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韩国安东国立大学的和日本佐贺大学的在年指出，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。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压缩波的产生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，在隧道入口处增加段横截面积大于隧道横截面积的缓冲棚等。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，或在隧道里修建些旁支隧道，或增大部分隧道的横截面积，改第章引言变其声阻抗，或在隧道出口处加扩张室。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。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若要快速放置碎石道床或叫沙囊，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，随着马赫数的增大，经过压缩波阵面上的声压都在以的倍数增大。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理论公式的推导对方程或方程进行数值求解和数值模拟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。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第章引言数，以降低微压波的强度。全文主要分为以下几个方面第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，并提出进步的工作方向。第二章理论推导和数值模拟第二章理论推导和数值模拟初级声场的计算在这部分，采用日本大阪大学的和日本清水公司的在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。假设隧道是半无限长的圆柱体，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，如图所示。图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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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函数的等价形式列车为铝制的，有同样的长度和横截面积。车轮在列车头和尾嵌个聚四氟乙烯导向环相当于车轮，这样列车就可第三章微压波有源控制以在铁轨上滑动。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，宽，高，位于隧道出口外处，由两个中心覆盖人造泡沫塑料的木板组成，木板以定角度成收敛状，形成渐变的阻抗。驱动预拉伸装置和发射装置，使列车速度争取，相当于约。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。图南京大学预建立的实验系统的构成参考等的实验装置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，观察其第三章微压波有源控制控制效率，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起，对其结果作验证对比与分析。参考文献参考文献赵宇，高波，张兆杰，隧道压力波的三维数值模拟，路基工程，。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，。,参考文献杜功焕，朱哲民，龚秀芬，声学基础，。致谢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，会向出口外辐射低频脉冲波，这种脉冲波产生的爆炸声可达甚至更高的声压级，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。目录摘要第章引言微压波的产生现有理论和研究单位概述现有控制方法概述本文工作内容第二章理论推导和数值模拟初级声场的计算数值模拟讨论第三章微压波有源控制有源控制的引入数值模拟实验设计第四章结束语参考文献致谢,第章引言第章引言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低频脉冲波，这种脉冲波产生的爆炸声可达甚至更高的声压级，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，其产生示意图见图。进口出口列车隧道压缩波微气压波图隧道出口微气压波产生示意图现有理论和研究单位概述由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高速列车进入隧道内产生压缩波压缩波在隧道内传播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在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,第章引言其中，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。年，日本九州大学的提出了压缩波梯度最大值与压缩波的关系式其中为隧道的直径，为列车的速度，为系数，与列车头的形状和长度有关，的典型值在之间。的经验公式最早由英国