電梯轎廂噪聲控制研究

1、文章編號(hào)：1006-1355(2006)01-0080-04電梯轎廂噪聲控制研究陸志華，王水來(上海三菱電梯有限公司，上海200245)摘要：通過噪聲傳遞路徑模型分析了電梯系統(tǒng)中的噪聲傳遞。分別從空氣傳聲和 固體傳聲兩方而提出了隔聲降噪措施。一、在空氣傳聲方面考慮隔聲罩各參數(shù)對(duì)噪聲傳遞的影響，并進(jìn)一 步確定隔聲罩結(jié)構(gòu)；二、在固體傳聲方面將電梯系統(tǒng)視為剛度質(zhì)量阻尼系統(tǒng)，分析系統(tǒng)振動(dòng)特性。結(jié)合振動(dòng)模態(tài)分析，通過修改轎壁局部剛度的方法實(shí)施降噪。以上措施有效地降低了轎廂內(nèi)的噪聲。關(guān)鍵詞：聲學(xué)；噪聲控制；傳遞函數(shù)；電梯中圖分類號(hào)：tu976+.3tu 112.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：aresearchonthen

2、oisecontrolofanelevatorcabinluzhi-huawangshui-lai(shanghaimitsubishielevatorco.ltd.shanghai2002459china)abstractthenoisetransferprobleminelevatorsystemsisdiscussedthroughthetechniqueof soundtransferpathanalysis.twomethodsareusedtoseparatethenoise.firsttheinfluenceofa soundinsulatortothenoisetransfer

3、functionisconsideredwhennoiseistransferredbytheair.ac有cordingtothetransferfunctionadetailedconstructionofthesoundinsulatorisdefined.secondlytheelevatorsystemismodeledasastiffnessmass dampsystemwhenthenoiseistransferredthroughthestructure.vibrationcharacteristicsofthestructureareanalyzedandwiththesem

4、odalanalys isre 冇suits9thestiffnessofthecabinwallismodifiedwhichresultsinaneffectivereductionofnoiselevelinthecabin.keywordsacousticsnoisecontroltransferfunctionelevator收稿日期：2005有04有 15作者簡(jiǎn)介：陸志華（1969-）,男，江蘇漂陽人，博士，從事電梯機(jī)械設(shè)計(jì)以及電梯系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲控制研究。噪聲主要是以空氣和固體傳遞的方式傳播，因此在噪聲傳遞路徑上主要有空氣聲隔離與固體聲隔離兩種。空氣聲隔離通常能有效降低噪聲源附近的

5、聲壓級(jí)；固體聲隔離則能有效地阻斷噪聲在固體中 的傳播。將空氣傳聲和固體傳聲統(tǒng)一在一個(gè)模型中 進(jìn)行分析，稱噪聲的傳遞路徑分析。噪聲的傳遞路 徑分析主要是以“傳遞函數(shù)”為基礎(chǔ)。噪聲控制實(shí)際 上是盡可能減小噪聲在其傳遞路徑上傳遞函數(shù)的幅 值或傳遞率。傳遞率的概念已廣泛應(yīng)用于機(jī)械振動(dòng) 研究。從固體傳聲的角度考慮，機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞率同樣反映了噪聲的固體傳遞特性，因此涉及機(jī) 械振動(dòng)控制的振動(dòng)測(cè)試、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力 學(xué)。機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)同樣可應(yīng)用于固體傳 聲研究；另一方面，空氣傳聲的傳遞率可通過測(cè)試獲 得。因此以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的噪聲傳遞路徑分析技 術(shù)隨著測(cè)試和仿真技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，并在各領(lǐng)域

6、得到了廣泛應(yīng)用。傳遞率也己應(yīng)用于電梯系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲控制研究1-21。研究電梯機(jī)械系統(tǒng)傳遞函數(shù)時(shí)，可將電梯系統(tǒng)視為離散的剛度有質(zhì)量有阻尼系統(tǒng)建立模型。通過修改電梯系統(tǒng)中各構(gòu)件的質(zhì)量、剛度等參數(shù)減 小機(jī)械系統(tǒng)的傳遞率，能有效阻斷噪聲在電梯構(gòu)件 之間的傳遞。電梯振動(dòng)模型可分兩個(gè)層次：一、將電 梯轎底、轎壁和轎頂視為剛體，建立模型，通過振動(dòng) 理論求解或測(cè)試直接獲得傳遞函數(shù)；二、將轎壁、轎 頂?shù)葟霓I底分離岀來，視為單獨(dú)的連續(xù)體建立模型， 通過機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真求解或測(cè)試直接獲得傳遞 函數(shù)。為獲得轎壁等構(gòu)件的局部振動(dòng)特性，可預(yù)先 根據(jù)有限元計(jì)算獲得的振動(dòng)模態(tài)確定測(cè)試位置，配 合測(cè)試。本文以某電梯為研究對(duì)

7、象，從噪聲傳遞路徑分 析的角度分析問題。根據(jù)噪聲頻率和電梯振動(dòng)特性 判別噪聲源，通過設(shè)計(jì)隔聲罩控制空氣傳聲，通過改 變轎壁剛度減小其噪聲輻射，這些措施使電梯轎廂 內(nèi)噪聲聲壓級(jí)降低了2.8db(a)o1電梯噪聲傳遞路徑分析電梯轎廂內(nèi)的噪聲有曳引機(jī)、電機(jī)運(yùn)行噪聲、鋼 絲繩與繩輪之間的摩擦聲、導(dǎo)靴與導(dǎo)軌的摩擦聲、繩 輪及其零件的周期轉(zhuǎn)動(dòng)引起的電梯部件的結(jié)構(gòu)噪聲、井道內(nèi)的風(fēng)聲等。這些噪聲通過空氣或固體傳2006年2月噪聲與振動(dòng)控制第1期聲兩種途徑傳入轎廂內(nèi)。在實(shí)際降噪時(shí)需根據(jù)噪聲 的主要成份提岀相應(yīng)對(duì)策。電梯系統(tǒng)中噪聲的頻響 函數(shù)h(w)的形式可根據(jù)傳遞路徑分別定義。對(duì)于空氣傳聲h)elo)為空氣傳聲

8、時(shí)噪聲的頻響函數(shù)，可通過測(cè)試獲得；lo(w)和li(w)分別為噪聲輸岀和輸入聲壓信號(hào)的傅氏變換。對(duì)于固體傳聲，由于機(jī)械系統(tǒng)傳遞函數(shù)可反映 噪聲的傳遞特性，因此可以僅研究機(jī)械系統(tǒng)的傳遞 函數(shù)或頻響函數(shù)hs(w)e x0(w) xw)(2)式(2)中hs)為機(jī)械振動(dòng)的頻響函數(shù)；“xo(w)和 x1(w)分別為機(jī)械振動(dòng)輸出和輸入加速度的傅氏變 換。式(2)可通過測(cè)試獲得，也可通過理論建模，仿 真獲得。在實(shí)際降噪時(shí)可互相配合應(yīng)用。電梯系統(tǒng)中噪聲的傳遞路徑可有頻響函數(shù)表示，如圖1o圖1表示電梯系統(tǒng)中n個(gè)聲源通過空氣和固體傳聲由m(n)路徑傳遞。隔聲和減振降噪可根據(jù)測(cè)得的噪聲和振動(dòng)的吋域或頻域信號(hào)或傳遞

9、函數(shù)等展開3-4o圖1電梯系統(tǒng)中噪聲傳遞函數(shù)示意圖。圖中sca為空氣傳聲的噪聲源；scs為固體傳聲的噪聲源；dp為目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)。1.1空氣傳聲傳遞函數(shù)與空氣傳聲傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)的頻響函數(shù)ha(w)反映了隔聲裝置對(duì)不同頻率噪聲的阻隔特性，也稱 噪聲導(dǎo)納。根據(jù)它可指導(dǎo)隔聲罩、消聲器等設(shè)計(jì)。1.2固體傳聲傳遞函數(shù)由于機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)頻響函數(shù)hs(w)反映了噪聲的固體傳聲特性。因此固體傳聲的問題可轉(zhuǎn)化為 對(duì)機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)傳遞函數(shù)的研究。頻響函數(shù)hs(w)反映了機(jī)械振動(dòng)的傳遞特性，它取決于機(jī)械系統(tǒng)中質(zhì)量m、剛度k、和阻尼等參數(shù)。為降低固體傳聲，可通過改變頻響函數(shù)hs)達(dá)到兩個(gè)目標(biāo)：一、減小傳遞函數(shù)的值；二、防止共振

10、。這涉及模 態(tài)分析技術(shù)、或結(jié)構(gòu)修改技術(shù)、或靈敏度分析技術(shù) 等41o圖2電梯系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型電梯系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為圖2的形式。圖中2中的k1、k2、k34和c1、c2、c3、c4分別為承重橡膠、鋼絲繩、繩頭彈簧（或繩頭吊架支撐橡膠）和轎底 橡膠的剛度和阻尼系數(shù)；3和m4分別為曳引機(jī)、繩頭錐套、轎廂架和轎廂重量。當(dāng)轎壁為剛 體時(shí)，轎廂質(zhì)量m4包括轎底、轎壁和轎頂；當(dāng)轎壁為柔性體時(shí)轎底、轎壁和轎頂質(zhì)量須分開處理；p為轎壁上任意一點(diǎn)。電梯系統(tǒng)的頻響函數(shù)可通過振動(dòng)理論51或系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真的方法求解獲得6-8，也可通過測(cè)試獲得。傳遞函數(shù)可根據(jù)求解問題的需要定義。例 如，若曳引機(jī)上有一噪聲源通過固體傳聲傳到轎廂 內(nèi)

11、，則頻響函數(shù)h19p)e x pw ) x1()(3)式(3)xp(w）和“x1（w）分別為點(diǎn)p和質(zhì)點(diǎn)m1加速度的傅氏變換。根據(jù)式（3）可判別電梯系統(tǒng)特性。當(dāng)情況復(fù)雜時(shí)，還必須對(duì)路徑中其它構(gòu)件進(jìn)行測(cè)試。 通過模態(tài)分析技術(shù)，可判別噪聲被放大的部位。通 過適當(dāng)選取系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，可改變系統(tǒng)傳遞函數(shù) 的特性，以達(dá)到在噪聲傳遞路徑上控制噪聲的目的。 電梯系統(tǒng)中各種噪聲激勵(lì)通過固體傳聲，使轎 壁、轎門和轎頂?shù)犬a(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲，最終影響轎內(nèi)噪 聲。當(dāng)轎壁等結(jié)構(gòu)的固有特性與激勵(lì)特征接近時(shí)， 轎壁等結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生共振，并成為噪聲放大器，使轎 內(nèi)的噪聲升高；控制轎壁等構(gòu)件的振動(dòng)可降低轎內(nèi) 的噪聲。通過有限元法可獲得轎

12、壁振動(dòng)的基本模 態(tài)。根據(jù)轎壁模態(tài)的理論分析結(jié)果，可有目的地布1 8電梯轎廂噪聲控制研究置振動(dòng)測(cè)試吋的傳感器位置，獲得影響噪聲的主要 模態(tài)、修正轎壁的局部剛度，從而改變轎壁的振動(dòng)固 有振動(dòng)特性，達(dá)到控制轎壁振動(dòng)的目的。在電梯的噪聲控制中，我們成功地識(shí)別出對(duì)轎 壁振動(dòng)貢獻(xiàn)較大的模態(tài)，如圖3,其對(duì)應(yīng)頻率為55hzo圖3橋壁的某階模態(tài)圖4電梯滿載運(yùn)行時(shí)轎廂內(nèi)噪聲頻譜（無降噪措施）2電梯降噪研究電梯降噪工作就是基于以上方法展開的。根據(jù)對(duì)電梯系統(tǒng)中各構(gòu)件的振動(dòng)測(cè)試和多處（如機(jī)房、轎頂和轎廂內(nèi)等）噪聲測(cè)試結(jié)果，確認(rèn)電梯轎頂反繩輪與鋼絲繩的摩擦以及曳引機(jī)產(chǎn)生的激勵(lì)是影響 轎廂內(nèi)噪聲的主耍因素。為減輕轎廂內(nèi)噪聲

13、，這里 相應(yīng)采取了兩項(xiàng)措施：一、為轎頂輪設(shè)計(jì)隔聲罩；二、 通過修改轎壁局部結(jié)構(gòu)，改善轎壁局部振動(dòng)，減小轎 壁產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲。2.1轎頂隔聲罩設(shè)計(jì)為減小轎頂聲源產(chǎn)生的噪聲傳入轎廂內(nèi)，設(shè)計(jì)隔聲罩時(shí)考慮了隔振、減小隔聲罩發(fā)聲面積、提高密 封程度、采用吸聲、阻尼材料等，盡量使隔聲罩的噪 聲導(dǎo)納(w)在較寬的頻域內(nèi)保持較小值。圖5轎壁固有頻率特性圖6轎壁55hz附近的振動(dòng)模態(tài)圖7電梯滿載運(yùn)行時(shí)轎廂內(nèi)噪聲頻譜(有降噪措施)2006年2月噪聲與振動(dòng)控制第1期2.2轎壁局部結(jié)構(gòu)修改設(shè)計(jì)除了轎頂噪聲傳入轎廂內(nèi)外，還有部分噪聲是由轎壁產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲。這里經(jīng)過測(cè)試和分析提出 了改進(jìn)措施，即加強(qiáng)轎壁局部剛度，抑制轎壁

14、的局部 振動(dòng)和轎壁產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲。降噪過程如下。(1)轎壁修改前。電梯運(yùn)行時(shí)轎內(nèi)噪聲頻譜分析、電梯各構(gòu)件振動(dòng)測(cè)試、電梯靜止時(shí)轎壁固有頻率 分別如圖4、圖5所示。經(jīng)分析，可初步斷定曳引機(jī)1處(圖2)有一55hz附近的激勵(lì)與轎壁i古i有頻率較為接近。(2)轎壁模態(tài)分析、測(cè)試。通過有限元法計(jì)算獲 得的轎壁大致相應(yīng)振動(dòng)模態(tài)(圖6),指導(dǎo)模態(tài)測(cè)試，確定轎壁局部加強(qiáng)位置。(3)轎壁局部加強(qiáng)后。電梯運(yùn)行時(shí)轎內(nèi)噪聲頻譜分析，見圖702.3結(jié)果分析(1)轎廂內(nèi)噪聲譜比較圖4和圖7為采取減噪措施前后，電梯滿載運(yùn)行時(shí)轎廂內(nèi)噪聲頻譜。圖4顯示電梯在初始狀態(tài)下，轎廂內(nèi)噪聲在50-60hz的頻段內(nèi)有一個(gè)區(qū)域性的峰值；當(dāng)采

15、取降噪措施后該峰值明顯減小。從 聽覺上感到轎內(nèi)低頻噪聲明顯消失。(2)電梯轎廂內(nèi)聲壓級(jí)比較表1為電梯采取降噪措施前后轎廂內(nèi)聲壓級(jí)的測(cè)試結(jié)果。表1顯示在采取降噪措施前電梯空載運(yùn)行時(shí)轎內(nèi)噪聲在大部分時(shí)間內(nèi)聲壓級(jí)為49.6db(a),最大為51.6db(a);在采取降噪措施后電梯空載運(yùn)行時(shí)轎內(nèi)噪聲在大部分時(shí)間內(nèi)聲壓級(jí)為46.4db(a),最大為4&8db(a)o另一方面，電梯滿載運(yùn)行時(shí)轎廂內(nèi)聲壓級(jí)與空載時(shí)很接近，且在電梯運(yùn) 行過程中聲壓級(jí)始終保持平穩(wěn)。以上兩點(diǎn)說明木文采取的降噪措施是有效的。 表1電梯轎內(nèi)噪聲聲壓級(jí)無措施隔聲罩(轎壁加強(qiáng)) 空載db(a)空載db(a)滿載db(a)av. m

16、ax av. max av. max 上行49 51.2 46.2 48.3 46.6 49.5 下行49 50.6 46 47.5 46.5 48.7上行49.6 52 46.4 48.8 46.4 48.4下行49.5 51.6 46.5 48.9 46.5 48.5上行49.8 52.5 46.9 49.1下行49.5 50.8 46.5 48.5 46.7 48.7綜合*49.6 51.6 46.4 48.8 46.7 49.1*注：綜合欄中取相應(yīng)列第二高數(shù)據(jù)。3結(jié)語噪聲是評(píng)價(jià)電梯舒適性的重要指標(biāo)。本文分析 了電梯系統(tǒng)的傳遞路徑，力圖將噪聲的被動(dòng)控制歸 結(jié)為研究各因素對(duì)噪聲傳遞函數(shù)的影

17、響的問題。實(shí) 踐證明降噪措施是有效的。參考文獻(xiàn)：1張志誼，胡建友，等高速電梯振動(dòng)及噪聲控制中國(guó)電梯j.2000341-43.rl2 k.naiw.forsytheetc.improvingridequalityinhighspeedelevators.elevatorworld.l 997(6):88-93.31k.genuitj.poggenbergetc.,表面輻射噪聲的視聽化分析m1韓濤譯，上海：朗德科技公司4傅志方，華宏星，等模態(tài)分析理論和應(yīng)用m上海：上海交通大學(xué)出版社.2000.5胡宗武工程振動(dòng)分析基礎(chǔ)m1上海：上海交通大學(xué)岀版社985.shabanaaa.dynamicsofmul

18、tybodysystem .johnweley&sonsinc. 1989.7陸志華丄個(gè)具有接觸約束下多體機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模 型c1第一屆國(guó)際機(jī)械工程學(xué)術(shù)會(huì)議(icme2000)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.8廖伯瑜，周新民，尹志宏現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)及其工程應(yīng)用m1北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20041.(上接第79頁)6結(jié)語本文采用基于內(nèi)模型的自適應(yīng)反饋控制器，通過計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明能夠?qū)χ芷谛孕盘?hào)進(jìn)行最大限度的降低，并且對(duì)一般的裝置變化具有 較強(qiáng)的魯棒性。此控制結(jié)構(gòu)也可用于同類的有源控 制中。采用壓電陶瓷代替一般有源噪聲控制中的揚(yáng) 聲器作為次級(jí)聲源，具有體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，因 此在有源噪聲降噪中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)：1陳克安有源噪聲控制m1北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.21adaptiveactivenoisecontrolforheadphoneusingthe tms320c30dspapplicationreportr1.literaturenumberspra160texaslnstruments1997.31boazrafaely.feedbackcontrolofsou