從小白到電腦專家之路！電腦風扇各部件物理原理與冷知識

大家好這裏是韭王的電腦DIY（物理）教室，本期我們就來詳細地講一下風扇的物理特性與如何選購電腦風扇。

本文從材料到技術對風扇的各個部分進行拆解講解。爲了避嫌，同時也因風扇使用場景差異巨大，且噪音聽感非常主觀，本文不會涉及具體風扇推薦，不過在講解一些特定方面時會不可避免地提到一些產品。

如有風扇選擇方面的需求，這邊推薦幾個UP給大家：

如果對上期水冷教室感興趣的盒友可以點擊下方傳送門閱讀~

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之後計劃在一到兩週內把風冷也給做了，如果感興趣的話不妨點下關注。如果覺得本文有幫助的話，也請大家不吝點贊充電！下面進入正題~

*本文全篇約6000字，閱讀需要10-15分鐘*

【前言---一些廢話】

無論是水冷還是風冷，抑或是機箱組建風道，風扇都是非常重要的部件。然而，現在多數玩家卻常常把風扇當初外觀件，過分追求風扇的燈效，走線，性能卻很少被考慮在內。

當玩家把大把大把金子扔在外觀上時，廠商當然趨之若鶩。從最早的單色燈珠到後面的RGB導光條，然後再是網紅無限鏡。當我認爲不會有廠商瘋到往風扇上裝屏幕時----

帶屏幕的甚至還挺多

可以說風扇行業現在徹底淪爲了捨本逐末的行業，性能扇反倒成了小衆賽道。一些反應快的盒友可能這時就有疑問了，爲什麼要把性能扇和其他風扇分割開，難道性能扇就不能有RGB有屏幕嗎？這就是今天科普的第一部分：魚和熊掌不可兼得。

【性能扇=脫離低級趣味---風扇材質】

我這裏先放幾張主流性能扇的圖片。

大家是否注意到一些共同點----沒錯，這些風扇都是黑漆漆的一坨。爲什麼性能扇不能是blingbling的呢？這就不得不提風扇的材質了。

衆所周知，風扇直徑越大，氣流的有效面積就越大。但是一個12cm的風扇，它的最大直徑無論如何也不可能突破12cm，爲了增加有效面積，工程師只能想盡方法縮窄扇框或扇框與扇葉的間隙。

對於多數風扇採用的PBT外框來說，厚度最薄也只能做到2mm左右，在這個尺寸下再掏空塞燈條顯然不現實。如果把LED裝在四角上一樣需要從外框走線。扇框裝燈方案就可以PASS了，餘下的選擇只能是裝在軸心了，也有不少風扇把LED裝在這裏的不是嗎？

軸心發光

對於其他風扇可以，但性能扇，不行。要解釋這個問題，我們先得從扇葉與扇框的間隙講起。

風扇運轉時轉速少則1000，多則可達3-4000rpm，在這種轉速下扇葉會因慣性被向外拉扯，久而久之可能會形生蠕變而碰撞扇框（俗稱打框）。爲避免這種情況，一般PBT風扇都會留至少2mm的間隙，但對於錙銖必較的性能扇來說，最好的辦法還是讓扇葉儘量不要變形，那麼就只能換材料了。

反面教材，這扇框也太寬了

聰明的你肯定想到了用金屬扇葉----畢竟金屬剛性相比塑可以說是降維打擊。但很遺憾，金屬扇葉的缺陷實在太大了。首先由於重量重，慣性大，金屬風扇在PWM調速時加速和減速都更困難，對電機的壽命也有很大影響；其次它的動平衡非常困難，同時鑄造成本也更高。更要命的是，金屬風扇相當不安全----畢竟你也不想被切手指吧？最後還只能是塑料。

標配了防護網的全鋁風扇

工程師們首先想到往PBT裏摻玻璃纖維。30%玻璃纖維加強的PBT拉伸模量就能達到9000兆帕，是普通PBT的百倍。

風扇之王9wpa就是用的玻璃纖維強化

但玻璃纖維懂得都懂，一旦扇葉產生破裂，碎屑就很容易隨氣流被進入空氣中影響身體健康，所以廠商們將目光移向了一種更折衷的材料----LCP（液晶聚合物）。

LCP

雖然LCP的拉伸模量僅有200兆帕，但仍是PBT的數倍，對於普通電腦風扇綽綽有餘。同時LCP耐熱耐腐蝕，密度也很低，可以說是風扇的完美材質。但LCP有一個重大缺陷----顏色。

由於LCP分子主鏈由高比例剛性苯環構成，它的顏色通常呈米黃色，其中還有大量散射界面，即便摻入炭黑調色，也頂多是勉強做到黑色而已，所以LCP扇葉看起來總是髒兮兮的。連顏色均勻都做不到，就更不用提透明瞭！在軸心裏放燈自然也無從談起。

顏色相當不均勻

所以選擇了性能扇，就等於選擇脫離了RGB的低級趣味，擁抱烏漆嘛黑的高級審美。那麼這些在金錢和視覺上的犧牲能夠換來多大性能呢？

【從物理原理到優質睡眠---風扇取向】

此章節含有枯燥的學術內容，建議睡前觀看。

首先我們先預習一下風扇的性能指標----風量與風壓（一般指靜壓）。廠商常用CFM（立方英尺/分鐘）作爲風量單位，風壓單位則爲mmH₂O。雖然市售的風扇都會標註這些參數，但由於缺乏統一的測量標準，這個參數通常沒有什麼參考價值，這也是行業內心照不宣的常識。

參考意義不是很大

衆所周知，根據伯努利原理，在某一點的空氣流速越大，壓強就越小，所以對於一定功率電腦風扇來說，大風量與大風壓不可兼得，即便做再多的優化也無法突破物理定律。那麼如果廠商的數據無法反映真實性能，那麼我們作爲消費者又如何挑選合適的風扇呢？

市面上絕大多數風扇爲了兼顧不同的使用需求，都會將產品向平衡扇的方向調教，也就是下圖中斜率趨近-1，與XY軸形成面積更大的圖線。但我們都知道，全能=全不能，對於固定的使用場景，應該選擇有特定傾向的風扇。

風量風壓曲線

例如塔式風冷風扇，由於其鰭片密度較低，阻抗普遍不高，因此更適合選擇能夠提供較大風量並保持一定風壓的風扇，上圖中間的虛線與曲線的交點即風冷甜點位置。而對於鰭片密集的水冷冷排，能否吹透鰭片更爲關鍵，就應優先選擇風壓更高的產品，即靠上的虛線。要判斷風扇是風量扇還是風壓扇也很簡單，接下來我們就介紹一些判斷依據。

首先我們引入一個概念：盤面比。盤面比指的是扇葉投影面積與槳盤總面積的比值，簡單來說，就是從正面看一把風扇，能看透的縫隙越大，盤面比就越小。這個比值越小風量就越大----這個很好理解，畢竟空隙更大氣流才更容易穿過嘛。

空隙很小，盤面比很大

同時風扇葉形也很有講究。一般來說寬大而帶有明顯傾角的扇葉風量更大；相反的葉片更長，葉形更彎，轉角圓潤的風扇更具風壓優勢。

葉片很長，曲率流暢

這種判斷方法並不絕對，比如傾向於風壓的FT12Slim的扇葉就無法套用上面的規則，其中牽涉到深層次的流體力學，空氣動力學理論，爲避免貽笑大方這邊就不過多提及了。

九州FT12Slim

結合盤面比，我們可以得出風量扇的外形一般扇葉數量少（5/7片）且稀疏，扇葉寬厚且側向翻折角度較大；而風壓扇則扇葉稠密，葉片一般較多（≥7片）且細長扁平。我們拿一個比較極端的例子實操一下。

F9 R120

可以看到該風扇扇葉數量爲7片，葉間間距非常大且寬厚，同時有着均勻且誇張的傾角，整體接近四邊形而非倒三角形，它的弧度並不大，甚至直到中間位置纔開始彎折。這些元素都是非常典型的風量扇取向，這也使F9非常適合用作機箱風扇，但它的風壓可以用悽慘來形容，不建議用在冷排上。

扇葉設計也是各家性能扇廠商的護城河，可以說你的開銷一半都用在了扇葉的設計上。不過，即便這些外形有着專利，但也擋不住逆向開發。但爲什麼直到現在，我們仍然很難找到主流性能扇的平替產品，或是這些所謂平替也不便宜呢？

風扇設計是一門非常複雜的學科，要做一款14cm的風扇，絕不是把12cm風扇按比例放大那麼簡單，哪怕是再小的改動都會影響到整個風扇的氣動外形，可以說是牽一髮而動全身。由於缺乏專業知識，這邊只能舉幾個例子說明。

首先我們來看頂級性能扇9RA家族的兩款風扇。

12038（左）；12025（右）

我們不難看出38mm和25mm版本的扇葉差異明顯，25mm版本扇葉末端向前翻折，傾角消失變爲幾乎純平的面。這些“優化”都需要經過嚴格的有限元模擬和風洞測試，對於大部分廠商尤其是那些專注於“復刻”的來說，既沒有條件也沒有意願，最後大多都淪爲了主流成熟葉形的跟屁蟲罷了。還有一些產品，它們在仿製上都存在很大的難度。我們來看貓頭鷹的A12x25G2。

它的葉形更加獨特，其葉片的弧度在中心部位突變，在特定位置製造了更大的傾角，與市面上絕大多數產品都有顯著的差異；

葉身上還有三條微微凸起的脊，這些脊充當了導向槽的功能，使得氣流穿過時更均勻，穩定的氣流則可以緊貼扇葉從而更不易失速產生亂流；葉尖部位還有一個類似於飛機翼梢小翼的凸起結構，用於阻止高壓氣流抄近道而產生尖銳的風切噪音。

同時，貓頭鷹在扇框上也挖了許多三角形的小槽，這些獨特的設計相互配合，才造就了市面上最優秀的靜音風扇之一。如果想要仿製這款風扇，光是逆向和模具就是一筆勸退的成本，若是想要縮減其中任一設計，都可能破壞整體的氣動外形，這也是你不太可能花20塊買到200塊性能扇的平替的原因。

那麼既然都說到貓頭鷹了，我們就順水推舟地科普一下風扇的噪音。

【多花1倍錢只爲安靜1分貝！---風扇噪音】

性能扇不僅僅是極限性能強於一般風扇，在噪音方面也遠遠優於後者，甚至可以說相比於性能，噪音纔是絕大多數玩家花大價錢買性能扇的理由，那麼風扇的噪音又有哪幾種，它們又是如何產生的呢？我們就由淺入深地介紹一下。

機械噪音

首先就是最單純的噪音，也就是由轉子不平衡導致震動而產生的噪音。一個完美的風扇其旋轉軸心與質心應該是重合的，但在現實中這種完美是不現實的。生產或安裝中的輕微偏心會使其產生一個與轉速成正比的離心力，這便是根本的激勵源，從而引發風扇週期性振動。

如果固定良好，那麼這種純由壓力產生的脈動聽起來是“嗡嗡”聲，而若是固定不佳，風扇便會隨震動拍打機箱或冷排鐵皮發出更尖銳的聲音。

風扇通常會在出廠時做一次動平衡校正，高端風扇則會更進一步做點膠二次動平衡。但這也不是絕對靠譜，我曾經手過幾個二次動平衡後依然有問題的風扇，但至少高端風扇中這種問題發生概率會小一些。

紅色點膠

葉尖渦流

然後就是風扇的主要噪音來源----葉尖渦流，我們習慣稱之爲風切。當高速氣流被推向扇葉尾端的邊緣時，高壓區氣流從葉尖捲入背面低壓區，形成一個不穩定的漩渦從而產生噪音。這個噪音與氣流聲明顯不同，類似“呲呲”聲，它的頻率更高，人耳十分敏感，常被誤認爲是電流聲。

和飛機機翼的翼尖渦流是一回事

葉尖渦流不可避免，但可以通過一些獨特的扇葉設計改善，剛剛提到的貓扇就是通過翼梢小翼的設計使得高壓區氣流無法直接通過葉尖而是要繞遠路，在過程中能量被消耗，風切聲自然就降低了。一些糟糕的扇形設計或是加工時扇葉邊緣不光滑或有微小毛刺，這個聲音則會更顯著，這也是高端扇和低端扇的明顯區別。

進氣嘯叫

飛機起飛同款噪音，通常頻率不高但音量巨大。這種噪音是由於於風扇前方遮擋物距離太近，高速氣流被迫在高靜壓下劇烈彎折，邊界層發生分離而導致。當流速增大時，這種亂流會脫離葉片表面，形成不穩定的湍流團衝擊扇葉，因此而產生。這種噪音在風扇低轉速時不明顯，一旦轉速提升便會指數級上升，同時它的能量分佈也很寬泛，所以一些玩家也容易將進氣嘯叫當作是軸噪或是其他噪音，一些特殊葉形的風扇（例如螺旋槳造型的扇葉）會尤其顯著。

如果你有安裝風扇防塵網或是風扇前有尖銳物體，我強烈建議將其移除

共振和拍頻

機箱系統內所有部分包括側板之類的固定部件都有自己的天然頻率，當風扇的頻率和特定的振動源重合時就會受到激勵，連帶着風扇一起震動。因爲你很難有效排查激勵源，所以這個噪音也不是換風扇就一定能解決的。

拍頻就更難預防了，此問題常出現在冷排或機箱這種幾個同型號風扇相鄰安裝的場景下。由於同款風扇理論上的BPF及其諧波頻率完全一致，但由於裝配誤差會導致它們產生極細微的頻率差異。即便是幾Hz的插值，都會落入人耳對音量波動最敏感的頻段，產生有節奏的呼吸聲。這種情況下，將同組相鄰的幾個風扇中換一個其他型號的風扇往往就能解決。

電機噪音

我們常說的電機噪音實際上是指勵磁噪音。風扇所使用的電機通常是BLDC無刷電機，電機運行時，如果產生磁場不平滑，就會催生出額外的電磁力波，拉動電機內的定子和轉子振動。當這個力波的頻率與電機結構的固有頻率重合時，便會引發共振，產生尖銳的電磁嘯叫。

BLDC電機

而另一種電機噪音就比較特殊了，是一種較慢而有規律的“咔咔”聲，這種噪音我們稱之爲換向噪音。在六步換向法中，電角度每隔60°換相一次，電流呈一個梯形的波，導致輸出轉矩的瞬間跳變從而激發振動。風扇轉速越低，每次跳變的間隔時間越長，節拍感就越明顯，不過當轉速很快時，換向頻率增加，這個噪音反而會變得不明顯。

換向梯形波

一些高端風扇的電機使用FOC正弦波調製，從根本上杜絕了這個問題。

軸承噪音

最後我們再說一下很多人很在意，但其實並沒有那麼重要的風扇軸承。軸承對性能的影響比較輕微，低端和高端軸承的區別主要在於噪音和壽命。

軸噪其實也屬於機械噪音，但考慮到軸承可能需要的篇幅多一些，就拆分出來放到最後再講。

目前主流的風扇軸承大類分爲：油軸，FDB和雙滾珠軸承。

其中絕大多數風扇都使用油軸也就是含油軸承，顧名思義在軸承中添加潤滑油膜來減少摩擦。這種軸承非常安靜，不易運損，成本也非常低，因此被廣泛使用，但它的缺點也比較明顯。

油軸的壽命很短，一把中等價位的油軸風扇通常只能用2-4年，如果你是水平安裝或吊裝，使用壽命還會更短。而且由於潤滑油可能因封閉不佳而揮發乾涸，性能也會隨時間推移逐步下降，在使用中可能還會有灰塵侵入，導致油軸過早的發出“沙沙”的摩擦聲，偶爾還會有潤滑油漏出軸承的情況，俗稱甩油。這些年包括酷冷在內的一些大廠也有一些油軸的改良方案，推出了比如來福軸承，液壓軸承等產品，但始終無法根絕油軸的痛點。而FDB軸承則是風扇界的完美答案。

FDB可以是液壓軸承的改良版，而後者又是油軸的超級加強版，和油軸也算師出同門。

V型刻槽

FDB軸套內刻有細密的V型溝槽，運轉時產生的壓力會在軸芯和軸套之間形成一層高壓油膜將軸心頂起。FDB軸承是完全密封的，這就從根本上杜絕了進灰和潤滑油蒸發的問題，所以FDB的壽命極長，正常使用幾乎不可能用壞。

不過FDB軸承工藝複雜成本很高，不是阿貓阿狗廠商都能用得起的，但也正因爲FDB自帶光環，所以有一些廠商就動了歪腦筋，用一些廉價工藝試圖仿冒FDB。這些方案本質上仍然是油軸，甚至它們的類FDB特徵也不過是掩耳盜鈴而已，這裏不得不點名某“S-FDB”品牌。

某不可名狀大廠

不過，風扇作爲電腦組件，實際上也不需要永恆不滅，所以FDB仍然是噱頭成分居多，並不是什麼剛需。

最後再說下雙滾珠軸承。雙滾珠可以看作是油軸和FDB軸承的折衷方案，它的價格沒有FDB那麼貴，也可以做到等同的壽命，在工業上有大量應用，但它的缺點也很致命。

這種軸承在軸套和軸心間填入了兩排滾珠，物理接觸註定了這種方案有天然的基礎噪音，也就是鋼珠滑動的聲音。同時它非常嬌貴，鋼珠的滑道如果出現微小凹陷或潤滑油裏有灰塵，就會在運行時產生額外的噪音，這也使得這種風扇非常考驗包材和運輸。正是因爲這些缺陷，雙滾珠是我個人最不喜歡的軸承，但這阻擋不了社區中有一些雙滾珠狂熱愛好者，希望不要惹毛他們。

【爲什麼要換風扇？---尾聲】

我們在上期水冷文章中提到，現在的水冷大多自帶外觀屬性，水冷扇也必須是花裏胡哨的，爲了走線美觀這兩年甚至還發展出了磁吸賽道。這些美麗的小廢物通常性能都很差，拜此所賜，市售的絕大多數水冷差不多也就能發揮個8成性能。

可能有觀衆會問，水冷行業這麼卷，照你的說法換個風扇性能不就蹭蹭往上漲？這就要說到這個問題的關鍵了----性能扇真的不便宜。拿網紅性能扇T30來說，一把就差不多要120塊，而它絕不是什麼很貴的性能扇。這樣的風扇一套水冷需要3個，這對於主流3-400區間還要帶屏幕的水冷來說是天方夜譚。

追風者T30

那麼現在市售水冷風扇成本大概是多少呢？

10塊。

沒錯就是10塊，就這還不算多的。這些風扇通常是東莞生產，廠商會根據他們的廠址就近採購，在這個價格下廠商的要求也很簡單，除了外觀就是別壞太快，性能相比之下就不在考慮中了。我們最後拿同一品牌的兩款風扇作個簡單對比，其一我們選擇酷冷的莫比烏斯VX120，這款風扇是冰神B系列的標配冷排扇，零售價格在60元左右；而對手則是同家新品M120，價格爲120元左右，數據來源是開頭提到的風向標。