一种基于声学超材料的实时声纹防护装置及其制备方法

本发明属于声学超材料、语音物理隐私安全，涉及声纹防护装置及其制备方法，具体涉及一种基于声学超材料的实时声纹防护装置及其制备方法。

背景技术：

1、声纹由人体声带、声道独特生理结构决定，具备高度唯一性，作为稳定生物身份特征，现已广泛应用于金融核验、门禁登录、司法取证、会议实名登记等场景。各类手机、会议鹅颈麦、手持录音设备存在明显音频采集安全隐患，录音软件、底层固件易被恶意程序劫持，外置微型窃听器也可旁路截获原始人声波形。纯净原声被不法取得后，可训练语音克隆模型、通过频谱算法逆向还原用户原生声纹，实施身份冒用、电信诈骗、伪造证据等行为，带来严重隐私泄露与财产损失。

2、现有声纹防护方案分为软件后置处理、麦克风内置有源硬件改造两类：

3、软件扰动方案在麦克风完成音频采集、信号数字化之后，对语音信号添加扰动或变换以隐藏声纹特征。该类方案默认麦克风、固件、录音软件为可信设备，一旦采集设备被攻陷，攻击者可在软件处理前截获原始音频，防护机制完全失效。同时软件运算会产生额外时延与设备资源开销。实时运算产生时延、占用处理器算力，移动端、低成本拾音设备难以部署。

4、内置硬件改造方案将声纹干扰模块集成至麦克风腔体内部，虽提升了安全性，但该类方案依赖特定语音编码格式，通用性差，仅适配专属麦克风设备，无法在公共场合、第三方共享麦克风场景中部署。

5、传统声学超材料相关器件，可通过微腔体调控声波振幅、相位，但现有产品仅用于降噪、超声拦截，没有面向拾音前端的声纹隔离设计，传统单腔体结构也仅对固定角度声波起效，存在明显技术空白。

6、现有技术，一是频段冲突，身份特征集中在300～700hz低频，对话语义存储于中高频，全域干扰会同步破坏语音内容，无法兼顾防护与正常沟通；二是角度鲁棒性差，单腔体结构仅正对麦克风时有效，用户转头、移动后会形成防护盲区，声纹极易泄露；三是干扰频谱固定不变，攻击者采集足量带噪音频后，可借助机器学习、滤波算法剥离干扰，复原原始声纹，长期防护可靠性不足；四是通用性薄弱，软件、内置硬件、传统超材料均无法直接套接各类麦克风，公共、临时采访场景部署难度大。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种无源外置式基于声学超材料的实时声纹防护装置及其制备方法，无需供电、无需改装麦克风、不依赖软件运算，借助窄带选频扰动、多单元环绕全覆盖、无源机械随机调频三大核心设计，在保留语音可懂度的前提下实现全场景声纹匿名，填补麦克风采集端无源物理层声纹防护的技术空缺。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种基于声学超材料的实时声纹防护装置，包括顶部封闭底端开放的圆柱筒结构形成的中心腔，所述的中心腔外周沿周向均分设置有三组米氏共振超材料单元，三组所述的米氏共振超材料单元沿轴向依次错层设置；

4、所述的米氏共振超材料单元包括与中心腔一体成型的扇形外壳，所述的扇形外壳包括底壁和侧壁，以及与底壁对称设置卡装在侧壁顶部的顶盖；

5、所述的米氏共振超材料单元沿径向中心轴线通过平行设置的薄壁形成共振腔，所述的中心腔侧壁上与共振腔首端对应设置有通孔，所述的共振腔尾端贯穿扇形外壳的侧壁设置有竖槽；

6、所述的共振腔的两侧设置有侧腔，所述的侧腔与共振腔通过靠近中心腔的薄壁窄缝连通；

7、所述的侧腔内靠近薄壁沿径向设置有耦合共振结构；

8、所述的中心腔的底端同轴连接有上下端开放的圆筒状麦克风限位卡槽。

9、本发明还具有以下技术特征：

10、优选的，所述的耦合共振结构包括滑轨以及与滑轨对应设置的可往复滑动调谐块。

11、进一步的，所述的滑轨相对间隔设置有两个，两个所述的滑轨一端端面中部设置有一个限位卡块。

12、更进一步的，所述的一个米氏共振超材料单元内位于共振腔两侧的侧腔内的限位卡块分别设置在滑轨的两端。

13、优选的，所述的顶盖外檐与共振腔对应设置有开槽。

14、进一步的，所述的米氏共振超材料单元的几何参数：中心腔直径12~28mm；扇形外壳外弧面长48~51mm；共振腔径向长度14~25mm；

15、滑轨8mm；可往复滑动调谐块长度4~16 mm，宽、高均为5mm，调节区间4~16mm。

16、更近一步的，所述的米氏共振超材料单元的几何参数：中心腔直径19.5mm，扇形外壳外弧面长49.5mm；共振腔径向长度21mm；薄壁厚度1.95mm；滑轨8mm；可往复滑动调谐块长度8 mm，宽、高均为5mm。

17、本发明还保护上述基于声学超材料的实时声纹防护装置的制备方法，采用光敏树脂 3d打印一体成型。

18、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

19、本发明采用中心腔与环绕在中心腔外周的三个米氏共振超材料单元，结合米氏共振超材料单元内置的可调节的耦合共振结构构成的窄带米氏共振结构，仅针对性扰动300-700hz 承载人声生理特征的低频声波，完整保留中高频语义信号，兼顾声纹匿名防护与人声可懂度；三单元对称布局可覆盖±90°日常发声角度，消除用户转头、位移带来的声纹泄露死角；米氏共振超材料单元内部无源滑动块依靠人体震动自动调节腔体有效尺寸，持续生成时变随机干扰频谱，大幅提升对抗滤波建模、语音克隆攻击的安全强度；整套装置为无源外置配件，无需供电、无需改装麦克风硬件，可适配手机、手持麦、鹅颈麦多类拾音设备，从物理源头阻断麦克风劫持、隐蔽窃听引发的原始声纹窃取风险，无软件运算带来的音频延迟问题，嘈杂、多风等复杂场景下干扰增益稳定维持，防护鲁棒性更强；

20、本发明声学超材料单元采用光敏树脂光固化一体成型工艺制备，将声学超材料复杂腔体、导声通道、导向限位结构一体化成型，减少零部件装配缝隙，防止声波泄漏，保证声学超材料预设的米氏共振响应性能；该制备方式可精准复现超材料腔体壁厚、腔径、耦合狭缝等精细几何尺寸，保障批量生产下声学超材料共振特性一致性，大幅降低成品声学校准工作量；仅更改外围装配结构尺寸即可适配不同麦克风载体，声学超材料核心谐振构型无需重新设计加工，具备良好通用性；制备流程无需电路元件装配，工艺简便、生产成本可控，成型后的声学超材料结构轻便坚固，便于加工成模块化单元，快速组装、拆装携带，适合多场景下部署使用。

1.一种基于声学超材料的实时声纹防护装置，其特征在于，包括顶部封闭底端开放的圆柱筒结构形成的中心腔（1），所述的中心腔（1）外周沿周向均分设置有三组米氏共振超材料单元（2），三组所述的米氏共振超材料单元（2）沿轴向依次错层设置；

2.根据权利要求1所述的基于声学超材料的实时声纹防护装置，其特征在于，所述的耦合共振结构（3）包括滑轨（301）以及与滑轨（301）对应设置的可往复滑动调谐块（302）。

3.根据权利要求2所述的基于声学超材料的实时声纹防护装置，其特征在于，所述的滑轨（301）相对间隔设置有两个，两个所述的滑轨（301）一端端面中部设置有一个限位卡块（303）。

4.根据权利要求3所述的基于声学超材料的实时声纹防护装置，其特征在于，所述的一个米氏共振超材料单元（2）内位于共振腔（203）两侧的侧腔（204）内的限位卡块（303）分别设置在滑轨（301）的两端。

5.根据权利要求1所述的基于声学超材料的实时声纹防护装置，其特征在于，所述的顶盖（20103）外檐与共振腔（203）对应设置有开槽（2010301）。

6.根据权利要求3所述的基于声学超材料的实时声纹防护装置，其特征在于，所述的米氏共振超材料单元（2）的几何参数：中心腔（1）直径12~28mm；扇形外壳（201）外弧面长48~51mm；共振腔（203）径向长度14~25mm；

7. 根据权利要求6所述的基于声学超材料的实时声纹防护装置，其特征在于，所述的米氏共振超材料单元（2）的几何参数：中心腔（1）直径19.5mm，扇形外壳（201）外弧面长49.5mm；共振腔（203）径向长度21mm；滑轨（301）长度8mm；可往复滑动调谐块（302）长度8mm，宽、高均为5mm。

8.一种根据权利要求1~7中任一项所述的基于声学超材料的实时声纹防护装置的制备方法，其特征在于，采用光敏树脂3d打印一体成型。