机载超声波场的特点制造技术

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，具有同时减少存在的谐波失真的效果。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，矩阵的行和列计数仅取决于控制点计数。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。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。此外，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。对生成的辐射压力进行精确地建模。对生成的辐射压力进行精确地建模。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】机载超声波场的特点
[0001]在先申请
[0002]本申请要求以下五个申请的权益，其全部通过引用以其全部内容被并入本文：
[0003](1)于2020年6月23日提交的美国临时专利申请号63/043,093；
[0004](2)于2020年8月14日提交的美国临时专利申请号63/065,997；
[0005](3)于2020年8月18日提交的美国临时专利申请号63/067,314；
[0006](4)于2021年6月14日提交的美国临时专利申请号63/210,486；和
[0007](5)于2021年6月15日提交的美国临时专利申请号63/210,619。


[0008]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。

技术介绍

[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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)来降本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种半空中触觉设备，包括：(a)具有已知相对位置的一组换能器；(b)具有至少一个共同焦点的从所述一组换能器生成的多个超声波；(c)期望触觉力对时间的预设函数；(d)其中，调制所述超声波的生成使得在所述至少一个共同焦点处所生成的非线性声力是所述期望触觉力对时间的预设函数。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望触觉力对时间的预设函数包括期望力的期望方向。3.根据权利要求2所述的方法，其中，调制所述超声波的生成基本上在所述期望方向上生成所述非线性声力。4.根据权利要求1所述的方法，其中，调制所述超声波的生成是通过将所述非线性声力估计为声压的平方来确定的。5.一种产生声场的方法，包括：实施包括多个控制点的控制点集，其中每个控制点具有控制点振幅和来自换能器阵列的已知相对位置和取向，并且其中每个控制点包括：(a)至少一个换能器阵列瓦片，其每个包括：(i)局部计算单元、和(ii)一组局部可寻址换能器；以及(b)至少一个全局计算单元；每个局部计算单元计算波场样本矩阵，所述波场样本矩阵包括：当从所述一组局部可寻址换能器生成时每个控制点对所述控制点集中的其它控制点所具有的总和效果；所述一组局部计算单元通过对所述一组波场样本矩阵的总和递减运算来组合所述波场样本矩阵，并将所得到的总波场样本矩阵传送到所述至少一个全局计算单元；其中，每个全局计算单元使用所述控制点集和所述总波场样本矩阵计算并广播控制点系数集；其中，每个局部计算单元使用控制点系数集来计算用于局部附接的换能器的换能器激活系数；以及使用计算出的换能器激活系数来致动所述本地附接的换能器。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述全局计算单元使用经修改的总波场样本矩阵的幂迭代来找到主导特征向量，其中，所述主导特征向量通知所述控制点集的相位。7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述全局计算单元使用线性方程组来确定所述控制点系数集。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述全局计算单元是被托管在云中的虚拟设备。9.一种超声相控阵，包括：具有已知相对位置的一组换能器；相对于所述换能器阵列的至少一个高压兴趣点；相对于所述换能器阵列的至少一个低压兴趣点；在所述至少一个高压兴趣点处的期望压力；在所述至少一个高压兴趣点和/或所述至少一个低压兴趣点处生成所述期望压力的一
组相位和振幅驱动条件；驱动条件，使得超声声压在...

【专利技术属性】
技术研发人员：布莱恩，
申请(专利权)人：超飞跃有限公司，
类型：发明
国别省市：