用于產(chǎn)生聲場(chǎng)的方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】用于產(chǎn)生聲場(chǎng)的方法和設(shè)備
[0001]發(fā)明背景
[0002]已知在一定的應(yīng)用范圍中(包括觸覺反饋)使用連續(xù)分布的聲能，所述聲能在本文中將稱作“聲場(chǎng)”。
[0003]已知通過在聲場(chǎng)可以存在于其內(nèi)的空間中界定一個(gè)或多個(gè)控制點(diǎn)來控制聲場(chǎng)。每一控制點(diǎn)被分配等于所述控制點(diǎn)處的聲場(chǎng)的所需振幅的振幅值。隨后控制換能器以在控制點(diǎn)中的每一個(gè)處產(chǎn)生展現(xiàn)出所需振幅的聲場(chǎng)。
[0004]然而，當(dāng)使用極多個(gè)控制點(diǎn)時(shí)，用于使用控制點(diǎn)產(chǎn)生聲場(chǎng)的已知系統(tǒng)受到限制。
[0005]概述
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種使用具有已知相對(duì)位置和定向的換能器的陣列產(chǎn)生聲場(chǎng)的方法，所述方法包括:
[0007]-界定各自具有相對(duì)于換能器的所述陣列的已知空間關(guān)系的多個(gè)控制點(diǎn)；
[0008]-將振幅分配到每一控制點(diǎn)；
[0009]-計(jì)算包括元素的矩陣，對(duì)于所述控制點(diǎn)中的每一個(gè)，所述元素表示在所述控制點(diǎn)處產(chǎn)生具有所述分配振幅和特定相位的模型化聲場(chǎng)對(duì)其它控制點(diǎn)處的所述模型化聲場(chǎng)的相應(yīng)振幅和相位的影響；
[0010]-確定所述矩陣的特征向量，每一特征向量表示所述控制點(diǎn)處的所述模型化聲場(chǎng)的相位和相對(duì)振幅的集合；
[0011]-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(gè)或多個(gè)輸出各自具有初始振幅和相位的聲波，使得所述控制點(diǎn)處的所得聲場(chǎng)的所述相位和振幅對(duì)應(yīng)于選定集合的所述相位和相對(duì)振幅。
[0012]因此，本發(fā)明的第一方面包括對(duì)可被求解來尋找控制點(diǎn)處的有效相位的特征問題進(jìn)行公式化。發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的實(shí)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(diǎn)求解時(shí)間更快且更加可預(yù)測(cè)，繼而意指可支持更高數(shù)量的控制點(diǎn)且可以實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)更新。更快且更可預(yù)測(cè)的求解時(shí)間還意指與已知方向相比可控制更大體積的聲場(chǎng)。
[0013]控制點(diǎn)是特定位置處的標(biāo)記。相鄰控制點(diǎn)之間的距離應(yīng)足以使得聲場(chǎng)的聲波能夠從控制點(diǎn)之一相移以匹配下一個(gè)控制點(diǎn)。在一些實(shí)施方案中，間距可以等于聲場(chǎng)的聲波的波長(zhǎng)。
[0014]在本發(fā)明的實(shí)施方案中，換能器陣列包括任何適當(dāng)配置中的一個(gè)或多個(gè)換能器；例如，平行布置的一個(gè)或多個(gè)二維陣列。
[0015]控制點(diǎn)處具有所分配振幅和特定相位的模型化聲場(chǎng)可以被模型化為由控制點(diǎn)正下方的虛擬換能器產(chǎn)生。在一些實(shí)施方案中，虛擬換能器可以在真實(shí)換能器陣列的平面中。然而，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將明白，聲場(chǎng)可以被模型化為由其它布置的虛擬換能器產(chǎn)生，即，可以被定位在控制點(diǎn)正下方或與可以具有不同于控制點(diǎn)的空間關(guān)系的一個(gè)或多個(gè)虛擬換能器可以用于產(chǎn)生模型化聲場(chǎng)。虛擬換能器的使用使得能夠預(yù)計(jì)算查找表。優(yōu)選地，虛擬換能器匹配換能器陣列中的換能器。
[0016]所述方法可以包括計(jì)算矩陣的特征值的步驟。特征值表示縮放因子，相對(duì)于彼此，其中的一些將相對(duì)較高且其中的一些將相對(duì)較低。所述方法可以包括選擇具有相對(duì)較高的對(duì)應(yīng)特征值的相位和相對(duì)振幅的集合作為選定集合。優(yōu)選地，所述方法可以包括選擇具有最高的對(duì)應(yīng)特征值的相位和相對(duì)振幅的集合作為選定集合。
[0017]特征值界定當(dāng)對(duì)應(yīng)的特征向量在被矩陣變換時(shí)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(diǎn)處產(chǎn)生所分配振幅引起的對(duì)每一控制點(diǎn)處的振幅的間接貢獻(xiàn)，控制點(diǎn)處的聲場(chǎng)的相對(duì)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(zhǎng)干預(yù)的相對(duì)振幅和相位的對(duì)應(yīng)集合。在考慮到矩陣的所有特征值的相對(duì)值的情況下選擇具有相對(duì)較高的對(duì)應(yīng)特征值的相對(duì)振幅和相位的集合因此具有優(yōu)于選擇相對(duì)較低特征值的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠涫沟糜蓳Q能器輸出功率的使用更加有效。
[0018]所述方法可以包括使用查找函數(shù)計(jì)算在控制點(diǎn)之一處產(chǎn)生所分配振幅對(duì)其它控制點(diǎn)中的每一個(gè)處的振幅和相位的影響，所述查找函數(shù)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(shù)可以考慮振幅和相位變動(dòng)的兩個(gè)來源中的一個(gè)或兩個(gè)。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(fā)生相位變化。
[0019]如果使用這種查找函數(shù)，那么針對(duì)特定換能器陣列只需要計(jì)算一次聲波的相位由于衰減和傳播引起的空間變動(dòng)，這降低了模型化聲場(chǎng)所需的時(shí)間和計(jì)算將產(chǎn)生所得聲場(chǎng)的相位和振幅的換能器的初始振幅和相位所需的時(shí)間。
[0020]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。
[0021]包括正則化步驟的優(yōu)點(diǎn)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(gè)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至IJ (即)80%。
[0022]正則化技術(shù)可以是加權(quán)吉洪諾夫正則化(weighted Tikhonov regularisat1n)。使用加權(quán)吉洪諾夫正則化的優(yōu)點(diǎn)是，其具有容易指定的矩陣擴(kuò)增。
[0023]可以縮放由換能器陣列輸出的功率使得輸出初始振幅中的最高振幅的換能器以實(shí)質(zhì)上全功率操作。以此方式縮放功率輸出具有以下優(yōu)點(diǎn):其造成換能器陣列的功率輸出盡可能高到初始振幅的給定集合，并同時(shí)相對(duì)于彼此維持初始振幅的水平。
[0024]換能器可以是超聲換能器。
[0025]使用超聲換能器在例如其中換能器陣列可以被操作使得用戶感覺到由聲場(chǎng)產(chǎn)生的聲輻射力的觸覺反饋的領(lǐng)域中或制造中(例如，用于烘干生產(chǎn)線上的產(chǎn)品上的膠水)產(chǎn)生優(yōu)點(diǎn)。
[0026]可以介于OHz與載頻的一半之間的頻率調(diào)制聲波；在一些實(shí)施方案中，載頻是40kHzο在一些實(shí)施方案中，可以介于0.1Hz到500Hz之間且在一些情況中介于200Hz與300Hz的頻率調(diào)制聲波。
[0027]以介于0.1Hz與500Hz之間的頻率調(diào)制聲波產(chǎn)生增加用于觸覺反饋應(yīng)用的方法的適用性的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠つw中的觸覺接收器在這些頻率下對(duì)皮膚變形的變化最敏感。
[0028]可以選擇控制點(diǎn)的位置以界定占據(jù)聲場(chǎng)中的體積的虛擬三維形狀的部分。例如，控制點(diǎn)可以位于所述形狀的邊沿上或與所述形狀的邊沿相鄰或在所述形狀的體積內(nèi)?？刂泣c(diǎn)可以界定所述形狀的全部，或更優(yōu)選地所述形狀的部分。例如，控制點(diǎn)可以界定由用戶感覺的作為觸覺反饋系統(tǒng)的部分的形狀，在觸覺反饋系統(tǒng)中，只有與用戶交互的形狀的部分可能需要被界定，或所述形狀可以是具有關(guān)注點(diǎn)的產(chǎn)品的形狀，聲輻射力可以集中在所述關(guān)注點(diǎn)上用于制造應(yīng)用(例如烘干膠水)。
[0029]控制點(diǎn)可以被分為所述聲場(chǎng)在其處具有相對(duì)較高振幅的第一組控制點(diǎn)和所述聲場(chǎng)在其處相對(duì)于所述第一組控制點(diǎn)處的所述聲場(chǎng)的所述振幅具有相對(duì)較低振幅的第二組控制點(diǎn)。虛擬形狀的邊沿可以由第一組控制點(diǎn)界定。第二組中的控制點(diǎn)可以與第一組控制點(diǎn)相鄰，使得在虛擬形狀的邊沿處產(chǎn)生聲場(chǎng)的振幅中的梯度。在一些實(shí)施方案中，第一組控制點(diǎn)可以與來自第二組的相鄰控制點(diǎn)分開聲場(chǎng)的聲波的波長(zhǎng)的至少一半。
[0030]提供聲場(chǎng)在其處具有相對(duì)較高振幅的一組控制點(diǎn)和聲場(chǎng)在其處具有相對(duì)較低振幅的一組控制點(diǎn)以在虛擬形狀的邊沿處提供聲場(chǎng)的振幅中的梯度提供了觸覺反饋應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠洚a(chǎn)生聲場(chǎng)的振幅中的更加可檢測(cè)的差，從而使虛擬形狀的邊沿呈現(xiàn)為可容易被用戶檢測(cè)。此外，在觸覺反饋的情況中，相對(duì)較低振幅控制點(diǎn)可保證不與所述形狀接觸的用戶的手的部分不能感覺到包圍所述形狀的剩余超聲。在缺少低振幅控制點(diǎn)的情況下，所述點(diǎn)處的超聲不受控制且因此可以存在手可感覺到的一定相長(zhǎng)區(qū)域。
[0031 ] 控制點(diǎn)中的至少一些可以被定位在其中物體與虛擬形狀交叉的點(diǎn)處?？刂泣c(diǎn)中的至少一些可以被定位在交叉點(diǎn)附近。
[0032]將控制點(diǎn)定位在其中例如用戶的手的物體與虛擬形狀交叉的點(diǎn)的區(qū)域中提供了以下優(yōu)點(diǎn):只需要控制與物體交叉的虛擬形狀上的點(diǎn)處的聲場(chǎng)，這使得能夠在所述控制點(diǎn)處產(chǎn)生較高振幅?？梢杂晌矬w跟蹤器以實(shí)時(shí)方式監(jiān)測(cè)其中物體與虛擬形狀交叉的點(diǎn)，且控制點(diǎn)可以響應(yīng)于物體位置而被定位在聲場(chǎng)中的不同點(diǎn)處。
[0033]在一些實(shí)施方案中，低振幅控制點(diǎn)可以由高振幅控制點(diǎn)支持以界定可保存低振幅控制點(diǎn)處的物體的容器。
[0034]控制點(diǎn)的數(shù)量可以至少為10且優(yōu)選地至少為50?？刂泣c(diǎn)的數(shù)量的上限可以由線性代數(shù)算法可處理多大的矩陣來控制。
[0035]較高數(shù)量的控制點(diǎn)使得所產(chǎn)生的聲場(chǎng)能夠具有可控制其處的振幅的更多點(diǎn)。此特征使得例如能夠界定較大或更復(fù)雜的3維或2維虛擬形狀，或當(dāng)只界定虛擬形狀的部分時(shí)，更多細(xì)節(jié)可以被表示在形狀的所述部分上。
[0036]所述方法可以包括一種用于產(chǎn)生觸覺反饋的方法、一種用于小物體的懸浮的方法、一種制造方法或一種用于非相消測(cè)試的方法。
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