CN116078648B - 一种超声波阵列板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超声波阵列板，包括超声波换能器、驱动升压板以及超材料声透镜；所述超声波换能器板包括超声波换能器以及第一简易牛角；所述驱动升压板包括驱动芯片以及第二简易牛角；还包括驱动板电源以及超声波生成模块；应用本技术方案可实现聚焦的双点能够符合人手自然放置时所具有的弧度，完成更加逼真的触觉反馈；该换能器在传统的普通超声相控阵换能器基础上进行改良，将超材料声透镜附加在相控阵换能器上从而提高声焦点声压，同时由于该超材料声透镜是可控制的，因此在超声相控阵换能器焦点偏转时，可以通过改变超材料声透镜的内部结构实现焦点位置跟随相控阵换能器焦点位置改变，从而在不增加旁瓣声压的情况下实现焦点声压的提升。
Description
技术领域
本发明涉及超声波聚焦技术领域，特别是一种超声波阵列板。
背景技术
在超声的一些应用技术中，为了实现非接触触觉反馈，必须利用超声波聚焦。目前主要采用的超声聚焦方式有声透镜聚焦、自聚焦、相控阵聚焦，其存在的问题和缺陷主要有：多个聚焦点的声能量不足；聚焦需要依靠不同频率实现多个聚焦点；聚焦主瓣周围会出现声压较大的旁瓣。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超声波阵列板，通过改变超材料声透镜的内部结构实现焦点位置跟随相控阵换能器焦点位置改变，从而在不增加旁瓣声压的情况下实现焦点声压的提升。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超声波阵列板，包括超声波换能器、驱动升压板以及超材料声透镜；所述超声波换能器板包括超声波换能器以及第一简易牛角；所述驱动升压板包括驱动芯片以及第二简易牛角；还包括驱动板电源以及超声波生成模块；
所述第二简易牛角分为第一部分和第二部分，第一部分形成输入信号端，第二部分形成输出信号端；所述驱动板电源连接驱动升压板，所述驱动板电源降压供给驱动芯片使用；超声波生成模块连接驱动升压板的输入信号端，输入信号端连接驱动芯片，驱动芯片连接输出信号端，输出信号端连接超声波换能器板的超声波换能器；
超声波生成模块生成不同延时的3.3v信号，经过驱动升压板升高至24v信号，传输至超声波换能器板的超声波换能器。
在一较佳的实施例中，所述超材料声透镜具体由聚乳酸PLA材料制成。
在一较佳的实施例中，所述超材料声透镜均匀设置有多个镂空部，该镂空部呈正方体状。
在一较佳的实施例中，该镂空部填充有环氧树脂和花生油混合物。
在一较佳的实施例中，每个镂空部设置有一通孔。
本发明还提供了一种超声波阵列板，引用了上述的一种超声波阵列板，所述超声波换能器之间间距为L，高度为h，以最中心换能器U(6,6)的底部圆心为坐标原点建立的坐标轴；超声波换能器排布方式为：从左下角开始为U(1,1)，取i从x轴正方向依次递增，j以y轴负方向依次递增，用U(i,j)表示空间中任意超声波换能器；空间中存在任意两点P1P2，L1(i,j)表示任意第(i,j)个超声波换能器到达点P1的距离，L2(i,j)表示任意第(i,j)个超声波换能器到达点P2的距离，取声速为C，取U(6,6)为参考超声波换能器；
求得第一个聚焦点P1的各个超声波换能器的相较于参考超声波换能器相对时间延时：
其中
并且x1(i,j)＝(i-6)L，y1(i,j)＝(6-j)L，同理求得第二个聚焦点P2的各个换能器的相对时间延时：
其中
并且x2(i,j)＝(i-6)L，y2(i,j)＝(6-j)L，得出任意超声波换能器发出超声波汇聚于点P1和点P2的最佳相对时间延时。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：实现在两个焦点的位置聚焦有较大的声能量，控制输入时的两个焦点的位置得以实现契合人手自然下放时的弧度；超材料声透镜以聚乳酸(PLA)基体为主体，由多个封闭带开孔空心正方体组成整体，使用时不同圈的凹槽内填充高度比例不同的环氧树脂和花生油，环氧树脂为半固态物体，花生油为液体，两者互不相容此时的聚乳酸(PLA)厚度很薄可以忽略其影响，由于环氧树脂和花生油声速不同，因此同相位入射不同圈层凹槽的声波出射时产生相位差；该相位差可消除一部分声波因到焦点声程不同而导致的相位差的影响，从而利用声波的干涉效应实现焦点声压的提升。有效提升声焦点的主瓣声压；在空间中改变声焦点的位置无需借助复杂的机械结构；有效在同一频率相控阵实现带有弧度的双点聚焦。该超声波阵列板及控制系统可用于VR触觉反馈，超声操控。
附图说明
图1为本发明优选实施例的驱动板电源与信号输入端及信号输出端的电路原理示意图；
图2为本发明优选实施例的驱动芯片电路原理示意图；
图3为本发明优选实施例的超声波换能器板的电路原理示意图；
图4为本发明优选实施例的算法整合示意图(一)；
图5为本发明优选实施例的算法整合示意图(二)；
图6为本发明优选实施例的超材料声透镜结构示意图；
图7为本发明优选实施例的超材料声透镜结构各方位展示图；
图8为本发明优选实施例的超材料声透镜俯视图；
图9为本发明优选实施例的超材料声透镜视角A-A剖面图；
图10为本发明优选实施例的超声波换能器排列示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种超声波阵列板，包括超声波换能器、驱动升压板以及超材料声透镜；所述超声波换能器板包括121个超声波换能器以及第一简易牛角，第一简易牛角包括4个pin简易牛角；所述驱动升压板包括25个驱动芯片以及第二简易牛角；还包括驱动板电源以及超声波生成模块；
所述第二简易牛角分为第一部分和第二部分，3个40pin简易牛角组成的第一部分形成输入信号端，3个40pin简易牛角组成的第二部分形成输出信号端；所述驱动板电源连接驱动升压板，所述驱动板电源降压供给驱动芯片使用；超声波生成模块连接驱动升压板的输入信号端，输入信号端连接驱动芯片，驱动芯片连接输出信号端，输出信号端连接超声波换能器板的超声波换能器；
超声波生成模块生成不同延时的3.3v信号，经过驱动升压板升高至24v信号，传输至超声波换能器板的超声波换能器。
驱动板电源供给为外接24V直流稳压电源，超声莫生成模块的超声波信号生成和输入采用FPGA开发板ALINXAltera Cyclone IV EP4 CE10。采用算法计算不同超声波换能器到达所预定的两个聚焦点位置时所需的不同时间，计算对应两个时间的时间差，可算出当近的点达到相位峰峰值时远的点的相位，将两个相位进行补偿整合得到确定的相位输入换能器中，可实现在两个焦点的位置聚焦有较大的声能量，控制输入时的两个焦点的位置得以实现契合人手自然下放时的弧度。
图1至3中，24V->10V->5V为驱动板电源，起到供给信号升压及保护作用，降压供给驱动芯片使用，信号输入端与信号输出端为40pin简牛，与2图PIN和PIN+一致，驱动芯片即升压主要芯片是L293DNE，剩下为超声波换能器。由FPGA开发板生成不同延时的40kHz的3.3V信号，经过升压板升高至40kHz的24V信号输出至换能器板驱动换能器，产生超声从而实现聚焦效果。接法从FPGA开发板接入，经过驱动升压板的信号输入端，由驱动升压板的信号输出端接出连接至超声波换能器板，连接均由40pin排线完成，其中超声波驱动升压板需要外接24V直流稳压电源。
第一个焦点波形以及第二个焦点波形见图4，设某一换能器到达第一处焦点是最大波形的初相位0，设该换能器达到第二个焦点是最大波形的初相位为将两个焦点达到最大波形时的初相位进行整合，进而得到整合波形的初相位为/>当两个波形的初相位差大于π小于/>时，需考虑最低值，若整合出的正波形均能在保持较大的幅值，则采用，若整个出为一个正波形具有较高幅值，另一个负波形具有较搞高幅值，亦可采用，如图5所示，因此需要综合考虑各种情况整合出最优解并需要保证所有换能器状态一致。通过不断计算整合出最优结果，最终实现带有一定弧度双点聚焦效果。
如图6-7所示，所述超材料声透镜具体由聚乳酸PLA进行3D打印材料制成。所述超材料声透镜均匀设置有多个镂空部，该镂空部呈正方体状。该镂空部填充有环氧树脂和花生油混合物，根据填充的不同比例制造声程差，使主瓣声压进一步提高。每个镂空部设置有一通孔。具体来说，超材料声透镜以聚乳酸PLA基体为主体，由多个封闭带开孔空心正方体组成整体，使用时不同圈的凹槽内填充高度比例不同的环氧树脂和花生油，环氧树脂为半固态物体，花生油为液体，两者互不相容此时的聚乳酸PLA厚度很薄可以忽略其影响，由于环氧树脂和花生油声速不同，因此同相位入射不同圈层凹槽的声波出射时产生相位差；该相位差可消除一部分声波因到焦点声程不同而导致的相位差的影响，从而利用声波的干涉效应实现焦点声压的提升。
如图8-9所示，图中所示是超材料声透镜相控阵在工作状态下的剖视图，其中1为中心聚焦的工作状态，2为带有一定偏转聚焦点的工作状态，3为环氧树脂材料，4为花生油材料。当聚焦中心焦点时，中间的花生油占比例大，环氧树脂占比例小，声速降低较少；两边花生油占比例小，环氧树脂占比例大，声速降低较大，因此可实现不同地方的换能器发出的超声到达中心焦点出的波形是一致的。当焦点偏移时，偏左边的位置声速降低较小，偏右边的位置声速降低较大，更好的实现左侧焦点聚焦。
如图10所示,超声波换能器之间间距为L，高度为h，以最中心超声波换能器U(6,6)的底部圆心为坐标原点建立如图所示的坐标轴，超声波换能器排布方式从图中左下角开始为U(1,1)，取i从x轴正方向依次递增，j以y轴负方向依次递增，于是可用U(i,j)表示空间中任意超声波换能器。空间中存在任意两点P1P2，L1(i,j)表示任意第(i,j)个超声波换能器到达点P1的距离，L2(i,j)表示任意第(i,j)个超声波换能器到达点P2的距离，取声速为C，取U(6,6)为参考超声波换能器。
于是可求得第一个聚焦点P1的各个超声波换能器的相较于参考超声波换能器相对时间延时：
其中
并且x1(i,j)＝(i-6)L，y1(i,j)＝(6-j)L，同理求得第二个聚焦点P2的各个超声波换能器的相对时间延时：
其中
并且x2(i,j)＝(i-6)L，y2(i,j)＝(6-j)L。于是可以得出任意超声波换能器发出超声波汇聚于点P1和点P2的最佳相对时间延时，而这两个延时并不会是相同的，于是将两个延时的去除重复周期绘制于同一张图中，如图4所示，见第二个焦点波形图，为其中某一超声波换能器到达点P1的相对时间延时，其中第一周周期峰峰值可以表示为点P1的位置，见第一个焦点波形图，为同一超声波换能器到达点P2的相对延时，其中第一周周期峰峰值可以表示为点P2的位置。
因为同一个超声波换能器输入的相位只能有一个，于是对波形进行整合，取图4中的扫描波形作为整合波形，将整合波形的相位分为1000份，从左至右令整合波形进行扫描，分别记录每一个相位下的整合波形在点P1和点P2的数值，最终对所有数值的绝对值作比较，并取其中的两数值绝对值和为最大值以及两数值和最大值的情况。
两种情况分别表示为，两数值绝对值和最大值是在两个焦点为一个正的最大相位，一个负的最大相位，如图4所示；两数值和最大值是在两个焦点的位置上都是正的最大相位，如图5所示。从而分别考虑这两种情况下所有超声波换能器的汇聚效果，对比两种情况的双点聚焦声压大小，采用两点声压和为最大的情况，从而实现对双点聚焦相位的整合。
Claims (2)
1.一种超声波阵列板，其特征在于包括超声波换能器板、驱动升压板以及超材料声透镜；超声波换能器板包括超声波换能器以及第一简易牛角；所述驱动升压板包括驱动芯片以及第二简易牛角；还包括驱动板电源以及超声波生成模块；
所述第二简易牛角分为第一部分和第二部分，第一部分形成输入信号端，第二部分形成输出信号端；所述驱动板电源连接驱动升压板，所述驱动板电源降压供给驱动芯片使用；超声波生成模块连接驱动升压板的输入信号端，输入信号端连接驱动芯片，驱动芯片连接输出信号端，输出信号端连接超声波换能器板的超声波换能器；
超声波生成模块生成不同延时的3.3v信号，经过驱动升压板升高至24v信号，传输至超声波换能器板的超声波换能器；
所述超材料声透镜具体由聚乳酸PLA材料制成；
所述超材料声透镜均匀设置有多个镂空部，该镂空部呈正方体状；
该镂空部填充有环氧树脂和花生油混合物；
每个镂空部设置有一通孔。
2.根据权利要求1所述的一种超声波阵列板，其特征在于，所述超声波换能器之间间距为L，高度为h，以最中心换能器U(6,6)的底部圆心为坐标原点建立的坐标轴；超声波换能器排布方式为：从左下角开始为U(1,1)，取i从x轴正方向依次递增，j以y轴负方向依次递增，用U(i,j)表示空间中任意超声波换能器；空间中存在任意两点P1P2，L1(i,j)表示任意第(i,j)个超声波换能器到达点P1的距离，L2(i,j)表示任意第(i,j)个超声波换能器到达点P2的距离，取声速为C，取U(6,6)为参考超声波换能器；
求得第一个聚焦点P1的各个超声波换能器的相较于参考超声波换能器相对时间延时：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |