一、热设计中的噪声
噪声是强迫风冷和液冷设计中需要重点关注的设计变量；强迫风冷的噪声来源于风扇，而液冷来源于泵，而这两个部件是强迫风冷和液冷设计中的关键部件，所以噪声设计与热设计强相关（在选定风扇/泵的前提下，散热能力越强则噪声越大）。但是设备的噪声不止来自风扇和泵，还有来自风扇/泵导致的部件振动，还有机械硬盘振动、电感器/电容器的啸叫等等；但这些噪声通常比较小。所以噪声仍然主要是由于散热部件所导致的。
1.1、噪声是什么
声音是由机械振动产生的波（大多为纵波），当声源振动时，振动的物体对周围相邻媒介产生扰动，而被扰动的媒质又会对它的外围相邻媒质产生扰动，这种扰动的不断传递就是声音产生并传播的基本机理。
——存在这声波的空间称为声场，声场中能够传递上述扰动的媒质称为声场媒质。
那么噪声由什么产生的呢？
空气动力噪声：由气体振动产生，气体的压力产生突变，会产生涡流扰动，从而引起噪声； ——空气压缩机、电风扇的噪声等。
机械噪声：由固体振动而产生，设备运行时金属板、金属管齿轮和轴承等受到撞击、摩擦及各种突变机械力的作用会产生振动，再通过空气传播形成噪声； ——这种噪声在日常生活中非常多，房屋装修时的电钻、切割，汽车发动起运行时的噪声等。
液体流动噪声：由于液体内部的摩擦、液体与管壁的摩擦，或流体的冲击，都会引起流体和管壁的振动，并引起噪声；
电磁噪声：各种电器设备中，由于交变电磁场作用，引起铁芯和绕组线圈的振动，从而引起的噪声，称为电磁噪声（交流噪声）；
燃烧噪声：材料燃烧时，会想周围空气介质传递热量，使它的温度和压力发生变化，形成湍流和振动而产生噪声。
——小时候烧过野火的筒子们，应该知道燃烧时除了气流的噪声，还有材料本身变形、爆裂的声音。
1.2、声音的参数
声速：声音在媒质中的传播速度（c），一般媒质密度越大则声速越高； ——在1个标准大气压下的空气中，0℃时的c = 331.5m/s，15℃时c = 334m/s；在水中的声速约为1450m/s，在钢铁中的声速可达5000m/s。
频率f、周期T和波长λ：声音在本质上就是一种波，所以波动的频率就是声音的频率；声音频率会影响人的听觉感受，所以电子产品中的声音频率是一个关键因素，可以分为如下三种： 1, 可闻波：人耳能够听到声音的频率范围是：20Hz~20KHz； 2, 次声波：低于人们听觉范围的波长，即<20Hz的声音；次声波在传播过程中衰减很小，即使远离声源也会导致人耳受损，当次声波强度足够大时会会人体造成很大的伤害； 3, 超声波：频率超过人耳听觉频率上限的声音，即>20KHz。
声压和声压级：声压是由于声波的存在而引起的声场媒质的压强波动幅度，单位为Pa；声波在介质中传播时形成压缩和稀疏交替变化。 ——声压的强度是正负交替的，一般取均方根值，称为有效声压；对于1KHz的声音，人耳能听到的最小声压是：2*10⁻⁵ Pa；人耳感到疼痛最大声压：20Pa。 ——人耳能听到的声压范围相差很大（100万倍），而人耳对声音强弱是与声压的对数成正比，因此引入了声压级（SPL）的概念，单位是分贝（dB），定义为：声压与基准声压之比，并取10为底的对数后乘以20，Lp = 20*lg(P/P0)。
声强和声强级：声波的传播过程实际上是声能量的传播过程，单位时间内在与指定方向垂直的单位面积中通过的声能量称为声强（用I表示，单位为W/m²）；声强级是声强（I）与基准声强（I0）之比的10为低对数再乘以10，用L1表示：L1 = 10lg(I/I0)，单位为dB； ——基准声强：I0 = 10⁻¹²W/m²。
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，称为平均声能量或平均声功率；声功率级定义为什功率和基准声功率之比的10对低对数后乘以10，用Lw表示：Lw = 10lg(W/W0)。
——W0位基准声功率，W0 = 10⁻¹²W。
1.3、声音的分析
在电子设备中除了关注声压级外，更需要控制产品的声品质，即产品的实际听觉体验。一般声源由许多不同频率、不同强度的声音组合而成，当产品噪声不满足要求而需要优化时，首先戏必须定位出现问题的声音频率。
我们将声音的频率划分为几个频段（频程或频带），频程有上限频率值、下限频率值和中心频率值，而上下限频率之差称为频程带宽；如果比较两个不同频率的而声音，若频率提高一倍，则听起来音调提高的程度也是相同的（即音调也提高了1倍），因此我们可以说：两个不同频率音调的差异反映的是频率比值而不是差值。
我们对噪声源进行频谱分析时，可以快速定位出哪些频率的噪声对声音的总效果影响较大，并结合频率与结构件之间的关系，找出系统中的主要噪声源。如下图所示，一般机器发出的噪声往往含有很多频率和强度不同的杂音，声音连续地分布在相当款的频带范围内。
如上节所述，声压级和声功率用来衡量声音的强度，但对于噪声来说，我们更关注的时设备边上人员的听觉感受，而听觉感受不仅与升压有关还与频率有关，不同频率的声音听起来的感受完全不同。举个栗子：在相同的声压下，如果频率高于20KHz或低于20Hz，那么无论声压级多高，人耳都听不到。所以，为了考虑不同频率的声音对人听觉感受的影响，从而引入：响度和响度级的概念。
响度级是表示声音响度的量，将声压级和频率用一个物理量统一起来：既考虑了声音的物理效应，又考虑声音对人耳听觉的生理效应，是人们对噪声的主观评价的基本量之一。一个声音的响度等级定义为与1KHz纯音（只有单一频率组成）等响的声压级，单位为phon。
——举个栗子：对于48dB，2KHz的纯音，听起来与50dB、1KHz的纯音等响，那么该声音的响度级为50 phon。将不同频率和声压级的噪声与1KHz的纯音进行比较，就可以绘制出等响曲线，如下图所示。
电子设备中的噪声有许多频率和强度都不相同的声音符合而成，而且不同频率的噪声之间还会产生掩蔽效应。符合音总响度的计算需要先测出噪声的频带声压级，并查出个频带的响度指数，然后计算复声的纵向度。
1.3、声音的传播
声音的本质是一种机械波，具有波动的普遍特征，当它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传播方向发生改变的现象；一般光滑的平表面声波反射角和入射角相等，而凹凸不平的表面容易发生散射； ——回声是典型的声音反射现象。
声波的绕射：声波遇到障碍物时能够绕过障碍物的边缘继续传播的现象（也称为衍射）；低频噪声更容易发生绕射； ——根据可闻声音频率范围（20Hz~20KHz）可以推断出其波长为17cm~17m，所以该频段的身影能够绕过常见大小的物体。
声波的吸收：当声波碰到壁面时，部分声音会被吸收，多孔介质类物体（例如：毛毯、地毯、海绵等）吸声效果较好，因为声音进入这类物体的表面后会被多次反射，过程中别不断吸收，声能转化为了热能。
一些相同频率的声波叠加后会产生干涉，其结果是使得空间声场各处的声音不一样响：如果相位相同则叠加后会加强，如果相位相反则叠加后会减弱。主动降噪技术利用的就是声波的干涉作用，通过产生与外界噪声相等的反向声波将噪声中和掉，从而实现降噪的效果。
1.4、电子设备热设计中的噪声
在强迫风冷设计的设备中，风扇是电子设备的主要噪声来源，在电子设备中虽然也存在其它的噪声，但是几乎可以忽略不计。因此控制风机的噪声是控制噪声的关键。
1.4.1、气动噪声
风扇的气动噪声包括旋转噪声和涡旋噪声；
旋转噪声：是由叶片周围不对称结构和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除的不均匀气流，气流作用在动叶上产生振动，诱发噪声；
涡旋噪声：又称为涡流灶神，其主要是由于气流经过叶片时产生紊流附面层以及漩涡与漩涡分裂脱体，引起叶片上压力脉动而噪声的；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其它的相对速度，而旋转叶片的圆周速度则随着与圆心的距离而变化；所以从圆心到圆周的速度连续变化，叶片旋转所产生的漩涡噪声具有连续的噪声频谱。
1.4.2、机械噪声
风机在经过一段时间的运行之后会产生多种机械噪声，包括如下多种情况； 1、 叶轮磨损不均匀或因风压导致零件的变形，使得整个转子不平衡而产生的噪声； 2、 轴承在运行后由于磨损，与轴相互作用产生的噪声； 3、 由于安装不良或零件连接松动而产生噪声； 4、 叶轮高速旋转产生振动，导致机体某一部分共振而产生的噪声； 5、 电动机中转向器与电碳刷摩擦而产生的摩擦噪声； 6、 换向器的打击噪声。
1.4.3、电磁噪声
风机中的电动机是通过线圈在磁场中受力而运转，径向交变的电磁力将会激发电磁噪声。
我们一般通过在消音室测试来确定噪声的来源和大小，从而对设备的噪声进行改进。
1.5、噪声控制设计
电子设备的噪声控制设计比较复杂，因为它本身与设备形态、结构、散热、功耗、应用环境、软件等相关。对于任何噪声的控制都有三个方面：源、路径和接收器。
1.5.1、控制声源
电子设备的声源主要是风扇或泵，所以针对风扇或泵的工作进行优化：
在满足设备工作温度的前提下，尽量降低风扇（泵）的转速，噪声强度与风扇转速成正比关系，这也是目前电子设备控制噪声的主要方式之一；
优化风扇本身的性能：选择能够提供在同样转速下提供更大风量的风扇，从而在满足散热的前提下得到更优的噪声体验。
1.5.2、控制传声路径
主要有消声、隔声和吸声三种方式；这几种方式在电子设备中应用较少，对于吸声来说，我们可以在设备内壁上贴附吸声材料或设计吸声结构，将从设备内部传播出来的声音吸收掉；
1.5.3、控制声音接收者
电子设备所产生的声音的主要接收者是人，所以当其它措施不能满足要求时，只能佩戴降噪耳塞、耳罩或有源消声头盔等。
我记得进入设备机房时，会配备隔音耳机，否则长时间在设备机房工作，那噪声会导致头晕、呕吐等症状，亲身体验。
二、风扇调速策略
我刚进公司的第一年就干了一个活：给新设备制定风扇调速策略。当年初生牛犊不怕虎，管它三七二十八，不到一个星期就给整了一个，现在想起来一身冷汗。幸好当年的设备散热并非是瓶颈（有很多的裕量），也就这么凑合着用了，一直没出什么大事。
那么，我们制定风扇调速策略的目标是什么？保证产品在规定的应用环境下，在整个寿命周期内的散热安全。举个栗子：电信设备的工作温度一般是-5℃~40℃，那么我们的风扇调速策略需要保证在40℃环境温度下设备工作正常。
电子设备的核心散热组件是：散热器、导热界面材料和风扇。其中散热器和导热界面材料是不会变化的，而风扇是可以根据需求实时变动的，从而改变系统的散热状态，使得风扇转速和元器件温度时钟保持在合理的数值下。
我们调整风扇转速，主要是要降低风扇转速，因为在保证设备散热前提下的低转速有很多好处：
降低设备噪声：对于同一个风扇来说，转速越低则噪声越低；
降低设备能耗：在其它条件不变的前提下，风扇的转速越低则设备能耗越小；
延长风扇运行寿命：对于同一个风扇，转速越低则故障率越低，运行寿命越长； ——风扇的轴承是影响风扇寿命的关键部件，转速越低则轴承磨损会变小。
加您少灰尘沉积：风扇转速降低则设备内风速减小，产品内灰尘沉积速率也会下降。
——如果设备配备有防尘网，那么防尘网上的灰尘积累会减少，有利于延长防尘网的更换周期。
2.1、风扇调速的前提
我们要将风扇的转速变大变小起来，必须有三个先决条件：
要根据啥来调：温度传感器，我们要能监测到设备关键点的温度（例如：环境温度、最大功耗器件温度、温度冗余最小器件温度等等），这些温度能及时反映设备的散热风险；
能不能调：风扇本身要支持风速调整（例如：最好是4线风扇，有RPM和PWM信号；当然2线或3线风扇也能做）；
谁来调：调速这活需要软件来做，所以需要由代码来实现，它串联了温度监测、风扇调速以及风扇监测等功能，保证风速能被调到位。
2.1.1、风扇的选择
如之前章节所述，风扇有2线，3线和4线之分，对于风扇调速来说最方便实现的是4线风扇，因为它提供了PWM：占空比决定风扇转速；RPM：输出的脉冲周期决定了当下风扇的转速。此时我们只需要控制PWM之后读取RPM就能确定风扇调速是否被正确下发。
如果是3线风扇，就缺少了PWM信号（只有RPM），那如何实现调速呢？我们可以控制风扇的供电电源（用MOS管），对风扇电源进行占空比的控制，其实现方式就会比较复杂，而且转速控制精确度也比较差。
2.1.2、温度传感器
温度传感器有很多种，在电子设备中主要用于：1，监测环境温度（空气温度）；2，监测PCB温度；3，监测器件内部温度。
环境温度监测传感器：可用风扇内置温度传感器，或则入/出风口的PCB板载温度传感器；
检测PCB温度：使用集成的温度传感器（LM75），用于监测那块区域的环境温度； ——一般放在高温器件的下风口，但该温度与器件温度有温度差，两者不可等同。
芯片内部温度：有一些大器件会自带温度传感器（PN结或热敏电阻），或则通过外置集成温度传感器连接到温度传感器管脚进行读取。
由于这些温度是作为风扇调速策略的输入，首先需要准确：1，有些器件内部温感的精度较差，则需要热测试设备进行校准；2，器件内部没有温感，我们采用外部温感时，需要用热测试设备对它们之间的温差进行测试并补偿。其次温度要实时，例如：30s或1分钟进行一次温度读取和风扇调速。
2.1.3、风扇调速程序
风扇调速程序需要将风扇转速和温度之间关联起来，而这一过程需要热设计工程师和软件工程师一起共同来完成。热设计工程师负责提供风扇转速与参考温度之间的关系，而软件工程师负责用代码在系统中实现。
举个我当年做的风扇调速策略，我做了5档调速，某个温度点对应某个风扇转速跳变点。但是这样会有一个问题：当监测到温度上升到某一点并将风扇转速调上去之后，温度马上下降至临界点以下，软件又会控制风扇转速降低，如此就会形成一个风扇转速的振荡。我当时考虑到了这个问题，并做了一个迟滞回路的策略。大概的策略如下图所示。当然如果当设置N档位，其N是非常大的时候，基本上就是处于“无级变速”的状态，能实现一个最好的温度&转速匹配。
我们还可以根据不同客户的要求，设定不同的风扇调速策略曲线：
低噪声策略：客户对噪声要求较高，低噪声的结果就是电子设备一直处于较高的工作温度；
高性能策略：客户对电子设备工作性能要求较高，风扇调速策略比较激进，使设备尽量处于较低工作温度；
平衡策略：低噪声和高性能的折中策略。
2.2、风扇调速策略设计
电子设备散热是基于温度传感器及时、准确地反映系统散热风险的前提下。那么我们应该如何对不同温度传感器进行布局呢？如下图所示。
芯片内置温度传感器：这类传感器在芯片内部，所以无需在单板PCB布局设计时进行设置；软件在选择参考温度时，推荐选择散热风险最高芯片的传感器温度作为风扇调速的依据；
板载环境温度传感器：用于测量单板上局部环境温度，应置于受其它器件影响最小的区域，一般放置在设备的入风口；
板载芯片温度传感器：用于间接测量散热高风险器件的温度，需放置在芯片的下风口（5mm以内）；
可插拔式温度传感器：感温点置于风速大、不受其它元器件影响，最能反馈局部空气温度的位置。
在确定对电子设备温度监测的准确和及时之后，便是要开始设计风扇调速策略。在风扇调速程序中，主要有两种类型的风速与温度的对应关系：
1种风扇转速与温度有固定的对应关系；
1种风扇转速与温度没有固定的对应关系；
（目标温度是恒定的范围，而风扇转速根据环境及负载不断变化）。
风扇转速与温度是一一对应的控速策略：这种控速方案设计最为常用，我们要确定它们的关系，需要首先对电子设备进行热设计仿真，其次是对样机进行实测；其设计步骤如下：
结合产品要求，确定温控策略（环境温度+芯片温度），并划分温度区间和风扇档位；
根据第一步获得的测试数据，协同软件工程师编写算法实现；
样机热设计验证测试：根据环境温度或芯片温度，设备在各种不同环境和负载下温度应力不超过设计规格；
如果样机验证测试pass，则正式发布软件，否则需要重新调整风扇控温策略，重复1~3步骤，迭代修正，直至验证通过。
风扇转速与温度无一一对应的控速策略：该控速的核心思想是将传感器温度（设备温度）控制在一个预设的温度范围内；温度传感器值和转速之间并没有直接的对应关系，而是温度传感器实时探测值与目标温度之间的差值与转速需要调整的幅度之间的对应关系；确定风扇转速调整量和温度传感器值与目标温度差值之间的关系，是目标控速的核心。
划分风扇档位；
设置合理的目标温度；
读取温度传感器数值，计算实时数值与目标温度的差值；
根据差值确定风扇转速调整量
目标控速前期档位调整量的测试关键是理清如下问题：
风扇转速需要改变多少，才能使得当前温度传感器数值变为目标温度值。举个栗子：若传感器温度数值为95℃，而目标温度为100℃，那么需要将转速调低2个档位，温度传感器的数值才会变成100℃，于是-5℃对应的风扇步进档位是-2。
但是存在一个问题是：当风扇处于不同档位时，改变相同幅度的档位，对系统散热能力的影响是不一样的，因此在需要精确目标控速中的转速调节需要使用更加灵敏准确的算法PID。
Proportion（比例）、Integration（积分）、Differentiation（微分）调速算法。该方法在工业控制领域被广泛应用。
2.3、异常情况风扇
风扇调速程序正常运行是基于两个方面的：
1、温度监控系统功能正常；
2、风扇调速功能正常。
当温度监控出现问题或则风扇出现故障时，就需要对这些异常做对应处理，否则会导致设备出现散热风险。
首先设备启动过程中，风扇调速程序还未正常运行时，风扇需要一个默认转速，需要根据各自电子设备的情况进行设置； 一般情况下，电子设备在刚启动阶段还没有业务（负载），所以即使处于设备所允许的最高温环境下，也不会立即过热；所以在这段时间内，可以设置风扇半速运行，降低噪声对运维人员的影响。
监测到温度传感器温度示值超过最大允许值：立即将风扇转速设置为全速，同时向后台维护界面发送过温告警，当温度传感器超过某一门限后，应对业务做限制设置对设备进行过温重启；
无法监测到温度传感器：向后台维护界面发出告警（无法检测到温度传感器，请人工检查干预），同时将风扇转速设置为全速；
无法监测到风扇，但温度传感器值正常：向后台维护界面发出告警，提示无法检测到风扇，同时设置风扇转速为全速；
无法监测到风扇，且温度传感器值超过最大允许值：向后台维护界面发出告警，提示无法检测到风扇且设备过温，同时设置风扇转速为全速；当温度传感器超过某一门限后，应对业务做限制设置对设备进行过温重启。
三、总结
热设计中的噪声往往与热设计同步设计，我们在热设计之初就需要考虑到其带来的噪声对电子设备应用的影响。除了对风扇的选择之外，复杂电子设备的风道设计对噪声也有较大的影响，我们可以优化电子设备的结构来减小噪声。
