高速列车进入隧道产生的微压波及其控制研究 毕业论文(声学专业).doc

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。abstractwhen 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 causes 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 this 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 proposed. 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 the generation, observation and active control of the micro-pressure waves are designed.目录摘要iabstractii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致谢20iv第一章 引言第一章引言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。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的压缩波的梯度成正比 4： (1.2.1) 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；为声速；为隧道出口处的压缩波对时间的梯度。1997年，日本九州大学的matsuo提出了压缩波梯度最大值与压缩波的关系式 5： (1.2.2)其中为隧道的直径，为列车的速度，为一系数，与列车头的形状和长度有关，的典型值在0.30.4之间。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 pope在1976年给出 6： (1.2.3)其中为压缩波的声压，为空气的比热，为标准大气压，为阻塞比(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： (1.2.4) (1.2.5)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，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动态表达式如下 8： (1.2.6) (1.2.7)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度、阻塞比。与成正比，随阻塞比的增大而增大。而压缩波的“上升时间”(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，列车以角倾斜驶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，产生的微气压波更小，随道的壁面对压缩波的传播也有重要影响 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，(为缓冲棚的长度) 15；(3) 无论马赫数大小如何，理想的缓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。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。全文主要分为以下几个方面：第一章对微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。19第二章 理论推导和数值模拟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，隧道轴线为轴建立柱坐标系，如图2.1.1所示。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)其中为声压，为空气中的声速，为拉普拉斯算符，在柱坐标系中表示为。声源的表达式为 18： (2.1.2)其中，为单极子的质量流率，为列车车身的横截面积；为单位冲激函数，是柱坐标下径向函数的等价形式 18；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。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： (2.1.3)其中为隧道的半径。此外，声压在隧道入口两侧的值应是连续变化的，为简化模型，假设隧道入口处的声压为0，即： (2.1.4)由于隧道是半无限长的，因此，在隧道里只存在向右传播的声波，而没有向左传播的反射波。将(2.1.2)式代入(2.1.1)式，同时考虑到方向的对称性，即，得声波方程为： (2.1.5)其中，。下面用本征函数展开法对方程(2.1.5)进行求解。满足边界条件(2.1.3)的问题的本征函数为阶第一类bessel函数，。但当声源作轴对称的振动时， 19。故本问题的本征函数为零阶第一类bessel函数，其中为方程的第个根。本征函数的模为： (2.1.6)先将作本征函数展开： (2.1.7)再将也写成本征函数的展开式的形式，令 (2.1.8)其中，为待求的系数函数。将(2.1.7)和(2.1.8)式代入方程(2.1.5)，两边同时乘以，再对在区间内积分，利用本征函数的正交性，化简得： (2.1.9)对作fourier变换： (2.1.10)则其逆变换为： (2.1.11)这样，(2.1.9)式变为： (2.1.12)解此方程，得： (2.1.13)其中，为马赫数；，满足： (2.1.14)当时，若 ，则(1.15)式右边第二项表示向轴负半轴传播的波，此为反射波，与前面的辐射条件矛盾，因此；当时，若，则当时，(2.1.13)式右边第二项也趋于无穷大，这是不可能的，因此。综合以上两种情况，必有。将(2.1.13)式代入，有，因此，(2.1.13)式变为： (2.1.15)将(2.1.15)式回代入(2.1.11)式，化简，得： (2.1.16)对 (即隧道内)， (2.1.17)值得注意的是(2.1.17)式只对，的情况成立。当时，方程(2.1.9)变为 (2.1.18)按类似上面的解法，得： (2.1.19)当时，(2.1.18)式可用分析数学的方法算出 18，此时 (2.1.20)将(2.1.20)式代入(2.1.16)式，有 (2.1.21)进一步，将(2.1.21)式代入(2.1.8)及(2.1.7)式，有。这在物理上也不难理解，因为意味着：在处，扰动(声波)还没来得及传递(传播)到。那么此处的声压自然为零。经过对的化简，得(，)的表达式为： (2.1.22)利用恒等式 18 (2.1.23)其中为阶修正第一类bessel函数，为阶修正第二类bessel函数。注意到，有 (2.1.24)注意到当，时，(2.1.22)式的第三项的四个乘数项的绝对值都小于等于1，且第一、三项远小于1，故： (2.1.25)而，故(2.1.22)式中可以忽略第三项。这样，将(2.1.19)(2.1.25)式代入(2.1.8)式，得： (2.1.26)其中 (2.1.27) (2.1.28)2.2数值模拟由(2.1.26)式可见，压缩波的声压取决于和，前者决定了它的幅值，后者决定了它的形状。取，根据(2.1.26)式计算得压缩波及其梯度如图2.2.1所示。图2.2.1 压缩波及其梯度(时间导数)从上图可见压缩波有一个上升延，其上升的陡度(梯度)决定了微气压波的幅度大小。2.3讨论取，马赫数从0.1增加到0.4，得压缩波及其梯度与马赫数的关系如图2.3.1所示。图2.3.1 压缩波及其梯度与马赫数的关系由此可见，压缩波及其梯度随马赫数的增加而增大。对比图2.3.1与howe在1998年的数值模拟结果可见两者一致吻合 7。howe给出的幅值的经验公式为7： (1.2.4)而由(2.1.27)式及，得压缩波的幅度为： (2.3.1)可见两种计算方法得出的结果相同。第三章 微压波有源控制第三章微压波有源控制3.1有源控制的引入根据微气压波的产生过程，提出两种有源控制方法：(1) 间接控制通过控制压缩波来控制微气压波，即通过降低微气压波的陡度来减小与之成正比的微气压波；(2) 直接控制直接在隧道出口控制微气压波。对于间接控制，通过在原声场的声源处设置一符号相反的声源，降低压缩波的幅值，从而降低其上升的陡度，减小微气压波。控制声源通过在列车头处设置一可以不停地吸进或释放空气的压缩空气包(或空气泵)来实现，它使列车头前的空气产生一个反向速度，从而减小源强，降低压缩波的幅值。加入控制源后，声波方程变为： (3.1.1)其中为控制源的质量流率，假设压缩包的有效工作面积等于列车的横截面积，则，其中为压缩空气包产生的反向运动速度。引入控制源后压缩波的声压及其梯度与原始压缩波的声压及其梯度之间满足： (3.1.2) (3.1.3)其中。对于直接控制，可在隧道出口，放置大型扬声器，产生如图3.1.1所示的脉冲波，相位和原来脉冲相反，扬声器应能发声在次声频段，频段如图3.1.2所示，可采用前馈或者反馈控制。前馈控制利用隧道里采集到的压缩波形来预测出口处的微压波，从而实现控制；反馈控制通过实时反馈采集到的信号驱动扬声器进行控制。由于所要控制频率很低，故反馈控制制也来得及。控制上限是100hz。 图3.1.1 微气压波的时域波形 20图3.1.2 微气压波的频域波形 203.2数值模拟对间接控制方法，取，得anc控制前后的压缩波及其梯度波形如图3.2.1所示。图3.2.1 anc控制前后的压缩波及其梯度可见，通过强度为的anc控制，压缩波及其梯度分降低了19% 和27%。3.3实验设计实验主要包括三部分：(1) 微压波的产生；(2) 微压波预测理论的验证和微压波测试；(3) 微压波的有源控制。对前两部分的实验，根据南京大学现有的条件，参考ricco等的模型，采用列车模型法。模型为1/87的缩尺模型，实验研究列车横截面的形状和长度对压缩波的影响 21。具体实验系统如图3.3.1所示，构成如下：(1) 隧道：长为6m左右的圆柱体结构，直径100mm左右，由厚度5mm以上的多段塑料管道拼接组成。(2) 轨道：采用两根直径为2mm的钢丝组成，它们沿隧道轴线分布。(3) 列车：列车模型可以为圆形和方形的，圆形的列车直径38mm，长度有300mm或600mm，列车头围锥形，圆锥的轴线和母线的夹角可为30、60、90，车身为塑料的，车头为木质的。方形的列车为铝制的，有同样的长度和横截面积。(4) 车轮：在列车头和尾嵌4个聚四氟乙烯导向环(相当于车轮)，这样列车就可以在铁轨上滑动。(5) 刹车：尾部的阻尼装置(节气闸)使列车到达隧道出口以后趋于静止，节气闸长2m，宽300mm，高200mm，位于隧道出口外1m处，由两个中心覆盖人造泡沫塑料的木板组成，木板以一定角度成收敛状，形成一渐变的阻抗。(6) 驱动：预拉伸装置和发射装置，使列车速度争取150km/h，相当于约41m/s。(7) 测量：采用多个压力传感器和传声器，可视烟流发生器和图像采集系统。图3.3.1 南京大学预建立的实验系统的构成(参考ricco等的实验装置 21)实验目的：对微压波产生的机理进行详细研究，对缩尺模型进行实验测量，验证理论推导和数值模拟的结果或通过实验数据分析已有理论推导、数值模拟的缺陷之处，为以后的改进提供指导。实验测量：测量列车在行使过程中不同位置(靠近隧道入口处、隧道中间位置、靠近隧道出口处、隧道出口外)、不同时刻(列车通过之前、列车通过时、列车通过以后)的声压和固体壁面的压力。分析过程：比较测量得到的声压(或气体压力)和理论推导出的相应点在相应时刻的声压，看两者是否一致。通过实验数据描出测量得到的声压随时间、位置变化的曲线，通过以理论推导为基础的数值模拟得出模型实验情况下声压随时间、位置变化的曲线，看这两条曲线是否重合或相近：若差别较小，可以说明理论推导和数值模拟的正确性；若差别较大，需要找出其原因。对于第三部分，先采用间接控制法，在列车头处设置一可以不停地吸进或释放空气的压缩空气包(或空气泵)，使列车头前的空气产生一个与列车行驶方向相反的速度。调节控制源强，找出微气压波减小的程度与控制源强度的关系，与理论公式作比较。后采用直接控制法，在隧道出口处放置大型低频扬声器，观察其控制效率，找出扬声器的位置、源强与微气压波减小程度的关系，并分析频域上的影响。第四章 结束语第四章结束语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，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。传统的控制微气压波的方法主要根据流体力学和气动力学的知识，对隧道和列车作改进，都属于无源控制方法，这些措施在降低微气压波的幅度上都会遇到“瓶颈”，而有源控制在微气压波产生的声源处或最后产生处添加控制源，可控的范围和程度大大拓宽，但对控制细节要求比较精细。本文的主要贡献和创新在于提出了微压波有源控制的两种方法；建立了微压波有源控制系统的模型，并进行了数值模拟；设计了微压波产生、观测和有源控制实验。作为进一步的研究，需要建造系统，做模型实验，然后进行现场测量，最后将理论推导、数值模拟、模型实验、实地测量综合在一起，对其结果作验证、对比与分析。致谢参考文献1 c. shin and w. park, numerical study of flow characteristics of the high speed train entering into a tunnel, mechanics research communications30(4) (2003) 287-296.2 赵宇，高波，张兆杰，隧道压力波的三维数值模拟，路基工程，133 (2007) 12-13。3 李新霞，宋雷鸣，张新华，微气压波的产生机理与防治措施，噪声与振动控制，4 (2006) 70-72。4 a. yamamoto, pressure variations, aerodynamic drag of train, and natural ventilation in shinkansen type tunnel, quarterly report of rtri 15(4) (1974) 207214.5 k. matsuo, t. aoki, s. mashimo and e. nakastu, entry 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