基于统一卷曲瓶颈的梯度亥姆霍兹谐振腔阵列设计方法、阵列及设备

本技术涉及声学超结构领域，特别涉及一种基于统一卷曲瓶颈的梯度亥姆霍兹谐振腔阵列设计方法、阵列及设备。

背景技术：

1、在低频微弱声信号检测和声学前端增强中，常需要在声信号进入传感器之前，对目标频率附近的声压能量进行选择性放大。亥姆霍兹谐振器及其阵列是低频吸声、隔声和声场调控中的重要基本单元。

2、常规低频声学增强结构存在低频性能与结构尺寸之间的矛盾。对于普通直瓶颈亥姆霍兹谐振腔、四分之一波长管等传统结构而言，目标频率越低，通常需要越大的腔体体积或越长的声学路径。当目标频率处于几百赫兹甚至更低频段时，结构尺寸容易超出传感器前端、机械设备外壳、狭小安装空间或便携式检测装置的可接受范围。因此，传统结构在低频微弱声信号增强场景中存在小型化不足的问题。此外，卷曲空间结构虽然能够降低工作频率，但目标频率预测不够直接。卷曲通道通过折叠传播路径提高等效声学长度，能够在有限空间内实现低频化。然而，卷曲路径中的弯折、狭缝、端部开口和局部截面变化会引入附加惯量和附加损耗，使实际谐振频率偏离简单理论模型。特别是在多个卷曲单元组成阵列时，单元间近场耦合和边界反射还会进一步影响响应频率。对于亥姆霍兹谐振腔阵列中卷曲结构的设计往往需要依赖大量有限元仿真或实验修正，效率低。

3、上述问题的根本原因在于：低频声学增强依赖较大的等效声学长度或较大的腔体顺性，而有限安装空间又限制了梯度亥姆霍兹谐振腔阵列的直线瓶颈长度和腔体体积。梯度亥姆霍兹谐振腔阵列的卷曲结构能够在有限空间中增加等效声程，但复杂折返路径会引入额外端部效应、弯折效应、热粘性损耗和加工敏感性，使目标频率预测变得困难。

4、综上，相关技术中的梯度亥姆霍兹谐振腔阵列的设计方式存在难以同时兼顾低频小型化、频率预测的确定性和阵列设计效率较低的缺陷

技术实现思路

1、本技术提出一种基于统一卷曲瓶颈的梯度亥姆霍兹谐振腔阵列设计方法、阵列及设备，能够兼顾卷曲结构的低频率声信号增强和小型化，提高频率预测的确定性和阵列设计效率。

2、根据本技术第一方面实施例的基于统一卷曲瓶颈的梯度亥姆霍兹谐振腔阵列设计方法，包括以下步骤：

3、根据待增强对象确定目标频率集合，所述目标频率集合包括多个目标频率，所述目标频率由所述待增强对象的特征频率确定；

4、根据目标频率集合和预设的分组策略确定梯度亥姆霍兹谐振腔阵列中谐振组的数量，以及每个所述谐振组中亥姆霍兹谐振腔单元的数量，得到谐振组信息；其中，所述分组策略为：每个所述谐振组内的所述亥姆霍兹谐振腔单元具有相同的卷曲瓶颈结构，每个所述亥姆霍兹谐振腔单元对应所述目标频率集合中的一个目标频率；

5、根据谐振组信息和预设的加工策略确定每个所述谐振组的卷曲瓶颈参数；

6、将每个所述谐振组的卷曲瓶颈参数输入预设的卷曲瓶颈等效声惯量模型，得到每个所述谐振组的等效声学惯性参数；

7、根据每个亥姆霍兹谐振腔单元对应的所述目标频率和所述等效声学惯性参数，计算出每个亥姆霍兹谐振腔单元的腔体高度；

8、根据所述谐振组信息、每个所述亥姆霍兹谐振腔单元的所述腔体高度和所述卷曲瓶颈参数生成梯度亥姆霍兹谐振腔阵列模型，所述梯度亥姆霍兹谐振腔阵列模型用于指示梯度亥姆霍兹谐振腔阵列的结构。

9、根据本技术的一些实施例，所述根据所述谐振组信息、每个所述亥姆霍兹谐振腔单元的所述腔体高度和所述卷曲瓶颈参数生成梯度亥姆霍兹谐振腔阵列模型之后，还包括：

10、根据所述梯度亥姆霍兹谐振腔阵列模型建立对应的频域声学模型；

11、根据所述频域声学模型进行仿真，得到各个所述亥姆霍兹谐振腔单元的谐振频率峰值；

12、将每个亥姆霍兹谐振腔单元的所述谐振频率峰值与所述目标频率进行对比，得到频率误差；

13、根据所述频率误差对所述腔体高度进行修正，得到修正腔体高度；

14、根据所述谐振组信息、每个所述亥姆霍兹谐振腔单元的所述修正腔体高度和所述卷曲瓶颈参数生成修正梯度亥姆霍兹谐振腔阵列模型。

15、根据本技术的一些实施例，所述根据所述频率误差对所述腔体高度进行修正，得到修正腔体高度，包括：

16、将每个频率组中频率误差最小的亥姆霍兹谐振腔单元作为参考单元；

17、根据所述参考单元计算出每个频率组的等效声学惯性修正参数；

18、根据所述等效声学惯性修正参数重新计算同组内每个亥姆霍兹谐振腔单元的腔体高度，得到修正腔体高度。

19、根据本技术的一些实施例，所述频域声学模型包括二维压力声学模型和三维压力声学模型，所述根据所述梯度亥姆霍兹谐振腔阵列模型建立对应的频域声学模型，包括：

20、判断所述梯度亥姆霍兹谐振腔阵列模型的阵列厚度方向，生成阵列厚度判断结果；

21、根据所述阵列厚度判断结果建立对应的频域声学模型；其中，

22、在所述阵列厚度判断结果指示所述梯度亥姆霍兹谐振腔阵列模型的阵列厚度方向结构均匀的情况下，建立二维压力声学模型；

23、在所述阵列厚度判断结果指示所述梯度亥姆霍兹谐振腔阵列模型的阵列厚度方向存在显著变化的情况下，建立三维压力声学模型。

24、根据本技术的一些实施例，所述根据每个亥姆霍兹谐振腔单元对应的所述目标频率和所述等效声学惯性参数，计算出每个亥姆霍兹谐振腔单元的腔体高度之后，还包括：

25、将所述腔体高度与预设的高度阈值进行对比；

26、在所述腔体高度大于所述高度阈值的情况下，对所述卷曲瓶颈参数进行调整。

27、根据本技术的一些实施例，所述等效声学惯性参数为等效惯抗系数，所述根据每个亥姆霍兹谐振腔单元对应的所述目标频率和所述等效声学惯性参数，计算出每个亥姆霍兹谐振腔单元的腔体高度步骤中，所述腔体高度的计算式为：

28、；

29、其中，为腔体高度，为等效惯抗系数，m为亥姆霍兹谐振腔单元数量，为声速，为目标频率，为腔体空气域宽度，t为内径半径。

30、根据本技术第二方面实施例的基于统一卷曲瓶颈的梯度亥姆霍兹谐振腔阵列，所述梯度亥姆霍兹谐振腔阵列根据梯度亥姆霍兹谐振腔阵列模型加工得到，所述梯度亥姆霍兹谐振腔阵列模型通过如第一方面实施例所述的基于统一卷曲瓶颈的梯度亥姆霍兹谐振腔阵列设计方法得到。

31、根据本技术第三方面实施例的声学设备，所述声学设备中设置有如第二方面实施例所述的基于统一卷曲瓶颈的梯度亥姆霍兹谐振腔阵列。

32、根据本技术实施例的种基于统一卷曲瓶颈的梯度亥姆霍兹谐振腔阵列设计方法、阵列及设备，至少具有如下有益效果：

33、本实施方式中，根据待增强对象确定目标频率集合；根据目标频率集合和预设的分组策略确定梯度亥姆霍兹谐振腔阵列中谐振组的数量，以及每个谐振组中亥姆霍兹谐振腔单元的数量，得到谐振组信息；根据谐振组信息和预设的加工策略确定每个谐振组的卷曲瓶颈参数；将每个谐振组的卷曲瓶颈参数输入预设的卷曲瓶颈等效声惯量模型，得到每个谐振组的等效声学惯性参数；根据每个亥姆霍兹谐振腔单元对应的目标频率和等效声学惯性参数，计算出每个亥姆霍兹谐振腔单元的腔体高度；根据谐振组信息、每个亥姆霍兹谐振腔单元的腔体高度和卷曲瓶颈参数生成梯度亥姆霍兹谐振腔阵列模型。本技术能够兼顾卷曲结构的低频率声信号增强和小型化，提高频率预测的确定性和阵列设计效率。

34、本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。