10.1冷却器振动噪声分析
冷却器噪声主要是由风扇和油泵共同产生的，而风扇的噪声与风叶形状、扭角、平衡，以及旋转轴承和电机电磁声有关；油泵的噪声来自油泵叶轮动平衡和油泵电机电磁声。无论是风扇还是油泵其噪声都同自身运行的振动和声源传播存在一定关系。叶轮设计通常比较成熟，主要是叶轮在制作工艺方面，旋转叶轮失衡而产生振动。
风扇或油泵其叶轮动静平衡是振动的主要因素，这种不平衡的存在，导致机械振动值超差，不仅引起轴承、联轴器等部件过早损坏，还产生大量噪声。现用数学微分方程加以说明，假设该设备的质量为M，叶轮转子质量为m，偏心距为e，叶轮转子动角速度为ω。设备水平方向运动受到约束，只允许作垂直运动，故可看作是一个单自由度系统。
取系统静平衡时转子的旋转中心（集合中心）位置为广义坐标原点，广义坐标x表示机器非旋转部件质量M－m在铅垂方向运动的位移，向上为正，故偏心质量的位移为x＋esinωt。
以MX0/（me）和为纵坐标的旋转失衡频率响应曲线。在低速旋转时（即睘虫1），激励力me睘2较小，振幅起始于零。当睘＝1时，系统发生共振。放大因子μ＝1/2ξ，即MX0/（me）→1/（2ξ）机器的振幅为X0＝me/（2ξM），而机器的位置与离心力之间的相位差为π/2，当机器通过平衡位置向上运动时，不平衡质量m在旋转中心的正上方。
在高转速时（即睘冲1），MX0/（me）→1.0，振幅X0≈me/M。me/M是机器偏离平衡位置的幅值，而转速ω的轻微变化不会改变这一振幅，即保持为一常数。它与激励频率和系统中的阻尼无关。当机器运动到最高点时，偏心质量m刚好在最下方，相位差为π。
在实际工程中，对有些机械，如破碎机、搅拌机等，人们有意在轴上加偏心质量以达到破碎和搅拌的效果。
由于叶轮不平衡，所产生轴的扭转振动以及风机支撑的振动，支撑架的振动。可从以下微分方程分析得到：
1.轴的扭转振动
假设长度为dx的等截面直圆微分轴段，θ（x，t）为扭转角，T（x，t）为扭矩，J为单位长度轴段绕纵轴的转动惯量，IP为轴截面的极惯性矩，P为质量密度，G为材料的剪切模量。
2.微分方程的解
由于轴的扭转振动方程与杆的纵向振动运动方程的形式完全一样，可直接写出式（10‐7）的解为：
θ（x，t）＝A1sinωx/b＋B1cosωx
b（C1sinωt＋D1cosωt）＝Asinωx/b＋Bcosωx/bsin（ωt＋φ）（10‐8）
3.支撑杆及网罩等产生的振动
其运动的微分方程，设有一根均质等截直杆。符号规定u（x，t）为轴向位移；F（x，t）为作用在横截面上的轴向力；为单位长度伸长量；A为直杆的横截面积；E为拉压弹性模量；ρ为质量密度。
4.支撑的震动微分方程
当系统按某一个固有频率振动时，系统中各质点同时经过系统的静平衡位置，也同时到达偏离平衡位置的最大值，即系统上各质点的振幅有一定的比例，它与时间无关。
连续系统可看作自由度趋向于无穷的多自由度系统，它有类似的特性。
5.冷却器架梁的振动及方程
架梁运动微分方程，设直梁作横向弯曲振动。若梁的横向位移仅由弯曲引起，这种梁模型称为“欧拉－伯努利梁”。设Q（x，t）为剪力，M（x，t）为弯矩，I（x，t）为梁截面绕中性轴的惯性矩，A（x，t）为梁的截面积，r为材料的质量密度，E为材料的杨氏模量。
6.各部件振动的控制
冷却器动力源风扇和油泵中的叶轮，必须先进行静平衡调整，然后组装后再进行动平衡试验。在确保叶轮静动平衡满足要求的情况下，通过调整设备系统固有角频率以避开共振，或快速通过共振区；根据共振区内阻尼控制系统响应的原理，用增加阻尼耗散能量来降低响应；用动力吸振器来吸收振动能量，以减少主系统的振幅。
特别是风扇，振源来自电动机和叶片连接部分，都应固定在风筒的支架上，而风筒焊接上冷却器本体内，这就需要隔振，使振源产生的大部分能量由隔振装置吸收，以减少振源对设备的干扰。因为根据力传递原理，振源的机器安装在刚性的设备中，它的振动将通过刚性件不折不扣地传递给本体冷却器翅片管等，其中m表示设备的质量，为弹性装置的刚度，c（或h/ω）为弹性装置的阻尼。当机器的振幅为X0时，它传递到底座上的力有两部分：一部分通过弹簧传递到地基上，即弹簧力X0；另一部分是由阻尼器传到地基上的力，即阻尼力cωX0（或hX0）。
当系统的固有频率远大于激励频率时，隔振效果，反而会将原来的振动放大。当睘冲1时，系统还要产生较大的共振振幅。因此，隔振器应避免在这一放大区工作。
当睘＞2的区域，S＜1。振动隔离才有可能，称为隔振区。关于隔振区设计者是很重要的。应该注意，在这个区域，阻尼不应过大，否则对隔振不利。
变压器油泵振源一端与变压器进口管联接，另一种与冷却器出口管联接，其两端联接处用橡胶密封件，一方面防止渗油，另一方面也是一种隔振装置，这是一种被动隔振措施，可以用位移传递原理加以分析。
10.2噪声传播及控制
噪声是由声源发出通过声场传播。声源的振动都是时间的复杂函数，声压也是如此，不同频率的声波满足线性叠加关系，可以利用傅里叶变换将一般的时间过程分解成简谐成分的叠加。对于冷却器声源只有油泵和风扇二个声源，至于变压器运行电磁声与油泵、风扇相比可忽略不计。因此，只要分析这二个动力源的声波动，再利用线性叠加原理，就可以得到整个声场的情况。
1.声源与声场的度量
度量声场中声波强弱最常用的物理是声压。虽然声压是声场中的某点空气绝对压力与平衡压力之差，可正也可负，但一般仪器测量的是声压的均方根值，也称为有效声压。
声波的传播过程伴随着声能量的传播，与声场能量有关的物理量有声强、声能量密度和声功率。声强表示声能流强弱和方向，声源声功率的大小则表示其辐射声波本领的高低。
关于声强，有两点必须明确。首先，声强实质上是矢量，它不仅有大小，还有方向，它的方向就是声能量传播的方向，在理想流体媒质中，声强矢量的方向取决于质点振速的方向。因此利用测量出的声强矢量分布图可以清楚地表示出声能的强度与流向；其次，声强与声压或质点振速的平方成正比，在质点振速相同的情况下还与媒质特性阻抗成正比，这意味着在相同的速度激励条件下，特性阻抗大的媒质可发射出较大的能量。
声能密度是声场中单位体积的声能，包括媒质质点的动能和势能。媒质质点在平衡位置附近往复振动时具有了振动动能；在媒质中产生压缩及膨胀等变形，使它具有弹性势能。
声源在单位时间内发出的声能量用声功率度量，声功率记作W，单位为瓦（W）。
必须指出，声压或声强表示的是声场中某一点声波的强度，而声功率表示声源辐射的总强度，它与测量距离及测点的具体位置无关，所以，讨论机械噪声源声学特性时，声功率具有更好的可对比性。
2.平面波声场
声波传播的过程中，所有振动幅值和相位相同的点组成的面称为波阵面（或波前）。
波阵面是平面的声波称为平面波。如果在无限均匀的媒质里有一个无限大的刚性平面沿法线方向往复振动，这时在空气中产生的就是平面波。在实验室的声管中，凡频率在声管截止频率以下的波在管内也是以平面波的形式传播的。
ω为角频率，ω＝2pf，单位为rad/s。将式（10‐49）代入（10‐48）得出与声压空间分布p（x）有关的常微分方程，即：
d2p（x）/dx2＋k2p（x）＝0
式中k称为波数，k＝ω/c0＝2p/l，单位为rad/s，于是求得p（x）的解为：
p（x）＝pAe－ikx＋pBdikx
式中pA，pB为复常数（包括初相位），由边界条件及初始条件确定。声波方程的通解为：
p（x，t）＝pAe/i（ωt－kx）＋pBei（ωt＋kx）
上式右边第一项代表沿x轴正方向的行进波，第二项代表沿x轴负方向的行进波。
在无限媒质中的声场，若无障碍物，也不存在边界反射，可令第二项pB＝0。
因此平面波声场表达式为：
p（x，t）＝pAe/i（ωt－kx）（10‐50）
pA是由初始条件和声源表面振速（在x＝0处的振速，即边界条件）决定的复常数，它的模为简谐波的振幅，它的相位为此波的初相位。
参数ω和k是表示平面波声场的两个参数。其中，角频率也可改写为ω＝2p/t，表示在时间域中，每秒时间间隔对应的相位角的变化；波数k＝2p/l，表示在空间域中每米长度对应的相位角变化。它们的值均随着声波频率的增高而变大。因此可以认为ω是时间域的角频率，是空间域的角频率。
3.二声源声场
工程中遇到的实际声场虽然比较复杂，但常常可以近似分解为一种或几种典型声源模型的组合。理论上主要考虑几种典型的声源模型，它们的辐射声场具有不同的方向特性和几何衰减特征，分别称为单极子、偶极子和四极子声源。
偶极子声源的物理模型可以由相距很近的两个强度相等、相位相反的单极子声源表述。相距很近是从声学意义上讲的，即距离远小于所考虑的声波波长。根据单极子辐射声场的表达式p（r）＝Ar/e－ikreiωt，可以求出偶极子的辐射声场。
4.噪声的传播
声波场的变化由声源确定，声波传播的速度简称为声速。定义为单位时间内波阵面传播的距离。设平面声波经过时间后具有同样声压值的波阵面传播了距离Δx，即：
p（t0，x0）＝p（t0＋Δt，x0＋Δx）。
5.噪声的控制
冷却器的噪声既有风扇机械结构振动性噪声，又有流体中存在非稳定过程，湍流和气流脉动，流体与管壁相互作用而产生管内噪声，出入口处辐射噪声。从噪声的定义知道，控制噪声就从声源、路径和接受者三个环节考虑。噪声源主要是机械振动，包括机械振动本身和机械振动转播，前者是机械系统的设计问题，后者则是隔振措施的设计问题，对空气动力噪声源要控制气体振动的产生，要防止气体中压力突变和涡流等。在技术中就应注意低噪声优化设计，在低噪声结构设计中，要对那些可能出现高变力的工作方式、工作过程或零部件（包括构形、材料、加工等）给予足够重视。
控制噪声传播途径是噪声控制的另一个环节。通过限制和改变噪声的传播途径，使噪声在传播的过程中衰减，以达到减少传递到接受者能量的目的。噪声传播控制可利用平面声波的反射和透射原理，采用吸声材料或特殊结构，使一部分声能被介质吸收，转变为热能，以至声波强度随传播距离而减弱。
平面是形式最简单的波，对它在不同介质面上行为的分析有助于理解界面对声波的一般作用。
平面声波沿x轴正向传播，垂直入射到位于（x＝0）的两种介质的分界平面上。给定入射波为pi，设反射波为pr，透射波为。
