Computerhardware: Der leise PC

Der leise PC

Schallmessung

Technische Lautstärke in Dezibel
Lautstärke	Erklärung
0 dB	Hörschwelle bei 2 kHz Frequenz
10 dB	Blätterrauschen, leises Atmen
20 - 30 dB	Sehr ruhiges Zimmer
40 - 60 dB	Normale Unterhaltung
60 dB	Fernseher auf Zimmerlautstärke
60 - 90 dB	Hauptverkehrsstraße in 10 m Entfernung
100 dB	Diskothek, Drucklufthammer in 1 m
150 dB	Düsenflugzeug in 30 m Entfernung
120 dB	am Ohr: Gehörschäden bei kurzer Wirkung

Als Maßeinheit für die Lautstärke wird das Dezibel, abgekürzt dB, verwendet. Gemessen wird der „Schalldruck“: das ist die Kraft, welche die Luftdruckänderungen einer sinusförmigen Schallwelle auf eine Membran (z. B. die des Ohres) ausübt. 0 dB ist die Lautstärke, die ein Mensch gerade noch hören kann (Hörschwelle). Die Skala ist logarithmisch, das heißt: Ein um 10 dB höherer Wert wird bei einer Verdopplung der Lautstärke gemessen; 20 dB lauter gleich vierfache Lautstärke.

Die Lautstärkeangaben in Dezibel sind ein rein physikalisches Maß. Soll die Angabe dem Höreindruck der Lautheit entsprechen, ist eine Frequenzbewertung notwendig. Es gibt dazu mehrere Frequenzbewertungskurven, die immer zusammen mit der Angabe der Messgröße und des Pegels genannt werden müssen. Häufig wird aus Unsicherheit über die Messgröße die Angabe der Bewertungskurve an die Angabe dB angehängt. In Datenblättern und Computerzeitschriften wird häufig die Maßeinheit „Sone“ verwendet. Diese Maßeinheit liefert eine Angabe für den physiologischen Schalleindruck der Lautheit am Ohr.

Physiologische Lautstärke in Sone
Subjektiver Eindruck	Lautheit	Erklärung
unhörbar	< 0,1 Sone	In stiller Umgebung nicht wahrnehmbar
fast unhörbar	0,1 Sone	In stiller Umgebung noch wahrnehmbar
leise	0,2 - 0,5 Sone	In stiller Umgebung klar wahrnehmbar
noch leise	0,6 - 1,0 Sone	In ruhiger Umgebung noch wahrnehmbar
deutlich hörbar	1,1 - 1,5 Sone	In ruhiger Umgebung klar wahrnehmbar
sehr deutlich hörbar	1,6 - 2,0 Sone	In ruhiger Umgebung störend
laut	2,1 - 3,0 Sone	In lauter Umgebung klar wahrnehmbar
sehr laut	3,1 - 4,0 Sone	In lauter Umgebung störend
inakzeptabel laut	≥ 4,1 Sone	Auf Dauer unerträglich

Lärm macht krank

Schwerhörigkeit durch Lärm macht 43 % aller anerkannten Berufskrankheiten aus. Das ist mit Abstand die häufigste Ursache für Berufskrankheiten, siehe Bericht der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin „Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit 2007“. Rauschende Lüfter und klackernde, sirrende Festplatten verringern die Produktivität. Das wurde sogar gemessen: Eine Verringerung des Geräuschpegels in einem Schreibbüro um 10 dB(A) (also eine Halbierung) erhöhte die Schreibleistung um 12 %. Noch deutlicher war die Auswirkung auf die Qualität der Arbeit: Bereits eine Verringerung um 6 dB(A) im Schreibbüro verringerte die Fehlerrate um 29 %. Bei komplexeren Tätigkeiten stört der Lärm noch mehr: Eine Verringerung um diese 6 dB(A) bei Computerarbeit verringerte die Fehlerrate um 52 %!

Auch physiologische Veränderungen durch Lärm wurden nachgewiesen: Stress, Anstieg von Blutdruck und Adrenalin, erhöhtes Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, erhöhtes Frühgeburtsrisiko, Schwächung des Immunsystems ... Das alles betrifft nicht nur betriebliche Computer. Beim häuslichen PC sieht es oft nicht besser aus. Leider gilt für viele PCs aus dem Kampfpreis-Segment: schnell = laut. Die Augen kann man schließen, die Ohren leider nicht.

Bei längerer Lärmeinwirkung erfolgt eine gewisse Anpassung. Doch auch wenn der Lärm weniger störend erscheint, bleibt die negative Einwirkung auf Leistung, Qualität und Gesundheit erhalten.

Der Gesamtgeräuschpegel eines PC setzt sich aus vielen einzelnen Quellen zusammen. Einzelne Geräuschquellen zu verringern reicht nicht. Sie müssen alle Geräuschquellen im Auge behalten und dann entscheiden, bei welchen Komponenten Maßnahmen zu ergreifen sind, um die Lautstärke zu verringern. Wenn der Lüfter ihrer Hochleistungs-Grafikkarte wie eine Turbine klingt, brauchen Sie über den Lärm der anderen Komponenten nicht viel nachzudenken. Werden Sie sich klar darüber, was Ihr Priorität ist: höchste Leistung oder niedrige Geräuschemissionen. Beides zusammen geht nur eingeschränkt. Hohe Rechen- und Grafikleistung ist mit viel Energieverbrauch verbunden. Jedes Watt, welches das Netzteil in den PC hinein pumpt, wird in Wärme umgewandelt und muss mit den Lüftern heraus befördert werden.

Leise Lüfter verwenden

Die Gehäuselüfter

Leiser Lüfter mit 500 U/min

Strömungsoptimiertes Lüfterblatt eines Lüfters BeQuiet

Strömungsoptimiertes Lüfterblatt eines Enermax-Lüfters

Beschaltung eines Molex-Steckers für die Gewinnung von 7 Volt

Regelpotentiometer eines Lüfters

Bei größerer Wärmeentwicklung im Gehäuse können Zusatzlüfter sinnvoll sein: einer an der Rückwand unterhalb vom Netzteil oder an der Vorderwand auf Höhe der Festplatte. Manche Gehäuse haben Lüftungsöffnungen an der Oberseite, dort ist ein hervorragender Platz für Lüfter − aber nur, wenn Sie diesen Platz nicht als Ablage benutzen.

Wenn man die Wahl hat zwischen Lüftern mit großem oder mit kleinem Durchmesser, sollte man den Lüfter mit dem größeren Durchmesser wählen. Wenn Sie einen Lüfter mit 8 cm Durchmesser durch einen mit 12 cm Durchmesser ersetzen, vergrößert sich die Fläche auf das 12²/8² = 9/4 = 2,25 fache. Ein Lüfter mit einem Durchmesser von 12 statt 6 cm hat die vierfache Fläche und kann daher die gleiche Luftmenge mit einer wesentlich geringeren Drehzahl befördern. Das reduziert das Motorengeräusch, das Geräusch der Luftströmung verringert sich ebenfalls und die Lebensdauer des Lüfters steigt. Wenn die Nabe, die den Motor enthält, möglichst klein ist, wird der Luftdurchsatz noch größer.

Wie leise kann ein Lüfter sein? Es gibt 12-cm-Lüfter zu kaufen, die bei einer Drehzahl von 800 bis 1500 pro Minute mit 10 dB laufen. Auch 15 dB sind noch ein guter Wert.

Wenn Sie einen 8-cm-Lüfter auf dem CPU-Kühler ersetzen wollen, können Sie einen Montageadapter verwenden, um einen 12-cm-Ventilator zu befestigen. Wenn Sie einen vorhandenen 8-cm-Gehäuselüfter durch einen leisen 12-cm-Lüfter ersetzen wollen, nutzt das nur dann etwas, wenn das Gehäuseblech auf der gesamten Lüfterfläche eine ausreichende Anzahl genügend großer Löcher hat. Vielleicht müssen Sie zusätzliche Löcher in die Rückwand bohren oder vorhandene zu kleine Bohrungen vergrößern. Dabei dürfen keine Metallspäne ins Netzteil geraten, und die Vibrationen beim Bohren sind potentiell schädlich für die Festplatte. Um Vibrationen und Kurzschlüsse durch Späne zu vermeiden, sollten Sie vorher möglichst alle Bauteile ausbauen. Zumindest sollten Sie die Festplatte ausbauen und den PC beim Bohren und Entgraten so auf die Seite legen, dass die Hauptplatine oben liegt.

Drehzahl der Lüfter reduzieren

In Datenblättern und auf Verpackungen wird die Drehzahl oft in rpm (revolutions per minute, deutsch: Umdrehungen pro Minute) angegeben.

Das Lüftergeräusch setzt sich aus dem Motorgeräusch und dem Strömungsgeräusch der Luft zusammen. Das Strömungsgeräusch der Luft hängt stark von der Drehzahl ab. Es gibt Lüfter mit 12 cm Durchmesser, die mit nur 800 oder 500 Umdrehungen pro Minute laufen. Sie bewegen etwa so viel Luft wie ein 8-cm-Lüfter bei 1500 U/min. Im Windkanal durchgestylte Lüfter und aerodynamisch optimierte Lüfterblätter (siehe Abb. 2.1 und 2.2) machen das Geräusch der durchströmenden Luft praktisch unhörbar. Bei einer Drehzahl unterhalb 400 Umdrehungen pro Minute ist aus einem geschlossenem Gehäuse nichts hörbar. Derartige langsam laufende Lüfter gibt es unter vielen Marken wie z. B. „Silentwing“ und „be quiet!“.

Es kann sein, dass ein langsam drehender Lüfter eine BIOS-Meldung „CPU Fan Fail Warning“ auslöst. Im BIOS ist ein Standardwert für die Mindestdrehzahl hinterlegt. Passen Sie die Mindestdrehzahl an.

Lüfterregelung per Software

Was kann man tun, wenn man keine neuen Lüfter kaufen will? Bei vielen Mainboards kann man für alle die Lüfter, die an der Hauptplatine angesteckt sind, im BIOS die Wunschdrehzahl einstellen.

Das Tool „Speedfan“ kennt hunderte Hauptplatinen und kann nicht nur die angeschlossenen Lüfter regeln, sondern auch deren aktuelle Drehzahl und die CPU-Temperatur anzeigen.

Lüfterregelung mit Potentiometer

Mit einem Bausatz „Temperaturgesteuerte Lüfterregelung“ (etwa 12 €) kann man mit einem Trimmregler die Mindestdrehzahl einstellen. Der Regler misst mit einem Sensor die Temperatur eines Bauteils und regelt die Drehzahl hoch, wenn die Temperatur steigt.

Für etwa 20 € gibt es Einschübe für die 5,25" Frontblende mit Potentiometern darin, mit denen man mehrere Lüfter regeln kann. Weil man dabei keine Kontrolle hat, ob das Bauteil überhitzt, ist davon abzuraten. Besser sind Einschübe mit Potentiometer und Temperaturanzeige, die man etwa ab 30 € kaufen kann. Hier kann man mehrere Lüfter steuern und kontrollieren, ob die gewählte Drehzahl ausreicht. Es gibt auch fertige Lüfter mit Potentiometer zu kaufen. Die kosten kaum mehr als das Nachrüsten einer Regelung.

Ein Problem sind Lastschwankungen. Die Leistungsaufnahme (und damit auch die Wärmeentwicklung) der Grafikkarte kann im 3D-Modus fünf- bis zehnmal höher sein als im 2D-Modus. Geringere lastabhängige Schwankungen kommen auch bei der CPU und anderen Komponenten vor. Wenn Sie beim Surfen eine kleine Spielerunde einschieben, werden Sie dann immer daran denken, die Drehzahl der Lüfter hochzuregeln?

Verringerung der Spannung von 12 auf 7 Volt

Mit einem Adapter oder dem Lötkolben kann man einen Lüfter zwischen der 5 Volt und 12 Volt Leitung betreiben. Bei 7 Volt sind Lüfter in der Regel nicht hörbar, allenfalls ist in einer ruhigen Nacht der Luftstrom hörbar. Die Kühlleistung verschlechtert sich allerdings stark. Prüfen Sie unbedingt, ob die Lüftung ausreicht, ob die Drehrichtung unverändert ist und ob der Lüfter mit der verringerten Spannung zuverlässig anläuft! Im Datenblatt mancher Lüfter ist die „Anlaufspannung“ angegeben − die minimale Spannung, bei welcher der Lüfter garantiert anläuft. Besser und sicherer wäre es, einen neuen Lüfter zu kaufen: Es gibt langsamlaufende, leise 12-Volt-Lüfter. Zwei Lüfter mit 500 U/min sind meist leiser als einer mit 1200 U/min.

Die Belegung des Molex-Steckers: Rot = 5 Volt, Gelb = 12 Volt, Masse = Schwarz. Normalerweise wird ein Lüfter zwischen Gelb und Schwarz angeschlossen. Trennen Sie die vom Lüfter kommende schwarze Masseleitung von der schwarzen Ader des Steckers ab und verbinden Sie diese mit der roten Ader, siehe Abb. 2.3. Rot vom Lüfter verbinden Sie mit Gelb des Molex-Steckers. Wenn Sie nicht löten wollen, nehmen Sie kleine Lüsterklemmen. Den Molex-Stecker schneiden Sie von einem alten Netzteil oder einem Y-Kabel ab. Notfalls können Sie von Ihrem aktuellen Netzteil einen Stecker abschneiden, von den Molex-Steckern sind mehr als genug da.

Was Sie nicht tun sollten: Verbinden Sie den schwarzen Leiter des Lüfters mit dem gelben Leiter des Netzteils, der rote Leiter braucht nicht durchgeschnitten zu werden. Der Lüfter dreht nun mit 7 Volt, aber in der falschen Polung! Selbst wenn Sie den Lüfter anders herum montieren, ist ein rückwärts drehender Lüfter weniger effektiv.

Reihenschaltung

Eine weitere Möglichkeit ist eine Reihenschaltung mit einem Vorschalt(regel)widerstand. Wie berechnet man die Größe des Vorwiderstandes? Auf dem Lüfter ist meist die elektrische Leistung in Watt angegeben. Die Betriebsspannung beträgt 12 Volt. Die Division ergibt den durchfließenden Strom, also I = P/U.

Ein Lüfter mit 3 Watt benötigt einen Strom von 3 W/12 V = 0,25 A. Um den Widerstand des Lüftermotors zu berechnen, teilt man Spannung durch Strom: R = U/I = 12 V/0,25 A = 48 Ω. Die Spannung bei zwei Widerständen in Reihenschaltung teilt sich proportional zu den Widerstandswerten. Damit der Lüfter mit 8 Volt läuft, müssen 4 Volt auf den Vorwiderstand entfallen. Man benötigt einen Vorwiderstand von 24 Ω.

Wieviel Hitze muss der Vorwiderstand aushalten? Durch die Reihenschaltung fließen 12 V/(48+24) Ω = 0,167 A. Der Spannungsabfall am Vorwiderstand beträgt 4 Volt. Die Wärmeentwicklung am Widerstand beträgt P = U × I = 12 V × 0,167 A = 0,66 Watt.

Um den Lüfter mit der halben Spannung von 6 Volt laufen zu lassen, muss der Vorwiderstand ebenso groß wie der Widerstand des Lüftermotors sein, also 48 Ω. Durch die Reihenschaltung fließen 0,125 A. Auch am Vorwiderstand liegt eine Spannung von 6 Volt an. Dieser wird mit 6 V × 0,125 A = 0,75 W aufgeheizt. In beiden Fällen brauchen Sie Widerstände mit einer Nennleistung von 1 Watt oder mehr. Beachten Sie, dass diese Widerstände richtig heiß werden.

Viel eleganter ist es, wenn man zwei Lüfter gleichen Typs in Reihenschaltung an 12 Volt anschließt, dann bekommt jeder eine Betriebsspannung von 6 Volt. Weil in dieser Schaltung nur der halbe Strom fließt, läuft jeder Lüfter mit einem Viertel der vollen Leistung, in der Summe mit der halben Leistung eines Lüfters. Das Luftgeräusch sinkt auf einen fast unhörbaren Wert. Prüfen Sie aber sorgfältig, ob die Lüfter mit der verringerten Leistung zuverlässig anlaufen. Wenn einer der Lüfter stehenbleibt, kann er seinen eigenen Motor nicht mehr kühlen. Der Motor wird heiß und sein Innenwiderstand wächst, wodurch der Stromdurchfluss sinkt. Dadurch bekommt der zweite Lüfter noch weniger Leistung und bleibt voraussichtlich auch stehen. Wahrscheinlich brennt einer der ungekühlten Lüfter durch.