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葛剑敏:勇攀声学高峰,探索永不止步
发表时间 2017-05-17 10:23 来源 本站原创
  随着城市化迅速发展和人们物质文化生活水平的提高,城市噪声污染日益突出,噪声污染对城市居民的健康带来很大危害。当前,城市环境噪声污染已经成为城市污染的一大公害,表现为影响人的身心健康,破坏城市生活环境,危害社会稳定,控制噪声污染已经成为现代社会发展中亟待重视和解决的问题。同济大学声学研究所责任教授葛剑敏长期从事环境声学、噪声与振动控制、汽车声学、交通运载工具结构声学优化设计和车辆系统动力学的研究,成果丰硕。   葛剑敏,1963 年 3 月生,河南洛阳人。 1985 年 7 月毕业于东北农业大学。 1999 年 3 月在吉林大学汽车工程学院获得工学博士学位。2001 年同济大学与上海华谊集团企业博士后出站并留校工作。现任同济大学声学研究所责任教授、副所长、学科带头人,上轮-同济轮胎噪声与振动技术中心主任。国家环保部环境工程评估中心常聘专家,中国振动工程学会振动与噪声分会副理事长,上海市学科评议组(物理学)成员,教育部学位评估专家组专家,中国声学学会环境声学分会委员,中国环境保护产业协会噪声与振动控制委员会专家。上海市航空学会委员,上海市航空动力学专业委员会委员。第六届全国轮胎轮辋标准化技术委员会SAC/TC19 委员,第六届全国汽车工农业机械轮胎轮辋标准化分技术委员会SAC/TC19 /SC1委员。美国国际汽车工程学会SAE会员。   钻研磁悬浮列车外噪音,硕果累累   磁悬浮列车是一种现代高科技轨道交通工具,它通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向,再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。   磁悬浮列车是当今唯一运营速度能达到500km/h的地面客运交通工具,它的投入运营是交通技术飞速发展的一个必然要求。它与传统列车相比具有加速时间短、爬坡能力强、空气污染小、能源消耗少等优点。上海的磁悬浮列车引进德国技术,采用的是“常导磁吸型”系统。这种系统由“异性相吸”原理设计,是一种吸力悬浮系统,用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁,和铺设在轨道上的磁铁,利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起。从龙阳路地铁站至浦东国际机场,线路的大部分轨道采用高架形式,全程30公里仅需短短7分钟,方便快捷的优点不言而喻。   磁悬浮列车运行时由于其轨道的磁力使之悬浮在空中,行走时不需接触地面,与地面轨道无机械接触,因此只受来自空气的阻力。因此也就克服了传统列车轮轨噪声大和磨损严重的缺点。但是由于磁悬浮列车的运行速度高,空气动力学噪声较大,特别是进入夜间运行时环境本地噪声较低,磁悬浮列的车噪声影响也就愈发明显。   磁悬浮列车产生的噪声主要来自推进及辅助设备噪声、机械辐射噪声以及空气动力学噪声。且随着列车速度的提高,空气动力学效应的影响也显著增加,甚至成为主要的影响因素。其噪声特性是频带较宽,以中频成分为主,在时域上表现出较明显的脉冲特性,并且次声频的声压较大,对人的心理和生理会产生不良影响。   磁悬浮列车噪声的一个很重要的特点就是声突发率高。声突发率指的是声压级在单位时间内上升的平均水平。由于磁悬浮列车高速运行,在其通过的瞬间轨道附近的声压级会有一个急速的提升,这种脉冲性较强的噪声给在轨道附近活动及居住的人群带来困扰,其中不少人表示会受到惊吓。   由于磁悬浮列车与轨道没有直接接触,因此行驶噪声主要以空气动力学噪声为主,频谱特性也就表现为中高频占主要成分。近场传声器阵列所测得的,磁悬浮列车以不同速度通过测试断面瞬间的噪声频谱曲线来看,随速度的增高,曲线整体往上平移,并且峰值向高频移动,这也是磁悬浮列车随速度增加对空气扰动愈发明显的表现。   在测试的过程中,葛剑敏除了在磁悬浮轨道一侧布置了近场传声器阵列之外,还在同一高度,不同距离的位置设置了传声器,用以研究磁悬浮辐射噪声的影响范围。以300km/h的工况为例,在距离车体断面中心不同距离处的传声器所测试得到的列车通过噪声频谱曲线显示,在25m的距离下,声压级总值仍然有87.7dB。可见在夜间行驶时,磁悬浮列车的噪声问题还是比较严重的。   经过一系列的研究和计算,葛剑敏教授取出以下成果:   1.磁悬浮列车行驶时以空气动力学噪声为主,频谱成分以中高频为主。   2.夜间300km/h的磁悬浮列车声突发率近场为18.1dB/s,22.5m处为15.8 dB/s,对人的烦恼度影响较大。   3.随着磁悬浮列车速度增加,频谱曲线峰值向着高频移动,以300km/h的速度运行时,25m处噪声值在80dB以上。   精研路面特性对车辆振动影响规律   葛剑敏教授对软路面上车辆的扭转、垂直和纵向振动进行了研究,首先对振动车辆进行单因素(路面不平度、胎压、路面抗压强度和牵引负荷)分析,找出对车辆振动影响显著的因素及影响规律,在此基础上对影响振动的多因素进行正交试验,分析交互作用对车辆振动的影响规律。同时,对不同路面条件下振动进行研究分析。随着路面波形频率、路面抗压能力、轮胎气压和牵引负荷的增加,车辆扭转、垂直和纵向振动增加。对于垂直振动、扭振和纵向振动,其主要影响因素各不相同。   轮式车辆传动系扭转振动和垂直振动影响着车辆的行驶动力性、平顺性、通过性和各零件的寿命,也是车辆产生噪声的原因之一。车辆振动与噪声不仅影响车内环境,导致驾驶员和乘客的不舒服感觉和疲劳增加,严重影响驾驶员工作效率,而且还造成外部环境的噪声污染。   路面不平度是引起车辆振动的主要激励源。大量的试验研究和理论分析表明,在轮胎与路面的相互作用过程中,引起车辆振动的位移激励并不完全是路面的原始不平度,而是路面的有效不平度。有效不平度产生于轮胎与路面的相互作用。在轮胎与软路面的相互作用过程中,轮胎和路面均产生变形;在轮胎与硬路面的相互作用过程中,只有轮胎产生变形。车辆振动还直接影响路面的寿命,使轮胎产生的噪声明显增加。影响车辆振动的因素既多又复杂,葛剑敏教授通过对影响车辆振动的若干因素进行单因素和多因素试验,找出影响车辆振动的主要因素,为实现车辆动态优化设计、提高强度和可靠性提供了理论依据。   试验使用BJ212越野汽车,牵引负荷车控制试验用车的滑转率。试验因素及水平:路面条件为平直软路面、硬路面、沥青路和特制波形软路面;斜交轮胎6.50-16,胎压为320、250、160kPa;速度为分动器低挡,变速器Ⅰ、Ⅱ挡;牵引力可稳定控制在0.50~12kN;驱动形式为前后驱动。测量信号有前后半轴扭矩、前后车桥垂直加速度、前后车架垂直加速度、整车纵向振动加速度和牵引力。   葛剑敏教授对于车辆振动的单因素实验分析分为四个方面:路面波形对车辆振动的影响、路面抗压能力对车辆振动的影响、轮胎气压对车辆振动的影响、牵引负荷对车辆振动的影响。   葛剑敏总结了路面特性对车辆振动影响的规律:   (1)由于各振动之间的相互作用和影响使车辆产生耦合振动,且振动主要由路面激励引起。   (2)随着路面波形频率的增加,车辆振动增加,其中扭振与纵向振动增加幅度较大。前轮的垂直振动、扭振和纵向振动比后轮大。   (3)随着路面抗压能力的增加,半轴扭矩及各部位振动的均方根值相应增加。   (4)随着轮胎气压的增加,半轴扭矩均方根值相应增加。软路面上扭矩的变化最大,硬路面上次之,沥青路变化最小。   (5)随着牵引负荷增加,半轴扭矩增大。在小负荷时,前半轴扭矩大于后半轴扭矩;当负荷增大到一定程度时,后半轴扭矩大于前半轴扭矩。   (6)对于前后半轴的扭矩,路面波形频率Ω和路面抗压能力Kt的交互作用对其扭振影响最显著。对于前桥垂直振动,路面波形Ω单独作用影响最大,其次是Ω与P的交互作用。对于纵向振动的均方根值σx影响最大的是路面波形频率Ω,其次是胎压P,交互项作用对其影响很小。   葛剑敏教授的研究工作涉及环境、道路、磁浮列车、汽车、铁路列车、航空、航天和家电等领域。主要研究成果(作为第一负责人)有:国家 863 “高速磁浮交通技术重大专项”中 “ CM1 磁浮车辆吸声结构优化设计与材料选购及整车隔声测试”等 4 个子项目;上海市科委重大项目“低噪声沥青混凝土路面及混凝土材料研究与示范”;中国运载火箭研究院的新一代运载火箭整流罩隔声降噪试验研究、航天五院的控制力矩陀螺整机声学分析、航天七院的空间站睡眠区隔音降噪设计与验证工作、航天八院的卫星和航天器的外声场虚拟试验技术研究和空间站噪声分析及控制、中科院空间技术与应用中心的热控抽屉降噪试验与分析、青岛四方机车车辆股份有限公司“高速动车组振动噪声研究与控制”和“CRH380AL高速列车结构噪声与空气噪声分离研究”、第一飞机设计研究院“飞机噪声测试”和“隔音降噪理论分析计算及降噪选材、隔声选型试验”等子项目。上海市纵向协作项目“轻卡低噪声轮胎的试验研究与应用”;“降低洗碗机工作噪音研究”等。引进资金和设备 600 多万元建立国内第一个轮胎噪声实验室和轮胎噪声测试拖车测试系统,并负责起草国家第一个轮胎噪声以及路面噪声测试规范和标准。完成GB/T 22036-2008《轮胎惯性滑行通过噪声测试方法》标准起草、GB/T 32789-2016《轮胎噪声测试方法-转鼓法》国家标准起草、《轮胎惯性滑行通过噪声测试方法》修订起草人。完成TC 31 N 936 - NWIP - Tyre noise test—Methods of drum,ISO/NP 20908标准工作组WG11标准召集人,正在起草ISO轮胎噪声标准和修订ISO13325标准。论文“轮胎模态试验及在轮胎结构设计中的应用研究”荣获第十一届全国轮胎技术研讨会优秀论文二等奖。“高效节能安全无内胎卡客车轮胎系列化生产(2014CXY-I-DQY-01)”获得2014年上海产学研合作优秀项目奖和优秀个人奖。   葛剑敏编著的《汽车声学(同济大学研究生教材)》是同济大学研究生教材出版基金支持项目,是“声学系列教材”之一,主要内容是从噪声产生的根源上阐述解决交通噪声的问题。在这本书里详细论述了交通噪声从噪声源上评价和控制的基本原理和措施,突出应用性,尤其注重学生综合能力的培养,并尽可能反映近几年国内外在汽车噪声和振动控制中取得的最新研究成果。此书可作为普通高等学校理科和工科等各研究生或本科生的专业教材或参考书,也可供从事环境保护、车辆设计、轮胎设计和交通噪声控制等工作的工程技术人员参考。   成绩背后,倾注的是葛剑敏多年的心血。他一直从事声学和车辆工程专业的教学、科研和实验室工作,倾情科研,严谨治学,在声学的高峰上,从未停下科研的脚步。
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