Мертвые с косами. И тишина...
АрхивИсточники шума в компьютере и методы борьбы с ним.
Теорема: если вы читаете «Компьютерру», ваша жизнь так или иначе связана с компьютером не менее восьми часов в сутки. Примем без доказательства. Допустим, что он у вас домашний. Выключите все электроприборы в доме, затяните водопроводные краны, чтобы не капали, сломайте соседу электродрель или скрипку. Добейтесь по возможности полной тишины. Нет, компьютер не выключайте, весь фокус в нем. Теперь замрите, зажмурьтесь и прислушайтесь к биению его шпинделей и головок, шелесту вентиляторов, жужжанию трансформаторов…
Если вам понадобился стетоскоп, чтобы услышать своего электронного помощника, можете дальше не читать. Ваш компьютер наверняка карманный. Или вовсе калькулятор. Речь пойдет главным образом о настольных персоналках. В 2000 году ведущие производители компьютеров и комплектующих стали, наконец, обращать повышенное внимание на акустические свойства своей продукции, обещаны даже пенопластовые корпуса. Обратим внимание и мы.
Каковы же «гигиенические нормы» для шумности компьютера? Это определяется не в последнюю очередь окружающей шумовой обстановкой в помещении, где он расположен (см. большую врезку). Нет смысла делать тихим офисный компьютер, если шум от проносящихся под окнами по оживленной улице автомобилей, работающих кондиционеров или постоянно болтающих сотрудников превышает 45 дБ. Компьютер на их фоне почти не будет слышен. Другое дело - тихое помещение. Шум, скажем, от трех-четырех компьютеров будет на 5-6 дБ выше одиночного, фон обычного (тихого) городского помещения равен примерно 30-35 дБ, то есть приемлемым можно считать шум одного блока на уровне 30 дБ. Третья ситуация - для тихой домашней комнаты. Фон такой комнаты днем 25-30 дБ и 15-25 дБ ночью (если никто не храпит). И если для дневного сидения компьютеру достаточно шуметь на те же 25-30 дБ, то для неслышной ночной работы ему потребуются уже почти нереальные нынче 15-20 дБ. Примерно такие же жесткие требования будут и для ПК, расположенного в звуковой студии или предназначенного для высококачественного прослушивания музыки на внешних акустических системах.
Нынешним системным блокам пока далеко до подобных «гигиенических требований», однако стремиться к этому следует. И не последнюю роль здесь играет продуманный подход к производству и подбору компьютерных компонентов.
Шумы вентиляторов
Среди источников компьютерных шумов (см. небольшую врезку на следующем развороте) - больше всего различных вентиляторов, тех самых, мертвых с косами-лопастями. Далеко в прошлом остались времена, когда персональные компьютеры могли обходиться без них, и сейчас грамотный выбор пропеллеров способен существенно снизить общий шум ПК. Средний шум одного вентилятора оценивается в 30-35 дБ, но разброс от модели к модели может быть весьма велик (см., например, www.plycon.com/fans.htm). Два основных компонента шума вентилятора - вибрация в подшипниках и разрезание воздуха лопастями.
Вентиляторы на подшипниках качения (ball bearing, то есть шарикоподшипниках) считаются более долговечными, однако их шум не так уж мал из-за большого количества вращающихся деталей. Например, модные нынче «турбинные» кулеры для процессоров (типа Golden Orb и т. п.), несмотря на все свои теплоотводящие достоинства, обладают одним существенным недостатком - их вентиляторы едва ли не самые громкие из аналогов. Обычно более тихими (и дешевыми) являются вентиляторы на подшипниках скольжения (sleeve bearing), где втулка ротора скользит в статоре благодаря тонкой прослойке масла. Считается, что такие кулеры менее долговечны, однако практика показывает, что они тоже способны работать несколько лет, особенно если подшипник изредка смазывать. Зато у вентиляторов на хороших подшипниках скольжения отсутствуют дополнительные «дребезжащие» звуки.
Чтобы еще больше снизить шум, издаваемый вентиляторами, можно пойти по пути разумного снижения скорости их вращения. В самом деле, всегда ли нужен пропеллер, гоняющий воздух (и пыль) на полную мощность своих тысяч оборотов в минуту? И где та грань, за которой интенсивный принудительный обдув радиаторов необходим? Очевидным мерилом является температура (радиатора, процессора, окружающего воздуха внутри корпуса). До тех пор пока она не превышает некоторой безопасной величины (35-40 градусов), вентиляторы могут работать вполсилы или не работать вообще. А с повышением температуры до 55-60 градусов - постепенно ускоряться до своей максимальной скорости. Например, радиаторы современных блоков питания для ПК остаются практически холодными при типовой нагрузке (обычно она заведомо меньше половины максимальных возможностей блока), то есть нет никакой необходимости гонять вентилятор блока питания на полных оборотах, тем более что часто именно он дает основной вклад в шум системного блока. В некоторых дорогих блоках питания уже встроена функция регулировки скорости вращения, и эти блоки работают заметно тише обычных.
То же можно сказать и о процессоре или видеокарте: при работе ПК эти компоненты далеко не всегда загружены на полную мощность своих сотен мегагерц. Для огромного числа приложений (текстовые, графические редакторы и др.) требуются лишь кратковременные всплески активности процессора, тогда как остальное время он практически бездействует или имеет очень низкую загрузку. Чтобы снизить тепловыделение процессора во время даже кратковременных (доли секунды) простоев, применяются различные программные охладители (например, CPUidle), которые при помощи специальных команд «усыпляют» процессор во время пауз в работе, благодаря чему его температура резко снижается. Более того, подобные средства программного охлаждения уже встроены в ядро многих современных операционных систем (Windows, Linux и др.), и достаточно лишь их активизировать (например, установить Windows при включенной в BIOS системной платы опции ACPI). При этом температура процессора во время активной работы с Word’ом, Photoshop’ом, почтой или браузером вряд ли будет подниматься выше 35 градусов! В этих ситуациях вполне логично замедлить вращение вентилятора процессорного кулера, уменьшив его шум примерно на 10-15 дБ и в несколько раз увеличив срок службы.
К сожалению, мне пока не встречались платы и/или программы мониторинга, которые могли бы реализовать функцию регулировки скорости вентилятора от температуры (остается надеяться на их появление в ближайшем будущем). Поэтому такая функция управления скоростью вентилятора от дополнительного термодатчика была реализована мной в простой электронной схеме - на фото слева внзу, которую по силам собрать любому начинающему радиолюбителю (подробности см. на www.compuferra.ru/online/supply/5961). Эта простенькая схема обеспечивает удобное регулирование скорости вращения любых вентиляторов в ПК, что производит весьма благоприятное впечатление даже на «невооруженный» слух. Кроме того, если вам так важна тишина, можно выбрать и видеокарту без вентилятора: это Matrox, различные Voodoo и большинство более старых карт. С радиаторами же идут в основном только новейшие чипы от Nvidia и ATI.
Шумы дисководов
Если тишина дисководов для гибких дисков (FDD) нас не очень беспокоит, поскольку общаться с ними приходится все реже и реже (здесь традиционно тихими являются приводы от Sony), то шумность CD-ROM у всех на слуху (простите за каламбур). Медленные (и тихие) модели давно перестали выпускаться, а современные 40-50-скоростные в погоне за рекордами раскручивают компакт-диски до 8000 и выше оборотов в минуту, что дает громкий звук даже при идеальной центровке дисков и хорошей звукоизоляции. Аналогичным недостатком с недавних пор обзавелись и высокоскоростные приводы DVD-ROM. Не рискну рекомендовать вам весьма дорогую и тихую 72-скоростную CD-модель от Kenwood («КТ» #343), имеющую пять головок для одновременного чтения диска, но из обычных одноголовочных весьма тихими показали себя некоторые модели от Ricoh, Samsung и Teac (см., например, «КТ» #350).
С другой стороны, запредельные скорости для CD и DVD в реальной работе требуются очень редко и только на короткое время (эпизодически для инсталляции, копирования программ или проверки дисков). А для большинства длительных применений приводов (просмотр фильмов, прослушивание музыки, игры, общение с базами данных) вполне достаточно 8х-16х для CD и 2х-4х для DVD. Для искусственного снижения скорости приводов разработано немало программ: например, почти универсальные Drivespeed 2000 или CDbremse, а также ряд специализированных - на сайтах соответствующих производителей (например, ASUS). При начальной скорости 6х-8х (на внутренних витках; на внешних она вырастает вдвое) вращение привода компакт-дисков практически не слышно. При воспроизведении музыки и фильмов это очень помогает на время забыть о приводе и погрузиться в атмосферу произведения (кстати, не забывайте ставить режим DMA для работы дисководов под Windows).
Шумы винчестеров
Если 1999 год у винчестеростроителей прошел под флагом повального увлечения ударостойкостью (см. www.compuferra.ru/online/storage/5599), то год 2000-й можно смело назвать началом всеобщей борьбы за тишину жестких дисков. И этому есть немало причин. Одной из них является повышение требований к тишине компьютерных компонентов со стороны крупных ОЕМ-производителей персональных компьютеров (в частности, для стандартного компьютера сейчас приемлемым считается уровень шума около 30-33 дБ, вторая цифра - при активном перемещении головоквинчестера). С другой стороны, винчестеры стали все активнее проникать в сферу бытовой электроники. Набирает силу выпуск Интернет- и игровых приставок, не имеющих вентиляторов, где единственным источником шума является жесткий диск. Различные цифровые персональные аудио- и видеомагнитофоны (PVR) также все чаще появляются в анонсах и на прилавках. Требования же к тишине работы бытовых устройств значительно более жесткие, чем у настольных компьютеров. Поэтому важно сделать шум поиска диска не громче, чем на 2 дБ относительно шума вращения. Понимая это, многие компании, производящие жесткие диски, вкладывают немало средств в научные исследования и разработку более тихих моделей.
[i38134]
Как борются с шумами винчестера
При стандартизованном методе измерения акустических параметров диска в лабораторных условиях накопитель подвешивается в специальной звукопоглощающей камере, а массив из десяти микрофонов располагается полусферически вокруг диска на расстоянии метра от него (подробности см., например, www.compuferra.ru/online/supply/6423). Важнее всего снизить шумы диска в частотном диапазоне 1-3 кГц как самом чувствительном для уха. Анализируя источники этих звуков путем измерений локального распределения интенсивности звука, можно определить, как доработать конструкцию накопителя, чтобы подавить эти характерные частоты в первую очередь. Этот способ лежит в основе технологий шумопонижения Acoustic Noise Suppression (Noise Guard) от Samsung, Quiet Drive Technology от Quantum, Sound Barrier Technology от Seagate и некоторых других. Прежде всего необходимо подавить взаимные резонансы мотора и гибкой подвески блока головок, изолировать колебания друг от друга. Проблема решается выбором подходящих комбинаций материалов, из которых изготавливаются детали накопителя. Результат оптимизации конструкции можно наблюдать, например, на спектрах шума одного из дисков Samsung (см. графики).
Благодаря такому подходу последние модели дисков Quantum Fireball lct, Samsung, Seagate и IBM DTLA стали весьма тихими - шум от их вращения не превышает 30 дБ (см. таблицу). Наши испытания этих моделей подтверждают сказанное (подробности см. www.compuferra.ru/online/storage). Очень тихой работой отличаются диски Seagate новой серии U Series 5, причем наряду с обычными «компьютерными» в этой серии присутствуют модели для бытовых применений - с индексом AV. Они комплектуются пакетом Seagate SeaStream, обеспечивающим пониженный уровень шума 27 дБ благодаря выбору специального тихого режима работы для домашних приложений, однако даже «компьютерный» U Series 5 по шуму был выше всяких похвал.
Шум от вращения шпинделя
Шум винчестера зависит от скорости вращения двигателя. Поэтому некоторые компании для своих моделей дисков низшей ценовой категории пошли на неожиданный шаг: в погоне за тишиной снизили скорость вращения с традиционных нынче 5400 до 4400-4500 оборотов в минуту, которые были характерны для дисков пятилетней давности. Это прежде всего новые серии Quantum Fireball lct15, lct 20 и Western Digital Spartan. Но от скорости вращения зависит и производительность диска: чем быстрее крутится диск, тем выше линейная скорость считывания данных с поверхности пластины и меньше время задержки доступа (подхода головки к нужному сектору диска). Шум вращения у этих моделей действительно снизился, однако и производительность существенно упала.
С другой стороны, исследования компаний Maxtor, Seagate и других показывают, что одно лишь замедление вращения шпинделя снижает шум весьма незначительно. Так, в лабораториях Maxtor специально провели сравнение шума одного и того же диска при скорости вращения шпинделя 5400 и 4500 об./мин. Оказалось, что на скорости 4500 диск шумит всего на 1 дБ меньше, чем при 5400, что заметно меньше, чем порог чувствительности человеческого уха, то есть снижение шума от замедления ротора практически не чувствуется. Более того, существует много способов заставить даже высокоскоростной (7200 об./мин.) двигатель работать тише, внеся определенные конструктивные изменения, и сегодня устройства с различными скоростями вращения мало различаются по уровню слышимого шума. Пример этому - уже заслужившие всеобщее признание «семитысячники» IBM DTLA, а также новейшие высокопроизводительные винчестеры Fujitsu, Quantum и Seagate (см. таблицу).
В течение многих лет в подшипниках винчестеров использовались шарики из металлических сплавов. Такая конструкция была недорогой, надежной и долговечной, однако со временем удары, толчки и постепенный износ вызывали небольшие дефекты в шарикоподшипниках, что делало работу диска более шумной. Керамические шарикоподшипники стоят дороже, однако здесь круглая форма выдерживается точнее, они меньше подвержены повреждениям и шумят заметно меньше - всего 30 дБ при вращении для моделей IBM серии 75GXP и 60GXP.
Однако наилучшие акустические характеристики обеспечивают жидкостные, или гидродинамические подшипники: Fluid Dynamic Bearing (FDB) или Hydrodynamic Bearing (HDB). Шариков в них нет - вместо этого подшипники заполнены жидкостью (как правило, вязким маслом). Тем самым достигается почти идеальное круговое вращение при минимальных вибрациях и практически полная бесшумность. Но и стоят они дороже, поскольку должны быть особенно тщательно сконструированы и изготовлены на высоком технологическом уровне. В то же время такие двигатели обеспечивают более высокую плотность записи (благодаря меньшим вибрациям ротора в процессе вращения они позволяют наносить большее число дорожек на поверхность диска) и отличаются повышенной эксплуатационной надежностью, так как меньше подвержены повреждениям. Гидродинамические подшипники опционально присутствуют в дисках IDE-серий Seagate Barracuda ATA III, Quantum FireballPlus AS и Fujitsu MPG3xxxAH-E. Очевидно, скоро вся отрасль перейдет на гидродинамические подшипники, по крайней мере для высокопроизводительных моделей, а Samsung планирует использовать их и в «пятитысячниках», чтобы добиться уникально низкого уровня шума.
Звуки при перемещении головок
При поиске информации на разных дорожках диска шум создается вследствие перемещения головок и различных резонансов. Есть ряд механических способов снижения шума позиционирования. Можно изменить конструкцию определенных компонентов накопителя, чтобы они поглощали большую часть шумов (демпфирующие покрытия, изменение типа материала конструкций и др.). Этим улучшаются акустические характеристики накопителя в режиме позиционирования головок и на холостом ходу. Так, новейшие модели дисков Maxtor благодаря применению технологии шумопонижения Maxtor Silent Store имеют шум поиска всего на 1 дБ больше шума вращения.
Другой способ снижения шума позиционирования - электрический. Он предусматривает «профилированное» позиционирование, то есть подачу на привод головок тока такого профиля, который позволяет плавно изменять энергоснабжение, исключает механические рывки и делает работу устройства более тихой. Можно также замедлить перемещение головок, особенно на длинных дистанциях. Профилированный и замедленный поиск несколько тормозит работу накопителя. В какой степени - это зависит от инженерных решений, характера применения устройства и показателя производительности. В зависимости от решаемых задач один и тот же накопитель может работать в «тихом» (для домашних приложений) или «нормальном» (для быстрой работы) режиме. Режим при этом задается параметрами BIOS, выбирается операционной системой или интегратором системы - все определяется практической реализацией технологии. Такие наработки уже есть у компаний Seagate и Western Digital.
Влияние шасси
Когда диск установлен на шасси (каркас ПК или другого изделия) и заключен в замкнутый объем (в пластмассовый корпус), вибрации могут ослабнуть или, наоборот, усилиться. Пластмассовый корпус делает исходящий из внутреннего объема звук тише, так как глушит воздушные шумы. Шасси, напротив, может сфокусировать и усилить вибрацию накопителя, увеличив шумы, исходящие из корпуса или какой-либо его части. По собственному немалому опыту испытания жестких дисков в нашей лаборатории скажу, что нередко диски со скоростью вращения 7200 об./мин., жестко закрепленные в достаточно массивном металлическом корпусе, передают свою низкочастотную (120 Гц) вибрацию на его каркас, в результате чего появляется заметный и неприятный гул, но если диск лежит на столе, этого гула не слышно.
Сейчас некоторые компании (Quantum, Seagate и др.) предлагают устанавливать диски в компьютер с применением амортизирующих виброизолирующих прокладок (виброизоляторов). Раньше применение виброизоляторов для крепления винчестеров не приветствовалось из-за чрезмерной вибрации всего накопителя в процессе поиска. Однако в современных накопителях эта проблема в основном решена, чему в немалой степени способствовали разработки новых виброизоляционных материалов на основе высокоэластичных резиновых компаундов.
Тем не менее, я не рекомендую срочно обкладывать диски со всех сторон поролоном или резиной для уменьшения их шума. Один «деятель» таким образом отправил на свалку новенькую Barracuda ATA - в подобном «инкубаторе» его зверь-рыбка попросту «сварилась» при температуре выше положенных ей по паспорту 55 градусов Цельсия. Обычно боковые стороны диска, закрепленные в металлическом шасси, помогают эффективному отводу выделяемого тепла, поэтому и виброизоляторы следует применять с осторожностью. Ведь еще недавно высокоскоростные модели дисков грелись весьма сильно. И хотя в самых современных моделях энергопотребление снижено, опасность перегрева при затрудненном теплоотводе остается.
Итак, среди новых поколений винчестеров можно выбрать вполне тихие диски и этим дополнительно снизить шум ПК. Хотя нас ждет еще немало сюрпризов в будущем. Например, недалек тот день, когда на смену традиционным винчестерам (по крайней мере, частично) придут накопители на Flash-памяти (или ее аналогах типа ферроэлектрической памяти и т. п.). Уже сейчас в продаже можно найти такие жесткие диски с интерфейсом IDE или SCSI (см., например, www.compuferra.ru/news/2000/10/19/2629, предназначенные прежде всего для профессиональных применений при экстремальных температурах и вибрациях, а также в серверах баз данных, где очень важно малое время доступа. Конечно, пока они стоят от одной до десяти тысяч долларов, но ведь и микроэлектроника не стоит на месте. А поскольку в твердотельных дисках нет вращающихся деталей, то и шум от них будет определяться только шуршанием электронов в микросхемах (и, может быть, внешним вентилятором обдува). Так что создание совершенно тихого компьютера или цифрового магнитофона принципиально возможно уже сейчас.
Врезка 1: Идет-гудет зеленый шум...
Врезка 2: Много шума из ничего
Идет-гудет зеленый шум...
Слышимые человеком звуки ограничиваются по громкости порогом слышимости снизу и болевым порогом сверху. За порог слышимости принимается 0 дБ - это те звуки, которые средний человек может едва расслышать в абсолютно тихой комнате (много меньше, чем издает комар). Болевой порог на частоте 1 кГц соответствует звукам, превышающим порог слышимости в миллион миллионов раз по звуковой мощности, что сопоставимо с шумом взлетающего реактивного истребителя (примерно 120 дБ). Громкость звука компьютерных компонентов принято измерять именно в уровнях звуковой мощности, поскольку измерение звукового давления дает менее достоверные результаты. При этом показатели измеренной мощности звука «взвешивают» в соответствии с чувствительностью человеческого уха на разных частотах. Для речи минимальная громкость соответствует уровню 25-30 дБ (шепот), негромкий разговор - 35-45 дБ, для симфонической музыки, обладающей, кстати, одним из самых больших динамических диапазонов в 70-75 дБ, минимум - это 35 дБ, и так далее (см. рисунок).
При измерении громкости звука выбрана логарифмическая шкала (от абсолютных величин мощности, в дБ), поскольку человеческий слух работает примерно по логарифмическому закону Вебера-Фехнера: прирост силы ощущения пропорционален логарифму отношения энергий двух сравниваемых раздражений. То есть нам важнее не абсолютные величины сигналов, а их относительные изменения друг относительно друга, и в среднем мы можем отметить изменение громкости шумоподобного сигнала, если оно составило не менее 3 дБ (двукратно по мощности звука). На этом принципе, в частности, построены цифровые регуляторы громкости в радиоаппаратуре.
Важной особенностью нашего слуха является маскирование одного звука другим. Четкое восприятие звука в присутствии маскирующих помех возможно, только если его интенсивность заметно превышает уровень помех в том же диапазоне спектра, причем превышение должно быть минимум на 10-15 дБ. Таким образом, посторонний шум (от компьютера) будет снижать динамический диапазон полезных источников звука (например, музыки), причем порой весьма существенно и вплоть до невозможности различить полезный сигнал. Действительно, типичный шум современного системного блока ПК составляет 35-45 дБ. Это значит, что, находясь вблизи него, мы вряд ли сможем понимать шепот и будем говорить, повышая голос (примерно до 50-55 дБ), чтобы лучше различать речь друг друга. А про высококачественное прослушивание фортепианной или симфонической музыки можно забыть вообще, поскольку это потребует неестественно большого увеличения ее громкости (ведь именно отчетливость тихих нюансов отличает качественную музыку). Более того, если в небольшом помещении находятся, например, десять компьютеров, общий уровень шума от них будет до 10 дБ выше, чем от одного (до 50-55 дБ), то есть находиться и разговаривать в таком помещении ежедневно по 8 часов подряд весьма утомительно. Да и сидение целыми днями вблизи даже одного системного блока нередко приводит к повышенной усталости.
Много шума из ничего
В типичном современном ПК можно выделить несколько источников шума:
- Вентилятор блока питания.
- Вентилятор кулера центрального процессора.
- Вентилятор на высокопроизводительной видеокарте.
- Дополнительный вентилятор(ы) в корпусе системного блока.
- Звуки работы дисководов (FDD, CD-ROM, DVD-ROM и др.).
- Звук жестких дисков - вращение шпинделя постоянно и перемещение головок (поиск) время от времени.
- Конструкция корпуса системного блока, усиливающая (резонирующая) или, наоборот, ослабляющая вибрации и шумы от вращающихся компонентов.
-
Звуки нажатия клавиш пальцами пользователя, шуршания мыши по коврику и периодических почесываний затылка, а также шум в ушах от чрезмерной дозы алкоголя.
Последний пункт исключим сразу: с какой силой колотить по клавишам - каждый решает для себя сам. Хотя, справедливости ради, надо отметить, что есть тихие клавиатуры, с «мягким ходом» клавиш, а есть и громкие, с «кликом», или некачественные, с посторонними щелчками и хрустом.
