鋼管樁水下沉樁聲輻射機(jī)理及控制方法研究.pdf

1、人類的海洋開發(fā)活動(dòng)日趨頻繁，海洋工程在給人類帶來(lái)巨大利益的同時(shí)，也帶來(lái)了海洋環(huán)境問(wèn)題。人類活動(dòng)引發(fā)的海洋噪聲問(wèn)題已經(jīng)在國(guó)際社會(huì)上引起了廣泛的關(guān)注。鋼管樁的沖擊沉樁輻射的水下聲壓是最嚴(yán)重的噪聲之一。管樁樁壁在錘頭的沖擊作用下發(fā)生振動(dòng)并向海水中輻射寬頻水下聲壓，高強(qiáng)度的打樁噪聲會(huì)造成海豚、鯨和魚類不同程度的傷害，引起動(dòng)物焦躁，影響鯨與同類之間交流，甚至摧毀海豚的聽力系統(tǒng)，致使其失聰死亡。研究海洋鋼管樁的振動(dòng)及聲輻射機(jī)理、算法及控制方法，對(duì)海

2、洋工程及海洋動(dòng)物保護(hù)而言具有極其重要的意義。
　　目前對(duì)海洋沖擊沉樁輻射聲的研究還處于起始階段，仍然存在很多需要進(jìn)一步研究和亟待解決的問(wèn)題，已有方法本身還存在一些局限性。目前已有的降噪方案存在所需工程量大、經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)大等缺點(diǎn)，因而未能被廣泛接受和應(yīng)用，探索經(jīng)濟(jì)有效且方便執(zhí)行的降噪方案成為當(dāng)務(wù)之急。本文針對(duì)目前該領(lǐng)域存在的問(wèn)題作了深入的探討和分析，有針對(duì)性地提出了這些問(wèn)題的解決方案，研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（Grant No.112

3、72208）的資助。論文結(jié)合理論建模、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等手段對(duì)海洋沉樁所涉及的結(jié)構(gòu)波傳播、錘-樁-土相互作用、聲振耦合計(jì)算等問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的研究，對(duì)海洋沉樁噪聲的控制方案進(jìn)行了探索。文章的主要研究?jī)?nèi)容及相應(yīng)的結(jié)論如下：
　?。?）詳細(xì)研究了錘頭、管樁內(nèi)的波傳播問(wèn)題，分析了錘頭、砧鐵、樁墊（或錘墊）、管樁與樁底土之間的相互作用。建立了波傳播分析的非線性一維有限差分動(dòng)力學(xué)模型，并基于該理論模型，研究樁墊的材料非線性及錘頭、砧鐵與樁頂

4、之間的反彈與連擊等物理現(xiàn)象對(duì)錘擊力及土穿透量的影響。研究發(fā)現(xiàn)：考慮樁底土阻抗對(duì)沖擊力的計(jì)算有重要意義；沖擊過(guò)程中，錘頭、砧鐵與樁頂之間可能發(fā)生多次反彈與連擊，但連擊力一般不能引發(fā)進(jìn)一步的土穿透；墊子能有效降低沖擊力的峰值和沖擊力的高頻分量；錘頭及砧鐵的反彈會(huì)減小有效傳遞能量，從而減小樁底土穿透深度。
　?。?）深入研究了錘擊載荷作用下鋼管樁振動(dòng)及聲輻射問(wèn)題，基于Hamilton原理，提出了一種管樁聲振耦合計(jì)算的半解析方法，利用變分

5、方程求解殼體振動(dòng)問(wèn)題。理論分析及數(shù)值計(jì)算揭示水下輻射噪聲的分布、傳播與衰減規(guī)律及輻射聲壓傳播的頻散特性。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比表明，該理論模型能夠?qū)Ｑ蟪翗对肼曔M(jìn)行有效的預(yù)測(cè)；在管樁環(huán)頻附近，殼體輻射阻抗很大，聲壓頻譜在該頻帶上出現(xiàn)明顯凹谷；輻射聲壓由傳播模態(tài)及衰減模態(tài)共同貢獻(xiàn)，在低頻段，管樁附近的聲場(chǎng)中衰減模態(tài)的貢獻(xiàn)更大；隨著激勵(lì)頻率的增加，聲波到達(dá)海水海泥界面時(shí)，大部分聲能量在界面上被反射，折射現(xiàn)象逐漸減弱。
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6、3）設(shè)計(jì)了小型鋼管樁的沉樁輻射聲實(shí)驗(yàn)，測(cè)試和分析了樁底沖擊力及水下輻射聲壓，明確了沉樁水下噪聲的頻帶、空間分布及衰減特性。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：水下噪聲的第一階共振頻率由管樁的首階軸向固有振動(dòng)決定；水下聲壓具有明顯的深度依賴性；輻射聲壓隨距離的衰減曲線表明水中的聲波能有效穿過(guò)水與泥的接觸界面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了發(fā)展的聲振耦合力學(xué)模型的有效性。
　　（4）深入研究了墊子、砧跌對(duì)沉樁輻射聲壓的影響，并提出了基于樁墊參數(shù)選擇的降噪方案。首先，我們研

7、究了墊子及砧鐵的使用對(duì)水下輻射聲壓的時(shí)域波形、幅值及頻域響應(yīng)的影響，并從能量傳遞的角度揭示樁墊降噪的機(jī)理。隨后分析了參數(shù)變化對(duì)聲壓的峰值聲壓級(jí)及聲曝露級(jí)的影響規(guī)律。最終基于分析結(jié)果，給出了最優(yōu)的墊子安裝位置及參數(shù)選擇建議。得到主要結(jié)論如下：樁頂應(yīng)力的尖銳上升沿會(huì)在管樁上激發(fā)出強(qiáng)烈的高頻振動(dòng)，使管樁產(chǎn)生高強(qiáng)度的水下噪聲；墊子的使用能有效緩沖樁頂沖擊力，防止樁頂應(yīng)力產(chǎn)生尖銳的應(yīng)力上升沿；墊子主要通過(guò)延長(zhǎng)沖擊能量傳遞到管樁上的時(shí)間來(lái)降低管樁的