用于产生声场的方法和设备技术

本发明专利技术界定多个控制点(10)，其各自具有相对于换能器的阵列的已知空间关系。将振幅分配到每一控制点(12)。产生包括元素的矩阵(16)，对于所述控制点中的每一个，所述元素表示在所述控制点处产生具有所述分配振幅和特定相位的模型化声场对所述其它控制点(14)处的所述模型化声场的相应振幅和相位的影响。确定所述矩阵(18)的特征向量，每一特征向量表示所述控制点处的所述模型化声场的相位和相对振幅的集合。选择所述集合(20)之一且操作所述换能器阵列以使所述换能器中的一个或多个输出各自具有初始振幅和相位的声波，使得所述控制点处的所得声场的所述相位和振幅对应于选定集合(22、24)的所述相位和相对振幅。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于产生声场的方法和设备专利技术背景已知在一定的应用范围中(包括触觉反馈)使用连续分布的声能，所述声能在本文中将称作“声场”。已知通过在声场可以存在于其内的空间中界定一个或多个控制点来控制声场。每一控制点被分配等于所述控制点处的声场的所需振幅的振幅值。随后控制换能器以在控制点中的每一个处产生展现出所需振幅的声场。然而，当使用极多个控制点时，用于使用控制点产生声场的已知系统受到限制。概述根据本专利技术的第一方面，提供了一种使用具有已知相对位置和定向的换能器的阵列产生声场的方法，所述方法包括：-界定各自具有相对于换能器的所述阵列的已知空间关系的多个控制点；-将振幅分配到每一控制点；-计算包括元素的矩阵，对于所述控制点中的每一个，所述元素表示在所述控制点处产生具有所述分配振幅和特定相位的模型化声场对其它控制点处的所述模型化声场的相应振幅和相位的影响；-确定所述矩阵的特征向量，每一特征向量表示所述控制点处的所述模型化声场的相位和相对振幅的集合；-选择所述集合之一且操作所述换能器阵列以使所述换能器中的一个或多个输出各自具有初始振幅和相位的声波，使得所述控制点处的所得声场的所述相位和振幅对应于选定集合的所述相位和相对振幅。因此，本专利技术的第一方面包括对可被求解来寻找控制点处的有效相位的特征问题进行公式化。专利技术者已发现，本专利技术的实施方案中的特征问题的使用与已知方法相比可以造成控制点求解时间更快且更加可预测，继而意指可支持更高数量的控制点且可以实现控制点的实时更新。更快且更可预测的求解时间还意指与已知方向相比可控制更大体积的声场。控制点是特定位置处的标记。相邻控制点之间的距离应足以使得声场的声波能够从控制点之一相移以匹配下一个控制点。在一些实施方案中，间距可以等于声场的声波的波长。在本专利技术的实施方案中，换能器阵列包括任何适当配置中的一个或多个换能器；例如，平行布置的一个或多个二维阵列。控制点处具有所分配振幅和特定相位的模型化声场可以被模型化为由控制点正下方的虚拟换能器产生。在一些实施方案中，虚拟换能器可以在真实换能器阵列的平面中。然而，所属领域技术人员将明白，声场可以被模型化为由其它布置的虚拟换能器产生，即，可以被定位在控制点正下方或与可以具有不同于控制点的空间关系的一个或多个虚拟换能器可以用于产生模型化声场。虚拟换能器的使用使得能够预计算查找表。优选地，虚拟换能器匹配换能器阵列中的换能器。所述方法可以包括计算矩阵的特征值的步骤。特征值表示缩放因子，相对于彼此，其中的一些将相对较高且其中的一些将相对较低。所述方法可以包括选择具有相对较高的对应特征值的相位和相对振幅的集合作为选定集合。优选地，所述方法可以包括选择具有最高的对应特征值的相位和相对振幅的集合作为选定集合。特征值界定当对应的特征向量在被矩阵变换时所述特征向量如何缩放。即，特征值表示一旦考虑通过在其它控制点处产生所分配振幅引起的对每一控制点处的振幅的间接贡献，控制点处的声场的相对振幅将放大的程度。因此，寻找大的特征值指示利用大量相长干预的相对振幅和相位的对应集合。在考虑到矩阵的所有特征值的相对值的情况下选择具有相对较高的对应特征值的相对振幅和相位的集合因此具有优于选择相对较低特征值的优点，因为其使得由换能器输出功率的使用更加有效。所述方法可以包括使用查找函数计算在控制点之一处产生所分配振幅对其它控制点中的每一个处的振幅和相位的影响，所述查找函数界定声波的振幅和相位如何在空间上由于衰减和传播而改变。查找函数可以考虑振幅和相位变动的两个来源中的一个或两个。首先，由换能器输出的声波的振幅的衰减随着相距换能器的距离的增加而增加，且其次，随着声波传播通过空间发生相位变化。如果使用这种查找函数，那么针对特定换能器阵列只需要计算一次声波的相位由于衰减和传播引起的空间变动，这降低了模型化声场所需的时间和计算将产生所得声场的相位和振幅的换能器的初始振幅和相位所需的时间。所述方法可以包括正则化步骤，其中误差被引入到由换能器输出的初始振幅和相位中。包括正则化步骤的优点是，此可通过增加换能器的平均振幅改善阵列的功率输出效率使得更多换能器是在较高振幅上。例如，为了避免其中一个换能器在100％振幅上且所有其它换能器在0.1％振幅上的情形，正则化步骤引入一些误差来换取换能器的平均振幅上升到(即)80％。正则化技术可以是加权吉洪诺夫正则化(weightedTikhonovregularisation)。使用加权吉洪诺夫正则化的优点是，其具有容易指定的矩阵扩增。可以缩放由换能器阵列输出的功率使得输出初始振幅中的最高振幅的换能器以实质上全功率操作。以此方式缩放功率输出具有以下优点：其造成换能器阵列的功率输出尽可能高到初始振幅的给定集合，并同时相对于彼此维持初始振幅的水平。换能器可以是超声换能器。使用超声换能器在例如其中换能器阵列可以被操作使得用户感觉到由声场产生的声辐射力的触觉反馈的领域中或制造中(例如，用于烘干生产线上的产品上的胶水)产生优点。可以介于0Hz与载频的一半之间的频率调制声波；在一些实施方案中，载频是40kHz。在一些实施方案中，可以介于0.1Hz到500Hz之间且在一些情况中介于200Hz与300Hz的频率调制声波。以介于0.1Hz与500Hz之间的频率调制声波产生增加用于触觉反馈应用的方法的适用性的优点，因为皮肤中的触觉接收器在这些频率下对皮肤变形的变化最敏感。可以选择控制点的位置以界定占据声场中的体积的虚拟三维形状的部分。例如，控制点可以位于所述形状的边沿上或与所述形状的边沿相邻或在所述形状的体积内。控制点可以界定所述形状的全部，或更优选地所述形状的部分。例如，控制点可以界定由用户感觉的作为触觉反馈系统的部分的形状，在触觉反馈系统中，只有与用户交互的形状的部分可能需要被界定，或所述形状可以是具有关注点的产品的形状，声辐射力可以集中在所述关注点上用于制造应用(例如烘干胶水)。控制点可以被分为所述声场在其处具有相对较高振幅的第一组控制点和所述声场在其处相对于所述第一组控制点处的所述声场的所述振幅具有相对较低振幅的第二组控制点。虚拟形状的边沿可以由第一组控制点界定。第二组中的控制点可以与第一组控制点相邻，使得在虚拟形状的边沿处产生声场的振幅中的梯度。在一些实施方案中，第一组控制点可以与来自第二组的相邻控制点分开声场的声波的波长的至少一半。提供声场在其处具有相对较高振幅的一组控制点和声场在其处具有相对较低振幅的一组控制点以在虚拟形状的边沿处提供声场的振幅中的梯度提供了触觉反馈应用中的优点，因为其产生声场的振幅中的更加可检测的差，从而使虚拟形状的边沿呈现为可容易被用户检测。此外，在触觉反馈的情况中，相对较低振幅控制点可保证不与所述形状接触的用户的手的部分不能感觉到包围所述形状的剩余超声。在缺少低振幅控制点的情况下，所述点处的超声不受控制且因此可以存在手可感觉到的一定相长区域。控制点中的至少一些可以被定位在其中物体与虚拟形状交叉的点处。控制点中的至少一些可以被定位在交叉点附近。将控制点定位在其中例如用户的手的物体与虚拟形状交叉的点的区域中提供了以下优点：只需要控制与物体交叉的虚拟形状上的点处的声场，这使得能够在所述控制点处产生较高振幅。可以由物体跟踪器以实时方式监测其中物体与虚拟形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从具有已知相对位置和定向的换能器的阵列产生声场的方法，所述方法包括：‑界定各自具有相对于换能器的所述阵列的已知空间关系的多个控制点；‑将振幅分配到每一控制点；‑计算包括元素的矩阵，对于所述控制点中的每一个，所述元素表示在所述控制点处产生具有所述分配振幅和特定相位的模型化声场对所述其它控制点处的所述模型化声场的相应振幅和相位的影响；‑确定所述矩阵的特征向量，每一特征向量表示所述控制点处的所述模型化声场的相位和相对振幅的集合；和‑选择所述集合之一且操作所述换能器阵列以使所述换能器中的一个或多个输出各自具有初始振幅和相位的声波，使得所述控制点处的所得声场的所述相位和振幅对应于选定集合的所述相位和相对振幅。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.05.08 GB 1308274.81.一种从具有已知相对位置和定向的换能器的阵列产生声场的方法，所述方法包括：-界定各自具有相对于换能器的所述阵列的已知空间关系的多个控制点；-将振幅分配到每一控制点；-计算包括元素的矩阵，对于所述控制点中的每一个，所述元素表示在所述控制点处产生具有所述分配振幅和特定相位的模型化声场对其它控制点处的所述模型化声场的相应振幅和相位的影响；-确定所述矩阵的特征向量，每一特征向量表示所述控制点处的所述模型化声场的相位和相对振幅的集合；和-选择所述集合之一且操作所述换能器阵列以使所述换能器中的一个或多个输出各自具有初始振幅和相位的声波，使得所述控制点处的所得声场的所述相位和振幅对应于选定集合的所述相位和相对振幅。2.根据权利要求1所述的方法，其还包括确定所述矩阵的特征值，所述特征值表示缩放因子，所述缩放因子中的一些将相对高且所述缩放因子中的一些将相对低，其中具有相对高对应特征值的相位和相对振幅的集合被选择作为所述选定集合。3.根据权利要求1所述的方法，其中使用查找函数计算在所述控制点之一处产生所述分配振幅对所述其它控制点中的每一个处的所述振幅和相位的所述影响，所述查找函数界定所述声波的所述振幅和相位如何在空间上由于衰减和传播而改变。4.根据权利要求1所述的方法，其包括正则化步骤，其中误差被引入到由所述换能器输出的所述初始振幅和相位中。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述正则化是加权吉洪诺夫正则化。6.根据权利要求1所述的方法，其中缩放由所述换能器阵列输出的功率使得输出所述初始振幅中的最高振幅的所述换能器以实质上全功率操作。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述声波是超声波。8.根据权利要求1所述的方法，其中以介于0.1Hz到500Hz之间的频率调制所述声波。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制点包括所述声场在其处具有相对高振幅的第一组控制点和所述声场在其处相对于所述第一组控制点处的所述声场的所述振幅具有相对低振...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·安德鲁·卡特，本杰明·约翰·奥利弗·朗，斯里拉姆·萨布拉马尼安，
申请(专利权)人：超级触觉有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB