楊志剛，譚曉明，梁習(xí)鋒，任鑫

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410075)

CRH2 高速列車(chē)以350 km/h 速度穿越武廣高鐵某隧道時(shí)，隧道出口50 m 位置測(cè)試臺(tái)將監(jiān)測(cè)到沉悶的爆破聲；隧道出口20 m 位置的氣壓爆波幅值大于250 Pa，具有非線性特性。為研究氣壓爆波的演化規(guī)律及控制方法，一般在隧道出口不同位置布置壓力傳感器或者傳聲器，觀察氣壓爆波波形變化[1-3]。目前主要應(yīng)用的傳感器有壓電膜片式壓力傳感器和電容膜片式傳聲器。已有氣壓爆波的實(shí)車(chē)試驗(yàn)及模型試驗(yàn)結(jié)果表明，不同的傳感器選型對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，但并未引起足夠的關(guān)注。為此，本文作者從氣壓爆波的聲學(xué)時(shí)頻特征出發(fā)，分析氣壓爆波的近場(chǎng)非線性區(qū)及遠(yuǎn)場(chǎng)線性區(qū)，探討不同傳感器應(yīng)用的合理性，以便為氣壓爆波的實(shí)驗(yàn)研究提供技術(shù)支撐。

1 氣壓爆波時(shí)頻特征

CRH2 高速列車(chē)以250 和350 km/h 速度穿越武廣(武漢—廣州)高鐵某隧道時(shí)，傳感器監(jiān)測(cè)隧道出口外20 m 位置的氣壓爆波時(shí)間歷程以及頻譜特征分別如圖1 和圖2 所示。

由圖1 可見(jiàn)：隨著列車(chē)速度由250 km/h 提高到350 km/h，氣壓爆波從光滑波形變?yōu)榻遣ㄐ?，幅值急劇增大，并不符合與速度的3 次方關(guān)系。從圖2可見(jiàn)：氣壓爆波的主要能量分布在低于20 Hz 的次聲波區(qū)。表1 所示為對(duì)應(yīng)的頻域能量分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表1 可見(jiàn)：當(dāng)列車(chē)速度為250 km/h 時(shí)，次聲波區(qū)能量占總能量的99.85%，氣壓爆波幾乎是純粹的次聲波[4]；當(dāng)列車(chē)速度為350 km/h 時(shí)，次聲波區(qū)能量占總能量的77.03%。

在氣壓爆波測(cè)試傳感器的選型方面，應(yīng)當(dāng)考慮其低頻特征。

表1 氣壓爆波頻譜能量分布統(tǒng)計(jì)Table 1 Energy statistics distribution of micro-pressure wave in frequency domain %

圖1 隧道出口外中心線20 m 位置的氣壓爆波時(shí)間歷程Fig.1 Time history of micro-pressure wave at 20 m away from tunnel portal

圖2 隧道出口外中心線20 m 位置的氣壓爆波頻譜特征Fig.2 Spectrum characteristics of micro-pressure wave at 20 m away from tunnel portal

2 氣壓爆波的遠(yuǎn)近場(chǎng)聲學(xué)特性

采用二維軸對(duì)稱圓管模型，利用高階譜差分離散[5-7]的計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)(CAA)仿真技術(shù)[8-10]，數(shù)值模擬1:20 縮比動(dòng)模型在不同速度下隧道口外氣壓爆波隨距離的變化，如圖3 所示。圖3 中，橫坐標(biāo)是以管口直徑進(jìn)行無(wú)量綱化的距離，縱坐標(biāo)是以距離參數(shù)歸一化的氣壓爆波幅值。3 條水平的實(shí)線代表250，300 和350 km/h 3 種速度級(jí)下的氣壓爆波幅值隨距離的理想線性衰減情況。

由圖3 可見(jiàn)：在近隧道口區(qū)域，氣壓爆波幅值隨距離并未按照線性規(guī)律衰減；在遠(yuǎn)場(chǎng)，則接近線性規(guī)律衰減[11-12]；列車(chē)進(jìn)入隧道的速度越大，隧道出口氣壓爆波幅值的近場(chǎng)傳播非線性特征越明顯。這是由于隨著列車(chē)速度的提高，隧道口的氣壓爆波源增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)噪聲源區(qū)向外擴(kuò)展。對(duì)圖3 所示的結(jié)果以誤差5%來(lái)計(jì)算，管口外約2 個(gè)管口直徑范圍內(nèi)為非線性聲傳播的聲源區(qū)。

在這個(gè)近隧道口的氣動(dòng)噪聲源區(qū)，存在局部氣流的質(zhì)量運(yùn)動(dòng)，這對(duì)傳感器的選型有一定影響。在這個(gè)區(qū)域，電容式的傳聲器并不能準(zhǔn)確地測(cè)得氣壓爆波波形。

圖3 隧道出口外氣壓爆波傳播規(guī)律Fig.3 Propagation of micro-pressure wave at tunnel exit

3 傳感器的選型

這里討論的傳感器主要有3 種：壓電膜片式的差壓傳感器、電容膜片式的B&K 4189 自由場(chǎng)傳聲器和B&K 4193 次聲波傳聲器。

3.1 傳感器的頻率響應(yīng)范圍對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

下面對(duì)這3 種傳感器的氣壓爆波測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以探討合理的選型方案。表2 所示為這3 種傳感器的頻率響應(yīng)范圍。

表3 所示為高速列車(chē)以不同速度通過(guò)在武廣某隧道時(shí)、使用這3 種傳感器在隧道口外20 m 位置測(cè)得的氣壓爆波幅值。

表2 測(cè)試傳感器特性比較Table 2 Performance comparison of test sensors

表3 武廣某隧道口外20 m 位置氣壓爆波幅值比較Table 3 Amplitude comparison of micro-pressure wave at 20 m away from Wuhan—Guangzhou tunnel portal Pa

由表3 可見(jiàn)：差壓傳感器和B&K 4 193 次聲波傳聲器的頻響均能覆蓋整個(gè)次聲波區(qū)，其測(cè)試結(jié)果合理且比較接近，B&K4189 自由場(chǎng)傳聲器由于6.3 Hz 低頻截止限制導(dǎo)致較大的誤差(表3 中最大相對(duì)誤差超過(guò)50%)；在200～250 km/h 下，由于其氣壓爆波能量99%以上均在次聲波區(qū)，采用B&K4189 自由場(chǎng)傳聲器會(huì)導(dǎo)致更大的誤差，因此，相對(duì)而言，采用差壓傳感器和B&K4193 次聲波傳聲器比較適合。

需注意的是：在列車(chē)速度為340 km/h 時(shí)，二者的結(jié)果出現(xiàn)了一定的偏差(相對(duì)誤差約5%)。這是由于在這種情況下，氣壓爆波的能量分布比低速情況下占據(jù)了更寬的頻率范圍(20 Hz～1 kHz 區(qū)間的能量分布不容忽視)。差壓傳感器的頻響范圍低于1 kHz，在氣壓爆波能量分布的高頻邊緣區(qū)域會(huì)導(dǎo)致測(cè)試誤差，從而影響測(cè)試精度。因此，在高速、大幅值(超過(guò)250 Pa)的特殊情況下，應(yīng)選用具有更高響應(yīng)頻率范圍的壓力傳感器。

3.2 遠(yuǎn)、近場(chǎng)測(cè)試時(shí)對(duì)傳感器類型的要求

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選用差壓傳感器或B&K4193 次聲波傳聲器的氣壓爆波測(cè)試結(jié)果盡管幅值很接近，但波形往往并不一致。

圖4(a)所示為隧道口外10 m位置測(cè)得的氣壓爆波波形，圖4(b)所示為隧道口外20 m 位置測(cè)得的氣壓爆波波形；點(diǎn)劃線為差壓傳感器的測(cè)試結(jié)果，實(shí)線為B&K4193 次聲波傳聲器的測(cè)試結(jié)果。由圖4 可見(jiàn)：這2 種傳感器的測(cè)試結(jié)果在氣壓爆波的上升沿基本一致，在下降沿后有很大差別。

圖4 隧道出口外10 m 和20 m 位置的氣壓爆波波形Fig.4 Waveforms of micro-pressure wave at 10 m and 20 m away from tunnel portal

考慮到第2 節(jié)的氣動(dòng)噪聲源區(qū)問(wèn)題，10 m 和20 m位置均在管口外2 倍管口直徑區(qū)域內(nèi)，屬于氣動(dòng)噪聲源區(qū)。在該區(qū)域，存在由于空間上的氣體質(zhì)量交換導(dǎo)致的壓力變化(包括了壓力的近穩(wěn)態(tài)變化)。差壓傳感器能夠捕捉流場(chǎng)的所有變化信息，傳聲器僅僅監(jiān)測(cè)氣壓爆波傳遞的聲振動(dòng)能量，因而，在近場(chǎng)聲源區(qū)，差壓傳感器能夠更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)氣壓爆波。

在4～5 倍管口直徑外的遠(yuǎn)場(chǎng)，選用這2 種傳感器進(jìn)行測(cè)量，將得到較一致的結(jié)果。

4 結(jié)論

(1) 氣壓爆波的大部分能量分布在次聲波區(qū)，必須選用能夠覆蓋整個(gè)次聲波區(qū)頻率范圍的傳感器進(jìn)行氣壓爆波測(cè)試研究，B&K4189 自由場(chǎng)傳聲器不適用。

(2) 當(dāng)列車(chē)速度較低時(shí)(250 km/h)，氣壓爆波99%以上能量分布在次聲波區(qū)，可以看作純粹的次聲波，一般采用次聲波傳感器或者穩(wěn)態(tài)壓力傳感器均可得到準(zhǔn)確結(jié)果。

(3) 隨著列車(chē)速度的提高，氣壓爆波的部分能量分布向較高頻率轉(zhuǎn)移，必須考慮傳感器1 kHz 以下的頻響特性。對(duì)高速的特殊情況(氣壓爆波幅值超過(guò)250 Pa)，應(yīng)選用具有更高響應(yīng)頻率范圍的動(dòng)態(tài)壓力傳感器。

(4) 隧道口存在氣動(dòng)噪聲源區(qū)，約在2 倍管口直徑范圍內(nèi)。在近場(chǎng)聲源區(qū)，差壓傳感器相對(duì)傳聲器能夠更加準(zhǔn)確地反映氣壓爆波的實(shí)際情況；在遠(yuǎn)場(chǎng)，選用這2 種傳感器進(jìn)行測(cè)量，可得到較一致的結(jié)果。

(5) 目前普遍采用氣壓爆波幅值作為評(píng)判氣壓爆波大小的標(biāo)準(zhǔn)量，并未對(duì)氣壓爆波的頻譜范圍進(jìn)行規(guī)范。由于個(gè)體研究采用的測(cè)試系統(tǒng)不同，在實(shí)際操作中，可能導(dǎo)致較大誤差，建議在將來(lái)氣壓爆波的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，規(guī)范其頻譜特性，進(jìn)而規(guī)范其測(cè)試技術(shù)。

[1] Raghunathan R S, Kimb H D, Setoguchi T. Aerodynamics of high-speed railway train[J]. Progress in Aerospace Sciences,2002, 38: 469-514.

[2] 劉堂紅, 田紅旗, 金學(xué)松. 隧道空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)車(chē)試驗(yàn)研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 26(1): 42-46.LIU Tanghong, TIAN Hongqi, JIN Xuesong. Experimental study of full-scale train on aerodynamics in tunnel[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2008, 26(1): 42-46.

[3] 王英學(xué), 高波, 鄭長(zhǎng)青, 等. 高速列車(chē)進(jìn)入隧道產(chǎn)生的微氣壓波實(shí)驗(yàn)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2006, 20(1): 5-8.WANG Yingxue, GAO Bo, ZHENG Changqing, et al.Micro-compression wave model experiment on the high-speed train entering tunnel[J]. Journal of Experiments Fluid Mechanics,2006, 20(1): 5-8.

[4] Yoon T S, Lee S, Hwang J H, et al. Prediction and validation on the sonic boom by a high-speed train entering a runnel[J].Journal of Sound and Vibration, 2001, 247(2): 195-211.

[5] Liu Y, Vinokur M, Wang Z J. Spectral difference method for unstructured grids I: Basic formulation[J]. Journal of Computational Physics, 2006, 216: 780-801.

[6] Wang Z J, Liu Y, May G, et al. Spectral difference method for unstructured grids II: Extension to the Euler equations[J].Journal of Scientific Computing, 2007, 32(1): 45-71.

[7] GAO Junhui, YANG Zhigang, LI Xiaodong. An optimized spectral difference scheme for CAA problems[J]. Journal of Computational Physics, 2012, 231: 4848-4866.

[8] Hu F Q, Li X D, Lin D K. Absorbing boundary conditions for nonlinear Euler and Navier-Stokes equations based on the perfectly matched layer technique[J]. Journal of Computational Physics, 2008, 227: 4398-4424.

[9] Hu F Q. Development of PML absorbing boundary conditions for computational aeroacoustics:A progress review[J].Computers & Fluids, 2008, 37(4): 336-348.

[10] LIU Li, LI Xiaodong, Hu F Q. Nonuniform time-step Runge-Kutta discontinuous Galerkin method for computational aeroacoustics[J]. Journal of Computational Physics, 2010, 229:6874-6897.

[11] Howe M S, Iida M, Fukuda T, et al. Theoretical and experimental investigation of the compression wave generated by a train entering a tunnel with a flared portal[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2000, 425: 111-132.

[12] Aoki T, Vardy A E, Brown J M B. Passive alleviation of micro-pressure waves from tunnel portals[J]. Journal of Sound and Vibration, 1999, 220(5): 921-940.