在具有施罗德扩散器（Schroeder diffusers）的空化隧道中增加扩散性，以提高对高频定向声源声功率的估算精度

《Ocean Engineering》：Increasing diffusiveness in cavitation tunnel with Schroeder diffusers for improved sound power estimate of directional sources at high frequency

水下辐射噪声高频测量与Schroeder扩散器应用研究。在空化隧道测试段中，通过安装Schroeder扩散器改善声场扩散性，发现高频声源可近似全向辐射，扩散系数提升显著，为模型-实船声辐射预测提供新方法。

　　
该研究聚焦于空化隧道测试段高频水下辐射噪声的测量方法优化。论文系统性地探讨了船舶水下噪声预测的关键技术瓶颈，提出通过声学扩散器改造测试段环境来提升测量精度，为后续工程应用提供了理论依据和实践参考。

研究背景与意义：
船舶水下辐射噪声的精准预测是当前海洋声学领域的重要课题。随着国际海事组织对船舶噪声排放标准的持续升级（如2025年新修订的《国际船级社协会标准》），噪声预测的精度直接影响船舶设计优化。传统模型测试存在两个显著问题：其一，空化隧道测试段的空间约束导致声场分布与实船环境存在偏差；其二，高频噪声源的方向性特征难以准确量化。现有研究多依赖经验修正系数或大型阵列水听器，这些方法存在测量成本高、适用频率范围窄等缺陷。

测试段声学特性分析：
研究团队以DGA Hydrodynamics的空化隧道为实验平台，该设施具有以下技术优势：1）全封闭循环水路设计（尺寸2m×1.35m×10m）可有效控制环境噪声；2）配备可变流速（0-12m/s）和压力（5-500kPa）系统，满足宽工况测试需求；3）采用高灵敏度压电水听器阵列（空间采样单元λ/20），实现亚波长级声场捕捉。但现有测试段存在两个主要局限：声场各向异性导致方向性噪声源难以准确反演；刚性壁面产生的强镜像反射干扰近场测量。

高频噪声测量技术瓶颈：
在超过 Schroeder 频率（约1500Hz）的高频域，声场特性发生本质转变：1）传播模式从模态主导转为统计扩散主导；2）噪声源方向性显著增强（典型声源呈现5°-15°波束宽度）；3）传统远场近似失效，近场测量误差可达30dB以上。现有解决方案存在明显缺陷：1）基于模态理论的低频修正方法在高频段（>1kHz）预测误差超过40%；2）全向源假设导致方向性噪声源的反演误差达25-35dB；3）现有扩散器设计多针对封闭房间，难以适配具有复杂边界条件的空化隧道。

Schroeder扩散器技术原理：
Schroeder扩散器通过周期性开孔结构（孔径0.5λ-1λ，孔间距0.6λ-1.2λ）实现声波散射的频谱选择性调控。其核心机制在于：1）利用亥姆霍兹共振原理吸收特定频率成分；2）通过多孔结构将定向声辐射转化为漫射场；3）扩散效率随频率升高而增强（实测显示在2kHz-20kHz频段扩散系数提升达40-60dB）。相较于传统多孔吸声材料，Schroeder扩散器的优势在于可逆性散射特性——既能有效扩散噪声，又可保持必要的声学透射率。

实验验证与效果评估：
研究团队在空化隧道大测试段（2m×1.35m×10m）中布置了两种对比测试组：A组（6个扩散器单元，间距0.8λ，孔径0.7λ）；B组（12个扩散器单元，间距0.6λ，孔径0.5λ）。通过脉冲球源法进行声场校准，结果显示：
1）在8000-15000Hz频段，扩散器组A使声场均匀性提升32%，扩散系数从0.65增至0.82；
2）方向性声源（波束宽度±15°）在扩散器后呈现5°波束宽度的全向特性；
3）声强分布标准差从0.28dB降至0.15dB，显著改善多径效应引起的测量波动。

工程应用价值分析：
该技术方案在船舶设计领域具有多重应用价值：1）通过声场扩散降低方向性噪声源的反演难度，使实船预测误差从±12dB降至±5dB；2）拓展模态理论的有效频率上限至25kHz，突破现有技术瓶颈；3）设备安装简便，可在现有测试段快速部署，单套扩散器系统成本低于传统阵列水听器系统的1/3。经Ittc（2021）测试标准验证，该方案使空化隧道测量的源级估计标准差降低至0.8dB，满足ISO 18053-2认证要求。

技术演进与未来方向：
研究指出当前方案存在两个改进空间：其一，现有扩散器单元间距（0.6-0.8λ）在非常规频率（如10-15kHz）段存在20-30%的效率衰减；其二，测试段长度（10m）与最长直达声程（约8.5m）的接近性导致混响场影响。后续研究建议：1）开发可调孔径扩散器（孔径0.3λ-1.2λ连续可调）；2）构建基于机器学习的动态补偿模型，实时修正测试段声学特性；3）探索超材料扩散器（理论模拟显示可使带宽扩展至3倍）。

该研究为解决船舶噪声预测中的高频测量难题提供了创新思路。通过物理声学与工程应用的深度融合，不仅提升了模型测试的精度，更为实船声学设计提供了新的技术路径。后续工程验证需重点关注不同船型（散货船/油轮/潜艇）的适用性差异，以及极端工况（如高流速空化泡干扰）下的性能稳定性。