基于亥姆霍兹共振的声学编码方法及系统与流程

本发明涉及水中目标无源声学编码的，具体地，涉及基于亥姆霍兹共振的声学编码方法及系统。

背景技术：

1、声波是目前已知唯一能在水中远距离传播的能量载体，水声通信是目前水下无线通信中最有效的技术手段。近年来自主式水下航行器(auv)无论在战场监视、隐蔽打击等军用领域还是在海洋地质勘探等民用领域都得到快速发展。导航技术是auv的核心技术，声学导航也是水下导航的最主要的方式之一，水中目标的远程定位、识别和导航等很大程度依赖于水下声信标。目前水下声信标主要采用主动发射脉冲信号的有源方式，其存在频带窄、工作时效短、隐蔽性差的缺点，同时其所包含的发射换能器、功率放大器和电子舱等增加了目标负载且维护成本高。

2、因此，需要提出一种新的技术方案以改善上述技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于亥姆霍兹共振的声学编码方法及系统。

2、根据本发明提供的一种基于亥姆霍兹共振的声学编码方法，所述方法包括如下步骤：

3、步骤s1：输入入射声波，当入射声波频率与亥姆霍兹共振腔的固有频率相同时，放大入射声波；

4、步骤s2：通过改变亥姆霍兹共振腔的参数调控亥姆霍兹共振腔的频率响应，产生特定的声学编码；

5、步骤s3：建立亥姆霍兹共振腔结构频域共振峰与二进制符号的对应关系，进行声学编码，进而进行远距离定位和导航。

6、优选地，所述亥姆霍兹共振腔包括：

7、一个腔体顶壁面：是共振内腔的组成部分，通过改变该部分的材料和尺寸改变腔体的谐振频率；

8、一个腔体侧壁面：是共振内腔的组成部分，通过改变该部分的材料和尺寸改变腔体的谐振频率；

9、一个腔体底壁面：是共振内腔的组成部分，通过改变该部分的材料和尺寸改变腔体的谐振频率；

10、一个腔体孔颈：用于入射波进入腔体内。

11、优选地，若干个亥姆霍兹共振腔组成亥姆霍兹共振腔组合，所述亥姆霍兹共振腔组合包括：

12、n个单个亥姆霍兹共振腔周期单元：用于入射波进入腔体，构成周期单元组合，通过改变该部分的材料、尺寸和数量改变腔体的管道长度，从而改变腔体的谐振频率；

13、n-1个腔体连通管道：构成周期单元组合，通过改变该部分的材料和尺寸改变腔体的谐振频率。

14、优选地，所述步骤s2中的参数包括几何尺寸和材料属性。

15、优选地，使用亚波长尺寸下的亥姆霍兹共振腔作为周期单元进行周期性排列，腔体孔颈方向向上，腔体单元纵向放置，在横向进行周期性排列，入射声波垂直入射到腔体表面，腔体由腔体孔颈、内腔腔体侧壁、腔体顶部壁面及腔体底部壁面组成；利用低频集中参数模型得到弹性壁面腔体的谐振频率：

16、

17、孔颈的等效声质量m1为：

18、

19、其中leff为长度校正后的孔颈长度，l1为孔颈高度，r1为孔半径大小；

20、内腔的等效声容：

21、

22、v2为腔体内腔的体积，ρ0和c0分别为水介质的密度及声速；

23、腔体底板等效声容为：

24、

25、l3为腔壁板厚度，r3为腔壁板半径，σ和e分别为腔体材料的泊松比和杨氏模量；当上下壁面材料属性相同，壁面厚度相同，腔体顶板等效声容c4＝c3；

26、侧面壳体的等效弹性声容：

27、

28、其中s3为腔体侧面壳体面积，表达式为s3＝2πr3l，d为壳体的弯曲刚度，

29、由公式(1)-(5)可知，亥姆霍兹共振腔的共振频率与孔颈长度、孔颈宽度、腔体体积，腔体壁厚、腔体壁面材料参数有关，通过改变腔体各个参数，对腔体共振频率进行调控。

30、本发明还提供一种基于亥姆霍兹共振的声学编码系统，所述系统包括如下模块：

31、模块m1：输入入射声波，当入射声波频率与亥姆霍兹共振腔的固有频率相同时，放大入射声波；

32、模块m2：通过改变亥姆霍兹共振腔的参数调控亥姆霍兹共振腔的频率响应，产生特定的声学编码；

33、模块m3：建立亥姆霍兹共振腔结构频域共振峰与二进制符号的对应关系，进行声学编码，进而进行远距离定位和导航。

34、优选地，所述亥姆霍兹共振腔包括：

35、一个腔体顶壁面：是共振内腔的组成部分，通过改变该部分的材料和尺寸改变腔体的谐振频率；

36、一个腔体侧壁面：是共振内腔的组成部分，通过改变该部分的材料和尺寸改变腔体的谐振频率；

37、一个腔体底壁面：是共振内腔的组成部分，通过改变该部分的材料和尺寸改变腔体的谐振频率；

38、一个腔体孔颈：用于入射波进入腔体内。

39、优选地，若干个亥姆霍兹共振腔组成亥姆霍兹共振腔组合，所述亥姆霍兹共振腔组合包括：

40、n个单个亥姆霍兹共振腔周期单元：用于入射波进入腔体，构成周期单元组合，通过改变该部分的材料、尺寸和数量改变腔体的管道长度，从而改变腔体的谐振频率；

41、n-1个腔体连通管道：构成周期单元组合，通过改变该部分的材料和尺寸改变腔体的谐振频率。

42、优选地，所述模块m2中的参数包括几何尺寸和材料属性。

43、优选地，使用亚波长尺寸下的亥姆霍兹共振腔作为周期单元进行周期性排列，腔体孔颈方向向上，腔体单元纵向放置，在横向进行周期性排列，入射声波垂直入射到腔体表面，腔体由腔体孔颈、内腔腔体侧壁、腔体顶部壁面及腔体底部壁面组成；利用低频集中参数模型得到弹性壁面腔体的谐振频率：

44、

45、孔颈的等效声质量m1为：

46、

47、其中leff为长度校正后的孔颈长度，l1为孔颈高度，r1为孔半径大小；

48、内腔的等效声容：

49、

50、v2为腔体内腔的体积，ρ0和c0分别为水介质的密度及声速；

51、腔体底板等效声容为：

52、

53、l3为腔壁板厚度，r3为腔壁板半径，σ和e分别为腔体材料的泊松比和杨氏模量；当上下壁面材料属性相同，壁面厚度相同，腔体顶板等效声容c4＝c3；

54、侧面壳体的等效弹性声容：

55、

56、其中s3为腔体侧面壳体面积，表达式为s3＝2πr3l，d为壳体的弯曲刚度，

57、由公式(1)-(5)可知，亥姆霍兹共振腔的共振频率与孔颈长度、孔颈宽度、腔体体积，腔体壁厚、腔体壁面材料参数有关，通过改变腔体各个参数，对腔体共振频率进行调控。

58、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

59、1、本发明提出的基于亥姆霍兹共振腔的声学标记方法，通过对helmholtz共振腔频率进行调控，建立基于helmholtz共振腔组合结构共振峰与二进制符号之间的对应关系从而构造声学编码，由于helmholtz共振频率较低，可以实现远距离定位和导航，此种声学标记只有在被问询时才会工作，具有较好的隐蔽性；

60、2、本发明当入射声波频率与亥姆霍兹共振腔的固有频率相同时，共振腔会对其内部的声波产生强烈的放大效应，通过改变helmholtz腔体几何尺寸、材料属性等参数调控共振腔的频率响应，从而产生特定的声学编码，建立helmholtz腔体结构频域共振峰与二进制符号的对应关系从而进行声学编码，实现远距离定位和导航，具有较好的隐蔽性，此种声学标记无需携带能源及其配套仪器设备，从而提高装置工作时效和稳定性；

61、3、本发明提出的基于亥姆霍兹共振的水中目标声学编码方法，建立了helmholtz腔体结构频域共振峰与二进制符号的对应关系，从而进行声学编码，实现远距离定位和导航，具有较好的隐蔽性；

62、4、本发明的声学标记无需携带能源及其配套仪器设备，从而提高装置工作时效和稳定性；

63、5、本发明所述方法可用于水下重要位置标定和导航。