如果天空中突然傳來一聲巨響，除了雷聲，它還可能是飛行器突破音障時產生的音爆。在高速輪軌列車、超高速磁浮列車領域，也存在著類似的音爆。當一列高速列車“貼地飛行”般鉆進隧道，若沒有技術護航，隧道洞口可能會傳來堪比小型爆炸的巨響——這不是科幻電影的場景，而是超高速列車面臨的真實威脅。
中南大學高速列車研究中心對此展開了系列研究。最近，該中心研究人員揭示了時速600公里磁浮列車駛過隧道時產生音爆的原理，還給它裝上“靜音閥”，將隧道口音爆強度降低95.7%。4篇相關論文均發表于《流體物理學》，其中1篇被美國物理學聯合會《科學之光》（AIP Scilight）專訪報道。
被速度喚醒的音爆
2007年，我國鐵路完成第6次大提速，旅客列車的運行速度由原來的時速60公里增至時速200公里。
微氣壓波是指高速列車進入隧道時，因空氣壓縮形成的壓力波動在隧道出口釋放而產生低頻聲波的物理現象。“當時日本等國家的高速列車在運行時，已遇到微氣壓波造成的可感知的音爆現象，但他們沒找到很好的解決辦法。”論文通訊作者之一、中南大學高速列車研究中心教授熊小慧說。
2005年，還在中南大學讀研究生的熊小慧在導師帶領下，前往遂渝線時速220公里試驗現場，開展隧道微氣壓波研究。那是我國首次開展隧道微氣壓波研究。“大家只在文獻中了解到有微氣壓波，不知道它具體如何發生、發展。”熊小慧表示。而那次他們也沒有在實驗中捕獲微氣壓波，大家失望而歸。
轉機出現在2009年。那年12月，武廣高鐵正式開通運營，最高運營時速為350公里。當時速350公里的高速列車通過武廣高鐵大瑤山1號隧道時，列車司機頻繁報告洞口出現“爆炸聲”。
“當時很多科研團隊和鐵路主管部門負責人都到了隧道口，想聽聽音爆的聲音究竟有多大，結果發現它的動靜遠超想象。”熊小慧說。
熊小慧（左）指導團隊成員開展研究。受訪者 供圖
一系列的研究表明，速度是音爆產生的核心“推手”，以前列車運行時沒有出現音爆，是因為列車運行速度未達到“喚醒”它的程度。
研究表明，高速列車時速在350公里以下時，微氣壓波主要為次聲波，危害表現為低頻共振；當速度更高時，其整體頻率向高頻轉移，尤其是在長大隧道中，初始壓縮波的非線性累積效應更強，洞口音爆的強度和危害性成倍放大，構成高速鐵路運營安全的嚴峻挑戰。
鐵路隧道一般建在山地、峽谷等地質條件復雜、地形險峻的地區。基于上述研究成果，中南大學高速列車研究中心通過在隧道口安裝洞口緩沖結構的方式，有效緩解了音爆的強度。
“高速列車進入隧道時會壓縮空氣產生壓力波，傳播至隧道出口處，就形成沖擊波。緩沖結構相當于在壓力波和沖擊波間增加一個減壓梯度，使壓力波能量減小。當壓力波和沖擊波間的能量差變小，音爆強度就會隨之降低。”熊小慧比喻說，音爆強度大就像喝汽水前用力搖晃瓶體然后開蓋，會發出“砰”的聲音；增加緩沖結構相當于讓汽水里的二氧化碳“回歸平靜”后，再打開瓶蓋。
車隧耦合氣動效應動模型試驗平臺。受訪者 供圖
找到音爆“臨界點”
雖然音爆威脅解除了，但它隨著速度加快如何演變，一直是研究的熱點。
2019年5月，我國時速600公里高速磁浮試驗樣車在青島下線。“磁浮列車時速600公里時，微氣壓波幅值隨車速呈三次方以上激增，可達1000帕量級。”論文通訊作者之一、中南大學高速列車研究中心講師陳光表示，若不攻克此難題，隧道口的音爆將成為干擾設備、損傷結構、侵擾旅客與居民的現實威脅。
以往研究表明，微氣壓波與車速、隧道洞口形狀、隧道長度和隧道內構等參數緊密耦合。對于時速600公里的磁浮系統，研究的核心挑戰在于，初始壓縮波在長大隧道內傳播時，其非線性效應累積過程有何質變？洞口音爆的形成機制和壓縮波傳播規律是否遵循既有高速輪軌模型？
高速運動物體“推擠”空氣時會形成一道能量集中的強沖擊波——激波，超聲速流動、爆炸等過程中都會出現激波。2015年有學者提出高速鐵路隧道內可能形成激波的設想。
研究團隊在實驗室里搭建了縮小版的“隧道-列車”模型，用高壓氣體驅動模型車，模擬時速600公里磁浮列車沖進隧道的瞬間。結合數值模擬，他們發現，當列車如活塞般突入隧道，在時速600公里時，初始壓縮波在長距離傳播中會迅速合并、加強為弱激波。正是這股弱激波在隧道出口的突然釋放，導致了劇烈的洞口音爆。
基于此，團隊提出了弱激波形成距離預測公式，用于評估音爆發生的臨界隧道長度。結果顯示，對于時速600公里磁浮系統，音爆臨界長度驟降至2公里左右。也就是說，時速600公里的磁浮列車，在經過2公里及以上長度隧道時會產生音爆，而時速350公里的高速輪軌列車則在經過6公里至10公里的隧道時容易產生音爆。
我國山地丘陵眾多，2公里以上隧道在鐵路網中比比皆是。這意味著若不采取措施，未來大部分高速列車隧道出口都可能成為“爆源”，直面微氣壓波危害。
給隧道穿上“吸音海綿衣”
針對高速列車經過隧道產生的微氣壓波，過去常用的辦法是給隧道口安裝緩沖結構，或把車頭設計得更尖，但這些手段在時速600公里磁浮列車面前效果驟降。
“就像用雨傘擋臺風，根本扛不住。”論文第一作者、中南大學高速列車研究中心博士生王凱文說。團隊意識到，必須跳出傳統思路，才能找到全新解決方案。
王凱文（左）開展磁浮隧道洞口微氣壓波研究項目調研。受訪者 供圖
轉機藏在一個常見的物品里——海綿，這種多孔材料具有減震、吸音等功能。一次試驗間隙，團隊成員靈光一閃：“既然海綿能吸聲音，那它能不能吸收壓縮波？”
順著這個思路，團隊開始系統研究多孔材料的“耗能”原理：當壓縮波遇到布滿小孔的結構，一部分能量會被孔內的空氣摩擦消耗，一部分會在孔洞里來回反射“跑丟了”，就像湍急的水流遇到布滿鵝卵石的河床，沖擊力會大大減弱。
受洞口開孔緩沖結構及道砟吸能原理啟發，團隊將多孔材料引入隧道氣動領域，提出“洞口多孔緩沖結構+洞身多孔涂層”協同抑控新策略。他們系統揭示了多孔緩沖結構如何有效削減初始壓縮波的梯度幅值，通過精細調控明顯約束了最終微氣壓波的幅值與影響范圍；闡明了洞身敷設多孔涂層對壓縮波傳播的關鍵作用——能成功抑制傳播過程中導致弱激波形成的非線性效應累積。
面向時速600公里磁浮工程應用，團隊提出多孔材料微氣壓波抑控方案，即在隧道兩端設置100米長的多孔材料緩沖結構，并在洞身全線敷設多孔涂層。模型試驗中，當模擬時速600公里的模型車穿過1公里長的隧道，出口處的微氣壓波幅值從800.8帕降到了34.7帕，效果遠超傳統方法約60%的緩解率，實現了質的飛躍。
“就像給隧道口裝了個減壓閥，又給洞身鋪了層能量海綿，先給初始壓縮波‘當頭一棒’，再讓剩下的波在傳播中慢慢減弱。”王凱文解釋說。
“時速600公里磁浮的氣動挑戰，遠非微氣壓波這一項。”熊小慧表示，高速氣動噪聲、瞬態復雜流場、極端環境運行穩定性等每一項都關乎未來超高速列車的安全、舒適與環保。團隊將依托國際領先的動模型試驗平臺，持續向更高速度、更復雜工況下的氣動安全核心難題發起沖鋒。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1063/5.0196330
https://doi.org/10.1063/5.0231438
https://doi.org/10.1063/5.0245283
https://doi.org/10.1063/5.0260612
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