高速列車過隧氣壓爆波的聲學特征與傳感器選型

楊志剛，譚曉明，梁習鋒，任鑫

(中南大學 交通運輸工程學院 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

CRH2 高速列車以350 km/h 速度穿越武廣高鐵某隧道時，隧道出口50 m 位置測試臺將監測到沉悶的爆破聲；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。已有氣壓爆波的實車試驗及模型試驗結果表明，不同的傳感器選型對測試結果影響較大，但并未引起足夠的關注。為此，本文作者從氣壓爆波的聲學時頻特征出發，分析氣壓爆波的近場非線性區及遠場線性區，探討不同傳感器應用的合理性，以便為氣壓爆波的實驗研究提供技術支撐。

1 氣壓爆波時頻特征

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

由圖1 可見：隨著列車速度由250 km/h 提高到350 km/h，氣壓爆波從光滑波形變為近三角波形，幅值急劇增大，并不符合與速度的3 次方關系。從圖2可見：氣壓爆波的主要能量分布在低于20 Hz 的次聲波區。表1 所示為對應的頻域能量分布統計結果。從表1 可見：當列車速度為250 km/h 時，次聲波區能量占總能量的99.85%，氣壓爆波幾乎是純粹的次聲波[4]；當列車速度為350 km/h 時，次聲波區能量占總能量的77.03%。

在氣壓爆波測試傳感器的選型方面，應當考慮其低頻特征。

表1 氣壓爆波頻譜能量分布統計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 氣壓爆波的遠近場聲學特性

采用二維軸對稱圓管模型，利用高階譜差分離散[5-7]的計算氣動聲學(CAA)仿真技術[8-10]，數值模擬1:20 縮比動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，橫坐標是以管口直徑進行無量綱化的距離，縱坐標是以距離參數歸一化的氣壓爆波幅值。3 條水平的實線代表250，300 和350 km/h 3 種速度級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：在近隧道口區域，氣壓爆波幅值隨距離并未按照線性規律衰減；在遠場，則接近線性規律衰減[11-12]；列車進入隧道的速度越大，隧道出口氣壓爆波幅值的近場傳播非線性特征越明顯。這是由于隨著列車速度的提高，隧道口的氣壓爆波源增強，對應的氣動噪聲源區向外擴展。對圖3 所示的結果以誤差5%來計算，管口外約2 個管口直徑范圍內為非線性聲傳播的聲源區。

在這個近隧道口的氣動噪聲源區，存在局部氣流的質量運動，這對傳感器的選型有一定影響。在這個區域，電容式的傳聲器并不能準確地測得氣壓爆波波形。

圖3 隧道出口外氣壓爆波傳播規律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 自由場傳聲器和B&K 4193 次聲波傳聲器。

3.1 傳感器的頻率響應范圍對測試結果的影響

下面對這3 種傳感器的氣壓爆波測試結果進行對比，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范圍。

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

表2 測試傳感器特性比較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：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次聲波區，其測試結果合理且比較接近，B&K4189 自由場傳聲器由于6.3 Hz 低頻截止限制導致較大的誤差(表3 中最大相對誤差超過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，采用B&K4189 自由場傳聲器會導致更大的誤差，因此，相對而言，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：在列車速度為340 km/h 時，二者的結果出現了一定的偏差(相對誤差約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了更寬的頻率范圍(20 Hz～1 kHz 區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域會導致測試誤差，從而影響測試精度。因此，在高速、大幅值(超過250 Pa)的特殊情況下，應選用具有更高響應頻率范圍的壓力傳感器。

3.2 遠、近場測試時對傳感器類型的要求

實驗發現，選用差壓傳感器或B&K4193 次聲波傳聲器的氣壓爆波測試結果盡管幅值很接近，但波形往往并不一致。

圖4(a)所示為隧道口外10 m位置測得的氣壓爆波波形，圖4(b)所示為隧道口外20 m 位置測得的氣壓爆波波形；點劃線為差壓傳感器的測試結果，實線為B&K4193 次聲波傳聲器的測試結果。由圖4 可見：這2 種傳感器的測試結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 節的氣動噪聲源區問題，10 m 和20 m位置均在管口外2 倍管口直徑區域內，屬于氣動噪聲源區。在該區域，存在由于空間上的氣體質量交換導致的壓力變化(包括了壓力的近穩態變化)。差壓傳感器能夠捕捉流場的所有變化信息，傳聲器僅僅監測氣壓爆波傳遞的聲振動能量，因而，在近場聲源區，差壓傳感器能夠更加準確地監測氣壓爆波。

在4～5 倍管口直徑外的遠場，選用這2 種傳感器進行測量，將得到較一致的結果。

4 結論

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

(2) 當列車速度較低時(250 km/h)，氣壓爆波99%以上能量分布在次聲波區，可以看作純粹的次聲波，一般采用次聲波傳感器或者穩態壓力傳感器均可得到準確結果。

(3) 隨著列車速度的提高，氣壓爆波的部分能量分布向較高頻率轉移，必須考慮傳感器1 kHz 以下的頻響特性。對高速的特殊情況(氣壓爆波幅值超過250 Pa)，應選用具有更高響應頻率范圍的動態壓力傳感器。

(4) 隧道口存在氣動噪聲源區，約在2 倍管口直徑范圍內。在近場聲源區，差壓傳感器相對傳聲器能夠更加準確地反映氣壓爆波的實際情況；在遠場，選用這2 種傳感器進行測量，可得到較一致的結果。

(5) 目前普遍采用氣壓爆波幅值作為評判氣壓爆波大小的標準量，并未對氣壓爆波的頻譜范圍進行規范。由于個體研究采用的測試系統不同，在實際操作中，可能導致較大誤差，建議在將來氣壓爆波的行業標準制定時，規范其頻譜特性，進而規范其測試技術。

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