机载超声波场的特点的制作方法

本公开总体涉及在超声领域中建立有用和独特特征的改进技术。

背景技术：

1、包括超声相控阵系统的相控阵根据叠加的原则发挥功能。当描述波的线性量加在一起产生相长干涉和相消干涉区域时，就会发生叠加。现有技术的超声波系统直接使用这些量用于控制声场中点的线性函数值。所得到的样本可以被用于复值方程的线性系统中，以求解换能器的致动，其然后在期望点(被称为控制点)生成期望的线性场值。

2、通过快速连续多次求解以及生成对应于求解值的驱动信号并提供到换能器，波形可以被调制到由相控阵中的换能器元件生成的超声载波上。这是因为随着求解的值的变化，载波的声压的量也变化。

3、这种调制具有两个关键的非线性效果，其可由商用设备利用。第一种(被称为声辐射力)与波中的能量成正比，并且其指的是当波受到阻碍时所生成的力。当存在声阻抗的急剧变化时，这种力是最大的，诸如当超声波在空气中传播时手的表面。所生成的力可以被用于半空中的触觉反馈。第二种(被称为“来自超声波的声音”)是用于参数扬声器阵列的主要操作机制，其也具有与波中的能量成比例的效果。当没有可听见的声音被呈现为超声波的源时，这种效果是导致可听见的声音似乎由超声波阵列发出的原因。

4、这两种效果的高精度控制对于创建具有受控、很少或没有可听见噪声作为副作用产生的可再现半空中触觉是必需的。然而，设备的动量和能量不能直接被控制，因为其是非线性量，并且取决于许多几何参数。因此，与在商业上相关的是：开发一种从系统的“用户”获得所需波能水平的方法，将其转换为线性声量的等效水平，并且然后使用线性方法求解该线性水平，假定其已经建立为等效于无法直接寻求的波能量。

5、此外，当考虑到已经被离散化成多个离散点的超声场的问题的解决方案时，可以通过求解每个换能器所需的输出场来达成经由相控换能器阵列技术对这种场的重现。该解决方案可以被描述为，给定参考频率，一系列复数，其可以被解释为每个换能器所需的相位和振幅。从该数据可以推断出到换能器的输入信号是其中相当大的比例具有在换能器处具有给定振幅和相位的正弦信号的属性的信号。给定一种计算这些复值系数的方法，可以合理地假设这些系数必须被转移到设备，以便激活设备，并且关于换能器位置和方向的信息必须被转移到计算位置，以便对其进行工作。这使得换能器处所需的计算非常小，因为它只需要导入复杂系数和导出足够的数据来描述其产生的场。然而，与这些设备的通信将随着换能器的数量而缩放，如果换能器的数量相对较大则会证明通信太多。在此之上，由每个换能器产生的场的合成必须在一些集中的位置中被实现，这再次是不期望的。

6、通过局部地确定由每个换能器产生的场的样本并使用这些样本作为基函数的共同定义(每个由来自所有换能元件的输出组成)，可以实现每个基函数仅传达复值系数。这是因为硬件中靠近换能器的计算机和驻留在用户接口部分中的软件都理解基函数的定义。这些只需要传达足够的信息来定义单独的基函数及其复值线性叠加，而这转而定义了驱动每个换能元件的基函数定义的复值系数的复值线性叠加。然而，为了使该系统发挥功能，靠近换能器的硬件系统和驻留在系统的用户接口部分中的软件都必须理解如何将基函数扩展到单独的换能器信息中。这导致了在靠近换能器的硬件和软件部分两者中被复制的计算，以便节省通信带宽。这使用了额外的计算能力和资源来实现低带宽，但显然还不是最佳的，因为降低系统成本必然需要将通信和计算两者都降到最低。

7、尽管需要一种消除带宽要求对系统的换能器计数的依赖性的方法，但是复制的功能性显然是不期望的。克服这一限制以实现声场的分布式模拟，同时仅需要不取决于换能器元件计数的声场贡献的总结来求解输出场，这在商业上是有价值的。

8、此外，机载超声相控阵可以被用于创建任意声场。这些可以被用于触觉反馈、参数化音频、声悬浮等。为了达到令人信服的效果，通常需要相对高水平的超声能量。超声波场的区域内的物体、麦克风、动物和/或人可能对这些水平敏感。在许多情况下，即使超声波被引导到其它地方，边缘(无意的)场仍然会导致问题。下面呈现了几种方法/策略，用以在特别缺乏超声波或“零位(null)”的场中创建点或区域，而不显著更改由场的其余部分生成的效果。如果敏感物体的位置在某种程度上是已知的，那么可以将零位点或区域指向它，以便保护它不受超声波的影响。

9、该方法的特别有吸引力的应用是参数化音频。这是通过空气的非线性属性将超声波解调为可听见的声音。这就创建了类似波束的音频投影。所创建的可听见的声音沿着与超声波相同的方向被引导。高水平的超声波能够与麦克风消极地相互作用，并且甚至能够通过鼓膜处的非线性被哺乳动物的耳朵感知到。这能够掩盖或扭曲参数化音频并降低体验质量。

10、所有声波都受到衍射。这是一种效果，借此，波在与其波长相关的长度尺度上传播。短波长的声音(诸如大约40“khz”处的超声波)能够传播和保持大约等于其波长(8.6“mm”)的特征。另一方面，有规律的声音由波长更长的波组成(中间c，261“hz”，具有1.3“m”的波长λ)，其容易传播。参数化音频通过利用超声波的短波长来形成声音波束，以创建被紧密包含的声音发射区域。声音一旦被创建，就像往常一样传播开来。这打开了在不递送相关联的超声波的情况下递送参数化音频的可能性。通过使用附近的高水平超声波创建相对较小的没有超声波的区域，我们可以创建其中参数化音频填充“间隙”而超声波没有填充的情况。

11、此外，声能的连续分布(其将被称为“声场”)可以被用于包括半空中的触觉反馈、来自超声波的声音系统和产生用于跟踪系统的编码波的一系列应用。

12、通过在空间中定义一个或多个控制点，声场可以被控制。每个点可以被分配等于控制点处的期望振幅的值。然后一组物理换能器可以被控制，以在控制点处创建展示期望振幅的声场。

13、作为物理设备的换能器元件具有物理限制。在产生声场的情况下，对于每个元件都存在不能被超过的最大输出。系统的数学结构使得强制解决方案重视物理设备的功率限制变得麻烦，其中干净的解决方案经常产生非物理驱动条件。

14、如果换能器被布置成使得光栅瓣是一个问题，那么可以通过对换能器振幅进行变迹(创建朝向阵列边缘的锥形振幅集)来降低光栅瓣对控制点的影响。这必然会降低阵列的效率，限制了可用的最大输出功率。此外对于多个点，当换能器元件的数量大于控制点的数量时，尽管产生相对振幅总是可能的，但效率随着点的数量的增加而下降，并且最大功率下降。

15、一种用以阻止这些效率中的下降的方法因此将在商业上是有价值的，当设备需要比使用现有方法可以提供的输出功率更多的输出功率时，该方法将起到递增地提高输出电平的作用。

16、还可能的是，在单个点的情况下，以相同的功率驱动所有换能器并且仅影响它们的相位。然后换能器的集体驱动振幅可以被调制，以在控制点处对信号生成类似的调制。然而，当需要变迹和/或多个点的益处时，这种解决方案没有帮助。

17、如果然后期望更高的效率或输出功率，则通过将换能器驱动器推到比由解决方案所描述的更高电平而使解决方案不太精确，或者无法使用变迹和/或多个点的益处。

18、此外，包括超声相控阵系统的相控阵根据叠加的原则发挥作用。当描述波的线性量加在一起以创建相长干涉和相消干涉干扰区域时，就会发生叠加。现有技术的超声波系统直接使用这些量用于控制声场中点的线性函数值。所得到的样本可以被用于复值方程的线性系统中，以求解换能器的致动，其然后在期望点(被称为控制点)生成期望的线性场值。

19、由于用于控制这些点的线性值的易于处理的解决方案仅在自由场条件的假设下是可计算的，所以这些相同的条件在许多情况下被错误地用作体声介质的假设的理由。对于使用超声波相控阵的半空中触觉和其它情况——其中超声波相控阵被用来对分离了具有不同声特性的两种材料的边界(诸如空气和人体部分之间的边界)施加力——边界条件改变问题的场景一度达到了：考虑到主体场景而开发的解决方案必然忽略对在上述边界表面上的声力的精确再现至关重要的细节的程度。

20、在本文件中，详细描述了在一个或多个高声阻抗边界上生成一个或多个力向量的再现的系统。

技术实现思路

1、描述了一种用于指定声辐射压力的组合波的能量通量的期望量来施加产生半空中触觉推力的方法，其具有同时减少存在的谐波失真的效果。

2、此外，描述了一种用于以相对较小的矩阵的求和部分的形式仅传达所需位置处的声场贡献的总结的方法，该相对较小的矩阵的行和列计数仅取决于控制点计数。

3、此外，超声扬声器的相控阵列可以产生相对大量的声能，其通常被定向在特定方向上或被聚焦到特定点，这取决于阵列的应用。某些物体(例如麦克风)会受到声场的干扰，这可以降低它们的功能(见图10a、10b和10c)。一种降低高强度超声波的影响的方法是创建其中强度显著低于周围声场的“安静”区域。通过在物体周围创建较低压力区域(例如多个较低压力焦点或较低压力体积)，可以显著降低由物体所经历的声强度。我们的解决方案允许我们创建这些安静区域，而不会显著影响阵列的性能。

4、此外，为了允许系统比通常更强烈地被驱动，控制到每个控制点的驱动信号的复值线性系统被求解两次。一次可能需要确定来自每个换能器的多少驱动，以及另一次是其中每个换能器已经由在第一次解期间发生的驱动上的过冲(overshoot)按比例缩减，从而导致在来自第二解的解决方案中换能器之间的功率分布更加均匀。

5、系统按比例缩减了基函数中最难被驱动的部分所使用的系数。这是违反直觉的——降低了高效率换能器的效力，提高了整体的总体功率输出。这起作用，因为然后解决方法较少使用现在不太有效的部分，所以输出要求更均匀地分布。

6、此外，大多数求解方法旨在在体介质中生成预定义的非线性效果。在某些情况下，诸如参数化音频的生成，这是合理的，因为这描述了通过声介质施加的身体力，对于这一点，使用自由场体介质是可接受的建模方法。然而，如果体力模型被用来描述与边界的相互作用，那么它将不一定反映现实。

7、为了实现具有高精度的半空中触觉，必须对生成的辐射压力进行精确地建模。学术文献中的辐射压力的建模通常使用以下两种方法之一。

8、第一种方法是类比于电磁波。在这种情况下，辐射压力被认为是沿着声波坡印廷向量作用的力。由于这是依据声坡印廷向量，那么自然的是能量通量密度以及因此在声方面，声强度i描述了力的大小。

9、第二种方法是由写到关于声电泳的学术论文采取的——使用驻波或专构造的干涉模式在声介质中使物体漂浮。在声电泳领域中，辐射压力被认为是由时间平均的二阶压力p2定义的标量势。然后作为标量势，势场的负梯度描述了力向量的方向和大小。

10、使用第一种方法描述辐射力的学术论文忽略了第二种方法，因为它们假设远场条件，其中可以显示p2＝0。那些使用第二种方法描述辐射力的方法忽略了第一种方法，因为声坡印廷向量在驻波中要么抵消为零，要么生成很少有用的可能帮助声电泳的干涉模式的优化的自由度，并且因此倾向于被忽略。

11、这两种方法都不能充分描述针对半空中触觉系统的辐射压力现象，因为这两种简化假设对于使用声相控阵硬件对人类生成明显的触觉力都是错误的。

12、假设坡印廷向量可以直接被转换成具有相同方向的线性相关力向量。然后，这可能被假设(错误地)被分解为力分量，因此给定任意的单位向量方向因此在体介质中，给定方向上的辐射压力可以与同一方向上的能量通量密度直接相关。如果这个被给定作为切割能量通量向量(声强度)i的非物理表面的法向量，那么作用在这个非物理表面上的点处的力被给出作为在相同位置处的物理表面上生成的力的理由。这不是全部情况，因为如先前所描述的，这不是身体力，所以不会在体中起作用，并且这个场景假设远场行为——对于聚焦的半空中触觉设备(其中聚焦的行为意味着近场行为)，这充其量是近似值。

13、在本公开中，描述了确定要求解的标量线性声量以最佳地表示要被生成的表观触觉压力。