разработке этой методики. Все данные приведены в отдельном XLS-файле, который можно загрузить для более подробного ознакомления.

Этап 1. Определение зависимости скорости вращения вентилятора от коэффициента заполнения ШИМ-импульсов и/или напряжения питания

Зависимость скорости вращения вентилятора  от коэффициента заполнения ШИМ-импульсов

Зависимость скорости вращения вентилятора от напряжения питания

Как видно из приведенных графиков, минимальные и максимальные значения скорости вращения для разных типов управления у одной и той же модели вентилятора могут отличаться. Более того, для этой модели предпочтительнее использовать метод динамического изменения питания, так как в этом случае можно получить более широкий диапазон скоростей вращения, что позволит добиться совершенно иного графика соответствия шума и скорости вращения. В применении к данному вентилятору управление с помощью динамического изменения питания позволяет добиться разницы в 600 об/мин на минимальных оборотах, что, в конечном счете, сказывается на уровне шума.

Этап 2. Определение объемной производительности вентилятора при управлении с помощью ШИМ-импульсов и/или изменением напряжения питания

Зависимость объемной производительности от коэффициента заполнения ШИМ-импульсов

Зависимость объемной производительности от напряжения питания

График зависимости объемной производительности вентилятора практически в точности повторяет график зависимости скорости вращения от оборотов, что неудивительно, так как эти величины связаны напрямую. Стоит отметить очень слабый воздушный поток при минимальных оборотах в том случае, если управление осуществляется с помощью изменения напряжения питания.

Этап 3. Определение уровня шума в зависимости от скорости вращения вентилятора при управлении с помощью ШИМ-импульсов и/или изменением напряжения питания

Зависимость уровня шума от скорости вращения вентилятора

Как видно из приведенного графика, использование ШИМ-контроллера не позволяет добиться минимальных значений уровня шума для данной модели вентилятора. С учетом того, что от корпусного вентилятора такого типа не зависят важные компоненты, управление с помощью понижения напряжения для этой модели предпочтительнее. В режиме минимальных оборотов его не будет слышно на расстоянии одного метра.

Этап 4. Построение кривой соответствия объемной производительности вентилятора и уровня шума в зависимости от скорости вращения вентилятора кулера при управлении с помощью ШИМ-импульсов и/или изменением напряжения питания

Кривая соответствия уровня шума и обьемной производительности

На кривой соответствия объемной производительности вентилятора и уровня шума для данной модели вентилятора хорошо виден недостаток при управлении с помощью ШИМ-контроллера.

Этапы 5 и 6. Определение напряжения питания, при котором вентилятор начинает свое вращение, и определение напряжения питания, ниже которого вентилятор прекращает свое вращение

Пусковое напряжение, В 4,9
Остановка крыльчатки, В 3,3

Для вентилятора SilverStone FW141 минимальное напряжение, при котором он начинает свое вращение, почти на 1,7 В выше, чем минимальное напряжение, при котором он еще крутится. Это достаточно важный параметр, так как эта разница может быть и больше, и меньше в зависимости от модели. К слову сказать, этот параметр зависит еще и от наработки, то есть от износа и загрязненности подшипников, от степени деградации смазки в подшипниках. С учетом того, что к этой модели идет переходник с 4-контактного разъема на Molex (питание вентилятора подключается к шине 5 В), то можно сказать следующее. Данная модель вентилятора, несмотря на наличие 4-контактного разъема и возможности управления с помощью ШИМ-импульсов, не имеет возможности раскрыть весь свой потенциал, поэтому ее настоятельно рекомендуется подключать к плате или реостату, используя метод динамического изменения напряжения питания.

Заключение

В качестве небольшого заключения еще раз подчеркнем, что данная методика новая, и поэтому в ней могут быть недочеты. В силу объективных причин у нас нет возможности оценивать производительность вентиляторов тем способом, которые используют сами производители, однако на наш взгляд наша методика также имеет право на жизнь и позволяет определить все важные параметры корпусных вентиляторов. Что касается определения уровня шума вентилятора в различных условиях эксплуатации (с разными типами решеток гриль или же сетками в корпусах), то тут для каждого случая это будет индивидуальный показатель, поэтому на данный момент мы не учитываем сопротивление таких конструкций, а также дополнительный шум, создаваемый ими при работе вентилятора. Возможно, в будущем мы вернемся к этому вопросу. На наш взгляд, для общей оценки конкретной модели вентилятора хватает двух параметров: производительность и уровень шума. Поэтому в этой методике тестирования мы сосредоточились на измерении и сопоставлении именно этих двух характеристик.




Дополнительно

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.