一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及多层内嵌式微缝共振器的结构设计技术领域，尤其涉及一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法、装置、存储介质及系统。

背景技术

随着城市化进程加深，噪声污染，尤其是低频噪声污染已成为不可忽视的环境问题。低频噪声由于波长长，多孔纤维材料等传统吸声材料难以以较小的尺寸实现高效噪声控制。而近年来新兴的基于赫姆霍兹共振器、微穿孔板、卷曲空间等结构单元的亚波长声学超表面，在利用小尺寸控制低频噪声方面展现了广阔的应用前景。

在现有技术中，通常通过以下两种方法实现：1、利用两个共振频率相近赫姆霍兹共振器之间的相干耦和实现高效低频声吸收；2、利用延长颈式赫姆霍兹共振器之间的相干耦合构造了一种宽带亚波长完美吸声器。其中多层内嵌式微缝共振吸声器可利用其前两阶模态频率实现双频声吸收，适于控制城市变电站噪声等谐波噪声，降低噪声烦扰度，提高声品质。

但是，现有技术仍存在如下缺陷：针对各个多层内嵌式微缝共振吸声器，其对于特定的结构参数调整非常繁琐和费时，从而使得结构设计的效率较低。

因此，当前需要一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法、装置、计算机可读存储介质以及系统，从而克服现有技术中存在的上述缺陷。

发明内容

本发明实施例提供一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法、装置、计算机可读存储介质以及系统，从而提升多层内嵌式微缝共振器的结构设计的效率。

本发明一实施例提供一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法，所述结构设计方法包括：获取多层内嵌式微缝共振器的待设计结构参数组；所述多层内嵌式微缝共振器包括连接缝、内嵌空气层以及内层腔体；根据预设的传递矩阵方法、预设的目标函数、所述声阻抗模型以及所述待设计结构参数组，构建所述多层内嵌式微缝共振器的结构参数优化模型；通过预设的优化求解算法，对所述结构参数优化模型进行求解以获取优化结构参数组，并根据所述优化结构参数组对所述多层内嵌式微缝共振器进行设计。

作为上述方案的改进，根据预设的传递矩阵方法、预设的目标函数、所述声阻抗模型以及所述待设计结构参数组，构建所述多层内嵌式微缝共振器的结构参数优化模型，具体包括：通过预设的传递矩阵方法，构建所述多层内嵌式微缝共振器的声阻抗模型；根据预设的目标函数、所述声阻抗模型以及所述待设计结构参数组，建立所述多层内嵌式微缝共振器的结构参数优化模型。

作为上述方案的改进，通过预设的传递矩阵方法，构建所述多层内嵌式微缝共振器的声阻抗模型，具体包括：通过预设的传递矩阵方法，依次计算连接缝的第一传递矩阵、内嵌空气层的第二传递矩阵以及内层腔体的第三传递矩阵；根据所述第一传递矩阵、所述第二传递矩阵以及所述第三传递矩阵，构建所述多层内嵌式微缝共振器的声阻抗模型。

作为上述方案的改进，所述优化求解算法包括序列二次规划算法。

作为上述方案的改进，所述目标函数的表达式为：

作为上述方案的改进，所述第一传递矩阵为：

作为上述方案的改进，所述第二传递矩阵的表达式为：

本发明另一实施例对应提供了一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计装置，所述结构设计装置包括参数获取单元、模型构建单元以及设计输出单元，其中，所述参数获取单元用于获取多层内嵌式微缝共振器的待设计结构参数组；所述多层内嵌式微缝共振器包括连接缝、内嵌空气层以及内层腔体；所述模型构建单元用于根据预设的传递矩阵方法、预设的目标函数、所述声阻抗模型以及所述待设计结构参数组，构建所述多层内嵌式微缝共振器的结构参数优化模型；所述设计输出单元用于通过预设的优化求解算法，对所述结构参数优化模型进行求解以获取优化结构参数组，并根据所述优化结构参数组对所述多层内嵌式微缝共振器进行设计。

作为上述方案的改进，所述模型构建单元还用于：通过预设的传递矩阵方法，构建所述多层内嵌式微缝共振器的声阻抗模型；根据预设的目标函数、所述声阻抗模型以及所述待设计结构参数组，建立所述多层内嵌式微缝共振器的结构参数优化模型。

作为上述方案的改进，所述模型构建单元还用于：通过预设的传递矩阵方法，依次计算连接缝的第一传递矩阵、内嵌空气层的第二传递矩阵以及内层腔体的第三传递矩阵；根据所述第一传递矩阵、所述第二传递矩阵以及所述第三传递矩阵，构建所述多层内嵌式微缝共振器的声阻抗模型。

本发明另一实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如前所述的多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法。

本发明另一实施例提供了一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计系统，所述结构设计系统包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前所述的多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法。

与现有技术相比，本技术方案存在如下有益效果：

本发明提供了一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法、装置、计算机可读存储介质以及系统，通过将多层内嵌式微缝共振器的结构参数作为优化参数，以目标频率处达到最大吸声性能为目标，从而构建结构参数优化模型，并通过对模型进行求解得到双频完美吸声超表面结构参数，该结构设计方法、装置、计算机可读存储介质以及系统提升了多层内嵌式微缝共振器的结构设计的效率。

进一步地，本发明提供的一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法、装置、计算机可读存储介质以及系统还通过采用序列二次规划算法进行模型求解，从而简化了多层内嵌式微缝共振器结构参数设计流程和耗时，进一步提升了多层内嵌式微缝共振器的结构设计的效率。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例提供的一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施例一

本发明实施例首先描述了一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法，本方法适于任意两个谐波频率的低频噪声控制。图1是本发明一实施例提供的一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法的流程示意图。

如图1所示，所述结构设计方法包括：

S1:获取多层内嵌式微缝共振器的待设计结构参数组。

所述多层内嵌式微缝共振器包括连接缝、内嵌空气层以及内层腔体，所述多层内嵌式微缝共振器被内嵌隔板分隔为多个声波传播通道，并通过相同的连接缝依次相连。

S2:根据预设的传递矩阵方法、预设的目标函数、所述声阻抗模型以及所述待设计结构参数组，构建所述多层内嵌式微缝共振器的结构参数优化模型。

在一个实施例中，根据预设的传递矩阵方法、预设的目标函数、所述声阻抗模型以及所述待设计结构参数组，构建所述多层内嵌式微缝共振器的结构参数优化模型，具体包括：通过预设的传递矩阵方法，构建所述多层内嵌式微缝共振器的声阻抗模型；根据预设的目标函数、所述声阻抗模型以及所述待设计结构参数组，建立所述多层内嵌式微缝共振器的结构参数优化模型。

为了以目标频率处吸声性能达到最大为优化目标，以多层内嵌式微缝共振器的结构参数为优化参数，建立如下所示的参数优化模型，并利用序列二次规划算法求解该模型，在一个实施例中，所述目标函数的表达式为：

subject to f

式中，A为吸声系数。

吸声系数A的计算公式为：

A＝1-|(Z-Z

式中，Z

其中，超表面特征声阻抗Z

Z

Z＝T(1，1)/T(2，1).

式中，T(1，1)、T(2，1)分别为第一层内嵌腔体的传递矩阵以及第二层内嵌腔体的传递矩阵。

传递矩阵的计算需要从外到内依次进行，并根据各层传递矩阵构建声阻抗模型，在一个实施例中，通过预设的传递矩阵方法，构建所述多层内嵌式微缝共振器的声阻抗模型，具体包括：通过预设的传递矩阵方法，依次计算连接缝的第一传递矩阵、内嵌空气层的第二传递矩阵以及内层腔体的第三传递矩阵；根据所述第一传递矩阵、所述第二传递矩阵以及所述第三传递矩阵，构建所述多层内嵌式微缝共振器的声阻抗模型。

在一个实施例中，所述第一传递矩阵为：

式中，

其中，等效质量密度和等效压缩模量的计算公式分别为：

/>

式中，α

在一个实施例中，所述第二传递矩阵的表达式为：

式中，T

在一个实施例中，所述第三传递矩阵的表达式为：

式中，l为声波在内层腔体传播距离。由于内嵌空气层和内层腔体截面形状为矩形截面，其等效波数和等效阻抗可类比连接缝计算。

此外，由于外层连接缝和外部空气之间的截面突变，还应包括修正传递矩阵，所述修正传递矩阵计算具体为：

式中，a为正整数，ψ＝w

在上述基础上，从超表面外表面到超表面内层腔体的传递矩阵T可表示为：

式中，N为内嵌腔体层数。

S3：通过预设的优化求解算法，对所述结构参数优化模型进行求解以获取优化结构参数组，并根据所述优化结构参数组对所述多层内嵌式微缝共振器进行设计。

在一个实施例中，所述优化求解算法包括序列二次规划算法以及其他优化求解算法。

为了进一步描述本方法的实施，特引入两个示例进行说明。

示例一选择以200和400Hz为目标频率。选择序列二次规划算法求解该优化模型。根据所得到最优化结构参数，建立其有限元仿真模型，求解得到其仿真优化的吸声系数。仿真计算采用单位平面波正入射模拟阻抗管实验条件；仿真中保证最大网格尺寸不超过最短波长的，以保证计算结果的准确性。且需要在多层内嵌微缝共振器内部空气域考虑热粘性损失。当目标频率为200和400Hz时，理论结果在200和400Hz处达到最大值，且峰值吸声系数大于0.98，但仿真结果的第二个峰值频率略低于理论值。其中误差主要来源于理论计算简化了声传播矩阵，但理论和仿真结果趋势基本吻合，且二者一致性较高。

示例二选择以200和500Hz为目标频率。当目标频率为200和500Hz时，理论结果在200和500Hz处达到最大值，且峰值吸声系数大于0.98，但仿真结果的第二个峰值频率略低于理论值。根据本发明建立的多层内嵌式微缝共振器结构参数优化模型，可以快速得到在目标频率处达到吸声性能最大的结构参数。

本发明实施例描述了一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法，通过将多层内嵌式微缝共振器的结构参数作为优化参数，以目标频率处达到最大吸声性能为目标，从而构建结构参数优化模型，并通过对模型进行求解得到双频完美吸声超表面结构参数，该结构设计方法、装置、计算机可读存储介质以及系统提升了多层内嵌式微缝共振器的结构设计的效率；进一步地，本发明实施例描述的一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法还通过采用序列二次规划算法进行模型求解，从而简化了多层内嵌式微缝共振器结构参数设计流程和耗时，进一步提升了多层内嵌式微缝共振器的结构设计的效率。

具体实施例二

除上述方法外，本发明实施例还公开了一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计装置。图2是本发明一实施例提供的一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计装置的结构示意图。

如图2所示，所述结构设计装置包括参数获取单元11、模型构建单元12以及设计输出单元13。

其中，参数获取单元11用于获取多层内嵌式微缝共振器的待设计结构参数组；所述多层内嵌式微缝共振器包括连接缝、内嵌空气层以及内层腔体。

模型构建单元12用于根据预设的传递矩阵方法、预设的目标函数、所述声阻抗模型以及所述待设计结构参数组，构建所述多层内嵌式微缝共振器的结构参数优化模型。

在一个实施例中，模型构建单元12还用于：通过预设的传递矩阵方法，构建所述多层内嵌式微缝共振器的声阻抗模型；根据预设的目标函数、所述声阻抗模型以及所述待设计结构参数组，建立所述多层内嵌式微缝共振器的结构参数优化模型。

在一个实施例中，模型构建单元12还用于：通过预设的传递矩阵方法，依次计算连接缝的第一传递矩阵、内嵌空气层的第二传递矩阵以及内层腔体的第三传递矩阵；根据所述第一传递矩阵、所述第二传递矩阵以及所述第三传递矩阵，构建所述多层内嵌式微缝共振器的声阻抗模型。

设计输出单元13用于通过预设的优化求解算法，对所述结构参数优化模型进行求解以获取优化结构参数组，并根据所述优化结构参数组对所述多层内嵌式微缝共振器进行设计。

其中，所述结构设计装置集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。即，本发明另一实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如前所述的多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法。

其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，单元之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本发明实施例描述了一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计装置及计算机可读存储介质，通过将多层内嵌式微缝共振器的结构参数作为优化参数，以目标频率处达到最大吸声性能为目标，从而构建结构参数优化模型，并通过对模型进行求解得到双频完美吸声超表面结构参数，该结构设计方法、装置、计算机可读存储介质以及系统提升了多层内嵌式微缝共振器的结构设计的效率；进一步地，本发明实施例描述的一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计装置及计算机可读存储介质还通过采用序列二次规划算法进行模型求解，从而简化了多层内嵌式微缝共振器结构参数设计流程和耗时，进一步提升了多层内嵌式微缝共振器的结构设计的效率。

具体实施例三

除上述方法和装置外，本发明实施例还描述了一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计系统。

所述结构设计系统包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前所述的多层内嵌式微缝共振器的结构设计方法。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个装置的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(FlashCard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

本发明实施例描述了一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计系统，通过将多层内嵌式微缝共振器的结构参数作为优化参数，以目标频率处达到最大吸声性能为目标，从而构建结构参数优化模型，并通过对模型进行求解得到双频完美吸声超表面结构参数，该结构设计方法、装置、计算机可读存储介质以及系统提升了多层内嵌式微缝共振器的结构设计的效率；进一步地，本发明实施例描述的一种多层内嵌式微缝共振器的结构设计系统还通过采用序列二次规划算法进行模型求解，从而简化了多层内嵌式微缝共振器结构参数设计流程和耗时，进一步提升了多层内嵌式微缝共振器的结构设计的效率。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。