高铁也有音爆现象？中国科学家如何制服“洞口惊雷”

我们早已习惯了天空中的电闪雷鸣，但如果告诉你，在地面上也能听到一声堪比爆炸的巨响，而这声巨响的“制造者”可能是一列刚刚冲出隧道的磁悬浮列车，你会不会觉得不可思议？

这不是科幻电影，而是时速600公里的超高速列车列车面临的真实现实挑战！当列车以极高速冲入狭窄的隧道时，会像活塞一样挤压前方的空气，形成一股强烈的压力波。这股波动沿着隧道加速冲出出口时，就会骤然膨胀，产生惊人的巨响，科学家们形象地称之为 “音爆”。

不过别担心，最近，中南大学高速列车研究中心的科研团队不仅揭示了这种“洞口惊雷”的形成机制，更为其装上了“静音阀”，将隧道口音爆强度降低了95.7%以上，为未来超高速交通的安静、舒适运行铺平了道路。

音爆：超越声音时引发的“空气风暴”

音爆（又称音障或超音速爆炸），是当物体在空气中运动速度超过音速时产生的特殊物理现象我们可以把它想象成一场由速度引发的“空气风暴”。

正常情况下，物体在亚音速飞行时会不断向周围发出声波，这些声波在空气中以音速传播，形成一圈圈同心圆似的波纹。当飞行器或其他物体速度低于音速时，这些声波能及时扩散开来，不会发生明显的叠加效应。然而，当物体速度达到或超过音速（即马赫数大于或等于1）时，前方空气来不及让开，声波被“挤压”在物体前缘而无法扩散，逐渐在机头和机体前方累积。随着飞行速度进一步提高，这些被压缩的声波会形成一个锥形的冲击波面，科学家称之为“马赫锥”。在这个锥面上，冲击波前后的空气产生巨大的压力突变。当这个锥形波扫过我们的耳朵时，剧烈的压力突变会让人听到一声震耳欲聋的爆裂声，这就是我们所说的“音爆”。

飞机生成的音爆示意图，此时时速约为2.82倍声速（2.82马赫），圆锥角度为20°。当圆锥边缘的冲击波穿越观察者的位置，观察者会听到爆炸声，但在此之前他是听不到音爆的。

（图片来源：维基百科）

音爆本质上是一种激波传播现象，属于空气动力学范畴。其形成伴随空气压力、温度和密度的急剧变化，高速运动体迫使空气迅速压缩，激波能量沿马赫锥向后扩散。这个马赫锥的顶点位于运动物体上，锥角大小与物体速度和周围空气的音速有关：物体速度越快，马赫锥的就越小，看起来就越尖锐。除了我们熟悉的喷气式飞机、火箭等常见的超音速飞行器外，自然界中的流星、高速子弹，甚至挥动速度超过音速的鞭子尖端也会产生音爆。

由于音爆冲击波中蕴含着巨大的能量，音爆所产出的强烈噪声和震动，对地面建筑、玻璃和人体都可能造成不小的冲击。正因如此，在民用航空领域，各国都对超音速飞行器的飞行高度、航路有着极其严格的规定，目的就是将它们带来的“空中惊雷”对地面的影响降到最低。

综上所述，音爆的产生，体现了高速运动与空气动力学之间复杂而奇妙的相互作用。它不仅是科学家和工程师们致力研究的重要课题，也时刻提醒着我们：在追求极致速度的道路上，安全与环保永远是两个必须兼顾的平行赛道。

当飞机突破音障的时候，有时在飞行器后方产生云雾，这是因为飞行器后方的气压降低导致温度下降，空气中的水气凝结形成的小液滴。

（图片来源：维基百科）

被速度唤醒的“地下雷声”

既然天空中的超音速飞机会产生音爆，那么在地面上贴地“飞行”、时速高达几百公里的高速列车，会不会也产生与航空器类似的音爆现象呢？答案是：会的！不过，它产生的不是突破音障那种标准的“音爆”，而是一种专门属于它的“地下雷声”。

实际上，在高速铁路发展的早期，人们对高铁音爆现象的认识还非常有限。我们的故事要从2007年说起，那一年中国铁路完成第六次大提速，旅客列车的运行速度从时速60公里跃升至200公里级别，真正进入了“高铁时代”。然而，随着列车速度的提升，一个前所未有的挑战开始显现——微气压波。这是一种当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的低频声波现象。

当时，日本等国家的高速列车在运行时已经遭遇了微气压波造成的可感知音爆现象，但他们并没有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回忆起2005年那次遂渝线时速220公里的试验：“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。”遗憾的是，在那次试验中，他们没能成功捕捉到微气压波的详细数据，团队只能带着些许失望无功而返。

转机出现在2009年。这一12月，标志着中国高铁真正腾飞的武广高铁正式开通运营，最高运营时速达350公里。然而，速度带来的挑战也如期而至。当高速列车以350公里的时速风驰电掣般地穿过武广高铁大瑶山1号隧道时，列车司机开始频繁报告隧道出口出现“爆炸声”。熊小慧教授描述当时的情景：“很多科研团队和铁路主管部门负责人都赶到了隧道口，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。”

这次经历让研究团队意识到，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”它的临界点。进一步的研究表明，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。

从“汽水瓶”到“静音阀”的奇思妙想

面对这个棘手的问题，研究团队开始寻找解决方案。他们通过在隧道口安装洞口缓冲结构的方式，成功缓解了音爆的强度。熊小慧教授用了一个生动的比喻来解释这个原理：“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。”

这就像我们喝汽水前，如果用力摇晃瓶体再开盖，二氧化碳会“砰”的一声喷涌而出。但如果静静放置一会儿，让气体恢复平静再打开，就只会听到轻微的“嘶”声。缓冲结构起的就是“让汽水静置”的作用，让隧道内被压缩的空气能量平稳释放，从而把一声“爆炸”变成了轻轻的“叹息”。

这个看似简单的解决方案，却蕴含着深刻的流体力学原理。研究团队通过精密的实验和理论分析，揭示了压缩波在隧道内传播的复杂机制，为后续更高速度的挑战奠定了理论基础。

熊小慧（左）指导团队成员开展研究

（图片来源：参考文献1）

时速600公里：音爆临界点的新发现

虽然音爆的问题得到了解决，但随着中国高速交通技术的不断发展，新的挑战接踵而至。2019年5月，中国自主研发的时速600公里高速磁浮试验样车在青岛正式亮相，这标志着中国在超高速轨道交通领域迈出了历史性的一步。

然而，速度的提升带来了全新的技术挑战。中南大学高速列车研究中心讲师陈光表示：“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。“这个数值远远超过了之前任何研究的范围，若不攻克此难题，隧道口的音爆将会干扰列车设备、甚至损伤隧道结构，对乘客和沿线居民造成实实在在的威胁。

研究团队急需搞清楚几个关键问题：初始压缩波在长大隧道内传播时，其非线性效应累积过程会发生怎样的质变？洞口音爆的形成机制和压缩波传播规律是否还遵循既有高速轮轨模型？

通过在实验室里搭建缩小版的“隧道-列车”模型，用高压气体驱动模型车来模拟时速600公里磁浮列车冲出隧道的瞬间，研究团队有了惊人的发现。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。

基于这一发现，团队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，而时速350公里的高速轮轨列车则在经过6-10公里的隧道时容易产生音爆。我国山地和丘陵分布广泛，铁路网中2公里以上的隧道屡见不鲜。这也就意味着，如果不提前布局、加以防范，未来这些超高速列车穿过无数隧道时，每一个出口都可能成为一声声“惊雷”的爆源，安全和环境都将面临巨大挑战。

海绵启发的创新突破

面对时速600公里带来的前所未有的挑战，传统的解决方案显得力不从心。论文第一作者、中南大学高速列车研究中心博士生王凯文形象地说：“就像用雨伞挡台风，根本扛不住。”团队意识到，必须跳出传统思路，才能找到全新的解决方案。

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时，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，提出了“洞口多孔缓冲结构+洞身多孔涂层”的协同抑控新策略。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。

车隧耦合气动效应动模型试验平台

（图片来源：参考文献1）

工程应用的完美方案

面向时速600公里磁浮工程应用，团队提出了多孔材料微气压波抑控方案：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。这个方案就像给隧道穿上了一件特殊的“吸音海绵衣”。

在模型试验中，当模拟时速600公里的模型车穿过1公里长的隧道时，出口处的微气压波强度降低了惊人的95.7%。这一数字不仅证明了技术方案的有效性，更为未来超高速交通的商业化运营扫清了重要障碍。

这项技术突破的意义不仅在于解决了当前的技术难题，更在于为未来更高速度的交通系统提供了可行的解决方案。随着交通技术的不断发展，时速800公里、甚至1000公里的超高速交通系统可能成为现实，而这项研究为这些未来技术的发展奠定了重要基础。

从实验室到现实的技术转化

这项研究成果已经引起了国际学术界的广泛关注，这不仅体现了研究成果的学术价值，更预示着其在实际工程中的应用前景。

随着这项技术的不断完善和工程化应用，未来的超高速交通将告别“洞口惊雷”的困扰，为乘客提供更加安静、舒适的旅行体验。当时速600公里的磁浮列车平稳穿过隧道时，人们或许很难想象，这背后凝聚着多少科研工作者的智慧和汗水，以及他们对于美好交通未来的执着追求。

参考文献：

【1】Kai-Wen Wang, Xiao-Hui Xiong, Chih-Yung Wen, Guang Chen, Xi-Feng Liang, Hua-Kun Huang, Jia-Bin Wang; Formation and propagation characteristics of a weak shock wave in maglev tube. Physics of Fluids 1 March 2024; 36 (3): 036120.

【2】Kai-Wen Wang, Xiao-Hui Xiong, Chih-Yung Wen, Guang Chen, Xi-Feng Liang, Lei Zhang, Xiao-Bai Li; Impact of foam metal hoods on pressure waves generated by high-speed trains traversing tunnels. Physics of Fluids 1 January 2025; 37 (1): 016108.

【3】Kai-Wen Wang, Guang Chen, Chih-Yung Wen, Xiao-Hui Xiong, Xi-Feng Liang, Lei Zhang; Mitigation mechanism of porous media hood for the sonic boom emitted from maglev tunnel portals. Physics of Fluids 1 October 2024; 36 (10): 106134. https://doi.org/10.1063/5.0231438

出品：科普中国

作者：吴刚（物理学博士）

监制：中国科普博览