數據中心的噪聲分析與應用計算

傅烈虎，孫大康，徐榮吉

（1.維諦技術有限公司，廣東深圳518071；2.北京建筑大學，北京102616）

長期以來，數據中心的關注點主要圍繞著可用性和綠色節能展開了許多的討論與話題。但對噪聲很少有所提及和探討。目前數據中心的噪聲問題特別是室外機的噪聲問題越來越突出，已經引起環保部門的高度重視。老舊的數據中心往往由于噪聲擾民問題遭到附近居民投訴，新建數據中心也因為噪聲問題很難在選址的地方獲批。因此，很有必要對數據中心的噪聲作為專題進行深入研究。

噪聲、溫度和氣流是數據中心工作人員面對的三個主要環境問題，這三個問題內部是有邏輯聯系的。隨著IT設備功率密度的提高，它需要更多的冷量來冷卻，導致冷卻系統要么提供更低溫度的冷源，要么提供更大的風量，而風量增加20%約造成噪聲提高4dBA。但不同的送風溫度也會造成不同程度的設備噪聲功率值的增加，如表1所示［1］。長期工作在高噪聲的場合，會導致人耳聽力損傷，造成通訊不暢，也會影響人對工作的專注程度。通常人耳能感受的聲音頻率在16～2kHz之間，人耳最敏感的頻率在1000～3000Hz之間。

表1 不同溫度下的預期聲功率增加值／dBA

數據中心的噪聲源主要來自三個方面：①服務器、交換機、存儲器等IT設備；②冷水機組、水泵、冷卻塔、風機等暖通設備；③變壓器、柴油發動機、不間斷電源等電氣設備。IT設備的噪聲主要是因為其內部的風扇轉動產生的，其噪聲等級一般在40～70dBA之間，不同品牌不同規格的IT設備的噪聲等級不同。暖通設備的噪聲主要是因為其內部的運動部件運行產生的，比如壓縮機的轉子、水泵的葉輪、風機的葉片等。暖通設備的噪聲是數據中心主要的噪聲成分，也是本文討論的重點。電氣設備的噪聲主要是因為其內部的風扇轉動產生的，部分設備有電磁干擾的蜂鳴般噪聲產生。筆者通過對常見暖通設備的八度倍頻帶中心頻率下噪聲經驗數據進行了整理和以風機噪聲作計算示例，旨在幫助數據中心廣大的設計師在沒有設備廠家詳細的噪聲參數前提下如何估算設備噪聲，并評估機房環境是否滿足噪聲環保要求。

1 噪聲限定與聲壓疊加

根據美國環保署的要求，為保護公共健康，室外每年晝夜聲級 （Ldn）水平在敏感區域不超過55dBA，如住宅，學校，醫院等。建筑物內部每年晝夜聲級 （Ldn）水平不超過45dBA。美國環保署并給出了等效聲級 （Leq）的限定要求，如表2所示。［2］

表2 不同場合的等效聲級 （L eq）的限定要求

美國國家職業安全衛生研究所NIOSH要求控制噪聲環境的暴露水平，使暴露水平滿足允許的噪聲聲級L和持續時間t的綜合限定。

暴露在不同噪聲環境下允許的最長持續時間計算式如下，對應的曲線如圖1所示：

其中，t為允許的最長持續時間，s；L為環境噪聲，dB；3為交換率；85為建議的環境噪聲極限，dBA

美國職業安全與健康管理局OSHA也給出了允許暴露在不同噪聲環境下的最長持續時間，將其與NIOSH的推薦值進行對比如表3所示［2］。

表3 不同噪聲水平環境中的人員允許的停留時間

圖1 允許暴露在不同噪聲環境下的最長持續時間

當數據中心的噪聲超過85dBA時，必須開始啟動聽力保護計劃，包括基準聽力測試，噪聲監測，噪聲危險標識，教育和培訓。一旦噪聲超過87分貝 （歐洲要求）或90 dBA（美國要求），需要采取進一步的措施，如采用聽力保護裝備，員工輪換工作，或采取必要的工程控制措施。

數據中心的總體噪聲是多個聲源聲壓疊加的結果。因此，在估算數據中心噪聲值時有必要了解聲壓的疊加計算方法與準則。

n個相同聲源的聲壓疊加時，先用式 （2）計算n個聲源間的聲壓級差δdB，通過δdB查圖2的曲線查得增加的聲壓級，將其附加到任何一個聲源的聲壓級上，即為n個相同聲源疊加后的聲壓級。

其中，δdB為聲壓級差，dB；n為相同聲音源數，個。

兩個不同聲源間的聲壓疊加按照式 （3）計算。

其中，δdB為聲壓級差，dB；L1為聲源1，L2為聲源2。

n個不同聲源的聲壓疊加，先按式 （3）計算兩個聲源間的聲壓疊加，轉化為n－1個聲源間的聲壓疊加，經過n－1次疊加可得到n個不同聲源疊加后的聲壓級。

多個聲源的聲壓疊加的規則總結如下：①兩個聲源L1和L2的聲壓級相等時，疊加聲壓級L＝L1＋3dB；②兩個聲壓級不相等時，假設L1＞L2，則疊加聲壓L≤L1＋3dB；若L1－L2≥10dB時，疊加聲壓級L＝L1；③多聲源疊加時，逐次兩兩疊加，與次序無關。

圖2 n個相同聲源間的聲壓疊加

圖3 兩個不同聲源間的聲壓疊加

表4 兩個聲源L1、L2的聲壓疊加速算簡表／dB

所謂不同的聲源，是指頻率不同或響度不同的聲源。因此，圖3也適合同一設備不同倍頻帶下的噪聲疊加計算。但查曲線顯得繁瑣，將圖3的曲線簡化成表格形式的速算表，如表4，方便工程上按照疊加規則快速計算。

2 噪聲分析與計算示例

2.1 IT和電氣設備噪聲分析

如前文所述，IT設備和電氣設備的噪聲主要是由來自其內部的風扇轉動產生的震動形成的。圖4顯示了以最大脈沖幅寬調制百分比表示的風扇轉速與部件功率在四個進風溫度條件下的關系。線條的傾斜部分表示通過部件電源自動調節風扇轉速。這種調整與部件熱傳感器檢測到的功耗直接相關，由風扇速度控制邏輯完成。線條的平坦部分表示當傳感器讀數低于閾值時，風扇穩定在預先配置的最低速度，保護熱傳感器讀數低于閾值的部件。

風扇的轉速和設備負載的大小直接影響設備發出的噪聲功率級，如圖5所示。當部件進風溫度高時，冷卻系統消耗更多能量消除電子元件產生的熱量。以33℃的環境條件為例，從部件中冷卻約100瓦的熱量要求風扇轉速比部件功率約為50瓦時高約54%。這個風速變化導致聲功率水平增加約10dBA。同樣，如果部件進風溫度約為20℃，從冷卻20W至100W的熱量過程中風扇轉速沒有明顯變化，因此噪聲沒有明顯的增加。［3］

圖4 風扇轉速與部件功率的關系

2.2 暖通設備噪聲分析

暖通設備的噪聲與影響噪聲的參數相關聯，例如設備類型，速度，額定功率和流量等。表5給出了大部分暖通設備噪聲的經驗數據，可作為設計參考的典型噪聲數據。這些數據代表了噪聲水平的約80%～90%。換言之，基于這些樣本，預測隨機的噪音水平約有80%～90%設備等于或小于表5中的經驗值，只有約10%～20%的隨機選擇的設備會超過這些值。若要更高的百分比覆蓋率，例如95%，則需要增加聲學保護設計，但墻壁，地板，柱子和梁的重量和厚度成本更高。

圖5 聲功率級與設備負載的關系

在表4中也給出了A計權聲級水平。A計權聲級反映了噪聲的客觀強度與頻率這兩個因素引起的人的主觀感受。A計權聲級越高，噪聲引起的危害也越大。關于A計權的聲級修正值見表9中的數據。另外，完整分析室內或室外噪音必須要用到八度倍頻帶聲級。只要有可能，應要求設備制造商提供噪聲數據。

表5 各種暖通設備的噪聲經驗值［4］

2.3 風機噪聲計算示例

表6 各類風機比聲功率級KW （d B）和葉隙頻率增值BFI（d B）［4］

風機類型 葉輪尺寸 倍頻帶／Hz BPF 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 BFI／dB ／Hz直徑1000mm以上徑向式葉片壓力式鼓風機45 39 42 39 37 32 30 27 8 125直徑500～1000mm 55 48 48 45 45 40 38 37 8 125直徑500mm以下37 39 43 43 43 41 38 35 6 125彎道式軸流式 直徑1000mm以上63 57 58 50 44 39 38 37 8 125翼軸式 直徑1000mm以上39 36 38 39 37 34 32 26 6 125直徑1000mm以下40 41 47 46 44 43 37 35 5 63螺旋槳式 全部41 39 43 41 39 37 34 32 5 63直徑1000mm以下48 51 58 56 55 52 46 42 5 63

風機的聲功率級的計算公式如下：

其中，LW為聲功率級，dB；KW為比聲功率級，dB，查表5；Q為風量，m3／s，查設備銘牌；P為風壓，Pa，查設備銘牌；BFI為葉隙頻率增值，dB，查表6；CN為風機運行點的修正值，dB，查表7。

在查表6的葉隙頻率增值BFI（Blade Frequency Increment）時需要先計算葉隙頻率BPF（Blade Passage Frequency），通過BPF選擇相近的倍頻帶，然后將BFI值附加到該倍頻帶下的聲功率級上。BPF的計算式如下：

其中，NR為風機轉速，r／min；NB為風機的葉片數，個。

表7 風機運行點的修正值CN（dB）［4］

因為數據中心主要的噪聲問題是室外機的噪聲擾民問題，所以筆者以某數據中心的室外機布局示例，計算在給定的室外機布局條件下的噪聲估算。圖6為安裝在機房裙樓的室外機布局。室外機的風機參數如表8所示。單個風機的噪聲計算結果如表9所示。

圖6 某機房裙樓的室外機布局

表8 風機參數表

表9 單個風機的噪聲計算

圖6的室外機布局顯示了36臺室外機，總共72個風機。這72個風機可視為相同的噪聲源，其彼此間的聲壓級差依據式 （2）計算，δdB＝10×log1072＝18.6 dBA，由該計算值進行查圖2得到聲壓級增值為12.5dBA，則A計權修正下的36臺室外機的噪聲綜合值為73.8＋12.5＝86.3dBA。

3 有關降噪措施

數據中心的降噪措施最直接的是機房的選址距離住宅區不宜小于100米［5］，這也是 GB50174－2017《數據中心設計規范》的要求。聲音在空氣中的傳播遵循反平方律，如式 （6）表示：

其中，L1和L2為同一聲源在位置1和2處的聲壓級，dBA。

以上文室外機的總體噪聲86.3dBA為例，該聲壓級近似為0.8米處的測試值，則距離100米外的住宅區的噪聲衰減為41.9dBA，則100米外住宅區的噪聲為86.3－41.9＝44.4dBA，滿足GB3096－2008《聲環境質量標準》2類聲環境功能區夜間的噪聲要求，即小于等于 45dBA［6］。

其次，在設備選型時可選擇低噪音的設備，比如超靜音冷凝器、閉式冷卻塔等。但此時設計師往往面臨兩難抉擇，設備選型在降噪的同時也會降低了性能，甚至增加了成本。

若數據中心距離住宅區的距離小于100米，則需要從噪聲源和傳播途徑兩個方面著手進行降噪管控。從噪聲源的角度來說，有兩方面需要注意：①設計合理的運行工況，使設備處在較低噪聲水平，如選擇合適的溫度和氣流流速等；②嚴謹規范的施工工藝，減輕噪聲的誘導和共振；如增加設備底座，墊減震墊等。從噪聲的傳播途徑來說，主要以隔聲罩、隔音墻為主。如圖7所示，采用裝配式隔音墻，工程施工簡單快捷，但要通過CFD仿真評估隔音墻對室外機散熱的影響。

4 結論

圖7 某機房裙樓的室外機裝配式隔音墻

數據中心的噪聲產生于IT設備、電氣設備和暖通設備的運行過程中。IT及電氣設備的噪聲主要是因風扇的運行而產生，噪聲大小受設備負載率影響，風量增加20%約造成噪聲增加4dBA。暖通設備的噪聲是數據中心的主要噪聲源，大量的暖通設備噪聲數據可供設計參考。室外機的噪聲是數據中心的重要關注點和屢遭居民投訴及環保整改的問題，風機的噪聲計算為評估室外機的噪聲效果提供了參考方法。