Benutzer:Hans Haase/Geräuschminderung in Personalcomputern

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Mit Geräuschminderung in Personalcomputern werden Konzepte an Personal Computern bezeichnet, die auf eine möglichst geringe Geräuschentwicklung im Betrieb abzielen. Diese Konzepte können in verkaufsfertigen PCs angeboten oder durch nachträgliche Umbauten oder Erweiterungen herbeigeführt werden.

Aktuelle PCs entwickeln in einigen Betriebsarten sehr viel Wärme. Während die ersten PCs eine elektrische Leistungsaufnahme von nur wenigen Watt aufwiesen und nur einen Lüfter im Netzteil benötigten, erhöhte sich im Laufe der Zeit die Rechenleistung und elektrische Leistungsaufnahme und damit die Wärmeabgabe von PCs, obgleich der einzelne Transistor in den integrierten Schaltungen immer kleiner und sparsamer wurde.

Lärmquellen

Die Geräuschquellen in einem Personalcomputer sind Lüfter und mechanisch angetriebene Laufwerke, gefolgt von Interferenzen an fehlerhaft vergossenen Induktivitäten oder durch gealterte Kondensatoren.

Aktuelle Personal-Computer haben oft eine hohe Verlustleistung im Bereich von über 100 Watt, bei Einsatz leistungsfähiger Prozessoren und Grafikkarten auch über 300 Watt, die bereits im Gehäuse nahezu vollständig in Wärme umgesetzt wird. Um die verbauten Komponenten vor Schäden durch Überhitzung zu bewahren, werden sowohl die Gehäuse, als auch einzelne Bauteile, wie Netzteile, Prozessoren und leistungsstärkere Grafikkarten mit Lüftern ausgestattet.

Weitere Geräuschverursacher sind vornehmlich optische Laufwerke und Festplatten, die mit Drehzahlen von über 7.200 Umdrehungen pro Minute arbeiten, bei Servern mit bis zu 15.000 Umdrehungen pro Minute. Diese Schwingungen können auf Teile des Gehäuses übertragen werden und diese durch Resonanzeffekte zur Geräuschentwicklung anregen. Bei einigen Festplatten macht der Aktuator klickende Geräusche. Diese entstehen bei einsetzender oder endender Bewegung. Leisere Festplatten beschleunigen und verzögern den Aktuator langsamer, was die mittlere Zugriffszeit des Laufwerkes ansteigen lässt, da der Schreiblesekopf später auf dem Zylinder positioniert wird. Andere Festplatten arbeiten mit Dämpfungsmaterial; so hat Seagate Technology 1999 eine 4 GB Festplatte im schwarzen Silikonmantel ausgeliefert.

Drosseln und andere Induktivitäten können durch elektromagnetische Effekte Schwingungen verursachen. Dies betrifft Bauteile in der Stromversorgung wie Übertrager und Drosseln im Netzteil und Abwärtswandler. Auch Lüftermotoren, die pulsweitenmoduliert angesteuert werden, können Störgeräusche in unterschiedlichen Frequenzbereichen verursachen. Bei Flüssigkristallbildschirmen entstehen bei einigen Modellen Summ- oder Brummgeräusche, teilweise in Abhängigkeit von der gewählten Helligkeitseinstellung. Diese entstehen im Netzteil und in der Spannungsaufbereitung der Hintergrundbeleuchtung. Einige Computermäuse geben ebenfalls leise Töne von sich.

Ziel

Betriebsgeräusche des Computers können besonders im Wohn- oder Schlafraum störend sein. Bei Büroarbeit sowie bei Mediacenter-PCs im Wohnzimmer kann jede wahrnehmbare Geräuschentwicklung als unangenehm empfunden werden.

Eine besondere Herausforderung ist es, einen leisen und gleichzeitig leistungsstarken Rechner zu erhalten. Durch die teilweise hohe Stromaufnahme der maßgeblichen Komponenten, wie sie etwa in Mulitmedia-PCs zum Spielen, in Hochleistungsgrafik-Rechnern oder in Servern verwendet werden, und der damit verbundenen Abwärme ist eine bessere Kühlung notwendig.

Maßnahmen

Aufwendiger Kühlkörper einer lüfterlosen Grafikkarte

Die einfachste und sinnvollste Art, einen leisen Rechner zu erhalten, ist ein Gerät zu kaufen, das speziell auf Geräuscharmut und effizienten Energieverbrauch optimiert ist. Dies fällt nicht unter den Begriff "Silencing", da hiermit ein aktiver Eingriff in einen gegebenen Rechner bezeichnet wird. Durch die oft nötigen technischen und baulichen Veränderungen hat Silencing auch einen Bezug zum Case-Modding.

Leise Komponenten

• Passive oder besonders leise Kühler für Prozessoren und Grafikkarten
• In der Form der Rotorblätter auf Geräusch optimierte Lüfter
• Lüfter mit größerem Durchmesser
• Lüfter-Entkoppler
• Dämmmatten für Gehäuse mit dünnem Blech
• Eine Wasserkühlung ist nur eine Möglichkeit der Geräuschreduzierung und nicht unbedingt notwendig, um einen leisen Rechner zu erhalten. Mitunter kann die nötige Pumpe auch störend zu hören sein.
• Komponenten mit geringer Verlustleistung (= Hohem Wirkungsgrad). Diese produzieren im Verhältnis zur Leistung eine geringere Abwärme, was dazu führt, dass im Ergebnis weniger aufwändig gekühlt werden muss.

Netzteil

Werksseitig nachgerüstete optionale Lüftersteuerung im PC-Netzteil

Die Lüfter herkömmlicher Netzteile waren lange Zeit ungeregelt und nicht auf Geräuschentwicklung optimiert. Dies hatte zur Folge, dass sie recht laut waren und mit maximaler Umdrehungszahl betrieben wurden. Hier kann durch ein temperaturgeregeltes Netzteil der Geräuschpegel reduziert werden. Dabei wird die Betriebsspannung des Lüfters nach der Temperatur der sekundären Gleichrichter gesteuert, was sich auf Leistungsaufnahme, Geräusch, Drehzahl und Luftmenge auswirkt. Intel legte im ATX-Standard fest, dass Netzteile die Luft über dem Prozessor im Gehäuse ansaugen und außerhalb des Gehäuses abgeben sollten. Das Einbauformat des Netzteils ermöglichte größere innenliegende Lüfter mit 120 bis 140 Millimetern Durchmesser, welche größere Luftvolumen fördern und langsamer drehen konnten. Der gegenteilige Effekt tritt bei flachen Netzteilen und Netzteilmodulen auf, die mit 40-mm-Lüftern ausgestattet sind. Ein einfacher Lüfter kann gegen einen mit besserem Verhältnis von Luftstrom zu Geräuschentwicklung seitens des Anbieters nicht einfach ersetzt werden, denn das Netzteil ist versiegelt und unterliegt einer erlöschenden Produkthaftung bei Bruch. Des Weiteren gibt es passiv gekühlte Netzteile; - diese haben keinen Lüfter und sind nur im unteren bis mittleren Segment lieferbarer Ausgangsleistung erhältlich (nämlich bis etwa 560 W) und vergleichsweise teuer.

Prozessorkühler

Prozessor mit Kühlkörper und Lüfter

Bei der Prozessorkühlung sollte beachtet werden, dass ein Kühlkörper mit einer sehr guten Wärmeleitfähigkeit (z. B. mit Kupferkern) verwendet wird. Bei zweipoligen Kabeln zum Lüftermotor ist nur eine Betriebsspannung möglich. Regelbare Lüfter sind erkennbar an drei oder vier statt zwei Anschlussleitungen. Bei Lüftern mit vierpoligen Kabeln wird die Drehzahl vom Motherboard aus per Pulsweitenmodulation gesteuert. Lüfter mit dreipoligen Kabeln liefern auf der dritten Leitung ein Tachosignal, das die Messung und (mit der zusätzlichen Variierung der Versorgungsspannung auf der ersten und zweiten Leitung) die Regelung der Drehzahl erlaubt. Programme wie "SpeedFan" unter Windows und Programmskripte wie "fancontrol" unter Linux ermöglichen es, auf die Lüftersteuerung Einfluss zu nehmen.

Ein großes Manko bei der Kühlung mittels Kühlkörper und Lüfter ist die Tatsache, dass die erwärmte Abluft nicht wie beim Netzteil üblicherweise ausgeblasen wird, sondern zum großen Teil im Kreis bewegt wird, wodurch nur ein Teil der erzeugten Wärme tatsächlich über den Luftstrom im PC-Gehäuse abgeführt wird. Abhilfe schafft die direkte Ansaugung von Zimmerluft über ein auf den Lüfter gestecktes Rohr, wofür das PC-Gehäuse allerdings eine geeignete Öffnung aufweisen muss. Vorteil der Frischluftansaugung sind niedrigere Lüfterdrehzahlen, die zum Kühlen der CPU ausreichen. Die Nachteile sind, dass der Luftstrom an der Festplatte geringer ausfällt und der Schall des Lüfters über das Rohr als Schallrichter nach außen gelangt. Kühlkörper können, bedingt durch Bauart und Luftstrom verstauben, und büßen damit von ihrer Eigenschaft, Wärme an die Luft abzugeben, ein.

Grafikkarte

Beim Kauf der Grafikkarte sollte bereits auf eine gute und leise Kühlung der GPU geachtet werden, denn bei einem nachträglich modifizierten Grafikkarten-Kühler verfallen jegliche Garantieansprüche. Hier gilt Ähnliches wie für den Prozessor, nämlich, dass eine laute Kühlung nicht unbedingt auch gute Kühlleistung bedeutet. Mittlerweile sind einige sehr gute und leise Grafikkartenkühler im Handel, Grafikkarten mit passiv gekühlter GPU sind ebenfalls erhältlich.

Northbridge-Kühler

Datei:Northbridge.jpg

Kühlkörperlose Northbridge auf einem VIA-Board

Bei manchen Mainboards ist auch die Northbridge mit einem aktiven Kühler ausgestattet. Einerseits, um Overclocker anzusprechen, aber auch aufgrund der hohen Wärmeverlustleistung aktueller Chips. Bedingt durch den meistens gering bemessenen Platz auf der Hauptplatine werden hier häufig sehr schnell drehende 40-mm-Lüfter eingesetzt. Der Tausch dieser Lüfter hat in der Regel Garantieverlust zur Folge. Die Verwendung üblicher passiver Northbridgekühler ist besonders bei den neuen Chipsätzen sehr riskant, da sich diese relativ leicht überhitzen lassen, was im Falle des Schadenseintritts einen Totalausfall des Mainboards nach sich zieht. Eine Ausnahme sind Passivkühler mit Heatpipes, welche die Abwärme zu einem größeren Lüfter oder einem großzügig dimensionierten Passivkühlelement abführen.

Festplatten

In einen metallischen Festplattenschacht eingebaute Festplatten übertragen ihre Vibrationen unweigerlich auf das Gehäuse. Der Festplattenhersteller Seagate gibt an, dass rund 70 Prozent des von einer Festplatte erzeugten Schalls als sogenannter Körperschall abgegeben werden. Deshalb sind Festplattenentkoppler oft eine wirkungsvolle Art, den Geräuschpegel der Festplatten zu reduzieren.

Diese gibt es als fertige Einbaurahmen und -halterungen, bei denen durch Gummis die Festplatten vom Gehäuse getrennt werden. Manche dieser Lösungen bieten noch zusätzliche Kühlfunktionen für die Festplatte. Allerdings müssen solche Käfige üblicherweise in einen 5,25"-Schacht des Computergehäuses eingebaut werden.

Über Haushaltsgummis mechanisch entkoppelte Festplatte

Solid State Drive (2014)

Eine sehr günstige, aber fragwürdige Entkopplungsmethode ist eine Aufhängung über handelsübliche Einmachgummis. Solche Eigenbaulösungen sind jedoch relativ unsicher, da das verwendete Elastomer möglicherweise den Beanspruchungen nicht dauerhaft standhält. Zudem wird in den Datenblättern angegeben, die Festplatte fest zu verschrauben. Ist die Festplatte nicht gegen Eigenvibration fixiert, ist mit einem Geschwindigkeitsverlust und vorzeitigem Lagerschaden zu rechnen.

Bei der Entkopplung einer Festplatte sollte als Kühlungslösung ein Festplattenkühler verwendet werden. Im Handel gibt es solche passiv - als oberflächenvergrößernde Rippenkühler ausgeführt - oder auch aktiv, mit einem oder zwei Lüftern bestückt.

In Benchmarktests wurde festgestellt, dass sich die Zugriffszeiten bei weich aufgehängten Festplatten leicht verschlechtern können. Diese Veränderung ist in den meisten Fällen allerdings so marginal, dass im Praxisbetrieb kein Performanceunterschied festgestellt werden konnte.

Eine geräuschlose Alternative zur Festplatte sind Solid State Drives. Diese Halbleiterspeicher enthalten keine beweglichen Teile mehr und sind vollkommen lautlos. Sie enthalten Spannungswandler.

Gehäusedesign

Auch eine gute Verarbeitung und eine saubere Verlegung der internen Kabel kann in Verbindung mit gutem Gehäusedesign für einen Luftzug (engl. Airflow) sorgen, der insgesamt für eine effizientere Kühlung sorgt, was am Ende wiederum mit einem geringen Geräuschpegel belohnt wird. Letztendlich kann man auch durch individuelle, bauliche Veränderungen am Rechner oder einzelner Komponenten ein geringeres Betriebsgeräusch erreichen.

Dämmung

Auch nachträglich können Schalldämmmatten in bestehende Rechner eingeklebt werden. Diese filtern aus dem Inneren des PCs kommende hohe Frequenzen heraus. Allerdings sollte man dabei Vorsicht walten lassen, denn die Temperatur im Inneren steigt durch diese Matten um 2 bis 3 °C an. Außerdem sind diese Schalldämmmatten relativ teuer.

Eine weitere Möglichkeit stellen Dämmmatten dar, die auf Bitumen basieren und eigentlich für Auto-Hifi-Zwecke vertrieben werden. Durch ihr Gewicht sollen sie die Entstehung von Resonanzeffekten verhindern. Das hohe Flächengewicht dieser Matten birgt allerdings den Nachteil, dass ein Maxi-Tower um rund zwei bis 3 kg schwerer werden kann.

Bitumenbox

Auch einzelne Komponenten können gedämmt werden. Ein Beispiel ist die sogenannte Bitumenbox, bei der eine Festplatte in ein altes 5,25 CD-ROM Gehäuse eingebaut und von speziellen Dämmplatten aus Bitumen umhüllt wird. Dadurch werden u. a. die hochfrequenten Laufgeräusche der Festplatte deutlich reduziert.

Zeitweiliges Ausschalten von Komponenten

Dieses ist z. B. möglich durch die Einschaltung der Lüfter nur nach Bedarf mit Hilfe von Thermostaten. Diese sogenannte "semipassive Kühlung" ermöglicht immerhin temporär eine geringere Lautstärke. Auch Festplatten u. a. können nach einer gewissen Leerlaufzeit ausgeschaltet werden.

Räumliche Trennung von PC und PC-Arbeitsplatz

Ein im Nachbarzimmer platzierter PC ist in der Regel am Arbeitsplatz nicht hörbar. Wenn die räumlichen Möglichkeiten dazu vorhanden sind, ist das eine sehr effektive und preiswerte Methode zur Geräuschminderung. Die Kabel können durch einen kleinen Wanddurchbruch in Form von leeren Steckdosengehäusen auf beiden Seiten der Wand erfolgen. Von Nachteil ist, dass zur Bedienung des Gerätes (Anschalten; Laufwerke bedienen) extra der Nachbarraum aufgesucht werden muss.

Eine elegante, aber teure Lösung ist der Einsatz eines KVM-Extenders. Hierbei werden die Video-, Tastatur- und Maussignale über – je nach Entfernung, finanziellen Mitteln und Anforderungen – Cat- oder LWL-Kabel zwischen dem PC und den Peripheriegeräten ausgetauscht. Noch umfangreichere Möglichkeiten bietet ein Thin Client, der seinerseits ein vollständiger kleiner Computer ist, aber weniger Abwärme und Geräusche produziert als der dazu notwendige Terminalserver.

Potentielle Gefahren

ITX-Hauptplatine mit passiv gekühltem Intel-Atom-Prozessor

Potentielle Gefahren bei der Bearbeitung oder dem Umbau der Komponenten sind:

• Die elektromagnetische Verträglichkeit des Gerätes kann beeinträchtigt werden
• Gesundheitsgefahren durch unsachgemäß vorgenommene Arbeiten an Teilen, vornehmlich beim Netzteil. Hier werden häufig die Original-Lüfter durch leisere Varianten ersetzt. Besonders bei geöffneten Netzteilen besteht die Gefahr eines tödlichen Stromschlags.
• Beschädigung der Hardware und Verlust der Gewährleistungs- und Garantieansprüche. Bei Veränderungen der Hardware (z. B. durch das Öffnen von Netzteilen, nicht jedoch durch den Einbau oder Austausch ganzer Komponenten wie Speicher etc.) verliert man in der Regel die Gewährleistungs- und eventuelle Garantieansprüche. Die eingebauten Komponenten können insbesondere bei nicht ausreichender Kühlung oder unsachgemäßer Behandlung beschädigt werden.
• Verkürzung der Lebensdauer, wenn Komponenten unzureichend gekühlt werden

Geräuschmessung

Im Computerbereich sind zwei verschiedene Einheiten zur Einstufung des vom Gerät erzeugten Geräusches gebräuchlich: Die Dezibel-Skala und die Sone-Skala.

Die Dezibel-Skala sagt jedoch nur etwas über den Schalldruckpegel eines Geräusches aus, nicht aber über seine subjektiv empfundene Lästigkeit. Daher ist die Dezibel-Skala nur bedingt geeignet, Aussagen über die Leisigkeit der Störung (oder deren Fehlen) bei Computern zu machen. Die Sone-Skala versucht hingegen, das menschliche Empfinden der Lästigkeit in einfach vergleichbaren Zahlen auszudrücken.

Zur Auswahl von Komponenten für Silent-PCs, können die Werte der folgenden Tabelle als Orientierung gelten, wobei darauf zu achten ist, dass nur solche Messwerte als vergleichbar angenommen werden dürfen, die unter gleichen Versuchsbedingungen ermittelt wurden. Der entscheidendste Einflussfaktor ist der Mikrofonabstand zur Schallquelle. Ist nicht klar, ob bei zwei Messungen dieser Abstand gleich war, ist ein Vergleich der Werte sinnlos.

Wertung	Normal-PCs	Silent-PCs
sehr gut	0–0,5 Sone	0–0,5 Sone
gut	0,5–1,5 Sone	0,5–1,0 Sone
mittel	1,5–2,5 Sone	1,0–1,5 Sone
schlecht	2,5–4,0 Sone	1,5–2,0 Sone
sehr schlecht	ab 4,0 Sone	ab 2,0 Sone

Im Zweifel sollte man jedoch nicht auf ein Probehören verzichten.

Siehe auch

• PC-Wasserkühlung, Kryokühlung, Ölkühlung, Passive Kühlung

Literatur

• Michael Beisecker: Das PC-Anwender-Handbuch, Verlag für die Deutsche Wirtschaft, Bonn 1999, ISBN 978-3-8125-0203-0, als Google-Buch online beschränkt einsehbar
• Robert Bruce Thompson, Barbara Fritchman Thompson: Building the perfect PC: [perfect for Windows 7, Linux, and more]. 3rd ed. O'Reilly, Sebastopol 2011, ISBN 978-1-4493-8824-9 (englisch)
• Christof Windeck: Ruhig gestellt: Der Weg zum leisen PC. In: c't: Magazin für Computer-Technik (ISSN 0724-8679) 19. Jg. (2001), H. 17, S. 112-115 (Artikel auch online wiedergegeben unter http://www.heise.de/ct/artikel/Ruhig-gestellt-285166.html )

Weblinks

• Patent: Antischallvorrichtung zur Geräuschminderung in Personalcomputern
• Silencing - engl.
• Zusammenhang zwischen Sone und Phon

Einzelnachweise

Kategorie:Hardware Kategorie:Lärm