Методика тестирования вентиляторов

Предисловие

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, 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, потому 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 большинстве своем 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, поскольку элементы такого компьютера выделяют слишком много тепла.

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 охарактеризовать вентилятор, что позволит сравнивать разные модели между собой.

Условия и инструменты тестирования

Вентиляторы имеют два типа управления скоростью вращения крыльчатки: с помощью управляющего сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и/или с помощью изменения напряжения питания в диапазоне от минимального, при котором крыльчатка еще вращается, до номинального (в случае компьютерных вентиляторов это обычно 12 В). При управлении конкретным вентилятором на практике чаще применяется только один из способов, но может применяться и их комбинация. Согласно спецификациям Intel («4-Wire Pulse Width Modulation (PWM) Controlled Fans»), управляющий сигнал должен иметь номинальную частоту 25 кГц, номинальное напряжение 5 В, а скорость вращения регулируется величиной коэффициента заполнения (КЗ), при этом КЗ = 100% отвечает максимальной скорости вращения. В зависимости от конкретной ситуации может применяться как динамическое управление скоростью вращения вентиляторов (например, автоматическое в зависимости от текущей величины нагрева каких-то компонентов ПК), так и статическое (например, вентилятор может быть подключен к источнику напряжения 5 или 7 В вместо номинальных 12 В). В случае потребительских ПК корпусные вентиляторы и вентиляторы, установленные на радиаторах кулеров или СЖО, всегда или бо́льшую часть времени эксплуатируются на пониженных оборотах со сниженной производительностью по воздушному потоку с целью улучшения эргономики — чтобы снизить общий шум от работы ПК.

Зависит, конечно, от индивидуальных особенностей пользователя и других факторов, но в случае вентиляторов и кулеров где-то от 40 дБА и выше шум, с нашей точки зрения, очень высокий для настольной системы, от 35 до 40 дБА уровень шума относится к разряду терпимых, ниже 35 дБА шум от системы охлаждения не будет сильно выделяться на фоне остальных небесшумных компонентов ПК, а где-то ниже 25 дБА вентилятор или кулер можно назвать условно бесшумным.

Чтобы обеспечить одинаковые условия тестирования всех исследуемых моделей вентиляторов, мы постарались свести к минимуму вариацию условий, при которых проводятся измерения. Температура окружающего воздуха в ходе тестирования поддерживается на уровне 22-24 °C. По возможности сохраняется идентичным расположение предметов, могущих оказывать влияние на результаты. Применяются одни и те же измерительные приборы, а при необходимости замены новый прибор сравнивается с предыдущим и в случае значимых расхождений выполняется построение калибровочной зависимости, приводящей показания нового прибора к старому, так как в данном случае важнее обеспечить воспроизводимость результатов, а не абсолютную точность измеряемых величин.

Для формирования управляющего сигнала с ШИМ и регулировки напряжения питания вентилятора, отслеживания фактических значений напряжения и тока, снятия показаний с датчика вращения вентилятора, крыльчатого анемометра, датчиков давления и температуры применяется специально изготовленный контроллер, подключаемый к ПК по USB. Регистрация данных и управление контроллером осуществляются с помощью специального ПО.

Для определения создаваемого вентилятором воздушного потока в варианте с повышенным воздушным сопротивлением мы использовали доработанный анемометр Mastech MS6250. Доработка заключалась в подключении датчика вращения крыльчатки к указанному выше контроллеру для автоматизации снятия показаний. Измерение скорости воздушного потока производилось с помощью специальной камеры, в основе которой лежит обычный пластиковый таз. С одной стороны через переходную пластину к этой камере прикрепляется тестируемый вентилятор. Диаметр отверстия в этой пластине равен внутреннему диаметру рамки вентилятора. При необходимости между рамкой вентилятора и пластиной устанавливается герметизирующая прокладка или применяется замазка.

А с другой стороны камеры в отверстие, равное внутреннему диаметру кожуха крыльчатки анемометра, устанавливается измерительная головка анемометра.

Модели вентиляторов, различающиеся по размерам, крепятся к камере с помощью различных переходных пластин таким образом, чтобы сохранять герметичность камеры и не заужать рабочий диаметр вентилятора. Вентилятор работает на выдув из камеры, то есть создает в ней разрежение. 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. В условиях же реальной эксплуатации вентилятор большего размера обычно нагружается пропорционально меньше: например, устанавливается на решетку большего размера или на соответствующее диаметру крыльчатки отверстие.

Указываемые в технических характеристиках вентиляторов значения производительности или объемного расхода (чаще всего в м³/ч или в кубических футах в минуту, CFM — cubic feet per minute) будут отличаться от полученных описанным выше способом 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.

Дополнительно мы измеряем величину разрежения, создаваемого тестируемым вентилятором в этой камере. Используется дифференциальный датчик давления SDP610-25Pa компании Sensirion. Датчик подключен к камере с помощью гибкого шланга. Измерения давления проводятся во время определения производительности вентилятора, но в результатах мы приводим только максимальное статическое давление. Эта величина определяется при нулевом расходе воздуха, когда вместо крыльчатки анемометра на входное отверстие камеры установлена заглушка.

Чем выше максимальное статическое давление, тем лучше будет работать вентилятор в условиях большого сопротивления, например при прокачивании воздуха через плотный и/или забитый пылью фильтр.

В случае, если на максимальной скорости вращения вентилятора статическое давление выше предела измерений для данного датчика (а это 25 Па), выполняется ряд замеров на скоростях, когда давление ниже этого предела, а для расчета итогового значения максимального статического давления применяется нелинейная экстраполяция.

С нашей точки зрения, описанные выше условия для определения производительности вентилятора, то есть величины создаваемого им воздушного потока, хорошо соответствуют реальным условиям работы вентиляторов в типичном потребительском ПК, так как в современных условиях часто используются относительно плотные противопылевые фильтры и радиаторы воздушных или жидкостных систем охлаждения с высокой плотностью рассеивающих тепло пластин. Однако в некоторых случаях от вентилятора может потребоваться создать высокий воздушный поток в условиях с небольшим сопротивлением. Также производители предлагают модели вентиляторов, оптимизированных для создания высокого потока при небольшом давлении. Чтобы сравнивать вентиляторы в условиях низкого сопротивления и корректно тестировать такие модели вентиляторов, мы собрали второй стенд для определения воздушного потока.

Для выравнивания воздушного потока и уменьшения влияния турбулентности, создаваемой вентилятором, мы использовали круглый пластиковый канал длиной 1 м и внутренним диаметром 200 мм.

На одном конце канала с помощью все той же переходной пластины закрепляется тестируемый вентилятор, установленный так, чтобы втягивать воздух из канала.

На другом конце закреплен термоанемометр testo 405 i с обогреваемой струной. Зонд анемометра располагается в центре вентиляционного канала.

Использование анемометра с обогреваемой струной позволяет создавать пренебрежимо малое дополнительное сопротивление воздушному потоку, также подобные анемометры, в отличие от анемометров с крыльчаткой, хорошо работают в условиях с невысокими скоростями воздушного потока. Показания с этого анемометра снимаются по Bluetooth с помощью мобильного приложения.

Измерение уровня шума проводится в специальной звукоизолированной и заглушенной камере. Микрофон высокочувствительного шумомера Октава-110А-Эко располагается в 21 см от верхнего торца рамки вентилятора.

Такое расположение микрофона было выбрано для того, чтобы не привязываться к габаритам тестируемого вентилятора и исключить влияние вихревых потоков на получаемую величину уровня звукового давления. Вентилятор подвешивается на упругом подвесе с низкой резонансной частотой для исключения резонансных явлений, которые могут появляться в случае жесткого крепления вентилятора. Стоит отметить, что полученные нами данные нельзя сравнивать с уровнем шума, указанным в технических характеристиках вентиляторов, так как производители используют собственные методики (и обычно даже не указывают, какие). Но наши результаты можно применять для сравнения уровня шума различных моделей вентиляторов — правда, лучше сравнивать между собой модели одинакового типоразмера. Согласно нашим замерам, при отсутствии источников шума показания шумомера в звукопоглощающей комнате составляют 16,9-17,9 дБА в зависимости от окружающей камеру обстановки. Линейный рабочий диапазон шумомера для используемого микрофона начинается от 22 дБА, но в пределах от текущего фонового уровня шума до 22 дБА показания шумомера можно использовать для качественного сравнения уровня шума (громче—тише), не принимая уровень звукового давления за абсолютную величину. В качестве характеристики шумности вентилятора при текущей скорости вращения мы используем минимальный уровень звука с частотной коррекцией типа А и временно́й характеристикой усреднения «10 с».

При определении зависимости скорости вращения вентилятора от величины КЗ ШИМ величина КЗ уменьшается от 100% до 0% или до остановки вентилятора, как правило с шагом 5%. При определении зависимости скорости вращения вентилятора от величины напряжения питания напряжение уменьшается от 12 В до остановки вентилятора, как правило с шагом 0,5 В. Дополнительно определяются напряжения остановки и запуска при изменении напряжения с шагом 0,1 В и КЗ остановки и запуска при изменении КЗ с шагом 1% (если при 0% вентилятор останавливается). За запуск принимается состояние равномерного и долговременного вращения крыльчатки. Одновременное изменение КЗ и напряжения в тестах обычно не выполняется. Вентилятор в этих тестах работает в ненагруженном (свободном) состоянии. Замеры объемной производительности и уровня шума проводятся в случае вентиляторов, допускающих управление с помощью ШИМ, только с помощью изменения КЗ (от 100% с шагом 10%), в других случаях — только с помощью изменения напряжения питания (от 12 В и ниже с шагом в 1 В). В зависимости от ситуаций могут быть отступления от этих правил.

Отметим, что замеры уровня шума, в отличие от определения производительности в нагруженном состоянии (в камере с анемометром с крыльчаткой), выполняются без аэродинамической нагрузки, поэтому скорость вращения вентилятора обычно немного выше (где-то на 6:-7% максимум) во время измерения шума при тех же входных параметрах (напряжение питания или коэффициент заполнения ШИМ). Как правило, этим различием мы пренебрегаем и считаем, что уровень шума соответствует величине производительности, полученной при тех же значениях КЗ или напряжения питания. В случае больших различий (от 10% и выше) для расчета уровня шума при требуемой скорости вращения может применяться нелинейная интерполяция.

Повторим, что при тестировании кулеров и теперь вентиляторов мы применяем следующую субъективную шкалу:

В современных условиях и в потребительском сегменте эргономика, как правило, имеет приоритет над производительностью, поэтому за целевой уровень шума мы примем значение в 25 дБА. Теперь для оценки вентиляторов достаточно сравнивать их производительность при данном уровне шума, что гораздо проще, чем сравнение зависимостей уровня шума от производительности.

Таким образом, можно выделить следующие этапы инструментального тестирования вентиляторов (они не обязательно выполняются в указанной последовательности):

1. Определение зависимости скорости вращения вентилятора от коэффициента заполнения ШИМ и/или напряжения питания. Итог — графики зависимости скорости вращения от КЗ и напряжения.
2. Определение напряжения и/или КЗ остановки и запуска. Итог — пары значений КЗ и напряжения.
3. Определение объемной производительности в нагруженных условиях. Итог — график зависимости производительности от скорости вращения.
4. Определение объемной производительности условиях минимальной нагрузки. Итог — график зависимости производительности от скорости вращения.
5. Определение уровня шума. Итог — график зависимости уровня шума от скорости вращения.
6. Построение зависимости уровня шума от производительности. Итог — два графика зависимости уровня шума от производительности в условиях высокой и низкой нагрузки.
7. Определение производительности при 25 дБА. Итог — два значения производительности в условиях высокой и низкой нагрузки.
8. Определение максимального статического давления. Итог — значение максимального статического давления.

Итоги

Для оперативного и, конечно, оценочного сравнения вентиляторов мы предлагаем использовать три значения, определяемые для каждого вентилятора: производительность при 25 дБА в условиях высокого и низкого сопротивления, а также максимальное статическое давление. С нашей точки зрения, самой полезной является первая величина, так как она позволяет понять, насколько производительным будет вентилятор при работе в типичных условиях, когда шумом от его работы можно пренебречь. Возможно, для единообразия максимальное статическое давление также нужно пересчитывать на уровень шума 25 дБА или указывать максимальную производительность в условиях низкого сопротивления, так как в паспортных характеристиках обычно приводится эта величина и величина максимального статического давления.

По мере накопления данных, полученных по новой методике, мы будем представлять диаграммы с результатами, сгруппированные по вентиляторам одного типоразмера. В качестве примера можно рассмотреть статью про вентиляторы Riing Trio 12 LED RGB Radiator Fan TT Premium Edition компании Thermaltake. Комментарии и предложения приветствуются.