[發明專利]用于產生聲場的方法和設備

有效

• 申請號: 201480025616.2
• 申請日: 2014-04-29
• 公開（公告）號: CN105210390B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 托馬斯·安德魯·卡特;本杰明·約翰·奧利弗·朗;斯里拉姆·薩布拉馬尼安
• 申請（專利權）人: 超級觸覺有限公司
• 主分類號: H04S7/00
• 分類號: H04S7/00
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司11332
• 代理人: 楊生平,鐘錦舜

發明背景

已知在一定的應用范圍中(包括觸覺反饋)使用連續分布的聲能，所述聲能在本文中將稱作“聲場”。

已知通過在聲場可以存在于其內的空間中界定一個或多個控制點來控制聲場。每一控制點被分配等于所述控制點處的聲場的所需振幅的振幅值。隨后控制換能器以在控制點中的每一個處產生展現出所需振幅的聲場。

然而，當使用極多個控制點時，用于使用控制點產生聲場的已知系統受到限制。

概述

根據本發明的第一方面，提供了一種使用具有已知相對位置和定向的換能器的陣列產生聲場的方法，所述方法包括：

-界定各自具有相對于換能器的所述陣列的已知空間關系的多個控制點；

-將振幅分配到每一控制點；

-計算包括元素的矩陣，對于所述控制點中的每一個，所述元素表示在所述控制點處產生具有所述分配振幅和特定相位的模型化聲場對其它控制點處的所述模型化聲場的相應振幅和相位的影響；

-確定所述矩陣的特征向量，每一特征向量表示所述控制點處的所述模型化聲場的相位和相對振幅的集合；

-選擇所述集合之一且操作所述換能器陣列以使所述換能器中的一個或多個輸出各自具有初始振幅和相位的聲波，使得所述控制點處的所得聲場的所述相位和振幅對應于選定集合的所述相位和相對振幅。

因此，本發明的第一方面包括對可被求解來尋找控制點處的有效相位的特征問題進行公式化。發明者已發現，本發明的實施方案中的特征問題的使用與已知方法相比可以造成控制點求解時間更快且更加可預測，繼而意指可支持更高數量的控制點且可以實現控制點的實時更新。更快且更可預測的求解時間還意指與已知方向相比可控制更大體積的聲場。

控制點是特定位置處的標記。相鄰控制點之間的距離應足以使得聲場的聲波能夠從控制點之一相移以匹配下一個控制點。在一些實施方案中，間距可以等于聲場的聲波的波長。

在本發明的實施方案中，換能器陣列包括任何適當配置中的一個或多個換能器；例如，平行布置的一個或多個二維陣列。

控制點處具有所分配振幅和特定相位的模型化聲場可以被模型化為由控制點正下方的虛擬換能器產生。在一些實施方案中，虛擬換能器可以在真實換能器陣列的平面中。然而，所屬領域技術人員將明白，聲場可以被模型化為由其它布置的虛擬換能器產生，即，可以被定位在控制點正下方或與可以具有不同于控制點的空間關系的一個或多個虛擬換能器可以用于產生模型化聲場。虛擬換能器的使用使得能夠預計算查找表。優選地，虛擬換能器匹配換能器陣列中的換能器。

所述方法可以包括計算矩陣的特征值的步驟。特征值表示縮放因子，相對于彼此，其中的一些將相對較高且其中的一些將相對較低。所述方法可以包括選擇具有相對較高的對應特征值的相位和相對振幅的集合作為選定集合。優選地，所述方法可以包括選擇具有最高的對應特征值的相位和相對振幅的集合作為選定集合。

特征值界定當對應的特征向量在被矩陣變換時所述特征向量如何縮放。即，特征值表示一旦考慮通過在其它控制點處產生所分配振幅引起的對每一控制點處的振幅的間接貢獻，控制點處的聲場的相對振幅將放大的程度。因此，尋找大的特征值指示利用大量相長干預的相對振幅和相位的對應集合。在考慮到矩陣的所有特征值的相對值的情況下選擇具有相對較高的對應特征值的相對振幅和相位的集合因此具有優于選擇相對較低特征值的優點，因為其使得由換能器輸出功率的使用更加有效。

所述方法可以包括使用查找函數計算在控制點之一處產生所分配振幅對其它控制點中的每一個處的振幅和相位的影響，所述查找函數界定聲波的振幅和相位如何在空間上由于衰減和傳播而改變。查找函數可以考慮振幅和相位變動的兩個來源中的一個或兩個。首先，由換能器輸出的聲波的振幅的衰減隨著相距換能器的距離的增加而增加，且其次，隨著聲波傳播通過空間發生相位變化。

如果使用這種查找函數，那么針對特定換能器陣列只需要計算一次聲波的相位由于衰減和傳播引起的空間變動，這降低了模型化聲場所需的時間和計算將產生所得聲場的相位和振幅的換能器的初始振幅和相位所需的時間。

所述方法可以包括正則化步驟，其中誤差被引入到由換能器輸出的初始振幅和相位中。

包括正則化步驟的優點是，此可通過增加換能器的平均振幅改善陣列的功率輸出效率使得更多換能器是在較高振幅上。例如，為了避免其中一個換能器在100％振幅上且所有其它換能器在0.1％振幅上的情形，正則化步驟引入一些誤差來換取換能器的平均振幅上升到(即)80％。