Page 39 - 《应用声学》2023年第2期

第 42 卷 第 2 期 李坤炬等： 基于有限元抛物方程混合模型的气泡幕降噪效果研究 227

难获取影响范围更广的气泡幕远距离降噪特性；而
0 引言 在气泡幕的降噪机理研究方面，常集中于气泡幕本

身对噪声的削减作用 [7] ，忽视了特定噪声传播路径
在大规模海洋工程的施工过程中，对大型钢管
对气泡幕降噪效果的影响；最后在气泡幕模型的建
桩进行沉桩作业会激发强烈的桩壁振动，并向附近
立方面，以往研究中将气泡幕简化为等效声屏障 [8]
海域辐射高强度的宽频水下噪声。打桩噪声声压
的研究方法又过于理想，与实际情况有很大差异，无
级往往高达 220 dB (参考声压1 µPa)以上 [1] ，对附
法体现气泡幕降噪效果的空间不均匀性，此外气泡
近的各类海洋生物造成了严重威胁。苏冠龙等 [2]
幕内的气泡大小在现实海水中一般呈随机分布 [9] ，
在厦门岛五缘湾海域对某游艇码头扩建工程所产
而非以往研究中一般假设的均匀分布。
生的水下打桩噪声进行了现场测量，图 1 为该团队
本文采用 有限元 -抛物方 程 (Finite element
现场测量得到的打桩噪声时域波形和功率谱图，冲
method-Parabolic equation, FEM-PE)法混合模型
击打桩产生的水下噪声峰值声压约为 1.5 kPa，主
仿真计算经气泡幕降噪的水下打桩噪声场。通过建
要能量集中于 4.0 kHz 以下的中低频段，且峰值频
立包含气泡幕的水下打桩噪声辐射 FEM 模型，计
率为 797 Hz。牛富强等 [3] 测量了福建省兴化湾海
算打桩结构声振信息，并提取气泡幕后深度方向上
上风电场二期工程建设期单次完整的水下冲击打
的复声压值作为有限元法与抛物方程法的耦合条
桩噪声，测量到的水下打桩噪声的能量主要分布在
件，以求解远距离打桩噪声场。结合仿真结果，将分
50 Hz∼10 kHz范围。
析布放气泡幕时打桩噪声场的声传播特性，研究气
4 泡幕的各项参数对气泡幕降噪效果的影响，并在最
2 后分析气泡大小随机分布时气泡幕的降噪效果。
ܦԍ/kPa -2 0 1 FEM-PE模型的建立

-4
0 0.1 0.2 0.3 1.1 打桩噪声FEM模型
௑ᫎ/s
(a) ฉॎ 本文所构建的二维 FEM 模型中自上而下分别
150 为空气层、水层和海底沉积层，桩壁位于水平距离
Ҫဋ៨ጟ/dB 100 r = 0 m 的位置，桩锤施加的冲击力作用于桩壁顶
端，并沿桩壁垂直向下，在距离桩壁一定距离 R 处

50 设置厚度为 d、高度从海底直到海面的气泡幕。设
0 10 15 20 25 30 35 置模型左边界为对称边界，并且为了使噪声在人为
ᮠဋ/kHz 边界不发生虚假反射，在模型的上下以及右边界设
(b) Ҫဋ៨
置一定厚度的完美匹配层(Perfectly matched layer
图 1 单次冲击打桩噪声的波形及功率谱 [2] PML)。PML 是一种特殊的吸收边界层条件，可模
Fig. 1 Single-strike of impact pile driving in wave- 拟波导四周的无限大空间，声波可以任意穿过PML
form and power spectrum [2] 的连接边界而不引起反射，且声波在 PML 内传播
会呈指数衰减 [10] 。
气泡幕具有施工难度低且降噪效果明显的特
点，是一种打桩施工过程中常用的降噪方法。相对 1.1.1 气泡幕模型
于围堰和隔声套筒，目前针对气泡幕的原理、设计、 为模拟气泡幕对噪声的吸收和散射效果，利用
使用及效果的研究更为深入 [4] ，大量数据表明气泡 随机函数在气泡幕区域中的随机位置生成大量气
幕的降噪幅度大约在10∼20 dB，且会随着频率和气 泡，气泡内的气体设置为空气，气泡幕内其他区域设
泡幕的厚度、布放距离等参数变化 [5] 。 置为海水，气泡半径为α，这些气泡区域的总面积与
现阶段针对气泡幕降噪效果的研究尚存在一 二维模型气泡幕面积的比值 (占空比) 为 V α 。入射
些不足之处。首先，目前常采用有限元分析法来分 声波和散射声波在气泡幕内流体区域中的传播均
析气泡幕的降噪效果 [6] ，但由于计算效率的限制，很 满足Helmholtz波动方程：