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GPU 顯卡風扇氣動噪音分析

May.15,2024

.......遊戲玩家可能有這樣的體驗：當顯卡賣力工作的時候，明顯感覺到從主機殼傳來的雜訊變大了。這是因為系統監測到晶片有過熱風險，從而自動提升了冷卻風扇的轉速。
.......如下圖所示，當 GPU 顯卡處於 20°C 時，風扇速度達到 30%，在 45°C 時達到 40%，在 57°C 時達到 48%，依此類推。如果高溫持續，顯卡晶片啟動自我保護，減慢時脈速度，這直接導致性能下降，造成遊戲畫面卡頓。

GPU 冷卻風扇的轉速曲線

如何平衡冷卻效能和氣動噪音是風扇設計選型需要考慮的。在 Inspire Studio 中設計了一款帶有3個冷卻風扇的顯卡，散熱片採用 3D 列印的鏤空結構，有效的增加散熱面積。採用氣動噪音專用分析工具 ultraFluidX 對流致雜訊進行分析。

.......ultraFluidX 模型的風扇轉動採用嵌套格子法（OverSet Mesh），Smagorinsky LES 大渦模擬，近場噪音採用 CAA 方法直接求解。距離顯卡1米遠的球面上，在上下前後左右各佈置6個麥克風, 雜訊向遠場傳播採用 FW-H 模型。

冷卻風扇參數

6個虛擬麥克風的位置

.......在前後處理工具 HyperMesh CFD 中導入風扇 CAD 模型，無需簡化，求解參數設置花費人工約1小時，格子總數約為2.4億，模擬時間2天 @4*Nvida A100，後處理和報告時間花費人工半天。

顯卡內部結構

空氣流量結果

在 HyperMesh CFD 中對噪音進行信號處理。
從頻譜曲線看，噪音信號具有明顯的峰值，BPF 及其諧波。

總聲功率級， 20Hz 窄帶

總聲功率級，1/3倍頻程

.......從6個麥克風的資料可以看出噪音信號具有明顯指向性，1號位置正對風扇上游，具有最強的信號。風扇在 3600RPM 轉速下的總聲功率級為 52.4dBA。

6個麥克風的總聲壓級

.......HyperMesh CFD 導入時域模擬結果，速度雲圖顯示在顯卡左右兩側的排風口格柵位置有很強的射流。

瞬態風速動畫，水準切面

.......冷卻氣流並未充分到達發熱部位，氣流通道和換熱器結構還有優化的空間。

瞬態風速動畫，垂直切面

.......三維渦量等值面圖顯示較強的翼尖渦，此處葉片的線速度最大，而且存在間隙洩露。

渦量等值面圖

.......在 HyperMesh CFD 中導入時域的流場結果，進行 FFT 變換。

.......在對原始的風壓信號進行過濾後，可以得到特定頻帶下的噪音信號。在這裡，420Hz 是我們感興趣的頻率，在頻譜曲線上，表現為第一個峰值。從 Band Filter Pressure 的動畫可以發現噪音源主要是旋轉葉片和上游的吸入氣流週期性碰撞摩擦造成的。

風壓雲圖， 420Hz

.......可以看出在 BPF 420Hz 的頻率下，噪音源主要是葉片表面，尤其是翼尖和 Leading Edge 深紅色的區域。

.......在本例中風扇上游沒有任何遮擋，來流相對比較均勻。如果在實際安裝位置，上游有障礙物，氣流在到達風扇吸入口之前就已經發生了扭曲，在同樣的轉速/流量下，通常會造成更強的 BPF 峰值。

420Hz 下的聲壓雲圖

【總結】

.......以往的電子冷卻風扇噪音更多的是依賴聲學實驗和經驗積累，主要是因為傳統的NS方程流體模擬方法類比氣動噪音需要耗費大量 CPU，且複雜裝配體的網格處理也耗費人工時間，模擬無法和設計反覆運算同步。

.......Altair 為了給消費電子行業使用者演示氣動噪音的分析流程，設計了這款概念型電子產品。演示了 Inspire Studio 的造型設計，以及 ultraFluidX 的氣動噪音模擬功能。

.......LBM 演算法的特點，前處理無需簡化幾何，低數值耗散，大渦模擬高精度瞬態求解，結合 GPU 平行計算的強大算力，可以類比各類電子產品風扇冷卻噪音的問題。相比實驗，計算聲學（CAA）模擬可以讓工程師深入瞭解雜訊產生的機理，判斷噪音產生的位置，從而為降噪設計提供明確的優化方向。

文章出處：Altair原廠

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【 總結 】

【總結】