Faits:
A. A._ est propriétaire de la parcelle n° 2127 du registre foncier de la commune de Chardonne. Situé en zone viticole, ce bien-fonds supporte une maison d'habitation, qui a été agrandie en 1992. Bordée au sud par le lac Léman et au nord par la ligne CFF du Simplon, cette parcelle s'est vu attribuer un degré de sensibilité au bruit de niveau III. En 1997 et 1998, A._ a procédé, à ses frais, à différents travaux d'isolation acoustique sur sa maison, notamment à la pose d'un double vitrage sur une partie des fenêtres et à l'installation d'un hall d'entrée de type véranda.
B. Le 11 septembre 2006, les Chemins de fer fédéraux SA (ci-après: les CFF) ont déposé auprès de l'Office fédéral des transports une demande d'approbation des plans concernant l'assainissement phonique du réseau ferroviaire dans les communes de St-Saphorin et Chardonne (km 13.659 - 15.814; unité d'assainissement Paudex-Montreux). Selon ces plans, la parcelle n° 2127 se trouve dans le secteur R3 (Chardonne) et elle a été divisée en deux lieux de réception (LR): le LR 25 correspondant à la "partie historique" de la maison et le LR 27 à l'agrandissement de 1992.
Le répertoire des émissions sonores provenant des installations ferroviaires fixes en 2015 - établi en application de l'art. 6 al. 1 de la loi fédérale du 24 mars 2000 sur la réduction du bruit émis par les chemins de fer (LBCF; RS 742.144) - prévoit qu'en 2015 le secteur R3 continuera à subir un dépassement des valeurs d'immission déterminantes après l'assainissement du matériel roulant. Les immissions nocturnes seront de 58 dB(A) au LR 25 et 59 dB(A) au LR 27, tandis que les immissions diurnes respecteront les valeurs limites.
Les CFF ont étudié la possibilité d'édifier des ouvrages antibruit pour protéger la propriété de A._, mais ils ont calculé qu'aucune des variantes examinées n'était réalisable avec un rapport coût-utilité (ci-après: RCU) inférieur à 185. Une telle mesure engendrerait ainsi des frais disproportionnés, le RCU étant supérieur à la limite maximale de 80 fixée par l'art. 20 al. 1 de l'ordonnance du 14 novembre 2001 sur la réduction du bruit émis par les chemins de fer (OBCF; RS 742.144.1) en lien avec l'art. 7 al. 3 let. a LBCF. Les CFF ont donc requis un allègement et demandé l'autorisation de renoncer à la construction d'une paroi antibruit dans le secteur R3. Les plans d'assainissement accompagnés de la requête d'allègement ont été mis à l'enquête publique du 8 novembre au 7 décembre 2006. A._ a formé opposition à l'encontre du projet en tant que celui-ci prévoyait de renoncer à des mesures antibruit dans le secteur R3.
Par décision du 10 juillet 2008, l'Office fédéral des transports a approuvé les plans et admis la requête d'allègement, écartant ainsi l'opposition formulée par A._. Il a considéré que la construction d'une paroi antibruit ne se justifiait pas compte tenu du RCU de 185, dont le calcul n'était d'ailleurs pas contesté.
C. A._ a recouru contre cette décision auprès du Tribunal administratif fédéral, qui a rejeté le recours par arrêt du 9 septembre 2009. Cette autorité a considéré en substance que le RCU de 185 rendait la construction d'une paroi antibruit disproportionnée et que les raisons invoquées par le recourant ne justifiaient pas de dérogation. Pour le surplus, les conclusions portant sur la prise en charge des frais d'isolation phonique de la propriété étaient étrangères à l'objet du litige, dès lors qu'elles devaient être traitées dans une procédure menée par le canton.
D. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler cet arrêt et d'ordonner la construction d'une paroi antibruit sur sa parcelle, subsidiairement d'ordonner aux CFF de lui rembourser les mesures d'isolation réalisées et à réaliser. Il conteste en outre les frais mis à sa charge par l'autorité précédente. Il voit dans l'arrêt attaqué une violation de la LBCF et de son ordonnance d'application dans la mesure où les spécificités de son cas auraient été insuffisamment prises en compte. Il invoque par ailleurs la protection de la bonne foi.
Les CFF renvoient à l'arrêt attaqué, à la décision du 10 juillet 2008 et à leurs précédentes prises de position. L'Office fédéral de l'environnement a présenté des observations, alors que l'Office fédéral des transports et le Tribunal administratif fédéral y ont renoncé. A._ a déposé des observations complémentaires, ainsi qu'un courrier spontané dans lequel il confirme ses conclusions.

Considérant en droit:
1. Dirigé contre une décision finale (art. 90 LTF) émanant du Tribunal administratif fédéral (art. 86 al. 1 let. a LTF) et rendue dans le domaine du droit public de l'environnement (art. 82 let. a LTF), le recours est en principe recevable comme recours en matière de droit public selon les art. 82 ss LTF, aucune exception de l'art. 83 LTF n'étant réalisée. Le recourant a pris part à la procédure devant l'autorité précédente et il est particulièrement touché par la décision attaquée, qui confirme le rejet de ses prétentions tendant à une meilleure isolation phonique de sa propriété. Il dispose donc de la qualité pour recourir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF. Les autres conditions de recevabilité étant remplies, il y a lieu d'entrer en matière.
2. A l'appui de ses arguments, le recourant présente divers éléments de fait et il reproche au Tribunal administratif fédéral d'avoir passé sous silence des faits essentiels. Conformément à l'art. 105 al. 1 LTF, le Tribunal fédéral statue en principe sur la base des faits établis par l'autorité précédente. L'art. 105 al. 2 LTF lui permet cependant de rectifier ou compléter d'office les constatations de l'autorité précédente si les faits ont été établis de façon manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'art. 95 LTF. Cette disposition vise en particulier la violation de l'interdiction constitutionnelle de l'arbitraire (art. 97 al. 1 LTF; <ref-ruling> consid. 4.3 p. 62; Message concernant la révision totale de l'organisation judiciaire fédérale du 28 février 2001, FF 2001 p. 4135; pour une définition de l'arbitraire cf. <ref-ruling> consid. 3.1 p. 265 s.; <ref-ruling> consid. 3.1 p. 153). Il appartient au recourant de démontrer cette violation, par une argumentation répondant aux exigences de motivation de l'art. 42 al. 2 LTF. Une telle démonstration faisant défaut en l'espèce, il n'y a pas lieu de s'écarter des faits retenus dans la décision attaquée.
3. En substance, le recourant reproche au Tribunal administratif fédéral d'avoir refusé d'ordonner aux CFF de construire une paroi antibruit sur sa parcelle et de financer l'isolation phonique de sa propriété.
3.1 S'agissant du refus d'ordonner la construction d'une paroi antibruit, l'autorité précédente s'est fondée sur l'art. 7 al. 3 let. a LBCF, qui prévoit que des allègements sont accordés lorsque la réalisation des mesures antibruit entraînerait des coûts disproportionnés. Conformément à l'art. 20 al. 1 OBCF les coûts engendrés par les mesures de construction antibruit sont réputés proportionnés si le rapport entre leur coût et leur utilité pour la population (RCU) ne dépasse pas 80.
En l'occurrence, il est constant que la construction d'une paroi antibruit, dans sa variante la moins onéreuse, aurait un RCU de 185. La valeur maximale prévue par l'art. 20 al. 1 OBCF est donc largement dépassée, de sorte que le coût de la mesure est réputé disproportionné. Le Tribunal administratif fédéral a considéré que des dérogations étaient possibles dans des cas particuliers, mais que les problèmes de santé invoqués par l'intéressé ne justifiaient pas à eux seuls une telle exception. Il n'y a pas lieu de s'écarter de cette appréciation, ce d'autant moins qu'il n'est aucunement établi que les problèmes de santé en question sont la conséquence de l'absence de protection phonique. En définitive, c'est à bon droit que l'arrêt attaqué retient que la construction d'une paroi antibruit sur la parcelle du recourant engendrerait des coûts disproportionnés, si bien que les CFF peuvent bénéficier des allégements prévus par l'art. 7 al. 3 LBCF.
3.2 Le recourant soutient en outre que les CFF devraient financer les mesures d'isolation phonique réalisées ou à entreprendre sur sa maison. La recevabilité de ce grief est douteuse, dans la mesure où le recourant n'avait pas formulé de requête en ce sens dans son opposition (cf. <ref-ruling> consid. 2.4 p. 34). Cette question peut toutefois demeurer indécise, dès lors que le grief doit être rejeté pour les motifs exposés ci-après.
L'art. 10 al. 2 LBCF prévoit qu'en cas de dépassement des valeurs limites d'immission, la Confédération alloue la moitié des moyens financiers nécessaires aux propriétaires de bâtiments existants qui prennent des mesures pour l'isolation phonique des locaux où le bruit est considéré comme sensible. Selon l'art. 32 al. 1 OBCF, les cantons déterminent, sur la base de l'approbation des plans entrée en force, les locaux dont l'usage est sensible au bruit et où les valeurs limites d'immission sont dépassées. En vertu de l'art. 32 al. 4 OBCF, les autorités cantonales doivent approuver, avant leur réalisation, les projets visant à l'isolation phonique des locaux concernés; cette approbation tient lieu de décision d'allouer la contribution selon l'art. 10 al. 2 LBCF. En ce qui concerne le financement des mesures déjà réalisées, l'art. 34 al. 1 OBCF prévoit enfin que les demandes de remboursement et les décomptes doivent être adressés aux cantons après l'achèvement des constructions.
L'OBCF prévoit donc une procédure particulière pour déterminer si et dans quelle mesure la Confédération participe au financement de l'isolation acoustique des bâtiments concernés par le bruit des chemins de fer. Cette procédure se distingue de celle qui permet d'exiger la construction d'ouvrages antibruit. Ainsi, pour contester des allégements octroyés sur ce dernier point, le riverain doit former opposition durant la procédure d'approbation des plans (cf. <ref-ruling> consid. 2.3 p. 33). Par contre, pour bénéficier d'une participation financière aux mesures d'isolation phonique de son bâtiment, il doit s'adresser aux autorités cantonales chargées de mener la procédure décrite ci-dessus. Par ailleurs, seule une participation financière de la Confédération entre en ligne de compte. C'est dès lors à raison que le Tribunal administratif fédéral n'a pas ordonné directement aux CFF de financer l'isolation acoustique de la propriété du recourant. L'arrêt attaqué doit donc être confirmé sur ce point également.
4. Invoquant la protection de la bonne foi, le recourant allègue par ailleurs que ses griefs ne devaient pas être examinés uniquement sous l'angle de la législation sur la réduction du bruit émis par les chemins de fer et il demande le respect d'une promesse que les CFF lui auraient faite.
4.1 Découlant directement de l'art. 9 Cst. et valant pour l'ensemble de l'activité étatique, le droit à la protection de la bonne foi préserve la confiance légitime que le citoyen met dans les assurances reçues des autorités, lorsqu'il a réglé sa conduite d'après des décisions, des déclarations ou un comportement déterminé de l'administration, si certaines conditions sont remplies (<ref-ruling> consid. 6.1 p. 636; <ref-ruling> consid. 4.1 p. 170; <ref-ruling> consid. 10b/aa p. 125; <ref-ruling> consid. 3a p. 387 et les arrêts cités).
4.2 En l'espèce, le recourant allègue qu'il a reçu des CFF l'assurance que ceux-ci allaient construire une paroi antibruit sur sa propriété, ou du moins financer l'isolation phonique de sa maison. Cependant, il ne parvient pas à établir qu'un tel engagement a effectivement été pris. Il se borne en effet à produire des copies de ses propres courriers adressés aux CFF, mais il n'apporte aucune preuve de la promesse qu'il dit avoir reçue. Par conséquent, il n'y a pas lieu d'examiner plus avant dans quelles conditions les CFF auraient pu être tenus à un remboursement, le grief étant dans tous les cas mal fondé.
5. Enfin, le recourant conteste les frais judiciaires mis à sa charge par le Tribunal administratif fédéral. Selon l'art. 67 LTF, le Tribunal fédéral peut répartir autrement les frais de la procédure antérieure s'il modifie la décision attaquée. En l'occurrence, l'arrêt entrepris doit en tous points être confirmé, de sorte qu'il n'y a pas lieu de revoir la décision sur les frais. De surcroît, le montant mis à la charge du recourant n'excède pas les limites fixées à l'art. 3 let b. du règlement du 21 février 2008 concernant les frais, dépens et indemnités fixés par le Tribunal administratif fédéral (RS 173.320.2).
6. Dans ces conditions, le recours doit être rejeté dans la mesure de sa recevabilité. Le recourant, qui succombe, doit supporter les frais de la présente procédure (art. 66 al. 1 LTF; cf. art. 116 al. 3 de la loi fédérale sur l'expropriation [RS 711]). En tant qu'organisation chargée de tâches de droit public, les CFF n'ont pas droit à des dépens (art. 68 al. 3 LTF).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté, dans la mesure où il est recevable.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 2'000 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Il n'est pas alloué de dépens.
4. Le présent arrêt est communiqué au recourant, aux Chemins de fer fédéraux SA, à l'Office fédéral des transports, à l'Office fédéral de l'environnement et au Tribunal administratif fédéral, Cour I.
Lausanne, le 1er juin 2010
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Le Greffier:
Féraud Rittener