【正文】 錯誤 !未定義書簽。 第一章 引言 1 第一章 引言 當高速列車通過隧道時，列車與隧道內(nèi)的空氣之間發(fā)生強烈的相互作用，誘發(fā)一系列空氣動力學效應，較突出的就是洞內(nèi)列車行車阻力增大、在隧道內(nèi)部形成很大的瞬變壓力，這種壓力變化以壓縮波的形式接近聲速在隧道內(nèi)傳播，當壓縮波傳播到隧道出口時，大部分能量以膨脹波的形式向隧道內(nèi) 反射回去，造成隧道內(nèi)壓力波動，影響乘車舒適度；同時也向外輻射出一低頻脈沖波，這種脈沖波產(chǎn)生的爆炸聲可達 140~150dB 甚至更高的聲壓級 [1]，對周邊環(huán)境造成嚴重危害，這種低頻脈沖波 被稱 為 “微氣壓波 ”，其產(chǎn)生示意圖見圖 [2]。 進 口 出 口列 車隧 道壓 縮 波微 氣 壓 波 圖 隧道出口微氣壓波產(chǎn)生示意圖 由 ， 微氣壓波是由部分隧道內(nèi)的壓縮波轉(zhuǎn)化而來的脈沖波，其產(chǎn)生過程經(jīng)歷了三個階段 [3]： (1) 高速列車 進入隧道內(nèi)產(chǎn)生壓縮波； (2) 壓縮波在隧道內(nèi)傳播； (3) 部分壓縮波轉(zhuǎn)變?yōu)槲鈮翰ㄏ蛩淼莱隹谕馑南騻鞑ァ?微氣壓波與壓縮波具有密切的關(guān)系， 這種關(guān)系最早由 日本神奈川技術(shù)研究所 的 Yamamoto在 1974年提出：微氣壓波的壓力值 P 與到達隧道出口端的壓縮波的梯度 pt??成正比 [4]： 02( , )ExApP r t c r t???? ?????? () 第一章 引言 2 其中， A 是隧道橫斷面積； ? 是代表隧道出口處環(huán)境狀況的三維立體角弧度數(shù)，微氣壓波在其范圍內(nèi)傳播； r 是測點與隧道出口處線路中心點的距離； 0c 為聲速； ? ?Expt??為隧道出口處的壓縮波對時間的梯度。 1997年， 日本九州大學的 Matsuo提出了壓縮波 梯度最大值 ? ?maxdp dt與壓縮波 p 的關(guān)系式 [5]： maxdp U pdt kD??? ????? () 其中 D 為隧道 的 直徑， U 為列車的速度， k 為一系數(shù)，與列車頭的形狀和長度有關(guān)， k 的典型值在 ~。 p 的經(jīng)驗公式最早由 英國倫敦大學的 Woods和 英國鐵路局得比研發(fā)部 的 Pope在 1976年給出 [6]： 220 2 2 2 2112 ( 1 ) ( 1 / 2 )p P M MM?? ? ? ? ????? ??? ? ? ??? () 其中 p 為壓縮波的聲壓， ? 為空氣的比熱， 0P 為標準大氣壓， 1???? ， ? 為阻塞比 (即列車橫斷面積和隧道橫斷面積之比 )， M 為馬赫數(shù)。 美國波士頓大學的 Howe在 1998年給出 p 和 pt??的經(jīng)驗公式 如下 [7]： 2021 Up M??? ? () 3 602m a x 0 . 6 4 1 . 3 , 0 0 . 61UpM Mt R M?????? ? ? ? ??????? () 其中 0? 為空氣的密度， R 為隧道的半徑。 經(jīng)過實驗的驗證，當 M 時，公式 ()和 ()的誤差不超過 5%。 ()式與 ()式是 同一結(jié)論的 兩種不同的表達方式，在數(shù)值上是 近似相等的。 以上的式子主要集中于幅值的表達上，但還沒有給出微氣壓波和壓縮波的動 態(tài)表達式 (主要指隨距離、時間的變化 )。 Howe在 1998年運用精確聲學格林函數(shù)對線性聲波方程求解，給出了壓縮波及其梯度的動態(tài)表達式如下 [8]： 第一章 引言 3 ? ? * 30( , ) ( , , ) ( )Up x t q x U t y z dAx? ??? ? ? ? ? ??? ??? xx () ? ?2 2* 30 2( , ) ( , , ) ( ) dUp x t q x U t y zt A x?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ???? xx () 其中 ()q x Ut,y,z? 為源的強度， *? 為 隧道入口處三維無旋、不可壓流動的滿足Laplace方程的 速度勢函數(shù)。 同 年 ，他 指出 壓縮波的幅度 p 主要取決于列車的速度 U 、阻塞比 ? 。 p 與 2U 成正比，隨阻塞比 ? 的增大而增大。而壓縮波的 “上升時間 ”(指壓縮波達到峰值的時間 )取決于列車車頭的形狀、隧道入口 的形狀和環(huán)境 [9]。 韓國漢城國立大學的 Yoon等人 在 2021年 指出，微氣壓波的幅度隨列車速度 U的增大 (等價于馬赫數(shù) M 的增大 )而增大 [10]；低速時，列車以 45? 角傾斜駛?cè)胨淼浪a(chǎn)生的微氣壓波比非傾斜駛?cè)胨淼浪a(chǎn)生的微氣壓波要小，但當列車速度超過 380km/h( ? )時， 情況剛好相反；微氣壓波隨阻塞比 ? 的增大而增大；微氣壓波隨列車車頭的長度的增大而減??；同時，碎石道床有吸聲作用 (特別是在低頻 )，它增加了能量耗散和壓縮波的散射，可以減小微氣壓波；通風井可起到很好的降噪作用，可代替成本較高的擴張式入口隧道。 英國 貝爾法斯特女王大學的 Raghunathan、韓國安東國立大學的 Kim和 日本 佐賀大學的 Setoguchi在 2021年 指出， 拋物面型的列車車頭相比橢圓型、圓錐面型列車車頭更能降低壓縮波的梯度，從而降低微氣壓波的幅度 [11]。 由前面可知，微氣壓波的產(chǎn)生主要取決于兩個方面： (1) 壓縮波的產(chǎn)生； (2) 壓縮波在隧道里的傳播。針對這兩個方面，科學家提出了減小微氣壓波的許多措施。如 從壓縮波產(chǎn)生過程的角度，增加壓縮波的上升時間 (達到幅值的時間 )，如對列車車頭形狀和長度進行優(yōu)化設計，對隧道口進行優(yōu)化設計，在隧道入口處增加一段橫截面積大于隧道橫截面積的緩沖棚等 [12]。從壓縮波傳播過程的角度，改變壓縮波波陣面的形狀，如在隧道中放置一些物體或裝置，將最初的壓縮波分成幾個較弱的波，或在隧道里修建一些旁支隧道，或增大部分隧道的橫截面積，改第一章 引言 4 變其聲 阻抗，或在隧道出口處加一擴張室 [13]。此外，碎石道床與板式道床相比，產(chǎn)生的微氣壓波更小，隨道的壁面對壓縮波的傳播也有重要影響 [12]。 在以上所有措施中，研究最多的是對隧道口的改進，特別是對緩沖棚和擴張式隧道口的研究，帶通風孔的緩沖棚可以增加壓縮波的上升時間，從而減小壓縮波的時間變化率 (習慣上稱為梯度 )，減小微氣壓波。 由于聲場比較復雜，針對這些措施的理論研究部分還局限在定性的層次上，這些結(jié)論羅列如下： (1) 拋物面型的列車車頭相比橢圓型、圓錐面型列車車頭更能降低壓縮波的梯度，從而降低微氣壓波的幅度 [14]； (2) 對于普通的隧道，壓縮波的厚度 CWh R M? ，而對于加了緩沖棚的隧道， CW hoodh L M? ( hoodL 為緩沖棚的長度 ) [15]； (3) 無論馬赫數(shù)大小如何，理想的緩沖棚都具有這樣的性質(zhì)：壓縮波聲壓的增長是線性的。這樣它的梯度才最小，微氣壓波的幅度才最小 [15]；(4) 若要快速放置碎石道床 (或叫沙囊， ballast)以減小微氣壓波，應放在靠近出口的上游隧道里，而不是均勻的 分布于整個隧道 [16]； (5) 不論隧道有沒有緩沖棚也不管緩沖棚的形狀如何，隨著馬赫數(shù) M 的增大，經(jīng)過壓縮波陣面上的聲壓都在以 ? ?211M? 的倍數(shù)增大 [17]。 但對帶通風窗的緩沖棚和連續(xù)漸變擴張式入口隧道的研究已經(jīng)有了定量的結(jié)論， 已經(jīng)得到了 低馬赫數(shù) ( ? )下緩沖棚的通風窗等間隔均勻分布的情況下緩沖棚所滿足的關(guān)系式 和連 續(xù)漸變擴張式隧道入口的橫截面積 所需要滿足的關(guān)系 式。 以上對微壓波的預測和控制的研究方法為： (1) 理 論公式的推導； (2) 對 Euler方程或 NavierStokes 方程進行數(shù)值求解和數(shù)值模擬； (3) 進行 縮尺模型實驗或現(xiàn)場測量，獲取壓縮波和微氣壓波的數(shù)據(jù) 。 這些數(shù)據(jù)為理論預測提供了很好的參照和證明。 本文 以聲波方程為基礎， 求解 高速 運動的 列車 進入圓柱形隧道在隧道內(nèi)產(chǎn)生的聲場，并提出 有源控制方法 ：在初級聲場的聲源處通過放置一壓縮空氣包 (或空氣泵 )以減小聲源的強度，從而降低壓縮波上升的陡度，降低微氣壓波的強度。加入 計算控制源產(chǎn)生的次級聲場，根據(jù)初級聲場調(diào)整控制源的幅值和相位等參第一章 引言 5 數(shù)，以降低微壓 波的強度。 全文主要分為以下幾個方面： 第一章對 微壓波的產(chǎn)生及其控制 做了簡單介紹，回顧了前人所做的工作， 提出了 本文主要研究的內(nèi)容。 第 二 章將列車和隧道均視為圓柱體，根據(jù)聲波方程和邊界條件求解運動列車在隧道內(nèi)產(chǎn)生的 初級 聲場 ，并根據(jù)理論結(jié)果做數(shù)值模擬，對結(jié)果進行討論 。 第三章 提出 兩種 有源控制方法， 對間接控制方法， 在原聲場的聲