CN115358143A - 高精度构建三维声场的方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

高精度构建三维声场的方法、系统、设备及存储介质 Download PDF

Info

Publication number
CN115358143A
CN115358143A CN202210936217.8A CN202210936217A CN115358143A CN 115358143 A CN115358143 A CN 115358143A CN 202210936217 A CN202210936217 A CN 202210936217A CN 115358143 A CN115358143 A CN 115358143A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sound field
emission
transmitting
distribution
acoustic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210936217.8A
Other languages
English (en)
Inventor
江雪
张传鑫
他得安
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fudan University
Original Assignee
Fudan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fudan University filed Critical Fudan University
Priority to CN202210936217.8A priority Critical patent/CN115358143A/zh
Publication of CN115358143A publication Critical patent/CN115358143A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/27—Design optimisation, verification or simulation using machine learning, e.g. artificial intelligence, neural networks, support vector machines [SVM] or training a model
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/02—Reliability analysis or reliability optimisation; Failure analysis, e.g. worst case scenario performance, failure mode and effects analysis [FMEA]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)

Abstract

本发明公开了一种高精度构建三维声场的方法、系统、设备及存储介质，可适应任意声学相控阵或超材料，包括几何特征如发射单元尺度、数量、位置及声辐射性能，针对不同类型的发射单元进行优化；使用声全息算法，通过迭代优化，充分利用相控阵或超材料的性能，高精度构建任意三维声场分布，例如构建空间多波束、多焦点和空间中任意声强的分布，生成任意声学图像等；实现声能量的高精度控制，包括空间位置和分布强度的准确性，提高声学手段在消费电子、生物医学工程和水声探测等领域中的应用体验。该声全息算法计算基于明确物理过程，在计算声传播过程中使用卷积或频域计算，计算速度快，可实时计算，用于实时高精度三维声场分布的构建。

Description

高精度构建三维声场的方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明属于声全息算法的技术领域，尤其涉及一种高精度构建三维声场的方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
声场精准调控在消费电子、生物医学工程和水声探测等领域均有广泛应用。例如定向传音，实现声波的强指向性发射，超声手势识别等。生物医学工程中，人体内超声消融，超声刺激等，均需要高精度的声场构建，否则无法实现消融或刺激等功能，若无精度保证，会给患者带来不可预知的风险。
并且，在利用声悬浮技术对多个粒子进行三维操控时，也需要高精度的三维声场构建，才能将微粒控制在所需的位置，实时的微粒移动也需要借助可以实时运算的声场构建算法。
传统算法实现的功能有限，不支持多种声场的构建运算；同时因为不同声场之间无法解耦合，所以无法通过简单线性叠加就实现多个声场的构建，所以更无法在同时构建不同类型的声场。传统算法无法精准控制声强，即无法精准控制声能量的分布和强度；同时因为在调节某处的声强时，也会对总声场中的其他组成部分产生影响，所以更无法对多个目标声场分别进行精准能量控制。传统算法应用范围有限，比如只能应用于规则辐射表面，等间隔排布阵列，各阵元尺寸一致，平面声源等简化情况下；同时也不能针对相控阵和超材料等不同性能表现的辐射单元进行优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度构建三维声场的方法、系统、设备及存储介质，可设置各种复杂的发射模型，可针对规则模型进行复用加速，可充分利用相控阵或超材料的性能(包括辐射特性和一致性误差等)，高精度地构建任意三维声场分布，实现多种类型声场的同时高精度构建，可实现声能量的高精度控制，包括空间位置和分布强度(声强)的准确性；提高声学手段在消费电子、生物医学工程和水声探测等领域中的应用体验。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种高精度构建三维声场的方法，适用于声学相控阵或超材料构建三维声场，包括：
根据发射设备的性能参数，初始化声全息算法；
构建初始声场，作为待构建三维声场的参考分布；
仿真声传播过程，将目标声场反向传播至发射平面；
获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数；
根据发射平面的发射参数，将目标声场正向传播至初始声场的位置，获取正向传播的声场分布信息，判断目标声场的构建质量是否满足预设要求，若是，则完成三维声场的构建；
若否，则根据正向传播获取的声场分布信息及参考分布，修正目标声场，将修正后的目标声场反向传播至发射平面，获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数，直至发射参数满足预设要求。
根据本发明一实施例，所述根据任意发射设备的性能参数，初始化声全息算法进一步包括：
根据发射设备的特性，定义辐射源；
根据发射设备的发射单元的频率、形状、尺寸、位置及角度，自动生成网格；
其中，发射单元的发射参数可设置为常规的均匀阵列、非均匀排列的阵列或稀疏阵列；其每个阵元可独立设置为任意形状，以及任意偏转角度，即非平面声源；
对于规则形状的发射单元，网格可以复用，即只生成不重复的网格；对于阵列中相同的阵元也可实现复用，即只对一个阵元生成网格。
根据本发明一实施例，所述构建初始声场，作为待构建三维声场的参考分布进一步包括：
定义初始声场的声场类型、声场强度及空间位置，对声场中的不同组成部分指定不同的声场类型，并支持独立控制设置，可设置各个组成部分的声强(W/cm2)，还可设置各个组成部分不同的编码调制方式；
其中，声场类型包括：多焦点、多波束、各阶声涡旋、任意声学图像，各种声场类型可任意组合构建于不同位置；
编码调制方式包括幅度调制、相位调制、频率调制。
根据本发明一实施例，所述仿真声传播过程，将目标声场反向传播至发射平面进一步包括：
该反向传播表示算法流程中的一种数学运算，根据不同运算目标可选取不同类型的数学运算；
对于均匀介质可使用基于物理模型的反向传播运算，基于共轭格林函数，使用包含瑞利积分、有限元、有限差分在内的数值计算方法实现基于物理模型的反向传播；这里的均匀介质表声波传播的媒介是均匀分布且不随时间变化的，例如自由空间的静止空气，声波或光波都0自由传播，不会因为介质引入干扰；
对于复杂介质可使用误差反向传播的运算形式，基于数学优化方法，根据目标声场，将误差反向传播至发射平面；这里的复杂介质表示媒质分布复杂，不均匀，或随时间变化；比如雾天，光线四处散射，就看不清远距离的物体；比如厚度不均匀的玻璃，看过去物体变扭曲；比如随时间变化的引起的多普勒效应；
基于数学模型或物理模型的反向传播过程，均将声场信息编码至整个发射平面，基于此构建的声场，具有较强的鲁棒性和抗干扰性。
根据本发明一实施例，所述获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数进一步包括：
所述反向传播的结果即反馈信息；
基于物理模型的反向传播，提取反馈信息中的发射面处的声压，对发射面各发射单元表面的声压进行积分或空间滤波操作，得到发射面上各发射单元的发射幅度和相位；
基于数学优化模型的反向传播，根据不同优化算法，对发射单元的幅度和相位进行调整；例如遗传算法中的筛选和变异；以及众多优化算法中可使用的，根据梯度调整各发射单元的发射幅度和相位等。
在每次迭代得到各发射单元的发射幅度和相位后，根据使用的发射设备的发射单元的辐射性能再次进行修正，对发射幅度和相位进行分级量化，校准一致性和量化误差，得到适用于当前发射设备的发射参数，以满足对不同相控阵或超材料的适应；
当相控阵或超材料阵列中某个单元出现问题时，此误差信息将带入迭代修正，满足不同工况下的声场构建优化。
根据本发明一实施例，所述根据正向传播获取的声场分布信息及参考分布，修正用于反向传播的目标声场进一步包括：
当修正目标声场的发射幅度时，将相位作为自由度，在保留正向传播获取的声场的相位分布的基础上，将幅度分布初始化为参考分布的幅度；
当修正目标声场的相位时，将幅度作为自由度，在保留正向传播获取的声场的幅度分布的基础上，将相位分布初始化为参考分布的相位；
当同时修正目标声场的发射幅度和相位时，对根据预设的阈值，对发射幅度和相位进行微扰修正。
根据本发明一实施例，所述修正用于反向传播的目标声场进一步包括：
由于人为设置的参考声场可能会超过发射设备所能实现的物理极限，当修正无法使算法收敛或收敛后构建误差仍然很大时，则根据正向传播获取的声场分布、每步声场分布的变化量及参考声场，求解修正加权系数，对声场进行进一步修正，用于改善声场的构建质量。
一种高精度构建三维声场的系统，适用于声学相控阵或超材料构建三维声场，包括：
参数设置模块，用于根据发射设备的性能参数，初始化声全息算法；
初始模块，用于构建初始声场，作为待构建三维声场的参考分布；
迭代模块，用于仿真声传播过程，将目标声场反向传播至发射平面；获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数；根据发射平面的发射参数，将目标声场正向传播至初始声场的位置，获取正向传播的声场分布信息，判断目标声场的构建质量是否满足预设要求，若是，则完成三维声场的构建；若否，则根据正向传播获取的声场分布信息及参考分布，修正目标声场，将修正后的目标声场反向传播至发射平面，获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数，直至发射参数满足预设要求。
一种高精度构建三维声场的设备，包括：存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行本发明一实施例中的高精度构建三维声场的方法中的步骤。
一种存储有计算机可读指令的存储介质，所述计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行本发明一实施例中的高精度构建三维声场的方法中的步骤
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明一实施例中的高精度构建三维声场的方法，可适应任意声学相控阵或超材料，包括任意复杂的几何特征如发射单元尺度、发射单元形状、数量、位置及声辐射性能(如发射频率、发射幅度相位精度、辐射面模态分布等)，可针对不同类型的发射单元进行优化；使用声全息算法，通过迭代优化，充分利用相控阵或超材料的性能，高精度构建任意三维声场分布，例如构建空间多波束、多焦点和空间中任意声强的分布，生成任意声学图像等；实现声能量的高精度控制，包括空间位置和分布强度的准确性，提高声学手段在消费电子、生物医学工程和水声探测等领域中的应用体验。该声全息算法计算基于明确物理过程，在计算声传播过程中使用卷积或频域计算，计算速度快，可实时计算，用于实时高精度三维声场分布的构建。
附图说明
图1为本发明一实施例中的高精度构建三维声场的方法流图；
图2为本发明一实施例中的仿真声传播过程中，发射平面的示意图；
图3为本发明一实施例中的构建任意声学图像系统三维渲染图；
图4为本发明一实施例中的等强度多焦点实验的仿真(左)和实测(右)图；
图5为本发明一实施例中的不等强度多焦点实验的仿真(左)和实测(右)图；
图6为本发明一实施例中的结构涡旋声束实验的仿真(左)和实测(右)图；
图7为本发明一实施例中的空间任意强度分布实验的仿真(左)和实测(右)图；
图8为本发明一实施例中的高精度构建三维声场的系统框图；
图9为本发明一实施例中的高精度构建三维声场的设备示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高精度构建三维声场的方法、系统、设备及存储介质作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例一
请参看图1，本实施例提供了一种高精度构建三维声场的方法，适用于声学相控阵或超材料构建三维声场，该三维声场的构建方法包括以下步骤：
S1：根据发射设备的性能参数，初始化声全息算法；
S2：构建初始声场，作为待构建三维声场的参考分布；
S3：仿真声传播过程，将目标声场反向传播至发射平面；
S4：获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数；
S5：根据发射平面的发射参数，将目标声场正向传播至初始声场的位置，获取正向传播的声场分布信息，判断目标声场的构建质量是否满足预设要求，若是，则完成三维声场的构建；
S6：若否，则根据正向传播获取的声场分布信息及参考分布，修正目标声场，将修正后的目标声场反向传播至发射平面，获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数，直至发射参数满足预设要求。
在步骤S1中，根据发射设备的性能参数，初始化声全息算法。
发射设备通常是由很多小型发射单元排列形成的相控阵，或是通过人工设计的超材料辅助，进行声波发射。在不同场景下应用时，对设备尺寸，设备功耗，设备成本(复杂度)都有着不同的要求。考虑到这些发射设备通常具有很多特殊属性，例如不同场景下发射单元尺寸不同，发射声波频率不同，发射单元排列无规律(非规则分布)等；此前提出的算法必须应用于规则排列的发射阵列中，或只能针对40kHz这一频率的超声波等。
针对上述情况，本实施例对发射设备的发射参数的设置没有明确的限制，可根据当前的发射设备进行相应的设置。如通过代码设定每个发射设备的工作频率，空间位置，形状，指向角度以及辐射表面的模态分布等计算辐射声场的指向性或某三维空间位置内的声场分布。也可以将导入通过CAE(计算机辅助工程)计算得到的相关声场结果。
具体的，在步骤S1中，本实施例定义声传播介质的物理参数，如声速、密度、衰减系数。当使用简化模型时只需定义介质声速，如室温下空气声速约为343(m/s)，水中声速约为1485(m/s)。定义声全息工作频率，根据频率和声速可换算得到波长(λ＝c/f)，将用于确定网格空间间隔。定义辐射源，根据所使用发射单元的特性设置灵敏度等辐射特性，可针对相控阵和超材料进行优化，并根据发射单元形状、尺寸、位置、角度等，自动生成辐射网格，例如图2据下述参数进行自动生成，其中黑色表示有效辐射区域(除边框外)，阵元为圆形，直径为7(mm)，阵元二维均匀格栅排布，共计16×16个，间距为10.5(mm)，发射轴向与x-y平面夹角90度。也可手动剖分网格，在声全息算法外部生成与图2类似的二维矩阵，导入算法可直接使用。
在步骤S2中，构建初始声场，作为待构建三维声场的参考分布。
本实施例构建的初始声场，可覆盖目前主流的声场构建需求，包括：聚焦(单点和多点)，波束形成(单方向和多方向)，声涡旋，任意声学图案，从而使接收设备不受使用场景的影响。同时，声场的位置可以任意指定(三维空间)，构建出的声场质量仍不能超过物理极限，只是在目前硬件条件基础上实现最优的声场构建。
具体的，本实施例定义待构建声场(pref)。定义声场类型、强度、空间坐标。声场类型通常有波束，聚焦，多点聚焦，声涡旋等，亦可通过矩阵自定义声场分布；强度则表示声波振幅，声场中的不同组成部分可指定不同强度，实现独立控制；空间坐标为相对于辐射源的相对坐标，可确定声场的z方向高度和x-y的偏移量。每个声场的组成部分均可指定声强，例如：定义多点聚焦的每个焦点强度均为1(W/cm2)，和编码调制方式，例如：定义对多点聚焦的每个焦点幅度编码，即焦点强度随时间变化，上面定义的每个焦点强度均为1(W/cm2)便成为幅度编码的最大幅度，即幅度可在0-1(W/cm2)之间任意调制变化；如果定义对多点聚焦的每个焦点相位编码，这样需在之前定义的每个焦点强度均为1(W/cm2)的基础上加入相位约束条件，即有的焦点相位0，有的焦点相位pi等等；如果定义对多点聚焦的每个焦点频率编码，则通过设置发射频率，是不同频率在对应焦点位置处产生强度均为1(W/cm2)的焦点。确定好参考声场后，将进入迭代过程。
在步骤S3中，仿真声传播过程，将目标声场反向传播至发射平面。其中，基于物理模型的反向传播过程可使用有限元法，有限差分法，边界积分法等计算方式完成。下面以边界积分法为例，简单描述声传播过程。考虑到时间简谐情况，有源声波动方程可描述为：
Figure BDA0003783373810000081
令
Figure BDA0003783373810000082
得自由空间格林函数：
Figure BDA0003783373810000083
其中
Figure BDA0003783373810000084
为波数，声场分布满足基尔霍夫-亥姆霍兹积分公式：
Figure BDA0003783373810000085
其中
Figure BDA0003783373810000086
为辐射源平面法向，在给定辐射平面的声压分布后，可用以下公式(1)进行声场计算：
Figure BDA0003783373810000087
令
Figure BDA0003783373810000088
因此空间声压可通过卷积p＝p0*h或在傅式域中使用角谱方式计算P＝P0·H。使用公式(1)将目标声场反向传播至发射平面。
对于有限元法及有限差分法，在此暂不做介绍了，声全息算法可与这些传统声场仿真方法兼容。
基于数学模型的反向传播过程，将计算输出值(第一步为初始值)与目标函数的误差，可设计不同目标函数包括待构建参考声场的值，以及关于待构建参考声场的衍生运算。例如声场的总误差，声场的峰值信噪比，声场的平均噪声水平等，对于不同类型声场还有独有的目标函数，例如多点聚焦的焦点强度和焦点半高全宽；声涡旋的角谱纯度等。
在步骤S4中，获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数。
基于物理模型的反向传播：根据反向传播计算得到的发射平面的声场分布计算发射平面的发射幅度和相位。模拟真实接收情况，将传播至阵元表面的声压进行积分：
Figure BDA0003783373810000091
上述积分得到的ptn为复数，表示第n个阵元发射的幅度和相位。
基于数学模型的反向传播：根据误差的反向传播，求解个发射阵元与误差的偏导数，使用梯度下降方法，改变各个发射阵元的发射参数。
ptn *＝w(pz,Δpz,pref)ptn
若是遗传算法等筛选算法，则根据误差对种群进行筛选和变异，获得更优的发射参数。
得到发射参数后需将此参数按阵元性能进行分级量化，例如幅度和相位均为m级量化的情况，round(p*m)/m，’round’表示对幅度和相位的四舍五入。针对一些超材料的特性，幅度和相位为非均匀分布形式，可将具体的性能值写入算法，通过最邻近匹配的方式进行修正。
在步骤S5中，根据发射平面的发射参数(ptn)，以及发射单元的辐射特性(Modtn)，正向传播至目标位置，判断目标声场的构建质量是否满足预设要求，若是，则完成三维声场的构建。
具体的，发射单元的辐射特性(Modtn)，包括各个发射单元的一致性误差，以及表面辐射模态的分布，即整个辐射面上的振动方向并不一致。由ptn与Modtn相乘，并利用公式(1)，将声场正向传播至待构建声场的位置得到(pz)，判断是否满足迭代完成条件(例如构建质量的要求或最大迭代次数等)，满足，则结束运算，输出阵元发射参数(pt0)，不满足则进入下一步。
其中正向传播同样可使用边界积分法，有限元，有限差分法等。声全息算法可与各种声场计算方式兼容，还可通过接口，导入外部计算或实验测量得到的正向传播声场。算法可对具有对称性的发射单元和具有相同发射单元的阵列进行网格复用。例如单个圆形辐射单元，辐射场表现为轴对称形式，网格可只有一条线，在计算时自动完成轴对称拼接。其他具有对称性的发射单元形状类似，均可通过复用降低运算复杂度。对于相同形状单元在阵列中的复用，也只需对一个发射单元进行网格构建，重复阵元只需要加权移位叠加即可。加权值取决于不同的发射参数和发射模态，移位量取决于不同的位置。正向传播时可对传播路径上的异物进行修正，异物与传播介质声学特性不同，声波与异物作用发生散射，使声场构建偏离自由空间计算结果。将异物模型带入正向传播模型中，计算其散射场并与自由空间计算的声场叠加，进行声场构建的修正。
在步骤S6中，若目标声场的构建质量不满足预设要求，则根据正向传播获取的声场分布信息及参考分布，修正用于反向传播的目标声场，将修正后的目标声场反向传播至发射平面，获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数，直至该发射参数满足预设要求。
具体的，根据正向传播计算得到的声场分布(pz)和参考声场分布(pref)，修正用于反向传播的目标声场。当注重幅度分布时，可将相位作为自由度，在保留pz相位分布的基础上，将幅度分布初始化为abs(pref)即
pz＝abs(pref)exp(angle(pz))
当注重相位分布时，可将幅度作为自由度，在保留pz幅度分布的基础上，将相位分布初始化为angle(pref)即：
pz＝abs(pz)exp(angle(pref))
当同时要求发射幅度和相位时，可对幅度和相位进行微扰修正，微扰修正可通过geomean(pz,pref)实现。需注意修正不能超过设定的阈值，否则扰动过大，会导致不收敛。当不收敛或效果不好时，将根据正向传播获取的声场分布、每步声场分布的变化量及参考声场，求解修正加权系数。例如可通过低通滤波，滤除难以构建的高频分量，后得到新的参考声场，将其幅度相位信息与原参考声场的比值作为新的修正系数加入到迭代中，实现对于当前发射设备物理条件下的最优构建。
在通信和动态控制等应用场景下，不同声场类型需要不同的编码方式，可在不同类型声场构建时，额外叠加幅度或相位的约束条件，以实现声场的编码。频率调制则是通过动态调整发射频率实现。
对反向传播的目标声场的修正，还可以基于数学优化方法，设置目标函数，例如SNR(pz,pref)，使用梯度下降或遗传算法等优化算法，求解构建效果更好的pt0 *；或根据pz和其变化量即Δpz和pref，作为权系数修正ptn：
ptn *＝w(pz,Δpz,pref)ptn
或基于物理逆过程通过反向传播修正后的pz，使用公式(1)计算得到的发射阵元处的声场分布pt0 *，从而得到阵元的发射幅度和相位。在得到新的阵元发射参数pt0 *，重新回到步骤S3进行迭代。
以上描述高精度构建三维声场的方法，下面结合具体参数，展示高精度构建声场的效果：发射设备的发射参数：传播介质空气声速343(m/s)，声波发射工作频率40(kHz)，声发射阵元7(mm)，间隔10.5(mm)，供给16×16个，与图2所绘制一致。图3为三维渲染图，描述了声波由相控阵发射，在上方产生特定声压分布的概念图。
下面将展示几种使用本实施例中的方法构建的特殊声场，以体现该方法进行声场构建的多样性和高精度特点。
图4为构建空间中8个等强度的焦点，左侧一列为仿真结果，右侧一列为实验实测结果，第一行为声场强度分布图，第二行为各焦点处强度，其中‘×’表示预设强度，‘o’表示实验测量强度，可以看出每个焦点的声强均为1(W/cm2)。构建平面位于z＝200(mm)，焦点位置为原点和以30(mm)为半径的七边形顶点。
图5为构建空间中8个不等强度的焦点，焦点的声强在0.5-1(W/cm2)之间变化，图片排版设置与图4相同，可以看出不同强度焦点构建仍然高精度匹配预设。
图4和图5，体现算法可针对某一个发射阵列，设计构建多个焦点，且每个焦点的的位置以及声强均人为精确可控，不会出现精准控制了一个焦点就无法控制其他焦点，也没有减少一个焦点强度导致另一个焦点强度变大的情况。且实验验证通过。
图6为构建结构涡旋声束，该声涡旋同时具有1阶和4阶拓扑阶数。作为不同于聚焦的另一种特殊声场，传统情况下构建声涡旋需要较高难度，此处可同时构建两种不同的声涡旋，
图7为构建三维空间中任意的连续强度的声场分布，不失一般性，选取字母‘F’和‘D’作为待构建声场，其中‘F’出现在z＝200(mm)处，‘D’出现在z＝300(mm)处。可以实现任意强度分布的声场，且同时在两个深度构建不同的强度分布，体现了基于此算法的声场构建具有极高的自由度，体现算法的通用性。
以上展示的几种具有代表性的声场在成像、通信、微流控、粒子控制等领域均有广泛应用。
本发明针对高精度声场构建和控制的需求，提供了一种高精度构建三维声场的方法，可适应任意声学相控阵或超材料，包括几何特征如发射单元尺度、数量、位置和声辐射性能如发射频率，发射幅度相位精度等。使用声全息算法，通过迭代优化，可充分利用相控阵或超材料性能，并可修正换能器间性能误差(一致性问题)，和超材料设计中的量化误差等。非针对理想情况进行理论优化，可针对当前科技水平下实际存在的发射设备进行优化，高精度构建任意三维声场分布，例如构建空间多波束、多焦点和空间中任意声强度分布，生成任意声学图像等。该声全息算法计算基于明确物理过程，在计算声传播过程中使用卷积或频域计算，计算速度快，可实时计算，用于实时高精度三维声场分布的构建。
实施例二
本实施例提供了一种高精度构建三维声场的系统，适用于声学相控阵或超材料构建三维声场。请参看图8，该系统包括：
参数设置模块1，用于基于声全息算法，配置发射设备的发射参数；
初始模块2，用于构建初始声场，作为待构建三维声场的参考分布；
迭代模块3，用于仿真声传播过程，将目标声场反向传播至发射平面；获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数；根据发射平面的发射参数，将目标声场正向传播至初始声场的位置，获取正向传播的声场分布信息，判断目标声场的构建质量是否满足预设要求，若是，则完成三维声场的构建；若否，则根据正向传播获取的声场分布信息及参考分布，修正用于反向传播的目标声场，将修正后的目标声场反向传播至发射平面，获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数，直至发射参数满足预设要求。
上述参数设置模块1、初始模块2及迭代模块3的功能及实现方法均如上述实施例一所述，在此不再赘述。
实施例三
本实施例提供了一种高精度构建三维声场的设备。请参看图9，该高精度构建三维声场的设备500可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，CPU)510(例如，x86，arm架构处理器或FPGA)和存储器520，一个或一个以上存储应用程序533或数据532的存储介质530(例如一个或一个以上海量存储设备)。其中，存储器520和存储介质530可以是短暂存储或持久存储。存储在存储介质530的程序可以包括一个或一个以上模块(图示没标出)，每个模块可以包括对高精度构建三维声场的设备500中的一系列指令操作。
进一步，处理器510可以设置为与存储介质530通信，在高精度构建三维声场的设备500上执行存储介质530中的一系列指令操作。
高精度构建三维声场的设备500还可以包括一个或一个以上电源540，一个或一个以上有线或无线的网络接口550，一个或一个以上输入输出接口560，和/或，一个或一个以上操作系统531，例如Windows Serve、Vista等等。
本领域技术人员可以理解，图9示出的高精度构建三维声场的设备结构并不构成对高精度构建三维声场的设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
本发明的另一实施例还提供了一种计算机可读存储介质。
该计算机可读存储介质可以为非易失性计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质也可以为易失性计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质中存储有指令，当该指令在计算机上运行时，使得计算机执行实施例一中的高精度构建三维声场的方法的步骤。
高精度构建三维声场的方法如果以程序指令的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件的形式体现出来，该计算机软件存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-only memory，ROM)、随机存取存储器(Random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述得方便和简洁，上述描述的系统及设备的具体执行的识别内容，可以参考前述方法实施例中的对应过程。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高精度构建三维声场的方法，其特征在于，适用于声学相控阵或超材料构建三维声场，包括：
根据发射设备的性能参数，初始化声全息算法；
构建初始声场，作为待构建三维声场的参考分布；
仿真声传播过程，将目标声场反向传播至发射平面；
获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数；
根据发射平面的发射参数，将目标声场正向传播至初始声场的位置，获取正向传播的声场分布信息，判断目标声场的构建质量是否满足预设要求，若是，则完成三维声场的构建；
若否，则根据正向传播获取的声场分布信息及参考分布，修正目标声场，将修正后的目标声场反向传播至发射平面，获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数，直至发射参数满足预设要求。
2.如权利要求1所述的高精度构建三维声场的方法，其特征在于，所述根据发射设备的性能参数，初始化声全息算法进一步包括：
根据发射设备的特性，定义辐射源；
根据发射设备的发射单元的频率、形状、尺寸、位置及角度，自动生成网格；
其中，发射单元的发射参数可设置为常规的均匀阵列、非均匀排列的阵列或稀疏阵列；其每个阵元可独立设置为任意形状，以及任意偏转角度；
对于规则形状的发射单元，网格可以复用，只生成不重复的网格；对于阵列中相同的阵元也可实现复用，只对一个阵元生成网格。
3.如权利要求1所述的高精度构建三维声场的方法，其特征在于，所述构建初始声场，作为待构建三维声场的参考分布进一步包括：
定义初始声场的声场类型、声场强度及空间位置，对声场中的不同组成部分指定不同的声场类型，并支持独立控制设置，可设置各个组成部分的声强(W/cm2)，还可设置各个组成部分不同的编码调制方式；
其中，声场类型包括：多焦点、多波束、各阶声涡旋、任意声学图像，各种声场类型可任意组合构建于不同位置；
编码调制方式包括幅度调制、相位调制、频率调制。
4.如权利要求1所述的高精度构建三维声场的方法，其特征在于，所述仿真声传播过程，将目标声场反向传播至发射平面进一步包括：
对于均匀介质可使用基于物理模型的反向传播运算，基于共轭格林函数，使用包含瑞利积分、有限元、有限差分在内的数值计算方法实现基于物理模型的反向传播；
对于复杂介质可使用误差反向传播的运算形式，基于数学优化方法，根据目标声场，将误差反向传播至发射平面；
基于数学模型或物理模型的反向传播过程，将声场信息编码至整个发射平面，基于此构建的声场，具有较强的鲁棒性和抗干扰性。
5.如权利要求1所述的高精度构建三维声场的方法，其特征在于，所述获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数进一步包括：
所述反向传播的结果即反馈信息；
基于物理模型的反向传播，提取反馈信息中的发射面处的声压，对发射面各发射单元表面的声压进行积分或空间滤波操作，得到发射面上各发射单元的发射幅度和相位；
基于数学优化模型的反向传播，根据不同优化算法，对发射单元的幅度和相位进行调整；
在每次迭代得到各发射单元的发射幅度和相位后，根据使用的发射设备的发射单元的辐射性能再次进行修正，对发射幅度和相位进行分级量化，校准一致性和量化误差，得到适用于当前发射设备的发射参数，以满足对不同相控阵或超材料的适应；
当相控阵或超材料阵列中某个发射单元出现问题时，该误差信息将带入迭代修正，满足不同工况下的声场构建优化。
6.如权利要求1所述的高精度构建三维声场的方法，其特征在于，所述根据正向传播获取的声场分布信息及参考分布，修正用于反向传播的目标声场进一步包括：
当修正目标声场的发射幅度时，将相位作为自由度，在保留正向传播获取的声场的相位分布的基础上，将幅度分布初始化为参考分布的幅度；
当修正目标声场的相位时，将幅度作为自由度，在保留正向传播获取的声场的幅度分布的基础上，将相位分布初始化为参考分布的相位；
当同时修正目标声场的发射幅度和相位时，对根据预设的阈值，对发射幅度和相位进行微扰修正。
7.如权利要求6所述的高精度构建三维声场的方法，其特征在于，所述修正用于反向传播的目标声场进一步包括：
当对发射幅度和/或相位进行修正的算法无法收敛或收敛后构建声场的误差不符合要求时，则根据正向传播获取的声场分布、声场分布的变化量及参考声场，求解修正加权系数，对声场的发射幅度和/或相位进一步修正，用于改善声场的构建质量。
8.一种高精度构建三维声场的系统，其特征在于，适用于声学相控阵或超材料构建三维声场，包括：
参数设置模块，用于根据发射设备的性能参数，初始化声全息算法；
初始模块，用于构建初始声场，作为待构建三维声场的参考分布；
迭代模块，用于仿真声传播过程，将目标声场反向传播至发射平面；获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数；根据发射平面的发射参数，将目标声场正向传播至初始声场的位置，获取正向传播的声场分布信息，判断目标声场的构建质量是否满足预设要求，若是，则完成三维声场的构建；若否，则根据正向传播获取的声场分布信息及参考分布，修正目标声场，将修正后的目标声场反向传播至发射平面，获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息，计算发射平面的发射参数，直至发射参数满足预设要求。
9.一种高精度构建三维声场的设备，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至7中任意一项所述的高精度构建三维声场的方法中的步骤。
10.一种存储有计算机可读指令的存储介质，其特征在于，所述计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行如权利要求1至7中任意一项所述的高精度构建三维声场的方法中的步骤。
CN202210936217.8A 2022-08-05 2022-08-05 高精度构建三维声场的方法、系统、设备及存储介质 Pending CN115358143A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210936217.8A CN115358143A (zh) 2022-08-05 2022-08-05 高精度构建三维声场的方法、系统、设备及存储介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210936217.8A CN115358143A (zh) 2022-08-05 2022-08-05 高精度构建三维声场的方法、系统、设备及存储介质

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115358143A true CN115358143A (zh) 2022-11-18

Family

ID=84001345

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210936217.8A Pending CN115358143A (zh) 2022-08-05 2022-08-05 高精度构建三维声场的方法、系统、设备及存储介质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115358143A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116506775A (zh) * 2023-05-22 2023-07-28 广州市声讯电子科技股份有限公司 分布式扬声阵列布置点选择与优化方法及系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116506775A (zh) * 2023-05-22 2023-07-28 广州市声讯电子科技股份有限公司 分布式扬声阵列布置点选择与优化方法及系统
CN116506775B (zh) * 2023-05-22 2023-10-10 广州市声讯电子科技股份有限公司 分布式扬声阵列布置点选择与优化方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Trucco Thinning and weighting of large planar arrays by simulated annealing
US20200082804A1 (en) Event Triggering in Phased-Array Systems
KR20230049617A (ko) 공중 초음파 필드들의 특징들
CN113238189B (zh) 基于阵列测量和稀疏先验信息的声源辨识方法、系统
CN105832366B (zh) 一种用于波束合成过程中的延时实时计算方法
CN115358143A (zh) 高精度构建三维声场的方法、系统、设备及存储介质
CN112562631B (zh) 一种声镊的生成方法及生成系统
Zhang et al. Optimal design of sparse array for ultrasonic total focusing method by binary particle swarm optimization
Gombots et al. Sound source localization–state of the art and new inverse scheme
JP7438511B2 (ja) レンズおよびレンズを含む超音波装置の製造方法
US5986972A (en) Beam pattern shaping for transmitter array
Pavić An engineering technique for the computation of sound radiation by vibrating bodies using substitute sources
CN109239771B (zh) 一种基于非均匀背景介质的弹性波成像方法
WO2020161287A1 (en) An ultrasound system
CN116564265A (zh) 基于参量次级声源的水下结构噪声控制方法
CN115390052A (zh) 一种成像声呐实物模拟装置及方法
Bellows et al. Obtaining far-field spherical directivities of guitar amplifiers from arbitrarily shaped arrays using the Helmholtz equation least-squares method
Roux et al. Speed-up of acoustic simulation techniques for 2D sparse array optimization by simulated annealing
Tantawy et al. Performance investigation and element optimization of 2D array transducer using Bat Algorithm
CN112331175A (zh) 一种基于bp神经网络的水下结构低频辐射噪声的主动控制方法
CN115378512A (zh) 基于声全息的无线多通道并行通信方法、装置及设备
Tsuchiya et al. Two-dimensional finite-difference time-domain simulation of moving sound source and receiver with directivity
Müller et al. Knowledge mining for biomimetic smart antenna shapes
Repetto et al. High-resolution 3-D imaging by a sparse array: Array optimization and image simulation
CN113067615B (zh) 一种近场阵列波束控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination