一种空间任意点脉冲声聚焦系统

本实用新型属于超声悬浮与触感领域，具体涉及一种空间任意点脉冲声聚焦系统。

背景技术：

超声悬浮技术是指利用高强度超声场中的声辐射压力，使之与悬浮体的重力相平衡，而使物体稳定悬浮在声场中的技术，由于声压力的存在，也可以实现超声触觉反馈。声悬浮现象很早就被发现，但在20世纪70年代以后，声悬浮技术才迅速发展起来。在超声悬浮的研究过程中，最为关键的问题有四点：一是怎样提高声悬浮力；二是如何提高声悬浮的稳定性；三是如何提高超声悬浮的灵活性；四是怎样扩宽其应用领域。迄今为止，国内外对超声悬浮的研究热度不减，目前实现超声悬浮的主要方式有两种，一是利用超声驻波法实现，该超声悬浮技术大大地提高了声悬浮的悬浮力和稳定性，但其主要研究集中在如何提高悬浮物的密度和提高悬浮效率以满足金属工业冶金需求、核工业核聚变需求等领域，而一直对其他领域的拓展关注和研究较少。究其原因是这种单轴式声悬浮方法要求的物体必须在轴上，而且位于超声驻波波节位置；只能在轴上悬浮，导致灵活性比较差，不能够实现大空间任意位置的悬浮。在生物医疗领域应用受到极大地限制。另一种是技术是利用相控阵超声阵列聚焦，现有技术提出了一种基于相控阵超声换能器阵列的声悬浮，这种超声换能器阵列形成的声场不仅可以用来实现物体的悬浮还可以用来实现平移、旋转和操控微粒。国内该方法研究较少，主要是利用相控阵超声阵列聚焦做无损检测。该方法解决了超声驻波法的灵活性问题，更可以广泛应用于生物医疗、无损检测、国防安全等领域，但该方法利用复杂的相控阵理论形成需求的悬浮声场的数学计算难度非常大，编程困难，于是这样的应用难以被推广。在超声触觉领域中，难以迅速在超声阵列中产生实现各种空间触感所需的驱动信号集合。按照最新的研究，产生简单的触感形状就会附带产生其余的多余形状。如果要产生复杂的触感图样则由于无效形貌的大量存在，将导致该技术无法实际应用。以上方法都未能很好地解决超声悬浮的四大问题，因此对于寻找一种能够实现强悬浮力，具有很好的稳定性和灵活性，并能在虚拟现实、生物医疗、国防安全、无损检测等领域有着更为广泛的应用前景的新型悬浮技术是非常必要的。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的一种空间任意点脉冲声聚焦系统解决了现有技术中存在的问题。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为：一种空间任意点脉冲声聚焦系统，包括依次通信连接的声信号采集模块、时间反转处理模块以及声信号发射模块；

所述声信号采集模块包括通信连接的脉冲信号发射单元与声信号接收阵列r(m,n)，所述声信号发射模块包括声信号发射阵列f(m,n)，所述脉冲信号发射单元、声信号接收阵列r(m,n)、时间反转处理模块和声信号发射阵列f(m,n)依次通信连接。

进一步地，所述声信号接收阵列r(m,n)包括m*n个三维声探测器r11、...、rm1、...、rij、...、r1n、...、rmn，i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,n，m>0，n>2，所述三维声探测器rij包括传感器rijx、传感器rijy和传感器rijz。

进一步地，所述声信号发射阵列f(m,n)包括m*n个矢量声发射单元f11、...、fm1、...、fij、...、f1n、...、fmn，矢量声发射单元fij包括相互垂直固定的超声换能器fijx、超声换能器fijy和超声换能器fijz。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型可以通过声发射的方式进行训练，因此在阵列聚焦时，可以方便的利用时间反转原理，在不同的时刻、位置生成声聚焦点，对微小的物体，利用声焦点的悬浮原理，可以通过调节焦点位置控制物体在空中进行各种运动，比如形成超声焦点管道，输送细胞从一点运动至另外一点，在输运过程中，实现各种其他的处理(成像检测、光处理等)；

(2)本实用新型可以利用聚焦的方式，在空中形成声焦点面，按照一定的形状生成对应的形状，人用手触碰时，会产生相应的力的梯度，类似感觉摸到东西的样子，因此可以产生触感。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种空间任意点脉冲声聚焦系统框图。

图2为本实用新型提出的一种空间任意点脉冲声聚焦系统工作示意图。

其中：11、脉冲信号发射单元；12、声信号接收阵列；111、脉冲声信号；121、三维声探测器r11；122、三维声探测器rm1；123、三维声探测器rmn；124、三维声探测器r1n；125、三维声探测器rij；1251、传感器rijx；1252、传感器rijz；1253、传感器rijy；126、三维声探测器rij的接收信号量；1261、传感器rijx的接收信号分量akrijx；1262、传感器rijy的接收信号分量akrijy；1263、传感器rijz的接收信号分量akrijz；12611、信号分量akrijx图形；12621、信号分量akrijy图像；12631、信号分量akrijz图像；21511、时间反转后的信号分量akrijx；21521、时间反转后的信号分量akrijy；21531、时间反转后的信号分量akrijz；21、声信号发射阵列；211、矢量声发射单元f11；212、矢量声发射单元fm1；213、矢量声发射单元f1n；214、矢量声发射单元fmn；215、矢量声发射单元fij；2151、超声换能器fijx；2152、超声换能器fijy；21523、超声换能器fijz；22、时间反转脉冲声聚焦信号；221、时间反转脉冲声聚焦信号图。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

下面结合附图详细说明本实用新型的实施例。

如图1至图2共同所示，一种空间任意点脉冲声聚焦系统，包括依次通信连接的声信号采集模块、时间反转处理模块以及声信号发射模块；

声信号采集模块包括通信连接的脉冲信号发射单元与声信号接收阵列r(m,n)12，声信号发射模块包括声信号发射阵列f(m,n)21，脉冲信号发射单元、声信号接收阵列r(m,n)12、时间反转处理模块和声信号发射阵列f(m,n)21依次通信连接。

在本实施例中，时间反转处理模块依靠计算机完成其相关功能。

声信号接收阵列r(m,n)12包括m*n个三维声探测器r11121、...、rm1122、...、rij、...、r1n124、...、rmn123，i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,n，m>0，n>2，三维声探测器rij包括传感器rijx1251、传感器rijy1253和传感器rijz1252。所述传感器rijx1251、传感器rijy1253和传感器rijz1252分别用于接收空间坐标系中x轴方向、y轴方向和z轴方向的声信号。

步骤s3中声信号发射阵列f(m,n)21包括m*n个矢量声发射单元f11211、...、fm1212、...、fij、...、f1n213、...、fmn214，矢量声发射单元fij包括相互垂直固定的超声换能器fijx2151、超声换能器fijy2152和超声换能器fijz2153。

本实用新型提供的一种空间任意点脉冲声聚焦系统的工作原理具体为：

确定待聚焦位置(xk,yk,zk)，在待聚焦位置(xk,yk,zk)放置脉冲信号发射单元ak(xk,yk,zk)11，并通过脉冲信号发射单元ak(xk,yk,zk)11发射脉冲声信号ak111；通过声信号接收阵列r(m,n)12采集声信号，并对声信号进行时间反转处理，得到反转信号；通过声信号发射阵列f(m,n)21发射反转信号，并将发射的反转信号汇聚于待聚焦位置(xk,yk,zk)，得到时间反转脉冲声聚焦信号。

反转信号的获取方法具体为：通过声信号接收阵列r(m,n)12采集声信号a(ω)；根据声信号a(ω)，获取声信号接收阵列r(m,n)12中三维声探测器rij的接收频谱；将三维声探测器rij的接收频谱进行取相共轭，获取时间反转后的频谱响应，得到反转信号，所述ω表示角频率。

三维声探测器rij的接收频谱sij(ω)为：

sij(ω)＝a(ω)hij(r,ω)

其中，hij(r,ω)表示三维声探测器rij的通道传递函数；

时间反转后的频谱响应s'ij(ω)为：

其中，*表示共轭，r表示待聚焦位置到声信号接收阵列r(m,n)12的距离。

时间反转脉冲声聚焦信号的获取方法具体为：

将传感器rijx1251、传感器rijy1253和传感器rijz1252的反转信号分别发送至通过超声换能器fijx2151、超声换能器fijy2152和超声换能器fijz2153，通过声信号发射阵列f(m,n)21中矢量声发射单元fij发射具有时间延迟的声信号；将声信号发射阵列f(m,n)21中每个矢量声发射单元发射的信号汇聚至待聚焦位置(xk,yk,zk)，获取声叠加信号频谱响应，得到时间反转脉冲声聚焦信号。

具有时间延迟的声信号a'ij(ω)具体为：

声叠加信号频谱响应a'(ω)为：

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型可以通过声发射的方式进行训练，因此在阵列聚焦时，可以方便的利用时间反转原理，在不同的时刻、位置生成声聚焦点，对微小的物体，利用声焦点的悬浮原理，可以通过调节焦点位置控制物体在空中进行各种运动，比如形成超声焦点管道，输送细胞从一点运动至另外一点，在输运过程中，实现各种其他的处理成像检测、光处理等；

(2)本实用新型可以利用聚焦的方式，在空中形成声焦点面，按照一定的形状生成对应的形状，人用手触碰时，会产生相应的力的梯度，类似感觉摸到东西的样子，因此可以产生触感。