如果天空中突然傳來(lái)一聲巨響，除了雷聲，它還可能是飛行器突破音障時(shí)產(chǎn)生的音爆。在高速輪軌列車、超高速磁浮列車領(lǐng)域，也存在著類似的音爆。當(dāng)一列高速列車“貼地飛行”般鉆進(jìn)隧道，若沒(méi)有技術(shù)護(hù)航，隧道洞口可能會(huì)傳來(lái)堪比小型爆炸的巨響——這不是科幻電影的場(chǎng)景，而是超高速列車面臨的真實(shí)威脅。

最近，中國(guó)研究人員揭示了時(shí)速600公里磁浮列車駛過(guò)隧道時(shí)產(chǎn)生音爆的原理，還給它裝上“靜音閥”，將隧道口音爆強(qiáng)度降低95.7%。

被速度喚醒的音爆

2007年，我國(guó)鐵路完成第6次大提速，旅客列車的運(yùn)行速度由原來(lái)的時(shí)速60公里增至?xí)r速200公里。

微氣壓波是指高速列車進(jìn)入隧道時(shí)，因空氣壓縮形成的壓力波動(dòng)在隧道出口釋放而產(chǎn)生低頻聲波的物理現(xiàn)象。“當(dāng)時(shí)日本等國(guó)家的高速列車在運(yùn)行時(shí)，已遇到微氣壓波造成的可感知的音爆現(xiàn)象，但他們沒(méi)找到很好的解決辦法?！敝心洗髮W(xué)高速列車研究中心教授熊小慧說(shuō)。

2005年，還在中南大學(xué)讀研究生的熊小慧在導(dǎo)師帶領(lǐng)下，前往遂渝線時(shí)速220公里試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，開(kāi)展隧道微氣壓波研究。那是我國(guó)首次開(kāi)展隧道微氣壓波研究?！按蠹抑辉谖墨I(xiàn)中了解到有微氣壓波，不知道它具體如何發(fā)生、發(fā)展。”熊小慧表示。而那次他們也沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中捕獲微氣壓波，大家失望而歸。

轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2009年。那年12月，武廣高鐵正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速為350公里。當(dāng)時(shí)速350公里的高速列車通過(guò)武廣高鐵大瑤山1號(hào)隧道時(shí)，列車司機(jī)頻繁報(bào)告洞口出現(xiàn)“爆炸聲”。

當(dāng)時(shí)很多科研團(tuán)隊(duì)和鐵路主管部門負(fù)責(zé)人都到了隧道口，想聽(tīng)聽(tīng)音爆的聲音究竟有多大，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它的動(dòng)靜遠(yuǎn)超想象。

熊小慧（左）指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)展研究。受訪者供圖

一系列的研究表明，速度是音爆產(chǎn)生的核心“推手”，以前列車運(yùn)行時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)音爆，是因?yàn)榱熊囘\(yùn)行速度未達(dá)到“喚醒”它的程度。

研究表明，高速列車時(shí)速在350公里以下時(shí)，微氣壓波主要為次聲波，危害表現(xiàn)為低頻共振；當(dāng)速度更高時(shí)，其整體頻率向高頻轉(zhuǎn)移，尤其是在長(zhǎng)大隧道中，初始?jí)嚎s波的非線性累積效應(yīng)更強(qiáng)，洞口音爆的強(qiáng)度和危害性成倍放大，構(gòu)成高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

鐵路隧道一般建在山地、峽谷等地質(zhì)條件復(fù)雜、地形險(xiǎn)峻的地區(qū)。基于上述結(jié)論，研究人員通過(guò)在隧道口安裝洞口緩沖結(jié)構(gòu)的方式，有效緩解了音爆的強(qiáng)度。

“高速列車進(jìn)入隧道時(shí)會(huì)壓縮空氣產(chǎn)生壓力波，傳播至隧道出口處，就形成沖擊波。緩沖結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在壓力波和沖擊波間增加一個(gè)減壓梯度，使壓力波能量減小。當(dāng)壓力波和沖擊波間的能量差變小，音爆強(qiáng)度就會(huì)隨之降低?！毙苄』郾扔髡f(shuō)，音爆強(qiáng)度大就像喝汽水前用力搖晃瓶體然后開(kāi)蓋，會(huì)發(fā)出“砰”的聲音；增加緩沖結(jié)構(gòu)相當(dāng)于讓汽水里的二氧化碳“回歸平靜”后，再打開(kāi)瓶蓋。

車隧耦合氣動(dòng)效應(yīng)動(dòng)模型試驗(yàn)平臺(tái)。受訪者供圖

找到音爆“臨界點(diǎn)”

雖然音爆威脅解除了，但它隨著速度加快如何演變，一直是研究的熱點(diǎn)。

2019年5月，我國(guó)時(shí)速600公里高速磁浮試驗(yàn)樣車在青島下線。磁浮列車時(shí)速600公里時(shí)，微氣壓波幅值隨車速呈三次方以上激增，可達(dá)1000帕量級(jí)。若不攻克此難題，隧道口的音爆將成為干擾設(shè)備、損傷結(jié)構(gòu)、侵?jǐn)_旅客與居民的現(xiàn)實(shí)威脅。

以往研究表明，微氣壓波與車速、隧道洞口形狀、隧道長(zhǎng)度和隧道內(nèi)構(gòu)等參數(shù)緊密耦合。對(duì)于時(shí)速600公里的磁浮系統(tǒng)，研究的核心挑戰(zhàn)在于，初始?jí)嚎s波在長(zhǎng)大隧道內(nèi)傳播時(shí)，其非線性效應(yīng)累積過(guò)程有何質(zhì)變？洞口音爆的形成機(jī)制和壓縮波傳播規(guī)律是否遵循既有高速輪軌模型？

高速運(yùn)動(dòng)物體“推擠”空氣時(shí)會(huì)形成一道能量集中的強(qiáng)沖擊波——激波，超聲速流動(dòng)、爆炸等過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)激波。2015年有學(xué)者提出高速鐵路隧道內(nèi)可能形成激波的設(shè)想。

研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里搭建了縮小版的“隧道-列車”模型，用高壓氣體驅(qū)動(dòng)模型車，模擬時(shí)速600公里磁浮列車沖進(jìn)隧道的瞬間。結(jié)合數(shù)值模擬，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)列車如活塞般突入隧道，在時(shí)速600公里時(shí)，初始?jí)嚎s波在長(zhǎng)距離傳播中會(huì)迅速合并、加強(qiáng)為弱激波。正是這股弱激波在隧道出口的突然釋放，導(dǎo)致了劇烈的洞口音爆。

基于此，研究人員提出了弱激波形成距離預(yù)測(cè)公式，用于評(píng)估音爆發(fā)生的臨界隧道長(zhǎng)度。結(jié)果顯示，對(duì)于時(shí)速600公里磁浮系統(tǒng)，音爆臨界長(zhǎng)度驟降至2公里左右。也就是說(shuō)，時(shí)速600公里的磁浮列車，在經(jīng)過(guò)2公里及以上長(zhǎng)度隧道時(shí)會(huì)產(chǎn)生音爆，而時(shí)速350公里的高速輪軌列車則在經(jīng)過(guò)6公里至10公里的隧道時(shí)容易產(chǎn)生音爆。

我國(guó)山地丘陵眾多，2公里以上隧道在鐵路網(wǎng)中比比皆是。這意味著若不采取措施，未來(lái)大部分高速列車隧道出口都可能成為“爆源”，直面微氣壓波危害。

給隧道穿上“吸音海綿衣”

針對(duì)高速列車經(jīng)過(guò)隧道產(chǎn)生的微氣壓波，過(guò)去常用的辦法是給隧道口安裝緩沖結(jié)構(gòu)，或把車頭設(shè)計(jì)得更尖，但這些手段在時(shí)速600公里磁浮列車面前效果驟降。就像用雨傘擋臺(tái)風(fēng)，根本扛不住。

王凱文（左）開(kāi)展磁浮隧道洞口微氣壓波研究項(xiàng)目調(diào)研。受訪者供圖

轉(zhuǎn)機(jī)藏在一個(gè)常見(jiàn)的物品里——海綿，這種多孔材料具有減震、吸音等功能。一次試驗(yàn)間隙，團(tuán)隊(duì)成員靈光一閃：“既然海綿能吸聲音，那它能不能吸收壓縮波？”

順著這個(gè)思路，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始系統(tǒng)研究多孔材料的“耗能”原理：當(dāng)壓縮波遇到布滿小孔的結(jié)構(gòu)，一部分能量會(huì)被孔內(nèi)的空氣摩擦消耗，一部分會(huì)在孔洞里來(lái)回反射“跑丟了”，就像湍急的水流遇到布滿鵝卵石的河床，沖擊力會(huì)大大減弱。

受洞口開(kāi)孔緩沖結(jié)構(gòu)及道砟吸能原理啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)將多孔材料引入隧道氣動(dòng)領(lǐng)域，提出“洞口多孔緩沖結(jié)構(gòu)+洞身多孔涂層”協(xié)同抑控新策略。他們系統(tǒng)揭示了多孔緩沖結(jié)構(gòu)如何有效削減初始?jí)嚎s波的梯度幅值，通過(guò)精細(xì)調(diào)控明顯約束了最終微氣壓波的幅值與影響范圍；闡明了洞身敷設(shè)多孔涂層對(duì)壓縮波傳播的關(guān)鍵作用——能成功抑制傳播過(guò)程中導(dǎo)致弱激波形成的非線性效應(yīng)累積。

面向時(shí)速600公里磁浮工程應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)提出多孔材料微氣壓波抑控方案，即在隧道兩端設(shè)置100米長(zhǎng)的多孔材料緩沖結(jié)構(gòu)，并在洞身全線敷設(shè)多孔涂層。模型試驗(yàn)中，當(dāng)模擬時(shí)速600公里的模型車穿過(guò)1公里長(zhǎng)的隧道，出口處的微氣壓波幅值從800.8帕降到了34.7帕，效果遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方法約60%的緩解率，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。就像給隧道口裝了個(gè)減壓閥，又給洞身鋪了層能量海綿，先給初始?jí)嚎s波‘當(dāng)頭一棒’，再讓剩下的波在傳播中慢慢減弱。

“時(shí)速600公里磁浮的氣動(dòng)挑戰(zhàn)，遠(yuǎn)非微氣壓波這一項(xiàng)。”熊小慧表示，高速氣動(dòng)噪聲、瞬態(tài)復(fù)雜流場(chǎng)、極端環(huán)境運(yùn)行穩(wěn)定性等每一項(xiàng)都關(guān)乎未來(lái)超高速列車的安全、舒適與環(huán)保。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1063/5.0196330

https://doi.org/10.1063/5.0231438

https://doi.org/10.1063/5.0245283

https://doi.org/10.1063/5.0260612

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)

編輯：Decoherence

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