从小白到电脑专家之路！电脑风扇各部件物理原理与冷知识

大家好这里是韭王的电脑DIY（物理）教室，本期我们就来详细地讲一下风扇的物理特性与如何选购电脑风扇。

本文从材料到技术对风扇的各个部分进行拆解讲解。为了避嫌，同时也因风扇使用场景差异巨大，且噪音听感非常主观，本文不会涉及具体风扇推荐，不过在讲解一些特定方面时会不可避免地提到一些产品。

如有风扇选择方面的需求，这边推荐几个UP给大家：

如果对上期水冷教室感兴趣的盒友可以点击下方传送门阅读~

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之后计划在一到两周内把风冷也给做了，如果感兴趣的话不妨点下关注。如果觉得本文有帮助的话，也请大家不吝点赞充电！下面进入正题~

*本文全篇约6000字，阅读需要10-15分钟*

【前言---一些废话】

无论是水冷还是风冷，抑或是机箱组建风道，风扇都是非常重要的部件。然而，现在多数玩家却常常把风扇当初外观件，过分追求风扇的灯效，走线，性能却很少被考虑在内。

当玩家把大把大把金子扔在外观上时，厂商当然趋之若鹜。从最早的单色灯珠到后面的RGB导光条，然后再是网红无限镜。当我认为不会有厂商疯到往风扇上装屏幕时----

带屏幕的甚至还挺多

可以说风扇行业现在彻底沦为了舍本逐末的行业，性能扇反倒成了小众赛道。一些反应快的盒友可能这时就有疑问了，为什么要把性能扇和其他风扇分割开，难道性能扇就不能有RGB有屏幕吗？这就是今天科普的第一部分：鱼和熊掌不可兼得。

【性能扇=脱离低级趣味---风扇材质】

我这里先放几张主流性能扇的图片。

大家是否注意到一些共同点----没错，这些风扇都是黑漆漆的一坨。为什么性能扇不能是blingbling的呢？这就不得不提风扇的材质了。

众所周知，风扇直径越大，气流的有效面积就越大。但是一个12cm的风扇，它的最大直径无论如何也不可能突破12cm，为了增加有效面积，工程师只能想尽方法缩窄扇框或扇框与扇叶的间隙。

对于多数风扇采用的PBT外框来说，厚度最薄也只能做到2mm左右，在这个尺寸下再掏空塞灯条显然不现实。如果把LED装在四角上一样需要从外框走线。扇框装灯方案就可以PASS了，余下的选择只能是装在轴心了，也有不少风扇把LED装在这里的不是吗？

轴心发光

对于其他风扇可以，但性能扇，不行。要解释这个问题，我们先得从扇叶与扇框的间隙讲起。

风扇运转时转速少则1000，多则可达3-4000rpm，在这种转速下扇叶会因惯性被向外拉扯，久而久之可能会形生蠕变而碰撞扇框（俗称打框）。为避免这种情况，一般PBT风扇都会留至少2mm的间隙，但对于锱铢必较的性能扇来说，最好的办法还是让扇叶尽量不要变形，那么就只能换材料了。

反面教材，这扇框也太宽了

聪明的你肯定想到了用金属扇叶----毕竟金属刚性相比塑可以说是降维打击。但很遗憾，金属扇叶的缺陷实在太大了。首先由于重量重，惯性大，金属风扇在PWM调速时加速和减速都更困难，对电机的寿命也有很大影响；其次它的动平衡非常困难，同时铸造成本也更高。更要命的是，金属风扇相当不安全----毕竟你也不想被切手指吧？最后还只能是塑料。

标配了防护网的全铝风扇

工程师们首先想到往PBT里掺玻璃纤维。30%玻璃纤维加强的PBT拉伸模量就能达到9000兆帕，是普通PBT的百倍。

风扇之王9wpa就是用的玻璃纤维强化

但玻璃纤维懂得都懂，一旦扇叶产生破裂，碎屑就很容易随气流被进入空气中影响身体健康，所以厂商们将目光移向了一种更折衷的材料----LCP（液晶聚合物）。

LCP

虽然LCP的拉伸模量仅有200兆帕，但仍是PBT的数倍，对于普通电脑风扇绰绰有余。同时LCP耐热耐腐蚀，密度也很低，可以说是风扇的完美材质。但LCP有一个重大缺陷----颜色。

由于LCP分子主链由高比例刚性苯环构成，它的颜色通常呈米黄色，其中还有大量散射界面，即便掺入炭黑调色，也顶多是勉强做到黑色而已，所以LCP扇叶看起来总是脏兮兮的。连颜色均匀都做不到，就更不用提透明了！在轴心里放灯自然也无从谈起。

颜色相当不均匀

所以选择了性能扇，就等于选择脱离了RGB的低级趣味，拥抱乌漆嘛黑的高级审美。那么这些在金钱和视觉上的牺牲能够换来多大性能呢？

【从物理原理到优质睡眠---风扇取向】

此章节含有枯燥的学术内容，建议睡前观看。

首先我们先预习一下风扇的性能指标----风量与风压（一般指静压）。厂商常用CFM（立方英尺/分钟）作为风量单位，风压单位则为mmH₂O。虽然市售的风扇都会标注这些参数，但由于缺乏统一的测量标准，这个参数通常没有什么参考价值，这也是行业内心照不宣的常识。

参考意义不是很大

众所周知，根据伯努利原理，在某一点的空气流速越大，压强就越小，所以对于一定功率电脑风扇来说，大风量与大风压不可兼得，即便做再多的优化也无法突破物理定律。那么如果厂商的数据无法反映真实性能，那么我们作为消费者又如何挑选合适的风扇呢？

市面上绝大多数风扇为了兼顾不同的使用需求，都会将产品向平衡扇的方向调教，也就是下图中斜率趋近-1，与XY轴形成面积更大的图线。但我们都知道，全能=全不能，对于固定的使用场景，应该选择有特定倾向的风扇。

风量风压曲线

例如塔式风冷风扇，由于其鳍片密度较低，阻抗普遍不高，因此更适合选择能够提供较大风量并保持一定风压的风扇，上图中间的虚线与曲线的交点即风冷甜点位置。而对于鳍片密集的水冷冷排，能否吹透鳍片更为关键，就应优先选择风压更高的产品，即靠上的虚线。要判断风扇是风量扇还是风压扇也很简单，接下来我们就介绍一些判断依据。

首先我们引入一个概念：盘面比。盘面比指的是扇叶投影面积与桨盘总面积的比值，简单来说，就是从正面看一把风扇，能看透的缝隙越大，盘面比就越小。这个比值越小风量就越大----这个很好理解，毕竟空隙更大气流才更容易穿过嘛。

空隙很小，盘面比很大

同时风扇叶形也很有讲究。一般来说宽大而带有明显倾角的扇叶风量更大；相反的叶片更长，叶形更弯，转角圆润的风扇更具风压优势。

叶片很长，曲率流畅

这种判断方法并不绝对，比如倾向于风压的FT12Slim的扇叶就无法套用上面的规则，其中牵涉到深层次的流体力学，空气动力学理论，为避免贻笑大方这边就不过多提及了。

九州FT12Slim

结合盘面比，我们可以得出风量扇的外形一般扇叶数量少（5/7片）且稀疏，扇叶宽厚且侧向翻折角度较大；而风压扇则扇叶稠密，叶片一般较多（≥7片）且细长扁平。我们拿一个比较极端的例子实操一下。

F9 R120

可以看到该风扇扇叶数量为7片，叶间间距非常大且宽厚，同时有着均匀且夸张的倾角，整体接近四边形而非倒三角形，它的弧度并不大，甚至直到中间位置才开始弯折。这些元素都是非常典型的风量扇取向，这也使F9非常适合用作机箱风扇，但它的风压可以用凄惨来形容，不建议用在冷排上。

扇叶设计也是各家性能扇厂商的护城河，可以说你的开销一半都用在了扇叶的设计上。不过，即便这些外形有着专利，但也挡不住逆向开发。但为什么直到现在，我们仍然很难找到主流性能扇的平替产品，或是这些所谓平替也不便宜呢？

风扇设计是一门非常复杂的学科，要做一款14cm的风扇，绝不是把12cm风扇按比例放大那么简单，哪怕是再小的改动都会影响到整个风扇的气动外形，可以说是牵一发而动全身。由于缺乏专业知识，这边只能举几个例子说明。

首先我们来看顶级性能扇9RA家族的两款风扇。

12038（左）；12025（右）

我们不难看出38mm和25mm版本的扇叶差异明显，25mm版本扇叶末端向前翻折，倾角消失变为几乎纯平的面。这些“优化”都需要经过严格的有限元模拟和风洞测试，对于大部分厂商尤其是那些专注于“复刻”的来说，既没有条件也没有意愿，最后大多都沦为了主流成熟叶形的跟屁虫罢了。还有一些产品，它们在仿制上都存在很大的难度。我们来看猫头鹰的A12x25G2。

它的叶形更加独特，其叶片的弧度在中心部位突变，在特定位置制造了更大的倾角，与市面上绝大多数产品都有显著的差异；

叶身上还有三条微微凸起的脊，这些脊充当了导向槽的功能，使得气流穿过时更均匀，稳定的气流则可以紧贴扇叶从而更不易失速产生乱流；叶尖部位还有一个类似于飞机翼梢小翼的凸起结构，用于阻止高压气流抄近道而产生尖锐的风切噪音。

同时，猫头鹰在扇框上也挖了许多三角形的小槽，这些独特的设计相互配合，才造就了市面上最优秀的静音风扇之一。如果想要仿制这款风扇，光是逆向和模具就是一笔劝退的成本，若是想要缩减其中任一设计，都可能破坏整体的气动外形，这也是你不太可能花20块买到200块性能扇的平替的原因。

那么既然都说到猫头鹰了，我们就顺水推舟地科普一下风扇的噪音。

【多花1倍钱只为安静1分贝！---风扇噪音】

性能扇不仅仅是极限性能强于一般风扇，在噪音方面也远远优于后者，甚至可以说相比于性能，噪音才是绝大多数玩家花大价钱买性能扇的理由，那么风扇的噪音又有哪几种，它们又是如何产生的呢？我们就由浅入深地介绍一下。

机械噪音

首先就是最单纯的噪音，也就是由转子不平衡导致震动而产生的噪音。一个完美的风扇其旋转轴心与质心应该是重合的，但在现实中这种完美是不现实的。生产或安装中的轻微偏心会使其产生一个与转速成正比的离心力，这便是根本的激励源，从而引发风扇周期性振动。

如果固定良好，那么这种纯由压力产生的脉动听起来是“嗡嗡”声，而若是固定不佳，风扇便会随震动拍打机箱或冷排铁皮发出更尖锐的声音。

风扇通常会在出厂时做一次动平衡校正，高端风扇则会更进一步做点胶二次动平衡。但这也不是绝对靠谱，我曾经手过几个二次动平衡后依然有问题的风扇，但至少高端风扇中这种问题发生概率会小一些。

红色点胶

叶尖涡流

然后就是风扇的主要噪音来源----叶尖涡流，我们习惯称之为风切。当高速气流被推向扇叶尾端的边缘时，高压区气流从叶尖卷入背面低压区，形成一个不稳定的漩涡从而产生噪音。这个噪音与气流声明显不同，类似“呲呲”声，它的频率更高，人耳十分敏感，常被误认为是电流声。

和飞机机翼的翼尖涡流是一回事

叶尖涡流不可避免，但可以通过一些独特的扇叶设计改善，刚刚提到的猫扇就是通过翼梢小翼的设计使得高压区气流无法直接通过叶尖而是要绕远路，在过程中能量被消耗，风切声自然就降低了。一些糟糕的扇形设计或是加工时扇叶边缘不光滑或有微小毛刺，这个声音则会更显著，这也是高端扇和低端扇的明显区别。

进气啸叫

飞机起飞同款噪音，通常频率不高但音量巨大。这种噪音是由于于风扇前方遮挡物距离太近，高速气流被迫在高静压下剧烈弯折，边界层发生分离而导致。当流速增大时，这种乱流会脱离叶片表面，形成不稳定的湍流团冲击扇叶，因此而产生。这种噪音在风扇低转速时不明显，一旦转速提升便会指数级上升，同时它的能量分布也很宽泛，所以一些玩家也容易将进气啸叫当作是轴噪或是其他噪音，一些特殊叶形的风扇（例如螺旋桨造型的扇叶）会尤其显著。

如果你有安装风扇防尘网或是风扇前有尖锐物体，我强烈建议将其移除

共振和拍频

机箱系统内所有部分包括侧板之类的固定部件都有自己的天然频率，当风扇的频率和特定的振动源重合时就会受到激励，连带着风扇一起震动。因为你很难有效排查激励源，所以这个噪音也不是换风扇就一定能解决的。

拍频就更难预防了，此问题常出现在冷排或机箱这种几个同型号风扇相邻安装的场景下。由于同款风扇理论上的BPF及其谐波频率完全一致，但由于装配误差会导致它们产生极细微的频率差异。即便是几Hz的插值，都会落入人耳对音量波动最敏感的频段，产生有节奏的呼吸声。这种情况下，将同组相邻的几个风扇中换一个其他型号的风扇往往就能解决。

电机噪音

我们常说的电机噪音实际上是指励磁噪音。风扇所使用的电机通常是BLDC无刷电机，电机运行时，如果产生磁场不平滑，就会催生出额外的电磁力波，拉动电机内的定子和转子振动。当这个力波的频率与电机结构的固有频率重合时，便会引发共振，产生尖锐的电磁啸叫。

BLDC电机

而另一种电机噪音就比较特殊了，是一种较慢而有规律的“咔咔”声，这种噪音我们称之为换向噪音。在六步换向法中，电角度每隔60°换相一次，电流呈一个梯形的波，导致输出转矩的瞬间跳变从而激发振动。风扇转速越低，每次跳变的间隔时间越长，节拍感就越明显，不过当转速很快时，换向频率增加，这个噪音反而会变得不明显。

换向梯形波

一些高端风扇的电机使用FOC正弦波调制，从根本上杜绝了这个问题。

轴承噪音

最后我们再说一下很多人很在意，但其实并没有那么重要的风扇轴承。轴承对性能的影响比较轻微，低端和高端轴承的区别主要在于噪音和寿命。

轴噪其实也属于机械噪音，但考虑到轴承可能需要的篇幅多一些，就拆分出来放到最后再讲。

目前主流的风扇轴承大类分为：油轴，FDB和双滚珠轴承。

其中绝大多数风扇都使用油轴也就是含油轴承，顾名思义在轴承中添加润滑油膜来减少摩擦。这种轴承非常安静，不易运损，成本也非常低，因此被广泛使用，但它的缺点也比较明显。

油轴的寿命很短，一把中等价位的油轴风扇通常只能用2-4年，如果你是水平安装或吊装，使用寿命还会更短。而且由于润滑油可能因封闭不佳而挥发干涸，性能也会随时间推移逐步下降，在使用中可能还会有灰尘侵入，导致油轴过早的发出“沙沙”的摩擦声，偶尔还会有润滑油漏出轴承的情况，俗称甩油。这些年包括酷冷在内的一些大厂也有一些油轴的改良方案，推出了比如来福轴承，液压轴承等产品，但始终无法根绝油轴的痛点。而FDB轴承则是风扇界的完美答案。

FDB可以是液压轴承的改良版，而后者又是油轴的超级加强版，和油轴也算师出同门。

V型刻槽

FDB轴套内刻有细密的V型沟槽，运转时产生的压力会在轴芯和轴套之间形成一层高压油膜将轴心顶起。FDB轴承是完全密封的，这就从根本上杜绝了进灰和润滑油蒸发的问题，所以FDB的寿命极长，正常使用几乎不可能用坏。

不过FDB轴承工艺复杂成本很高，不是阿猫阿狗厂商都能用得起的，但也正因为FDB自带光环，所以有一些厂商就动了歪脑筋，用一些廉价工艺试图仿冒FDB。这些方案本质上仍然是油轴，甚至它们的类FDB特征也不过是掩耳盗铃而已，这里不得不点名某“S-FDB”品牌。

某不可名状大厂

不过，风扇作为电脑组件，实际上也不需要永恒不灭，所以FDB仍然是噱头成分居多，并不是什么刚需。

最后再说下双滚珠轴承。双滚珠可以看作是油轴和FDB轴承的折衷方案，它的价格没有FDB那么贵，也可以做到等同的寿命，在工业上有大量应用，但它的缺点也很致命。

这种轴承在轴套和轴心间填入了两排滚珠，物理接触注定了这种方案有天然的基础噪音，也就是钢珠滑动的声音。同时它非常娇贵，钢珠的滑道如果出现微小凹陷或润滑油里有灰尘，就会在运行时产生额外的噪音，这也使得这种风扇非常考验包材和运输。正是因为这些缺陷，双滚珠是我个人最不喜欢的轴承，但这阻挡不了社区中有一些双滚珠狂热爱好者，希望不要惹毛他们。

【为什么要换风扇？---尾声】

我们在上期水冷文章中提到，现在的水冷大多自带外观属性，水冷扇也必须是花里胡哨的，为了走线美观这两年甚至还发展出了磁吸赛道。这些美丽的小废物通常性能都很差，拜此所赐，市售的绝大多数水冷差不多也就能发挥个8成性能。

可能有观众会问，水冷行业这么卷，照你的说法换个风扇性能不就蹭蹭往上涨？这就要说到这个问题的关键了----性能扇真的不便宜。拿网红性能扇T30来说，一把就差不多要120块，而它绝不是什么很贵的性能扇。这样的风扇一套水冷需要3个，这对于主流3-400区间还要带屏幕的水冷来说是天方夜谭。

追风者T30

那么现在市售水冷风扇成本大概是多少呢？

10块。

没错就是10块，就这还不算多的。这些风扇通常是东莞生产，厂商会根据他们的厂址就近采购，在这个价格下厂商的要求也很简单，除了外观就是别坏太快，性能相比之下就不在考虑中了。我们最后拿同一品牌的两款风扇作个简单对比，其一我们选择酷冷的莫比乌斯VX120，这款风扇是冰神B系列的标配冷排扇，零售价格在60元左右；而对手则是同家新品M120，价格为120元左右，数据来源是开头提到的风向标。