基于时间反转方法的空间任意点脉冲声聚焦系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于时间反转方法的空间任意点脉冲声聚焦系统，基于系统的方法为：确定待聚焦位置(xk,yk,zk)，在待聚焦位置(xk,yk,zk)放置脉冲信号发射单元Ak(xk,yk,zk)，并通过脉冲信号发射单元Ak(xk,yk,zk)发射脉冲声信号Ak；通过声信号接收阵列R(M,N)采集声信号，并对声信号进行时间反转处理，得到反转信号；通过声信号发射阵列F(M,N)发射反转信号，并将发射的反转信号汇聚于待聚焦位置(xk,yk,zk)，得到时间反转脉冲声聚焦信号。本发明可以通过声发射的方式进行训练，因此在阵列聚焦时，可以方便的利用时间反转原理，在不同的时刻、位置生成声聚焦点，对微小的物体，利用声焦点的悬浮原理，可以通过调节焦点位置控制物体在空中进行各种运动。

说明书

技术领域

本发明属于超声悬浮与触感领域，具体涉及基于时间反转方法的空间任意点脉冲声聚焦系统及方法。

背景技术

超声悬浮技术是指利用高强度超声场中的声辐射压力，使之与悬浮体的重力相平衡，而使物体稳定悬浮在声场中的技术，由于声压力的存在，也可以实现超声触觉反馈。声悬浮现象很早就被发现，但在20世纪70年代以后，声悬浮技术才迅速发展起来。在超声悬浮的研究过程中，最为关键的问题有四点：一是怎样提高声悬浮力；二是如何提高声悬浮的稳定性；三是如何提高超声悬浮的灵活性；四是怎样扩宽其应用领域。迄今为止，国内外对超声悬浮的研究热度不减，目前实现超声悬浮的主要方式有两种，一是利用超声驻波法实现，该超声悬浮技术大大地提高了声悬浮的悬浮力和稳定性，但其主要研究集中在如何提高悬浮物的密度和提高悬浮效率以满足金属工业冶金需求、核工业核聚变需求等领域，而一直对其他领域的拓展关注和研究较少。究其原因是这种单轴式声悬浮方法要求的物体必须在轴上，而且位于超声驻波波节位置；只能在轴上悬浮，导致灵活性比较差，不能够实现大空间任意位置的悬浮。在生物医疗领域应用受到极大地限制。另一种是技术是利用相控阵超声阵列聚焦，现有技术提出了一种基于相控阵超声换能器阵列的声悬浮，这种超声换能器阵列形成的声场不仅可以用来实现物体的悬浮还可以用来实现平移、旋转和操控微粒。国内该方法研究较少，主要是利用相控阵超声阵列聚焦做无损检测。该方法解决了超声驻波法的灵活性问题，更可以广泛应用于生物医疗、无损检测、国防安全等领域，但该方法利用复杂的相控阵理论形成需求的悬浮声场的数学计算难度非常大，编程困难，于是这样的应用难以被推广。在超声触觉领域中，难以迅速在超声阵列中产生实现各种空间触感所需的驱动信号集合。按照最新的研究，产生简单的触感形状就会附带产生其余的多余形状。如果要产生复杂的触感图样则由于无效形貌的大量存在，将导致该技术无法实际应用。以上方法都未能很好地解决超声悬浮的四大问题，因此对于寻找一种能够实现强悬浮力，具有很好的稳定性和灵活性，并能在虚拟现实、生物医疗、国防安全、无损检测等领域有着更为广泛的应用前景的新型悬浮技术是非常必要的。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于时间反转方法的空间任意点脉冲声聚焦系统及方法解决了现有技术中存在的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于时间反转方法的空间任意点脉冲声聚焦系统，包括依次连接的声信号采集模块、时间反转处理模块以及声信号发射模块；

所述声信号采集模块用于发射脉冲声信号以及采集声信号；所述时间反转处理模块用于将声信号进行反转变化，获取反转信号；所述声信号发射模块用于将反转信号发射并汇聚至脉冲声焦点，并得到时间反转脉冲声聚焦信号。

本发明的有益效果为：本发明可以实现声信号的采集，将声信号进行时间反转，并将反转信号进行聚焦，从而实现聚焦位置的物体悬浮和触感。

一种基于时间反转方法的空间任意点脉冲声聚焦方法，包括以下步骤：

S1、确定待聚焦位置(x

S2、通过声信号接收阵列R(M,N)采集声信号，并对声信号进行时间反转处理，得到反转信号；

S3、通过声信号发射阵列F(M,N)发射反转信号，并将发射的反转信号汇聚于待聚焦位置(x

进一步地，所述步骤S2中声信号接收阵列R(M,N)包括M*N个三维声探测器R

进一步地，所述步骤S2包括以下分步骤：

S2.1、通过声信号接收阵列R(M,N)采集声信号A(ω)；

S2.2、根据声信号A(ω)，获取声信号接收阵列R(M,N)中三维声探测器R

S2.3、将三维声探测器R

所述ω表示角频率。

进一步地，所述步骤S2.2中三维声探测器R

S

其中，H

所述时间反转后的频谱响应S'

其中，*表示共轭，r表示待聚焦位置到声信号接收阵列R(M,N)的距离。

进一步地，所述步骤S3中声信号发射阵列F(M,N)包括M*N个矢量声发射单元F

进一步地，所述步骤S3包括以下分步骤：

S3.1、将传感器R

S3.2、将声信号发射阵列F(M,N)中每个矢量声发射单元发射的信号汇聚至待聚焦位置(x

进一步地，所述步骤S3.1中具有时间延迟的声信号A'

所述步骤S3.2中声叠加信号频谱响应A'(ω)为：

本发明的有益效果为：

(1)本发明可以通过声发射的方式进行训练，因此在阵列聚焦时，可以方便的利用时间反转原理，在不同的时刻、位置生成声聚焦点，对微小的物体，利用声焦点的悬浮原理，可以通过调节焦点位置控制物体在空中进行各种运动，比如形成超声焦点管道，输送细胞从一点运动至另外一点，在输运过程中，实现各种其他的处理(成像检测、光处理等)；

(2)本发明可以利用聚焦的方式，在空中形成声焦点面，按照一定的形状生成对应的形状，人用手触碰时，会产生相应的力的梯度，类似感觉摸到东西的样子，因此可以产生触感。

附图说明

图1为本发明提出的基于时间反转方法的空间任意点脉冲声聚焦系统框图。

图2为本发明提出的基于时间反转方法的空间任意点脉冲声聚焦方法流程图。

图3为本发明提出的基于时间反转方法的空间任意点脉冲声聚焦方法示意图。

图4为本发明中声信号接收阵列和声信号接收阵列为线性阵列时，空间任意点脉冲声聚焦方法示意图。

其中：11、脉冲信号发射单元；12、声信号接收阵列；111、脉冲声信号；121、三维声探测器R

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

下面结合附图详细说明本发明的实施例。

实施一

如图1所示，一种基于时间反转方法的空间任意点脉冲声聚焦系统，包括依次连接的声信号采集模块、时间反转处理模块以及声信号发射模块；

所述声信号采集模块用于发射脉冲声信号以及采集声信号；所述时间反转处理模块用于将声信号进行反转变化，获取反转信号；所述声信号发射模块用于将反转信号发射并汇聚至脉冲声焦点，并得到时间反转脉冲声聚焦信号。

本发明的有益效果为：本发明可以实现声信号的采集，将声信号进行时间反转，并将反转信号进行聚焦，从而实现聚焦位置的物体悬浮和触感。

实施二

如图2至图3所示，一种基于时间反转方法的空间任意点脉冲声聚焦方法，包括以下步骤：

S1、确定待聚焦位置(x

S2、通过声信号接收阵列R(M,N)12采集声信号，并对声信号进行时间反转处理，得到反转信号；

S3、通过声信号发射阵列F(M,N)21发射反转信号，并将发射的反转信号汇聚于待聚焦位置(x

所述步骤S2中声信号接收阵列R(M,N)12包括M*N个三维声探测器R

所述步骤S2包括以下分步骤：

S2.1、通过声信号接收阵列R(M,N)12采集声信号A(ω)；

S2.2、根据声信号A(ω)，获取声信号接收阵列R(M,N)12中三维声探测器R

S2.3、将三维声探测器R

所述ω表示角频率。

所述步骤S2.2中三维声探测器R

S

其中，H

所述时间反转后的频谱响应S'

其中，*表示共轭，r表示待聚焦位置到声信号接收阵列R(M,N)12的距离。

所述步骤S3中声信号发射阵列F(M,N)21包括M*N个矢量声发射单元F

所述步骤S3包括以下分步骤：

S3.1、将传感器R

S3.2、将声信号发射阵列F(M,N)21中每个矢量声发射单元发射的信号汇聚至待聚焦位置(x

所述步骤S3.1中具有时间延迟的声信号A'

所述步骤S3.2中声叠加信号频谱响应A'(ω)为：

本发明的有益效果为：

(1)本发明可以通过声发射的方式进行训练，因此在阵列聚焦时，可以方便的利用时间反转原理，在不同的时刻、位置生成声聚焦点，对微小的物体，利用声焦点的悬浮原理，可以通过调节焦点位置控制物体在空中进行各种运动，比如形成超声焦点管道，输送细胞从一点运动至另外一点，在输运过程中，实现各种其他的处理成像检测、光处理等；

(2)本发明可以利用聚焦的方式，在空中形成声焦点面，按照一定的形状生成对应的形状，人用手触碰时，会产生相应的力的梯度，类似感觉摸到东西的样子，因此可以产生触感。

实施例三

在本实施例中，M＝0；

如图4所示，声信号采集模块是通过N(N为自然数且N>2)个相同的三维声探测器组成的线型三维声探测器阵列完成的；任意的一个三维声探测器D