NF-A14x25(r) G2 Drehzahl-Offset: Schwebungsfrequenzen und wie sich die Akustik noch weiter optimiert lässt
Wenn zwei Lüfter mit nahezu gleicher, konstanter Drehzahl in einer Push-Pull-Konfiguration oder, wenn auch in geringerem Maße, nebeneinander laufen, kann ihre akustische Interaktion zu unerwünschten Interferenzphänomenen führen. Insbesondere können intermittierende Schwingungen, und Schwebungsfrequenzen entstehen, die als periodisches Brummen hören sind. Daher sind die beiden in den Sx2-PP-Sets enthaltenen , sowie die am NH-D15 G2 vormontierten Lüfter in der Drehzahl leicht versetzt (+/- ~25rpm), um solche Phänomene zu vermeiden. Da ein Lüfter ~25 Umdrehungen pro Minute langsamer (PPA) und einer ~25 Umdrehungen pro Minute schneller (PPB) läuft, kann die Gesamtkühlleistung konstant gehalten werden, während intermittierende Vibrationen oder periodisches Brummen wirksam verhindert werden. Da die Wahrnehmung von Schwebungsfrequenzen je nach psychoakustischen Vorlieben variiert, lässt sich die Akustik weiter optimieren, indem der PPA-Lüfter über PWM-Steuerung oder den mitgelieferten Low-Noise-Adapter etwas gedrosselt wird, was aufgrund des erhöhten Offsets zu einer noch sanfteren Klangsignatur führt.
Schwebungsfrequenzen sind ein akustisches Phänomen, das auftritt, wenn zwei Töne mit sehr ähnlichen Eigenschaften aufeinandertreffen. Die Interferenz der beiden Töne ist als modulierter Ton hörbar, da sich die Töne in und aus der Phase verschieben und zwischen konstruktiver und destruktiver Interferenz wechseln. Wenn sich die beiden Töne in und aus der Phase verschieben, steigt und fällt ihre kombinierte Amplitude, was dazu führt, dass der resultierende Ton periodisch in der Lautstärke variiert. Die Geschwindigkeit dieser Veränderung wird als Schwebungsfrequenz bezeichnet und ist die Differenz zwischen den beiden ursprünglichen Frequenzen. Wenn sich beispielsweise zwei Wellen mit den Frequenzen 10 und 9 Hz überlagern, erzeugen sie eine Schwebungsfrequenz von 1 Hz:
Die Schwebungsfrequenz wird umso langsamer, je näher die beiden Originalfrequenzen beieinander liegen, und verschwindet ganz, wenn sie gänzlich identisch sind, was zu einer nicht modulierten Überlagerung führt, die der kombinierten Amplitude der beiden ursprünglichen Töne entspricht. Umgekehrt wird die Schwebungsfrequenz umso schneller, je größer der Frequenzunterschied zwischen den Originaltönen wird. Das folgende Beispiel zeigt die viel schnellere Schwebungsfrequenz von 10 Hz, die sich aus der Kombination eines 6-Hz- und eines 16-Hz-Signals ergibt:
Je schneller die Modulation der Schwebungsfrequenz, desto schwieriger wird es für das menschliche Gehör, die Lautstärkeschwankungen zu registrieren: Die Schwebungsfrequenz wird zunächst als ein Ton mit hoher Rauheit wahrgenommen, der in der Regel weniger störend ist, und geht dann schließlich in einzelne, sich nicht summierende Töne über, was bedeutet, dass die Schwebungsfrequenz überhaupt nicht mehr hörbar ist. Der genaue Punkt, an dem die Schwebungsfrequenz nicht mehr hörbar ist und das gesamte Klangspektrum als sanft und angenehm empfunden wird, hängt von individuellen psychoakustischen Präferenzen ab.
Wenn fortschrittliche Lüfter mit extrem präziser Drehzahlregelung wie die neuen Modelle NF-A14x25 G2 PWM und NF-A14x25r G2 PWM mit SupraTorque™-Technologie nebeneinander oder im Push/Pull-Betrieb mit der gleichen Zieldrehzahl laufen, liegen ihre Drehzahlen und akustischen Spektren so nahe beieinander, dass Schwebungsfrequenzen auftreten können. Dies kann als periodisches Brummen wahrgenommen werden und kann je nach Konfiguration auch zu intermittierenden Vibrationen führen, die kommen und gehen, wenn sich die Geräusche in und aus der Phase verschieben.
Um die Schwebungsfrequenz-Interaktion zwischen zwei Lüftern zu demonstrieren, müssen wir zunächst die Blade Passing Frequency (BPF) berechnen, die das tonale Hauptgeräusch ist, das entsteht, wenn sich Lüfter drehen. Abhängig von der Drehzahl und der Anzahl der Lüfterblätter kann die BPF mit der folgenden Formel berechnet werden:
Dank der hochpräzisen Drehzahlregelung des NE-FD6-Treiber-ICs und seiner SupraTorque™-Funktion, die es dem Lüfter ermöglicht, seine Nenndrehzahl von 1500rpm auch dann beizubehalten, wenn er gegen einen beträchtlichen Strömungswiderstand arbeitet, können die Drehzahlschwankungen von Muster zu Muster bei den NF-A14x25(r) G2-Lüftern in der Regel unter 10rpm gehalten werden. Nehmen wir also an, dass zwei NF-A14x25(r) G2-Lüfter in ihrer Drehzahl um 10rpmn variieren, wobei einer mit 1505rpm und der andere mit 1495rpmläuft. Da der NF-A14x25(r) G2 mit einem neunblättrigen Laufrad ausgestattet ist, können wir die BPFs der Lüfter auf 225,75 Hz (1505*9/60) und 224,25 Hz (1495*9/60) berechnen. Mit den berechneten BPFs kann das Schwebungsphänomen vereinfacht durch die Überlagerung zweier Sinuswellen mit den entsprechenden BPFs der einzelnen Ventilatoren dargestellt werden:
Da sich die beiden Signale in ihrer Frequenz nur geringfügig unterscheiden, sind sie fast, aber nicht ganz in Phase zueinander, sodass sie eine langsame Schwebungsfrequenz von 1,5 Hz erzeugen:
Das folgende Video veranschaulicht diese BPF-Interaktion von zwei NF-A14x25 G2 PWM-Lüftern, einem mit 1505rpm (225,75 Hz) und einem mit 1495rpm (224,25 Hz), und das dadurch entstehende, periodische Brummen:
Beim Anhören des Videos muss beachtet werden, dass es nicht repräsentativ für den tatsächlichen Klang der Ventilatoren ist, da es nicht auf echten Aufnahmen basiert. Stattdessen wurden zur Vereinfachung der Darstellung künstlich erzeugte Sinuswellen verwendet, um die BPFs der Ventilatoren darzustellen. Damit tritt die Schwebungsfrequenz viel deutlicher hervor, als es beim echten Geräuschprofil der Ventilatoren der Fall wäre. Da Ventilatoren ein komplexes akustisches Profil besitzen, das sich über ein breites Frequenzspektrum erstreckt, sind Schwebungsfrequenz-Interaktionen viel schwieriger wahrzunehmen als bei isolierten Sinustönen. Beispiele für tatsächliche Aufnahmen aus der Praxis finden Sie weiter unten.
Wie bereits erläutert, werden Schwebungsfrequenzen umso schneller, je größer der Frequenzunterschied zwischen den Originalsignalen ist, und je schneller die Schwebungsfrequenz ist, desto schwieriger wird sie vom menschlichen Gehör wahrgenommen, weshalb schnellere Schwebungsfrequenzen im Allgemeinen als weniger störend empfunden werden.
Hier setzt der Geschwindigkeitsversatz der PPA- und PPB-Modelle an, die beim NH-D15 G2 sowie bei den Sx2-PP-Lüfter-Sets verwendet werden: Wenn ein Lüfter mit ~25 Umdrehungen pro Minute schneller und der andere mit ~25 Umdrehungen pro Minute langsamer läuft, sind ihre akustischen Profile so weit verschoben, dass die Schwebungsfrequenz erheblich schneller wird (7,5 Hz statt 1,5 Hz):
Der Drehzahlunterschied von ca. 50 Umdrehungen pro Minute zwischen dem PPA- und dem PPB-Lüfter sorgt dafür, dass die Schwebungsfrequenz schnell genug ist, um periodisches Brummen oder intermittierende Vibrationen zu vermeiden und für die meisten Hörer:innen nicht mehr wahrnehmbar ist. Gleichzeitig ist die Drehzahlreduktion des PPA-Lüfters gering genug, um eine messbare Auswirkung auf die thermische Leistung zu vermeiden.
Das folgende Video veranschaulicht, wie die Schwebungsfrequenz allmählich schneller wird, wenn der Frequenzunterschied zwischen den beiden Signalen durch eine Drehzahlverschiebung der Lüfter auf 1525rpm und 1475rpm erhöht wird:
Da die Wahrnehmung von Schwebungsfrequenzen und insbesondere der Punkt, an dem sie zu schnell werden, um wahrgenommen zu werden, von individuellen psychoakustischen Präferenzen abhängt, können Kund:innen, die eine zusätzliche akustische Feinabstimmung vornehmen möchten, versuchen, den Offset durch Verlangsamung des PPA-Lüfters weiter zu erhöhen. Eine Verringerung der Drehzahl des PPA-Lüfters um weitere 50-70rpm auf 1405-1425rpm sollte ausreichen, um die Schwebungsfrequenz auch für jene unhörbar zu machen, die sensibler auf schnellere Schwebungsfrequenzen reagieren. Die Wirkung dieses zusätzlich erhöhten Drehzahl-Offsets ist im folgenden Video zu sehen:
Auch hier ist es wichtig zu beachten, dass diese Videos mit Sinuswellen-Darstellungen der BPFs der Ventilatoren erstellt wurden, um die akustischen Hintergrundphänomene zu verdeutlichen. Das reale Laufgeräusch eines Lüfters besteht nicht nur aus der BPF, sondern weist ein viel komplexeres Spektralprofil auf, was bedeutet, dass die Schwebungsfrequenz-Interaktionen der BPFs viel weniger auffällig sind. Die folgenden Aufnahmen von zwei NF-A14x25r G2-Lüftern an einem NH-U14S-Kühlkörper vermitteln ein besseres Verständnis dafür, wie die verschiedenen Konfigurationen in einer realen Umgebung klingen werden:
Kein Drehzahl-Offset
50rpm Drehzahlverschiebung (PPA/PPB)
125rpm Drehzahlverschiebung (PPA-Lüfterdrehzahl auf 1400rpm reduziert)
275rpm (PPA-Lüfterdrehzahl mit Low-Noise-Adapter auf 1250rpm reduziert)
Die folgenden Spektrogramme veranschaulichen die in den obigen Aufnahmen enthaltenen akustischen Daten. Sie zeigen, dass es eine ausgeprägte langsame Schwebungsfrequenz mit großen Amplitudenschwankungen (hohe Spitzen im Wechsel mit tiefen Tälern) gibt, wenn Ventilatoren ohne Drehzahlversatz verwendet werden. Wie in den nachfolgenden Spektrogrammen zu sehen ist, werden diese Amplitudenschwankungen durch eine Erhöhung der Drehzahldifferenz zwischen den beiden Ventilatoren verringert. Gleichzeitig ist zu erkennen, wie die Schwebungsfrequenz und ihre Amplitudenmodulation allmählich schneller werden:
Wie die Spektrogramme zeigen, reicht der von den PPA/PPB-Lüftern des NH-D15 G2 und des Sx2-PP-Lüftersatzes voreingestellte Offset von 50rpm aus, um die Amplitudenschwankungen der Schwebungsfrequenz deutlich zu reduzieren, und macht sie so schnell, dass sie als ein Ton von hoher Rauheit wahrgenommen werden, der von den meisten Anwender:innen nicht als stören wahrgenommen werden sollte. Gleichzeitig ist der Versatz klein genug, um eine messbare Auswirkung auf die thermische Leistung zu vermeiden. Für Kunden, die empfindlicher auf schnellere Schwebungsfrequenzen reagieren, kann das Offset weiter reduziert werden, indem der PPA-Lüfter über PWM-Steuerung verlangsamt oder der mitgelieferte Low-Noise-Adapter verwendet wird. Dadurch werden die Amplitudenschwankungen weiter reduziert und ihre Frequenz weiter erhöht, sodass sie nicht mehr wahrnehmbar sind.
Zusätzlich zu diesen akustischen Überlegungen ist zu berücksichtigen, dass Schwebungsfrequenzen auch die Gefahr von intermittierenden Vibrationen bergen, die mit Kontaktmikrofonen gemessen werden können. Die folgenden Spektrogramme zeigen Messungen, die mit einem Kontaktmikrofon durchgeführt wurden, das an der Kontaktfläche eines NH-U14S-Kühlkörpers angebracht war:
Wie aus den Spektrogrammen ersichtlich ist, können bei der Konfiguration ohne Offset messbare intermittierende Schwingungen im Bereich von ~300 Hz auftreten. Im Gegensatz dazu sind die starken Druckschwankungen im ~300-Hz-Bereich bei der drehzahlversetzten PPA/PPB-Konfiguration aufgrund der viel schnelleren Schwebungsfrequenz nicht vorhanden, sodass keine Gefahr der Entstehung von Resonanzschwingungen besteht. Ob sich diese Tendenz zu intermittierenden Schwingungen in der Praxis bemerkbar macht, ist von System zu System unterschiedlich. Einige PC-Gehäuse sind etwa anfälliger für Vibrationen als andere, und die Vibrationen übertragen sich, je nach Montage des CPU-Kühlers oder anderer Komponenten wie GPUs unterschiedlich, auf das Motherboard. Auch wenn es in vielen Fällen nicht zu tatsächlichen Vibrationsproblemen kommt, sind Anwender durch den Geschwindigkeitsversatz definitiv auf der sicheren Seite, da das Risikosolcher Vibrationsphänomene, effektiv eliminiert wird.
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