1、本 科 毕 业 论 文院 系 电子科学与工程系 题 目 高速列车进入隧道产生的微压波及其控制研究 年 级 专 业 声学 班 号 学 号 学生姓名 指导教师 职 称 论文提交日期 摘要高速列车进入隧道产生的压缩波传播到遂道出口时，会向出口外辐射一低频脉冲波，这种脉冲波产生的爆炸声可达 140150dB 甚至更高的声压级，对周边环境造成严重危害，这种低频脉冲波被称为“微气压波”。本文以声波方程为基础，根据无扰动边界假设，对高速列车在隧道内产生的压缩波进行计算，根据理论结果作了数值模拟，通过与文献中理论和数值模拟结果的对比，显示出了很好的一致性。在此基础上，根据微气压波与压缩波的梯度成正比的性质，提
2、出两种有源控制方法，并对间接控制方法作了理论分析和数值模拟，结果显示了有源控制的可行性和高效性。对于直接控制方法，提出了控制要点和实现方法。最后设计了微压波产生、观测和有源控制实验。iiAbstractWhen the compression wave induced by a high-speed train entering a tunnel propagates to the tunnel exit, a low-frequency pulse wave is radiated. The sound level of explosions of this pulse, which cau
3、ses serious damages to the surrounding environment, is up to 140 150 dB even higher. This low-frequency pulse is called “micro-wave pressure“. Based on acoustic equation and the undisturbed boundary assumption, the compression wave generated by a high-speed train entering a tunnel is calculated in t
4、his paper. Numerical simulation is then made according to theoretical results. The contrasts with those results in the literature show a good agreement. On the basis of the conclusionthe micro-wave is proportional to the pressure gradient of the compression wave, two active control methods are propo
5、sed. The theoretical analysis and numerical simulation are made according to the indirect control method and the results show the feasibility and efficiency. For direct control method, the key points of the method and the general implementation program are put forward. Finally, the experiments of th
6、e generation, observation and active control of the micro-pressure waves are designed.iii目录摘要 .iAbstract.ii第一章 引言 .11.1 微压波的产生 .11.2 现有理论和研究单位概述 .11.3 现有控制方法概述 .31.4 本文工作内容 .4第二章 理论推导和数值模拟 .62.1 初级声场的计算 .62.2 数值模拟 .102.3 讨论 .11第三章 微压波有源控制 .123.1 有源控制的引入 .123.2 数值模拟 .133.3 实验设计 .14第四章 结束语 .17参考文献 .18
7、致谢 .20第一章 引言1第一章 引言1.1 微压波的产生当高速列车通过隧道时，列车与隧道内的空气之间发生强烈的相互作用，诱发一系列空气动力学效应，较突出的就是洞内列车行车阻力增大、在隧道内部形成很大的瞬变压力，这种压力变化以压缩波的形式接近声速在隧道内传播，当压缩波传播到隧道出口时，大部分能量以膨胀波的形式向隧道内反射回去，造成隧道内压力波动，影响乘车舒适度；同时也向外辐射出一低频脉冲波，这种脉冲波产生的爆炸声可达 140150dB 甚至更高的声压级 1，对周边环境造成严重危害，这种低频脉冲波被称为“微气压波” ，其产生示意图见图 1.1.1 2。进 口 出 口列 车隧 道压 缩 波微 气
8、压 波图1.1.1 隧道出口微气压波产生示意图1.2 现有理论和研究单位概述由1.1节微气压波的产生过程可知，微气压波是由部分隧道内的压缩波转化而来的脉冲波，其产生过程经历了三个阶段 3：(1) 高速列车进入隧道内产生压缩波；(2) 压缩波在隧道内传播；(3) 部分压缩波转变为微气压波向隧道出口外四向传播。微气压波与压缩波具有密切的关系，这种关系最早由日本神奈川技术研究所的Yamamoto在1974年提出：微气压波的压力值 与到达隧道出口端P的压缩波的梯度 成正比 4：pt(1.2.1) 02(,)ExApPrtct第一章 引言2其中， 是隧道横断面积； 是代表隧道出口处环境状况的三维立体角弧
9、A度数，微气压波在其范围内传播； 是测点与隧道出口处线路中心点的距离；r为声速； 为隧道出口处的压缩波对时间的梯度。0cExpt1997 年，日本九州大学的 Matsuo 提出了压缩波梯度最大值 与压maxdpt缩波 的关系式 5：(1.2.2)maxdpUptkD其中 为隧道的直径， 为列车的速度， 为一系数，与列车头的形状和DU长度有关， 的典型值在0.30.4之间。k的经验公式最早由英国伦敦大学的Woods和英国铁路局得比研发部的 pPope在1976年给出 6：(1.2.3)220 211()(/)pPMM 其中 为压缩波的声压， 为空气的比热， 为标准大气压， ，p 0P1为阻塞比(
10、即列车横断面积和隧道横断面积之比)， 为马赫数。美国波士顿大学的Howe 在 1998年给出 和 的经验公式如下 7： pt(1.2.4)201UM(1.2.5)3602max.4,0.ptR其中 为空气的密度， 为隧道的半径。经过实验的验证，当 M0.3 时，0公式(1.2.4)和 (1.2.5)的误差不超过 5%。(1.2.3)式与(1.2.4)式是同一结论的两种不同的表达方式，在数值上是近似相等的。以上的式子主要集中于幅值的表达上，但还没有给出微气压波和压缩波的动态表达式(主要指随距离、时间的变化)。Howe 在 1998 年运用精确声学格林函数对线性声波方程求解，给出了压缩波及其梯度的
11、动态表达式如下 8：(1.2.6)*30(,)(,)(UpxtqxtyzdAx第一章 引言3(1.2.7)22*30(,)(,)()dUpxtqxtyzAx其中 为源的强度， 为隧道入口处三维无旋、不可压流动的满足(qt,yz*Laplace方程的速度势函数。同年，他指出压缩波的幅度 主要取决于列车的速p度 、阻塞比 。 与 成正比，随阻塞比 的增大而增大。而压缩波的“上Up2U升时间”(指压缩波达到峰值的时间 )取决于列车车头的形状、隧道入口的形状和环境 9。韩国汉城国立大学的Yoon等人在2000年指出，微气压波的幅度随列车速度的增大(等价于马赫数 的增大)而增大 10；低速时，列车以 角
12、倾斜驶UM45入隧道所产生的微气压波比非倾斜驶入隧道所产生的微气压波要小，但当列车速度超过380km/h( )时，情况刚好相反；微气压波随阻塞比 的增大而0.31 增大；微气压波随列车车头的长度的增大而减小；同时，碎石道床有吸声作用(特别是在低频) ，它增加了能量耗散和压缩波的散射，可以减小微气压波；通风井可起到很好的降噪作用，可代替成本较高的扩张式入口隧道。英国贝尔法斯特女王大学的Raghunathan 、韩国安东国立大学的 Kim和日本佐贺大学的Setoguchi在2002年指出，抛物面型的列车车头相比椭圆型、圆锥面型列车车头更能降低压缩波的梯度，从而降低微气压波的幅度 11。1.3 现有
13、控制方法概述由前面可知，微气压波的产生主要取决于两个方面：(1) 压缩波的产生；(2) 压缩波在隧道里的传播。针对这两个方面，科学家提出了减小微气压波的许多措施。如从压缩波产生过程的角度，增加压缩波的上升时间(达到幅值的时间)，如对列车车头形状和长度进行优化设计，对隧道口进行优化设计，在隧道入口处增加一段横截面积大于隧道横截面积的缓冲棚等 12。从压缩波传播过程的角度，改变压缩波波阵面的形状，如在隧道中放置一些物体或装置，将最初的压缩波分成几个较弱的波，或在隧道里修建一些旁支隧道，或增大部分隧道的横截面积，改变其声阻抗，或在隧道出口处加一扩张室 13。此外，碎石道床与板式道床相比，产生的微气压
14、波更小，随道的壁面对压缩波的传播也有重要第一章 引言4影响 12。在以上所有措施中，研究最多的是对隧道口的改进，特别是对缓冲棚和扩张式隧道口的研究，带通风孔的缓冲棚可以增加压缩波的上升时间，从而减小压缩波的时间变化率(习惯上称为梯度)，减小微气压波。由于声场比较复杂，针对这些措施的理论研究部分还局限在定性的层次上，这些结论罗列如下：(1) 抛物面型的列车车头相比椭圆型、圆锥面型列车车头更能降低压缩波的梯度，从而降低微气压波的幅度 14；(2) 对于普通的隧道，压缩波的厚度 ，而对于加了缓冲棚的隧道， ( 为缓CWhRMCWhodLMhod冲棚的长度) 15；(3) 无论马赫数大小如何，理想的缓
15、冲棚都具有这样的性质：压缩波声压的增长是线性的。这样它的梯度才最小，微气压波的幅度才最小 15；(4) 若要快速放置碎石道床 (或叫沙囊，ballast)以减小微气压波，应放在靠近出口的上游隧道里，而不是均匀的分布于整个隧道 16；(5) 不论隧道有没有缓冲棚也不管缓冲棚的形状如何，随着马赫数 M 的增大，经过压缩波阵面上的声压都在以 的倍数增大 17。21M但对带通风窗的缓冲棚和连续渐变扩张式入口隧道的研究已经有了定量的结论，已经得到了低马赫数( )下缓冲棚的通风窗等间隔均匀分布的情况0.2下缓冲棚所满足的关系式和连续渐变扩张式隧道入口的横截面积所需要满足的关系式。以上对微压波的预测和控制的
16、研究方法为：(1) 理论公式的推导；(2) 对Euler 方程或 Navier-Stokes 方程进行数值求解和数值模拟；(3) 进行缩尺模型实验或现场测量，获取压缩波和微气压波的数据。这些数据为理论预测提供了很好的参照和证明。1.4 本文工作内容本文以声波方程为基础，求解高速运动的列车进入圆柱形隧道在隧道内产生的声场，并提出有源控制方法：在初级声场的声源处通过放置一压缩空气包(或空气泵 )以减小声源的强度，从而降低压缩波上升的陡度，降低微气压波的强度。加入计算控制源产生的次级声场，根据初级声场调整控制源的幅值和相位等参数，以降低微压波的强度。第一章 引言5全文主要分为以下几个方面：第一章对微
17、压波的产生及其控制做了简单介绍，回顾了前人所做的工作，提出了本文主要研究的内容。第二章将列车和隧道均视为圆柱体，根据声波方程和边界条件求解运动列车在隧道内产生的初级声场，并根据理论结果做数值模拟，对结果进行讨论。第三章提出两种有源控制方法，对间接控制方法，在原声场的声源处设置一符号相反的声源，计算有源控制下的声场，并做数值模拟；对于直接控制方法，提出控制要点和实现方法。最后设计了微压波产生、观测和有源控制实验。在结束语中，对全文的工作进行总结，并提出进一步的工作方向。第二章 理论推导和数值模拟6第二章 理论推导和数值模拟2.1 初级声场的计算在这一部分，采用日本大阪大学的 Sugimoto 和
18、日本清水公司(Shimizu Corporation)的 Ogawa 在 1997 年提出的“无扰动边界理论 ”对高速列车在隧道内产生的初级声场进行计算 18。假设隧道是半无限长的圆柱体，一轴对称的列车以速度 行驶并在 时通过隧道入口。以隧道入口平面的中心为坐标原点，U0t隧道轴线为 轴建立柱坐标系，如图 2.1.1 所示。zORa x i s y m m e t r i c t r a i nc y l i n d r i c a l t u n n e l z图 2.1.1 轴对称列车模型通过半无限长的圆柱体隧道线性声波方程为：(2.1.1)201pqctt其中 为声压， 为空气中的声速， 为拉普拉斯算符，在柱坐标系中表p0c2示为 。声源 的表达式为 18：2211rzq(2.1.2)()mrzUt其中， 为单极子的质量流率， ， 为列车车身的横截面积；m0S为单位冲激函数， 是柱坐标下径向 函数的等价形式 18；x()r表示 时刻列车头行驶到位置 处，是列车头作为声源的位置函数。()zUtzUt假设隧道管壁为刚性，则媒质在隧道壁面的径向速度为零，从而声压的径向梯度为 0，即满足：
