高铁为何发出爆破巨响？科学家巧妙“消音”

如果天空中突然传来一声巨响，除了雷声，它还可能是飞行器突破音障时产生的音爆。在高速轮轨列车、超高速磁浮列车领域，也存在着类似的音爆。当一列高速列车“贴地飞行”般钻进隧道，若没有技术护航，隧道洞口可能会传来堪比小型爆炸的巨响——这不是科幻电影的场景，而是超高速列车面临的真实威胁。

最近，中国研究人员揭示了时速600公里磁浮列车驶过隧道时产生音爆的原理，还给它装上“静音阀”，将隧道口音爆强度降低95.7%。

被速度唤醒的音爆

2007年，我国铁路完成第6次大提速，旅客列车的运行速度由原来的时速60公里增至时速200公里。

微气压波是指高速列车进入隧道时，因空气压缩形成的压力波动在隧道出口释放而产生低频声波的物理现象。“当时日本等国家的高速列车在运行时，已遇到微气压波造成的可感知的音爆现象，但他们没找到很好的解决办法。”中南大学高速列车研究中心教授熊小慧说。

2005年，还在中南大学读研究生的熊小慧在导师带领下，前往遂渝线时速220公里试验现场，开展隧道微气压波研究。那是我国首次开展隧道微气压波研究。“大家只在文献中了解到有微气压波，不知道它具体如何发生、发展。”熊小慧表示。而那次他们也没有在实验中捕获微气压波，大家失望而归。

转机出现在2009年。那年12月，武广高铁正式开通运营，最高运营时速为350公里。当时速350公里的高速列车通过武广高铁大瑶山1号隧道时，列车司机频繁报告洞口出现“爆炸声”。

当时很多科研团队和铁路主管部门负责人都到了隧道口，想听听音爆的声音究竟有多大，结果发现它的动静远超想象。

熊小慧（左）指导团队成员开展研究。受访者供图

一系列的研究表明，速度是音爆产生的核心“推手”，以前列车运行时没有出现音爆，是因为列车运行速度未达到“唤醒”它的程度。

研究表明，高速列车时速在350公里以下时，微气压波主要为次声波，危害表现为低频共振；当速度更高时，其整体频率向高频转移，尤其是在长大隧道中，初始压缩波的非线性累积效应更强，洞口音爆的强度和危害性成倍放大，构成高速铁路运营安全的严峻挑战。

铁路隧道一般建在山地、峡谷等地质条件复杂、地形险峻的地区。基于上述结论，研究人员通过在隧道口安装洞口缓冲结构的方式，有效缓解了音爆的强度。

“高速列车进入隧道时会压缩空气产生压力波，传播至隧道出口处，就形成冲击波。缓冲结构相当于在压力波和冲击波间增加一个减压梯度，使压力波能量减小。当压力波和冲击波间的能量差变小，音爆强度就会随之降低。”熊小慧比喻说，音爆强度大就像喝汽水前用力摇晃瓶体然后开盖，会发出“砰”的声音；增加缓冲结构相当于让汽水里的二氧化碳“回归平静”后，再打开瓶盖。

车隧耦合气动效应动模型试验平台。受访者供图

找到音爆“临界点”

虽然音爆威胁解除了，但它随着速度加快如何演变，一直是研究的热点。

2019年5月，我国时速600公里高速磁浮试验样车在青岛下线。磁浮列车时速600公里时，微气压波幅值随车速呈三次方以上激增，可达1000帕量级。若不攻克此难题，隧道口的音爆将成为干扰设备、损伤结构、侵扰旅客与居民的现实威胁。

以往研究表明，微气压波与车速、隧道洞口形状、隧道长度和隧道内构等参数紧密耦合。对于时速600公里的磁浮系统，研究的核心挑战在于，初始压缩波在长大隧道内传播时，其非线性效应累积过程有何质变？洞口音爆的形成机制和压缩波传播规律是否遵循既有高速轮轨模型？

高速运动物体“推挤”空气时会形成一道能量集中的强冲击波——激波，超声速流动、爆炸等过程中都会出现激波。2015年有学者提出高速铁路隧道内可能形成激波的设想。

研究团队在实验室里搭建了缩小版的“隧道-列车”模型，用高压气体驱动模型车，模拟时速600公里磁浮列车冲进隧道的瞬间。结合数值模拟，他们发现，当列车如活塞般突入隧道，在时速600公里时，初始压缩波在长距离传播中会迅速合并、加强为弱激波。正是这股弱激波在隧道出口的突然释放，导致了剧烈的洞口音爆。

基于此，研究人员提出了弱激波形成距离预测公式，用于评估音爆发生的临界隧道长度。结果显示，对于时速600公里磁浮系统，音爆临界长度骤降至2公里左右。也就是说，时速600公里的磁浮列车，在经过2公里及以上长度隧道时会产生音爆，而时速350公里的高速轮轨列车则在经过6公里至10公里的隧道时容易产生音爆。

我国山地丘陵众多，2公里以上隧道在铁路网中比比皆是。这意味着若不采取措施，未来大部分高速列车隧道出口都可能成为“爆源”，直面微气压波危害。

给隧道穿上“吸音海绵衣”

针对高速列车经过隧道产生的微气压波，过去常用的办法是给隧道口安装缓冲结构，或把车头设计得更尖，但这些手段在时速600公里磁浮列车面前效果骤降。就像用雨伞挡台风，根本扛不住。

王凯文（左）开展磁浮隧道洞口微气压波研究项目调研。受访者供图

转机藏在一个常见的物品里——海绵，这种多孔材料具有减震、吸音等功能。一次试验间隙，团队成员灵光一闪：“既然海绵能吸声音，那它能不能吸收压缩波？”

顺着这个思路，团队开始系统研究多孔材料的“耗能”原理：当压缩波遇到布满小孔的结构，一部分能量会被孔内的空气摩擦消耗，一部分会在孔洞里来回反射“跑丢了”，就像湍急的水流遇到布满鹅卵石的河床，冲击力会大大减弱。

受洞口开孔缓冲结构及道砟吸能原理启发，团队将多孔材料引入隧道气动领域，提出“洞口多孔缓冲结构+洞身多孔涂层”协同抑控新策略。他们系统揭示了多孔缓冲结构如何有效削减初始压缩波的梯度幅值，通过精细调控明显约束了最终微气压波的幅值与影响范围；阐明了洞身敷设多孔涂层对压缩波传播的关键作用——能成功抑制传播过程中导致弱激波形成的非线性效应累积。

面向时速600公里磁浮工程应用，团队提出多孔材料微气压波抑控方案，即在隧道两端设置100米长的多孔材料缓冲结构，并在洞身全线敷设多孔涂层。模型试验中，当模拟时速600公里的模型车穿过1公里长的隧道，出口处的微气压波幅值从800.8帕降到了34.7帕，效果远超传统方法约60%的缓解率，实现了质的飞跃。就像给隧道口装了个减压阀，又给洞身铺了层能量海绵，先给初始压缩波‘当头一棒’，再让剩下的波在传播中慢慢减弱。

“时速600公里磁浮的气动挑战，远非微气压波这一项。”熊小慧表示，高速气动噪声、瞬态复杂流场、极端环境运行稳定性等每一项都关乎未来超高速列车的安全、舒适与环保。

相关论文信息：

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

来源：中国科学报

编辑：Decoherence

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号