任意形状封装气泡用于衰减低频水下声音的研究

《Journal of Intelligent Material Systems and Structures》：Investigation of arbitrarily-shaped encapsulated bubbles for attenuation low-frequency underwater sound

　　

中文摘要翻译 近年来，大型海上单桩基础安装数量日益增多，其在打桩过程中会产生有害的水下噪声，尤其是低频噪声尤为突出。现有的噪声缓解系统主要针对1000 Hz左右的噪声，但其对新一代单桩预期产生的更低频率噪声的降噪效果会显著下降。为解决这一问题，本研究开发并研究了一种新型噪声缓解系统——基于超材料的帷幕，即“超材料帷幕”，利用超材料与智能材料来过滤打桩过程中产生的声波，主要针对主要噪声源，即从桩体向水体传播的噪声。该超材料帷幕的开发遵循一套设计方法，涵盖气泡基础原理的理解、桩-水系统中的衰减性能，以及帷幕框架的结构完整性与部署机制。本研究主要聚焦于新型气泡设计的声学相关步骤及其衰减性能，未来工作将探索超材料帷幕的结构性能。本研究为探索能够潜在减少单桩安装过程中低频声波传播的新型设计开辟了道路。

论文主体内容解读

一、研究背景、问题与研究意义

随着欧洲海上风电行业的快速发展，单桩基础因其成本效益和安装便捷性成为主流选择。然而，海上风电装机容量的大幅提升意味着未来需要更大直径和长度的单桩基础。在安装过程中，冲击锤以150至6600 kJ的能量锤击单桩，激起纵向波传播并引发桩体共振，从而使桩壁产生径向运动并向外辐射噪声。这些水下噪声可在海洋环境中远距离传播，对海洋生物造成听力损伤甚至死亡等严重威胁。

目前，最常用的噪声缓解系统是气泡帷幕和Hydro Sound Dampers（水声阻尼器）。传统系统在500 Hz至5 kHz频段内具有较好的降噪效果，但当频率低于500 Hz时，这些系统的效率显著下降。例如，气泡帷幕若要缓解低频噪声，需要产生更大尺寸的气泡，这要求更高的能量供给，而且大气泡本身不稳定，容易分裂为小气泡，进一步降低低频衰减效果。虽有研究尝试组合多种系统（如双大气泡帷幕、IHC-NMS（IHC噪声缓解系统）与大气泡帷幕组合），但安装和运营成本高昂。同时，现有系统主要集中于减弱从桩体直接向水体传播的主要噪声源，而忽略了经由桩-土-水路径传播的次要噪声路径，这主要由于土体动力学的复杂性。

因此，探索新的面向低频关键噪声的噪声缓解系统设计，既是为维护海洋生物安全环境，也是为保障海上风电安装持续推进、实现能源转型所必需的。本文正是基于这一背景，开发并研究一种由封装气泡组成的新型噪声缓解系统——超材料帷幕。

二、主要研究内容与结论

研究人员提出了一套三步设计方法来开发超材料帷幕。第一步，通过理论和数值模型研究不同尺寸、形状和膜厚的空气气泡的声学特性，理解其衰减机制并提取有效声学参数；第二步，利用振动声学数值模型评估气泡在桩-水-土系统中的降噪性能；第三步，关注结构完整性和部署机制，但该部分留待未来工作。

在自由气泡理论方面，论文采用Commander和Prosperetti模型计算含气泡流体中的复声速和阻尼系数。气泡共振频率由Minnaert频率描述。研究显示，在共振频率以下，气泡行为类似于声学软介质，产生与水的强阻抗失配，但吸收能力低；在共振频率以上，气泡与压力场反相振荡，通过热、黏性和辐射阻尼实现高效能量耗散。不同气泡半径对应不同共振频率，半径1.5、1、0.5和0.1 cm的气泡共振频率分别为219、328、657和3285 Hz。

体积分数分析显示，在100 Hz频率下（所有气泡均处于次共振区），有效相速度和衰减系数随体积分数单调增加；而在1000 Hz频率下，气泡尺寸不同导致行为差异显著，这与分析频率相对气泡共振频率的位置密切相关。

针对自由气泡在低频下需要厘米级大半径但稳定性差的问题，论文提出将气泡封装在薄弹性壳内。采用Church模型描述封装气泡的声学行为，该模型考虑了壳层刚度增加气泡共振频率以及壳层黏滞损耗的额外阻尼项。

数值模型方面，研究人员在Comsol Multiphysics中建立了二维轴对称单气泡模型，利用热黏声学考虑黏性和热损耗。自由气泡半径1 cm的脉动模态频率模拟结果为327.24 Hz，与理论Minnaert频率328 Hz一致，验证了数值模型的有效性。此外，通过对称波导中的时谐分析，利用反射和透射系数反演获得气泡介质的有效波数、声阻抗、有效质量密度、波速和体积模量等有效声学参数。

三、关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：理论建模方面，使用Commander和Prosperetti模型计算自由气泡的复声速与阻尼系数，使用Church模型描述封装气泡的波数、共振频率和多源阻尼系数（壳层粘性阻尼、液体粘性阻尼、热阻尼和声辐射阻尼）。数值模拟方面，在Comsol Multiphysics中建立二维轴对称单气泡模型，空气和周围水均采用热黏声学域，外层水域采用压力声学并设置球面波辐射边界；自由气泡在气-水界面考虑表面张力，封装气泡在空气-膜和膜-水界面考虑热黏声-结构相互作用。通过特征频率研究获取气泡自然频率，通过对称波导中的时谐分析，利用反射系数和透射系数反演提取有效声学参数（有效波数、声阻抗、有效密度、有效波速和有效体积模量）。

四、结果呈现

自由气泡声学特性： 论文通过理论模型计算了不同半径气泡（1.5、1、0.5、0.1 cm）的有效波速和衰减系数随频率的变化，共振频率分别为219、328、657和3285 Hz。体积分数分析表明，在100 Hz（次共振区）下，相速度随体积分数增加而显著降低，衰减系数单调增加；在1000 Hz下，不同气泡尺寸行为各异，接近共振频率的气泡（r=0.5 cm）出现明显的相速度峰值，而远离共振的气泡（r=0.1 cm）仍处于次共振区。

封装气泡声学特性： Church模型表明，壳层刚度会提高单气泡共振频率，并引入额外的黏性阻尼项δ_v,s。数值模拟中，自由气泡r=1 cm的脉动模式为327.24 Hz，与理论值吻合。

有效声学参数提取： 通过波导数值模型，利用反射系数R和透射系数T反演出有效波数k_eff和声阻抗Z_eff，进而推导出有效质量密度、有效波速和有效体积模量，并计算了透射损失TL。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，低频共振需要厘米级自由气泡，但此类气泡不稳定易破裂。封装气泡通过弹性薄壳解决了这一限制，提供了对气泡体积和共振频率更精确的控制，同时壳层材料需兼顾弹性（允许气泡共振）和强度（适应海洋部署环境）。论文还提出超材料帷幕由两个衰减组件构成：第一个组件（蓝色膜）针对主要噪声源（桩-水路径），采用硅基/织物膜结构，内部含有从底部注入空气的腔体单元，可按需排列图案以匹配环境条件和目标降噪频率；第二个组件（紫色膜）用于改善次要噪声路径（桩-土-水路径）衰减，但超出本研究范围，建议未来研究。

结论部分总结如下：本文开发并研究了一种新型噪声缓解系统——基于超材料的帷幕，利用超材料和智能材料来过滤单桩安装过程中产生的声波，主要针对桩到水的主要噪声源。该超材料帷幕通过涵盖气泡基础理解、桩-水系统衰减性能以及帷幕框架结构完整性和部署机制的设计方法进行开发。本文聚焦于新型气泡设计的声学步骤及其衰减性能，数值模拟结果（327.24 Hz）与理论Minnaert频率（328 Hz）高度一致，验证了建模方法的可靠性。未来工作将探索超材料帷幕的结构性能，本研究为减少单桩安装中低频声波传播的新设计开辟了广阔前景。