CN112562631A - 一种声镊的生成方法及生成系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种声镊的生成方法及生成系统，其中，在所述声镊的生成方法中，可根据需求，确定声阱刚度满足需求的多个操控声场，并反向确定所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位，之后根据各个换能器阵元的发射相位控制所述换能器阵元工作，依次生成所述操控声场序列中的操控声场，实现对换能器阵元的分时复用，形成综合声场控制目标微粒，由于综合声场是由时序上依次排列的多个操控声场形成的，可叠加不同操控生成类型或不同声场参数的操控声场在不同方向的限制能力优势，提高综合声场的限制能力、稳定性以及抗干扰强度。

Description

一种声镊的生成方法及生成系统

技术领域

本申请涉及声学技术领域，更具体地说，涉及一种声镊的生成方法及生成系统。

背景技术

声镊，又可称为微型声学镊子(Acoustical Tweezers)，是利用声波的力学效应对微小物体进行非接触操控的技术。

现有的声镊操控技术大多可以实现对空气中的微粒的操控，声镊在活体等复杂环境中应用的研究较少，在活体等复杂环境中利用声镊进行微粒控制需要提高声镊的限制能力，现有技术中的声镊生成的操控技术生成的声镊的限制能力难以满足在复杂环境中应用声镊的限制能力、稳定性和抗干扰强度的要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供了一种声镊的生成方法及生成系统，以解决现有技术中的声镊生成方法生成的声镊的限制能力、稳定性和抗干扰强度较差的问题。

为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种声镊的生成方法，基于换能器模块实现，所述换能器模块包括至少一个换能器阵列，每个所述换能器阵列包括多个阵列排布的换能器阵元，所述声镊的生成方法包括：

确定在时域上依次排列的多个操控声场，以确定操控声场序列；所述多个操控声场中至少包括两个所述操控声场的声场类型不同或声场参数不同；

基于迭代反向传播算法，确定所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位；

根据与所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位控制所述换能器阵元工作，依次生成所述操控声场序列中的操控声场，以形成综合声场控制目标微粒。

可选的，所述基于迭代反向传播算法，确定所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位包括：

根据所述操控声场的类型，确定预设控制焦点和所述预设控制焦点的信息向量；

获取所述换能器模块中的换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，并根据所述预设控制焦点、所述换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，确定所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数；

根据所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数，生成传播系数矩阵；

根据所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量，确定每个所述换能器阵元的发射相位。

可选的，所述根据所述预设控制焦点、所述换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，确定所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数包括：

当所述换能器阵元的声源模型信息为活塞式声源模型时，将所述预设控制焦点和所述换能器阵元的位置信息代入第一预设公式，以计算获得所述预设控制焦点与所述换能器阵元的传播系数；

当所述换能器阵元的声源模型信息为点声源模型时，将所述预设控制焦点和所述换能器阵元的位置信息代入第二预设公式，以计算获得所述预设控制焦点与所述换能器阵元的传播系数；

所述第一预设公式包括：

其中k为所述换能器阵元的波数，a为所述换能器阵元的活塞半径，J₁为一阶贝塞尔函数，|r_i-r_j|表示由预设控制焦点j到所述换能器阵元i的线性距离，θ_ij为预设控制焦点j和所述换能器阵元i连线的仰角偏转；

所述第二预设公式包括：

其中，|r_i-r_j|表示由预设控制焦点j到所述换能器阵元i的线性距离，θ_ij为预设控制焦点j和所述换能器阵元i连线的仰角偏转。

可选的，所述根据所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量，确定每个所述换能器阵元的发射相位包括：

将所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量代入第三预设公式中，以计算获得所述换能器阵元的发射相位；

所述第三预设公式包括：

其中，

表示所述换能器阵元的发射相位，H_ij表示所述传播系数矩阵，n_j表示所述预设控制焦点的信息向量，所述信息向量包括所述预设控制焦点的相位和权重，Im()表示实部，Re()表示虚部。

可选的，所述声场类型至少包括双声阱、涡旋声阱和局部空心声阱，所述声场参数至少包括操控声场的占空比、幅值和频率。

可选的，还包括：

获取所述目标微粒的运动状态以及所述目标微粒所处环境的环境参数，根据所述运动状态以及所述环境参数调整所述操控声场序列，并返回基于迭代反向传播算法，确定所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位的步骤。

一种声镊的生成系统，包括：换能器模块和信号发射模块；其中，

所述换能器模块包括至少一个换能器阵列，每个所述换能器阵列包括多个阵列排布的换能器阵元；

所述信号发射模块用于，基于迭代反向传播算法，确定操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位；所述操控声场序列包括在时域上依次排列的多个操控声场；所述多个操控声场中至少包括两个所述操控声场的声场类型不同或声场参数不同；

根据与所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位控制所述换能器阵元工作，依次生成所述操控声场序列中的操控声场，以形成综合声场控制目标微粒。

可选的，所述信号发射模块基于迭代反向传播算法，确定所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位的过程具体包括：

根据所述操控声场的类型，确定预设控制焦点和所述预设控制焦点的信息向量；

获取所述换能器模块中的换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，并根据所述预设控制焦点、所述换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，确定所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数；

根据所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数，生成传播系数矩阵；

根据所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量，确定每个所述换能器阵元的发射相位。

可选的，所述信号发射模块根据所述预设控制焦点、所述换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，确定所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数的过程具体包括：

当所述换能器阵元的声源模型信息为活塞式声源模型时，将所述预设控制焦点和所述换能器阵元的位置信息代入第一预设公式，以计算获得所述预设控制焦点与所述换能器阵元的传播系数；

当所述换能器阵元的声源模型信息为点声源模型时，将所述预设控制焦点和所述换能器阵元的位置信息代入第二预设公式，以计算获得所述预设控制焦点与所述换能器阵元的传播系数；

所述第一预设公式包括：

其中k为所述换能器阵元的波数，a为所述换能器阵元的活塞半径，J₁为一阶贝塞尔函数，|r_i-r_j|表示由预设控制焦点j到所述换能器阵元i的线性距离，θ_ij为预设控制焦点j和所述换能器阵元i连线的仰角偏转；

所述第二预设公式包括：

其中，|r_i-r_j|表示由预设控制焦点j到所述换能器阵元i的线性距离，θ_ij为预设控制焦点j和所述换能器阵元i连线的仰角偏转。

可选的，所述信号发射模块根据所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量，确定每个所述换能器阵元的发射相位的过程具体包括：

将所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量代入第三预设公式中，以计算获得所述换能器阵元的发射相位；

所述第三预设公式包括：

其中，

表示所述换能器阵元的发射相位，H_ij表示所述传播系数矩阵，n_j表示所述预设控制焦点的信息向量，所述信息向量包括所述预设控制焦点的相位和权重，Im()表示实部，Re()表示虚部。

可选的，所述声场类型至少包括双声阱、涡旋声阱和局部空心声阱，所述声场参数至少包括操控声场的占空比、幅值和频率。

可选的，还包括：监测模块；

所述监测模块，用于获取所述目标微粒的运动状态以及所述目标微粒所处环境的环境参数，根据所述运动状态以及所述环境参数调整所述操控声场序列，并返回触发所述信号发射模块。

从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种声镊的生成方法及生成系统，其中，在所述声镊的生成方法中，可根据需求，确定声阱刚度满足需求的多个操控声场，并反向确定所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位，之后根据各个换能器阵元的发射相位控制所述换能器阵元工作，依次生成所述操控声场序列中的操控声场，实现对换能器阵元的分时复用，形成综合声场控制目标微粒，由于综合声场是由时序上依次排列的多个操控声场形成的，可叠加不同操控生成类型或不同声场参数的操控声场在不同方向的限制能力优势，提高综合声场的限制能力、稳定性以及抗干扰强度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种声镊的生成方法的流程示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的一种操控声场序列中操控声场的排列方式；

图3为本申请的另一个实施例提供的一种操控声场序列中操控声场的排列方式；

图4为本申请的一个实施例提供的双声阱中控制焦点以及声阱中心的分布示意图；

图5为本申请的一个实施例提供的涡旋声阱的控制焦点以及声阱中心的分布示意图；

图6为本申请的一个实施例提供的局部空心声阱的控制焦点以及声阱中心的分布示意图；

图7为本申请的一个实施例提供的双声阱、涡旋声阱和局部空心声阱的声场力势分布示意图；

图8为本申请的另一个实施例提供的一种声镊的生成方法的流程示意图；

图9为本申请的又一个实施例提供的一种声镊的生成方法的流程示意图；

图10为本申请的一个实施例提供的一种声镊的生成系统的结构示意图；

图11为本申请的一个实施例提供的换能器模块的构成示意图。

具体实施方式

声镊的生物医学应用具有无伤害、对操控对象物理特性无特定要求等优势，与光镊相比，声镊对传播介质的透明度没有要求，且可以应用于多种不同的传播介质中。在相同能量下，声辐射力远大于光辐射力，可以操控更大的物体。另外，声波具有更好的穿透能力，声镊可以实现穿过生物体壁的无接触操控。因此，近年来利用超声辐射力的声镊技术成为学术研究热点，并在三维空间内的微粒操控方面取得一定进展。

现有三维声镊技术多数应用场景设置在空气中，水环境中实现微粒三维声操控的技术较罕见。现有技术中对水中声镊技术进行了初步的研究，但形成的声镊的限制能力较差，无法满足更加复杂环境中的声镊操控微粒的要求。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种声镊的生成方法及生成系统，其中，在所述声镊的生成方法中，可根据需求，确定声阱刚度满足需求的多个操控声场，并反向确定所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位，之后根据各个换能器阵元的发射相位控制所述换能器阵元工作，依次生成所述操控声场序列中的操控声场，实现对换能器阵元的分时复用，形成综合声场控制目标微粒，由于综合声场是由时序上依次排列的多个操控声场形成的，可叠加不同操控生成类型或不同声场参数的操控声场在不同方向的限制能力优势，提高综合声场的限制能力、稳定性以及抗干扰强度。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种声镊的生成方法，如图1所示，基于换能器模块实现，所述换能器模块包括至少一个换能器阵列，每个所述换能器阵列包括多个阵列排布的换能器单元，所述声镊的生成方法包括：

S101：确定在时域上依次排列的多个操控声场，以确定操控声场序列；所述多个操控声场中至少包括两个所述操控声场的声场类型不同或声场参数不同；

S102：基于迭代反向传播算法，确定所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位；

S103：根据与所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位控制所述换能器阵元工作，依次生成所述操控声场序列中的操控声场，以形成综合声场控制目标微粒。

在步骤S101中，在确定在时域上依次排列的多个操控声场时，通常需要根据声镊的应用场景需求确定，所述多个操控生成中至少包括两个操控声场的声场类型不同或声场参数不同，以在形成多个所述操控声场时，可综合利用各个操控声场在不同方向的限制能力优势，提高综合声场的限制能力、稳定性以及抗干扰强度。另外，在步骤S101中，还可以通过设计操控声场中的各个控制焦点的参数，实现各个操控声场的声阱刚度(即操控声场的辐射力的负梯度)的最大化，以进一步提高最终获得的综合声场的限制能力、稳定性以及抗干扰强度。

对于具体的所述操控声场序列中操控声场的排列方式，参考图2和图3，在图2中，所述操控声场序列中包括多种不同声场类型的操控声场，在图2中，声场A、声场B和声场C分别代表不同声场类型的操控声场，图2中示出了5种可行的操控声场排列方式，例如声场A和声场B的交替排列(第一行)，声场A、声场A、声场B为周期的交替排列方式(第二行)，声场A和声场C的交替排列(第三行)，声场A、声场B和声场C为周期的交替排列方式(第四行)，声场B、声场C和声场A为周期的交替排列方式(第五行)。

另外，参考图3，所述操控声场序列中，不同声场参数的操控声场依次排列，在图3中第一行的多个操控声场包括两种不同的占空比，左起第1、2、5个声场的占空比相同，左起第3、4个声场的占空比相同；在图3中第二行的多个操控声场包括两种不同的幅值，左起第1、3、4个操控声场的幅值相同，左起第2、5、6个操控声场的幅值相同；在图3中的第三行，所述多个操控声场包括3种不同的频率，左起第1个操控声场的频率为第一频率，左起第2和4个操控声场的频率为第二频率，左起第3和第5个操控声场的频率为第三频率，且第一频率、第二频率和第三频率互不相同。可选的，在图3中，具有不同声场参数的操控声场的声场种类可以相同也可以不同。

即可选的，所述声场参数至少包括操控声场的占空比、幅值和频率。另外，对于所述声场类型，所述声场类型至少包括双声阱、涡旋声阱和局部空心声阱。其中，参考图4、图5和图6，图4示出了双声阱中控制焦点以及声阱中心的分布示意图，图5示出了涡旋声阱的控制焦点以及声阱中心的分布示意图，图6中示出了局部空心声阱的控制焦点以及声阱中心的分布示意图。每个类型的声阱由不同数量的控制焦点围绕声阱中心形成特定的布局，且有相应的相位关系和加权值(即权重)。双声阱由2个相位相反的控制焦点组成，若以声阱中心为原点，两个控制焦点均在xy平面内，且以声阱中心对称分布。涡旋声阱由8个控制焦点以声阱中心为圆心均匀围绕在其周围，并以声阱中心对称分布在xy平面内；控制焦点的相位随其相位角正时针或逆时针方向增加而线性增加。局部空心声阱除了8个在xy平面内的控制焦点之外，在z轴方向额外分布着2个控制焦点，增强轴向上的辐射力限制，且所有的控制焦点具有相同相位。在图4-6中的坐标系均是以声阱中心为原点建立的右手坐标系。参考图7，图7分别示出了双声阱(图7(a))、涡旋声阱(图7(b))以及局部空心声阱(图7(c))的声场力势分布，图7通过展示各优化声场侧向力势分布与轴向力势分布，表明双声阱和涡旋声阱有较强的侧向势阱；局部空心声阱有较强的轴向声阱。因此符合各自的辐射力特征，即双声阱和涡旋声阱对微粒有较强的侧向限制；局部空心声阱对微粒有较强的轴向限制，在实际应用过程中，可以根据实际操控需求，选择不同类型的操控声场进行时域复用，满足提高综合声场的限制能力、稳定性以及抗干扰强度的要求。

不同的控制焦点的分布直接影响操控声场的质量；各个声阱的控制焦点分布由相应的几何参数决定，仍然参考图4-6，双声阱由两控制焦点的距离d确定；涡旋声阱由控制焦点形成圆周的直径D确定；局部空心声阱由侧向控制焦点形成的圆周直径s与轴向控制焦点间距L共同确定。

进一步的，基于所有产生的声阱沿换能器阵元中心轴对称，通过最大化各操控声场的侧向声阱刚度(即侧向辐射力的负梯度)得到各自声阱的最优控制点分布。根据优化的控制焦点设置，最终确定换能器阵列中各换能器阵元的发射相位。并通过电子偏转焦点的方式，改变各操控声场的声阱中心位置，实现三维空间内的动态操控。

本申请实施例通过数值模拟和模拟验证进一步验证了本申请实施例提供的声镊的形成方法形成的综合声场的限制能力、稳定性以及抗干扰强度相较于单一声场具有较大提升。

具体地，通过对聚苯乙烯微粒在水环境中的三维操控，实验验证了基于多声场时域复用的综合声场有更好的操控稳定性，以双声阱与局部空心声阱时域复用形成综合声场1和涡旋声阱与局部空心声阱时域复用形成综合声场2为例，实验所测位置与声阱设定位置的偏差参考表1和表2，表1示出了单一声阱与综合声场对于捕捉目标微粒的稳定性比较，表2示出了单一声阱与综合声场对于移动目标为例的稳定性比较。

表1.各声阱定点捕捉微粒的稳定性比较

表2.各声阱移动微粒的稳定性比较

下面对本申请实施例提供的声镊的生成方法的各个具体可行步骤进行描述。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，如图8所示，所述基于迭代反向传播算法，确定所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位包括：

S1021：根据所述操控声场的类型，确定预设控制焦点和所述预设控制焦点的信息向量；其中，所述预设控制焦点的信息向量为包括所述预设控制焦点的相位和权重的列向量。

S1022：获取所述换能器模块中的换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，并根据所述预设控制焦点、所述换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，确定所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数；

S1023：根据所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数，生成传播系数矩阵；

S1024：根据所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量，确定每个所述换能器阵元的发射相位。

针对不同的所述换能器阵元的声源模型信息，步骤S1022中根据所述预设控制焦点、所述换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，确定所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数的可行执行方式包括：

S10221：当所述换能器阵元的声源模型信息为活塞式声源模型时，将所述预设控制焦点和所述换能器阵元的位置信息代入第一预设公式，以计算获得所述预设控制焦点与所述换能器阵元的传播系数；

S10222：当所述换能器阵元的声源模型信息为点声源模型时，将所述预设控制焦点和所述换能器阵元的位置信息代入第二预设公式，以计算获得所述预设控制焦点与所述换能器阵元的传播系数；

所述第一预设公式包括：

其中，h_ij表示所述换能器阵元的传播系数，k为所述换能器阵元的波数，a为所述换能器阵元的活塞半径，J₁为一阶贝塞尔函数，|r_i-r_j|表示由预设控制焦点j到所述换能器阵元i的线性距离，θ_ij为预设控制焦点j和所述换能器阵元i连线的仰角偏转；

所述第二预设公式包括：

其中，|r_i-r_j|表示由预设控制焦点j到所述换能器阵元i的线性距离，θ_ij为预设控制焦点j和所述换能器阵元i连线的仰角偏转，在直角坐标系中可定量为

当然地，在本申请的其他实施例中，所述换能器阵元的声源模型信息还可以为除了活塞式声源模型和点声源模型之外的其他声源模型，本申请在此不做穷举。

相应的，步骤S1022中，根据所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量，确定每个所述换能器阵元的发射相位包括：

S10223：将所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量代入第三预设公式中，以计算获得所述换能器阵元的发射相位；

所述第三预设公式包括：

其中，

表示所述换能器阵元的发射相位，H_ij表示所述传播系数矩阵，n_j表示所述预设控制焦点的信息向量，所述信息向量包括所述预设控制焦点的相位和权重，Im()表示实部，Re()表示虚部。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个可选实施例中，如图9所示，所述声镊的生成方法还包括：

S104：获取所述目标微粒的运动状态以及所述目标微粒所处环境的环境参数，根据所述运动状态以及所述环境参数调整所述操控声场序列，并返回基于迭代反向传播算法，确定所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位的步骤。

在本实施例中，可利用成像技术或是传感技术对操控过程进行监控，基于实时的监测信号(即获取的目标微粒的运动状态以及所述目标微粒所处环境的环境参数)对操控声场序列进行调整，进而对提供给各个换能器阵元的发射信号进行调整，可实时变换综合声场，实现具有自适性的交互式三维声镊。例如，通过对操控场景中水流方向和速度的监测，依据反馈信号，可以实时调整各个操控声场的强度和/或类型，以完成更加稳定的操控行为，且有利于适应更加复杂多变的操控场景。同时，还可利用成像技术，定位操控微粒位置，或者完成避开障碍物的行为等。

下面对本申请实施例提供的声镊的生成系统进行描述，下文描述的声镊的生成系统可与上文描述的声镊的生成方法相互对应参照。

相应的，本申请实施例还提供了一种声镊的生成系统，如图10所示，包括：换能器模块20和信号发射模块10；其中，

所述换能器模块20包括至少一个换能器阵列，每个所述换能器阵列包括多个阵列排布的换能器阵元；

所述信号发射模块10用于，基于迭代反向传播算法，确定操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位；所述操控声场序列包括在时域上依次排列的多个操控声场；所述多个操控声场中至少包括两个所述操控声场的声场类型不同或声场参数不同；

根据与所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位控制所述换能器阵元工作，依次生成所述操控声场序列中的操控声场，以形成综合声场控制目标微粒TA。

参考图11，图11中示出了可行的几种换能器模块20的构成，所述换能器模块20可以包括一个矩形换能器阵列(如图11左起第一图，即图11(a)))，所述换能器模块20也可以包括一个环形换能器阵列(如图11左起第二图，即图11(b))，所述换能器模块20还可以包括由多个换能器阵列构成的换能器阵列组合(如图11左起第三图，即图11(c))。各个所述矩形换能器阵列中的各个换能器阵元的面积可以相同，也可以不同，。

可选的，所述信号发射模块10基于迭代反向传播算法，确定所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位的过程具体包括：

根据所述操控声场的类型，确定预设控制焦点和所述预设控制焦点的信息向量；

获取所述换能器模块20中的换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，并根据所述预设控制焦点、所述换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，确定所述预设控制焦点与所述换能器模块20中的各个换能器阵元的传播系数；

根据所述预设控制焦点与所述换能器模块20中的各个换能器阵元的传播系数，生成传播系数矩阵；

根据所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量，确定每个所述换能器阵元的发射相位。

可选的，所述信号发射模块10根据所述预设控制焦点、所述换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，确定所述预设控制焦点与所述换能器模块20中的各个换能器阵元的传播系数的过程具体包括：

当所述换能器阵元的声源模型信息为活塞式声源模型时，将所述预设控制焦点和所述换能器阵元的位置信息代入第一预设公式，以计算获得所述预设控制焦点与所述换能器阵元的传播系数；

当所述换能器阵元的声源模型信息为点声源模型时，将所述预设控制焦点和所述换能器阵元的位置信息代入第二预设公式，以计算获得所述预设控制焦点与所述换能器阵元的传播系数；

所述第一预设公式包括：

其中k为所述换能器阵元的波数，a为所述换能器阵元的活塞半径，J₁为一阶贝塞尔函数，|r_i-r_j|表示由预设控制焦点j到所述换能器阵元i的线性距离，θ_ij为预设控制焦点j和所述换能器阵元i连线的仰角偏转；

所述第二预设公式包括：

其中，|r_i-r_j|表示由预设控制焦点j到所述换能器阵元i的线性距离，θ_ij为预设控制焦点j和所述换能器阵元i连线的仰角偏转。

可选的，所述信号发射模块10根据所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量，确定每个所述换能器阵元的发射相位的过程具体包括：

将所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量代入第三预设公式中，以计算获得所述换能器阵元的发射相位；

所述第三预设公式包括：

其中，

表示所述换能器阵元的发射相位，H_ij表示所述传播系数矩阵，n_j表示所述预设控制焦点的信息向量，所述信息向量包括所述预设控制焦点的相位和权重，Im()表示实部，Re()表示虚部。

可选的，所述声场类型至少包括双声阱、涡旋声阱和局部空心声阱，所述声场参数至少包括操控声场的占空比、幅值和频率。

可选的，仍然参考图10，所述声镊的生成系统还包括：监测模块30；

所述监测模块30，用于获取所述目标微粒TA的运动状态以及所述目标微粒TA所处环境的环境参数，根据所述运动状态以及所述环境参数调整所述操控声场序列，并返回触发所述信号发射模块10。

综上所述，本申请实施例提供了一种声镊的生成方法及生成系统，其中，在所述声镊的生成方法中，可根据需求，确定声阱刚度满足需求的多个操控声场，并反向确定所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位，之后根据各个换能器阵元的发射相位控制所述换能器阵元工作，依次生成所述操控声场序列中的操控声场，实现对换能器阵元的分时复用，形成综合声场控制目标微粒，由于综合声场是由时序上依次排列的多个操控声场形成的，可叠加不同操控生成类型或不同声场参数的操控声场在不同方向的限制能力优势，提高综合声场的限制能力、稳定性以及抗干扰强度。

本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种声镊的生成方法，其特征在于，基于换能器模块实现，所述换能器模块包括至少一个换能器阵列，每个所述换能器阵列包括多个阵列排布的换能器阵元，所述声镊的生成方法包括：

确定在时域上依次排列的多个操控声场，以确定操控声场序列；所述多个操控声场中至少包括两个所述操控声场的声场类型不同或声场参数不同；

基于迭代反向传播算法，确定所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位；

根据与所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位控制所述换能器阵元工作，依次生成所述操控声场序列中的操控声场，以形成综合声场控制目标微粒。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于迭代反向传播算法，确定所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位包括：

根据所述操控声场的类型，确定预设控制焦点和所述预设控制焦点的信息向量；

获取所述换能器模块中的换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，并根据所述预设控制焦点、所述换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，确定所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数；

根据所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数，生成传播系数矩阵；

根据所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量，确定每个所述换能器阵元的发射相位。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述预设控制焦点、所述换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，确定所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数包括：

当所述换能器阵元的声源模型信息为活塞式声源模型时，将所述预设控制焦点和所述换能器阵元的位置信息代入第一预设公式，以计算获得所述预设控制焦点与所述换能器阵元的传播系数；

当所述换能器阵元的声源模型信息为点声源模型时，将所述预设控制焦点和所述换能器阵元的位置信息代入第二预设公式，以计算获得所述预设控制焦点与所述换能器阵元的传播系数；

所述第一预设公式包括：

其中k为所述换能器阵元的波数，a为所述换能器阵元的活塞半径，J₁为一阶贝塞尔函数，|r_i-r_j|表示由预设控制焦点j到所述换能器阵元i的线性距离，θ_ij为预设控制焦点j和所述换能器阵元i连线的仰角偏转；

所述第二预设公式包括：

其中，|r_i-r_j|表示由预设控制焦点j到所述换能器阵元i的线性距离，θ_ij为预设控制焦点j和所述换能器阵元i连线的仰角偏转。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量，确定每个所述换能器阵元的发射相位包括：

将所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量代入第三预设公式中，以计算获得所述换能器阵元的发射相位；

所述第三预设公式包括：

其中，

表示所述换能器阵元的发射相位，H_ij表示所述传播系数矩阵，n_j表示所述预设控制焦点的信息向量，所述信息向量包括所述预设控制焦点的相位和权重，Im()表示实部，Re()表示虚部。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述声场类型至少包括双声阱、涡旋声阱和局部空心声阱，所述声场参数至少包括操控声场的占空比、幅值和频率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

获取所述目标微粒的运动状态以及所述目标微粒所处环境的环境参数，根据所述运动状态以及所述环境参数调整所述操控声场序列，并返回基于迭代反向传播算法，确定所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位的步骤。

7.一种声镊的生成系统，其特征在于，包括：换能器模块和信号发射模块；其中，

所述换能器模块包括至少一个换能器阵列，每个所述换能器阵列包括多个阵列排布的换能器阵元；

所述信号发射模块用于，基于迭代反向传播算法，确定操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位；所述操控声场序列包括在时域上依次排列的多个操控声场；所述多个操控声场中至少包括两个所述操控声场的声场类型不同或声场参数不同；

根据与所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位控制所述换能器阵元工作，依次生成所述操控声场序列中的操控声场，以形成综合声场控制目标微粒。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述信号发射模块基于迭代反向传播算法，确定所述操控声场序列中每个所述操控声场对应的换能器阵元的发射相位的过程具体包括：

根据所述操控声场的类型，确定预设控制焦点和所述预设控制焦点的信息向量；

获取所述换能器模块中的换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，并根据所述预设控制焦点、所述换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，确定所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数；

根据所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数，生成传播系数矩阵；

根据所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量，确定每个所述换能器阵元的发射相位。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述信号发射模块根据所述预设控制焦点、所述换能器阵元的位置信息和所述换能器阵元的声源模型信息，确定所述预设控制焦点与所述换能器模块中的各个换能器阵元的传播系数的过程具体包括：

当所述换能器阵元的声源模型信息为活塞式声源模型时，将所述预设控制焦点和所述换能器阵元的位置信息代入第一预设公式，以计算获得所述预设控制焦点与所述换能器阵元的传播系数；

当所述换能器阵元的声源模型信息为点声源模型时，将所述预设控制焦点和所述换能器阵元的位置信息代入第二预设公式，以计算获得所述预设控制焦点与所述换能器阵元的传播系数；

所述第一预设公式包括：

其中k为所述换能器阵元的波数，a为所述换能器阵元的活塞半径，J₁为一阶贝塞尔函数，|r_i-r_j|表示由预设控制焦点j到所述换能器阵元i的线性距离，θ_ij为预设控制焦点j和所述换能器阵元i连线的仰角偏转；

所述第二预设公式包括：

其中，|r_i-r_j|表示由预设控制焦点j到所述换能器阵元i的线性距离，θ_ij为预设控制焦点j和所述换能器阵元i连线的仰角偏转。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述信号发射模块根据所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量，确定每个所述换能器阵元的发射相位的过程具体包括：

将所述传播系数矩阵和所述预设控制焦点的信息向量代入第三预设公式中，以计算获得所述换能器阵元的发射相位；

所述第三预设公式包括：

其中，

表示所述换能器阵元的发射相位，H_ij表示所述传播系数矩阵，n_j表示所述预设控制焦点的信息向量，所述信息向量包括所述预设控制焦点的相位和权重，Im()表示实部，Re()表示虚部。

11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述声场类型至少包括双声阱、涡旋声阱和局部空心声阱，所述声场参数至少包括操控声场的占空比、幅值和频率。

12.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：监测模块；

所述监测模块，用于获取所述目标微粒的运动状态以及所述目标微粒所处环境的环境参数，根据所述运动状态以及所述环境参数调整所述操控声场序列，并返回触发所述信号发射模块。

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