প্রকৌশল শব্দবিজ্ঞান/শীতলকারী পাখার শব্দ

প্রস্তাবনা

যতই বৈদ্যুতিক/ইলেকট্রনিক যন্ত্রপাতি ছোট ও কার্যকরী হয়ে উঠছে, ততই কুলিং ডিভাইসের শব্দ গুরুত্ব পাচ্ছে। এই পাতায় ডেস্কটপ/ল্যাপটপ কম্পিউটারের মতো ইলেকট্রনিক পণ্যে ব্যবহৃত ছোট আয়তনের অক্ষীয় কুলিং ফ্যান থেকে উৎপন্ন শব্দের উৎস ব্যাখ্যা করা হবে। ফ্যানের শব্দের উৎসগুলোর মধ্যে রয়েছে বায়ুগতীয় শব্দ এবং ফ্যান চালানোর সময় তৈরি হওয়া অপারেটিং শব্দ। এই পাতায় মূলত বায়ুগতীয় শব্দ সৃষ্টির প্রক্রিয়াগুলো ব্যাখ্যা করা হবে।

পরিচিতি

একটি ডেস্কটপ কম্পিউটারের ভিতরে তিন বা ততোধিক ফ্যান থাকতে পারে। সাধারণত একটি ফ্যান সিপিইউ-র হিটসিঙ্কে থাকে, একটি পাওয়ার সাপ্লাই ইউনিটের পেছনে, একটি কেসের বায়ু চলাচলের ছিদ্রে, একটি গ্রাফিক্স কার্ডে এবং যদি খুব আধুনিক মাদারবোর্ড হয় তবে সেখানে চিপসেটের ওপরেও একটি ফ্যান থাকতে পারে। যদি হার্ডড্রাইভ মোটামুটি নিঃশব্দ হয়, তবে কম্পিউটার থেকে আসা বিরক্তিকর শব্দের প্রধান উৎস কুলিং ফ্যানগুলো। ইন্টেল পেন্টিয়াম প্রসেসর প্রথম যখন বাজারে আসে, তখন সিপিইউতে কোনো ফ্যানের প্রয়োজন ছিল না। কিন্তু অধিকাংশ আধুনিক সিপিইউ কুলিং ফ্যান ছাড়া কয়েক সেকেন্ডও চলতে পারে না। এমনকি কিছু সিপিইউ (যেমন ইন্টেলের Prescott কোর) চরম শীতলীকরণের প্রয়োজনীয়তা রাখে, যার ফলে অধিক শব্দ উৎপন্ন হয়। ডেস্কটপ কম্পিউটারে ব্যবহৃত ফ্যান সাধারণত অক্ষীয় ফ্যান, আর ল্যাপটপে সেন্ট্রিফিউজাল ফ্যান ব্যবহৃত হয়। বিভিন্ন ধরনের ফ্যানের বৈশিষ্ট্য ও শব্দ উৎপাদনের ধরন আলাদা। এই পাতায় মূলত অক্ষীয় প্রবাহ ফ্যান নিয়ে আলোচনা করা হয়েছে। এখানে (pdf ফর্ম্যাটে) বিভিন্ন ফ্যানের ধরন চিত্রসহ দেখা যাবে।

শব্দ উৎপাদনের প্রক্রিয়া

নিচের চিত্রে ১২০ মিমি ডায়ামিটার একটি ইলেকট্রনিক ডিভাইস কুলিং ফ্যানের সাধারণ শব্দ স্পেকট্রাম দেখানো হয়েছে। একটি মাইক্রোফোন ফ্যানের আপস্ট্রিম পাশে ১ মিটার দূরত্বে স্থাপন করা হয়েছে। ফ্যানটিতে ৭টি ব্লেড, মোটর মাউন্টিংয়ের জন্য ৪টি স্ট্রাট এবং এটি ১৩ ভোল্টে চালিত হয়। একটি নির্দিষ্ট পরিমাণ লোড প্রয়োগ করা হয়েছে। নীল রেখাটি অ্যানেকোইক চেম্বারের ব্যাকগ্রাউন্ড শব্দ এবং সবুজ রেখাটি ফ্যান চালু থাকা অবস্থার শব্দের মাত্রা দেখায়।

(*BPF = Blade Passing Frequency) এই চিত্রে প্রতিটি শব্দ উপাদান নিচের এক বা একাধিক শব্দ উৎপাদনের প্রক্রিয়ার কারণে সৃষ্টি হয়েছে।

ব্লেড পুরুত্বের শব্দ - মনোপোল (তবে খুব দুর্বল)

ব্লেড পুরুত্বের শব্দ উৎপন্ন হয় তরলের স্থানচ্যুতির ফলে। ফ্যানের ব্লেডের নিজস্ব পুরুত্ব ও আয়তন থাকে। যখন রোটর ঘোরে, প্রতিটি ব্লেডের আয়তন তরল স্থানচ্যুত করে, যার ফলে আশেপাশের চাপে ওঠানামা হয় এবং শব্দ তৈরি হয়। এই শব্দ চলমান ফ্রিকোয়েন্সিতে সুরেলা হলেও, কুলিং ফ্যানের ক্ষেত্রে সাধারণত খুব দুর্বল, কারণ RPM অপেক্ষাকৃত কম। তাই ব্লেডের পুরুত্ব কুলিং ফ্যানের শব্দে খুব একটা প্রভাব ফেলে না।

(এই ধরনের শব্দ হেলিকপ্টার রোটরের মতো উচ্চ-গতির টারবোমেশিনের ক্ষেত্রে বেশি সমস্যা তৈরি করতে পারে)

বায়ুগতীয় বল দ্বারা সুরেলা শব্দ - ডাইপোল

অভিন্ন ইনলেট প্রবাহ (উল্লেখযোগ্য নয়)

অভিন্ন এবং ধ্রুব বায়ুগতীয় বল দ্বারা শব্দ উৎপাদনের বৈশিষ্ট্য ব্লেড পুরুত্বের শব্দের মতোই। এটি কম-গতির ফ্যানের জন্য খুব দুর্বল এবং RPM এর উপর নির্ভরশীল। একটি ফ্যান কাজ করতে গেলে ন্যূনতম ধ্রুব ব্লেড বল প্রয়োজন। তাই আদর্শ অবস্থাতেও এই শব্দ পুরোপুরি এড়ানো যায় না। তবে ব্লেডের সংখ্যা বাড়ালে এই শব্দ কমানো সম্ভব।

অনভিন্ন ইনলেট প্রবাহ

অনভিন্ন (তবুও স্থির) ইনলেট প্রবাহ ব্লেডের ঘূর্ণন কোণের সাথে সাথে অনভিন্ন বায়ুগতীয় বল তৈরি করে। এতে ব্লেড পাসিং ফ্রিকোয়েন্সি এবং তার হারমনিক্সে শব্দ তৈরি হয়। এটি ইলেকট্রনিক কুলিং ফ্যানের অন্যতম প্রধান শব্দ উৎস।

রোটর-কেসিং ইন্টারঅ্যাকশন

যদি ফ্যান ব্লেডগুলি এমন একটি গঠন বা কাঠামোর খুব কাছাকাছি থাকে, যা অসমমিত, তাহলে ব্লেডের উপর অস্থির বল প্রয়োগ হয়। তখন ফ্যানটি এমন পরিবেশে চলে, যেন এটি অনভিন্ন প্রবাহ ক্ষেত্রে রয়েছে।

আকস্মিক শব্দ (উল্লেখযোগ্য নয়)

এই শব্দটি পূর্ববর্তী ব্লেডের ব্লেড-টিপ-ভর্টেক্সের সাথে পরবর্তী ব্লেডের মিথস্ক্রিয়ার কারণে হয়, তবে কুলিং ফ্যানের ক্ষেত্রে তা গুরুতর নয়।

ঘূর্ণন স্টল

স্টল কী তা জানতে এখানে ক্লিক করুন।

স্টলের কারণে সৃষ্ট শব্দ একটি জটিল প্রক্রিয়া, যা কম প্রবাহ হারের সময় ঘটে। কোনো কারণে যদি প্রবাহ স্থানীয়ভাবে বাধাগ্রস্ত হয়, তাহলে কোনো একটি ব্লেডে স্টল হতে পারে। তখন ব্লেডের উপরের দিকের প্রবাহ আংশিকভাবে বাধাপ্রাপ্ত হয় এবং আশেপাশের ব্লেডে প্রবাহ কোণ বেড়ে গিয়ে সেখানে আবার স্টল হয়। অন্যদিকে প্রথম ব্লেডের বিপরীত পাশে স্টল কমে যায়।

এভাবে স্টল সেলগুলি রোটরের চারপাশে বারবার ঘুরতে থাকে, চলমান ফ্রিকোয়েন্সির প্রায় ৩০~৫০% হারে এবং ব্লেডের বিপরীত দিকে। এই ধারাবাহিক প্রক্রিয়া অস্থির বল তৈরি করে এবং শব্দ ও কম্পন ঘটায়।

অনিয়মিত রোটর জ্যামিতি

রোটরের অসমমিত গঠন ঘূর্ণনের ফ্রিকোয়েন্সি ও তার হারমনিক্সে শব্দ তৈরি করে (স্পষ্টতই ব্লেড পাসিং ফ্রিকোয়েন্সি নয়), এমনকি ইনলেট প্রবাহ অভিন্ন এবং ধ্রুব হলেও।

অস্থির প্রবাহ ক্ষেত্র

অস্থির প্রবাহ ব্লেডে এলোমেলো বল তৈরি করে। এটি পৃথক স্পেকট্রামের শব্দ ছড়িয়ে দিয়ে ধারাবাহিক শব্দ তৈরি করে। কম ফ্রিকোয়েন্সির পরিবর্তনের ক্ষেত্রে, শব্দ রোটেশনের ফ্রিকোয়েন্সির কাছাকাছি ছড়ায় এবং ন্যারোব্যান্ড শব্দ হয়। ইনলেট প্রবাহের এলোমেলো গতি পরিবর্তন ব্যাপক ব্যান্ড স্পেকট্রামের শব্দ তৈরি করে। এলোমেলো শব্দ উপাদানগুলো নিচের অংশে বিস্তারিতভাবে আলোচনা করা হয়েছে।

অস্থির বায়ুগতীয় বল দ্বারা এলোমেলো শব্দ

টার্বুলেন্ট বাউন্ডারি লেয়ার

অভিন্ন এবং স্থির ইনলেট প্রবাহেও ব্লেডে এলোমেলো বলের ওঠানামা থাকে, যা টার্বুলেন্ট বাউন্ডারি লেয়ারের কারণে। কিছু শব্দ এই কারণে তৈরি হলেও, মূল শব্দটি তৈরি হয় যখন বাউন্ডারি লেয়ার ব্লেডের পেছনের প্রান্তে পৌঁছে যায়। ব্লেডের পেছনের প্রান্ত কাছাকাছি শব্দকে বিস্তার করে একটি সম্প্রসারিত শব্দ ক্ষেত্রে পরিণত করে।

ইনসিডেন্ট টার্বুলেন্স

ইনলেট প্রবাহের গতি যখন এলোমেলোভাবে ওঠানামা করে, তখন ব্লেডে এলোমেলো বল সৃষ্টি হয় এবং তা একটি ব্যাপক ব্যান্ড স্পেকট্রামের শব্দ তৈরি করে।

ভর্টেক্স শেডিং

কোনো কারণে একটি ব্লেড থেকে ঘূর্ণাবর্ত আলাদা হতে পারে। তখন ব্লেডের চারপাশে প্রবাহ পরিবর্তিত হয়, এবং ব্লেডে অনিয়মিত বল ও শব্দ তৈরি হয়। এর একটি পরিচিত উদাহরণ হলো 'কারম্যান ভর্টেক্স স্ট্রিট' (কিছু ছবি ও অ্যানিমেশন)। এই প্রক্রিয়া কম-গতির ফ্যানের ল্যামিনার বাউন্ডারি লেয়ার বা উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সির ফ্যানের টার্বুলেন্ট বাউন্ডারি লেয়ারে ঘটতে পারে।

প্রবাহ বিচ্ছেদ

প্রবাহ বিচ্ছেদ উপরের স্টলের কারণ। এটি এলোমেলো শব্দ তৈরি করে, যা পৃথক স্পেকট্রাম শব্দগুলো ছড়িয়ে দেয় এবং শব্দকে ব্যাপক ব্যান্ডে রূপান্তরিত করে।

টিপ ভর্টেক্স

যেহেতু কুলিং ফ্যানগুলো ডাক্টেড অক্ষীয় ফ্লো মেশিন, তাই ব্লেডের টিপ এবং কেসিংয়ের মাঝে যে রিং আকৃতির ফাঁক থাকে তা শব্দ উৎপাদনে গুরুত্বপূর্ণ। ঘূর্ণনের সময় ফ্যানের আপস্ট্রিম ও ডাউনস্ট্রিমে চাপ পার্থক্যের কারণে ওই ফাঁক দিয়ে প্রবাহ হয়, যার ফলে টিপ ভর্টেক্স তৈরি হয় এবং ফাঁক যত বড় হয়, শব্দও তত বেশি হয়।

ইনস্টলেশন ইফেক্ট

একটি ফ্যান ইনস্টল করার পরে, এমনকি এটি ভালোভাবে অ্যাকুস্টিকভাবে ডিজাইন করা হলেও, অনাকাঙ্ক্ষিত শব্দ সমস্যা দেখা দিতে পারে। একে ইনস্টলেশন ইফেক্ট বলা হয় এবং দুটি ধরন কুলিং ফ্যানের জন্য প্রযোজ্য।

ইনলেট প্রবাহ অবস্থার প্রভাব

ফ্যানের ইনলেট প্রবাহে প্রভাব ফেলে এমন যেকোনো কাঠামো ইনস্টলেশন ইফেক্ট তৈরি করতে পারে। উদাহরণস্বরূপ Hoppe & Neise [3] দেখিয়েছেন যে ৫০০মিমি ফ্যানের ইনলেট ফ্ল্যাঞ্জে বেলমাউথ নোজল ব্যবহার করলে এবং না করলে শব্দ ক্ষমতায় ৫০dB পার্থক্য দেখা যায় (যদিও এটি অনেক বড় ও শব্দযুক্ত ফ্যানের জন্য প্রযোজ্য)।

অ্যাকুস্টিক লোডিং ইফেক্ট

এই প্রভাবটি ডাক্ট সিস্টেমের অ্যাপ্লিকেশনে দেখা যায়। কিছু উচ্চ-দক্ষতার গ্রাফিক্স কার্ডে সরাসরি নিষ্কাশনের জন্য ডাক্ট সিস্টেম ব্যবহৃত হয়।

একটি ফ্যান দ্বারা উৎপন্ন শব্দ ক্ষমতা শুধুমাত্র ইমপেলারের গতি ও অপারেটিং অবস্থার উপর নির্ভর করে না, বরং ইনলেট ও আউটলেট সংযুক্ত ডাক্ট সিস্টেমের অ্যাকুস্টিক প্রতিবন্ধকতার উপরও নির্ভর করে। তাই ফ্যান ও ডাক্ট সিস্টেম কেবল বায়ুগতীয় কারণে নয়, অ্যাকুস্টিক কারণে মিল রেখে ডিজাইন করা উচিত।

উপসংহার

কুলিং ফ্যানের শব্দ কমানোর কিছু সীমাবদ্ধতা রয়েছে:

অ্যাক্টিভ নয়েজ কন্ট্রোল আর্থিকভাবে কার্যকর নয়। ৮০মিমি কুলিং ফ্যানের দাম মাত্র ৫~১০ মার্কিন ডলার। এটি কেবল উচ্চমানের ইলেকট্রনিক পণ্যের জন্য প্রযোজ্য।
শব্দ কমাতে নির্দিষ্ট বায়ুগতীয় ঘটনাগুলো সীমিত করা গেলে ফ্যানের পারফরম্যান্স উল্লেখযোগ্যভাবে কমে যেতে পারে। ফ্যানের RPM বাড়ানো শব্দের ক্ষেত্রে সবচেয়ে প্রভাবশালী কারণ।

নিচে দেওয়া কিছু লিংকে ফ্যান শব্দ সম্পর্কে বিভিন্ন দিক যেমন অ্যাক্টিভ RPM কন্ট্রোল বা বেয়ারিং টাইপ অনুযায়ী শব্দ তুলনা পাওয়া যাবে।

ফ্যান শব্দ নিয়ে আকর্ষণীয় কিছু সাইটের লিংক

নিচের সাইটগুলোতে পিসির শব্দ সম্পর্কিত কিছু ব্যবহারিক দিক ব্যাখ্যা করা হয়েছে:

রেফারেন্স

[1] Neise, W., and Michel, U., "Aerodynamic Noise of Turbomachines"
[2] Anderson, J., "Fundamentals of Aerodynamics", 3rd edition, 2001, McGrawHill
[3] Hoppe, G., and Neise, W., "Vergleich verschiedener Gerauschmessverfahren fur Ventilatoren. Forschungsbericht FLT 3/1/31/87, Forschungsvereinigung fur Luft- und Trocknungstechnik e. V., Frankfurt/Main, Germany

ইঞ্জিনিয়ারিং অ্যাকুস্টিক্স পাতায় ফিরে যান