多功能相控超声波阵列设计

柯永斌 尤青

摘  要：现代相控超声波阵列控制器是一种能够使用多个换能器或传感器发送或接收信号的电子系统，可以在几乎实时的情况下对发射的波束进行偏转和塑形，在商业上具有广泛用途。本文拟设计一种新型的相控超声波阵列及其控制器，这是一个模块化、低成本、多用途的相控超声平台，由桌面端软件、下位机软件、控制器、驱动器和超声阵列等部分组成。桌面端软件可以用来定义超声阵列的几何形状，实时模拟声场，能够计算出每个超声换能器单元的相位和振幅数据并发送给所连接的控制器，控制器根据这些数据生成相应的脉冲信号，经由驱动电路进行功率放大后推动超声换能器产生特定相位和振幅的超声波。控制器基于高性能单片机设计，多个超声阵列可以级联使用，扩展阵列规模。

关键词：声学悬浮;参量扬声器;相控阵;虚拟触觉;超声波

中图分类号：TB559      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）19-41-04

Abstract：Modern phased ultrasonic array controller is an electronic system that can transmit or receive signals using multiple transducers or sensors. It can deflect and shape the transmitted beams in almost real-time. It is widely used in commerce. In this paper，a new type of phased ultrasonic array and its controller are designed. This is a modular，low-cost and multi-purpose phased ultrasonic platform，which consists of desktop software，lower computer software，controller，driver and ultrasonic array. Desktop software can be used to define the geometry of the ultrasonic array and simulate the sound field in real time. It can calculate the phase and amplitude data of each ultrasonic transducer unit and send them to the connected controller. According to these data，the controller generates the corresponding pulse signal，and then drives the ultrasonic transducer to generate the specific phase and amplitude of the ultrasound after power amplification through the driving circuit. The controller is designed on the basis of high performance single chip computer，and multiple ultrasonic arrays can be cascaded to expand the size of the array.

Keywords：acoustic levitation;parametric audio;phased arrays;haptics;ultrasonics

0  引  言

超声波是一种频率高于20000Hz的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。

近年来超声波系统的应用前景更为广阔，一些新兴的应用，如：超声触觉反馈、参量扬声器、超声悬浮等。参量扬声器是在空气中再现声音的革命性方法，它使用超声波来产生在空气中可被听见的声束，当这些调制以人耳可听频率的超声波在空气中传播时，将会发生一种非线性作用，这种非线性作用产生了原先超声频率的和频率及差频率，和频率位于人类可听见的频率范围之外，而差频率则落在人类可听见的频率范围之内，这些可听见的差频率是在空气中自发产生的，同时继承了超声波的高指向性。比如在公共场所，为了将语音播报信息传达给特定人群，而避免对无关人员产生干扰，可以将波束指向特定方向，使得只有特定人群才能聽见这些信息。

目前超声波阵列研究的主战场仍是美国、日本、德国、英国等工业基础雄厚的国家，在相控阵超声探伤仪方面具有代表性的有日本的奥林巴斯、英国SONATEST等公司。在二维超声阵列的研究方面，这些国家也走在世界前列，如英国的Ultrahaptics致力于相控超声阵列在虚拟现实中的应用，开发一种声波触感技术，能够让用户在不接触屏幕的情况下在半空中获得触觉反馈。

本文设计和制作一款低成本、高稳定性，可以实现声学悬浮、参量扬声器等应用的相控超声阵列，为增强本设计的灵活性和可扩展性，该超声阵列拟采用模块化设计，每个模块包含8*8规模的超声波换能器阵列，且每个模块拥有自己独立的处理器和驱动电路，各个模块间可以容易地进行级联扩展，用以实现更大规模的相控阵列和更复杂的功能。

1  系统总体结构

系统总体框架设计如图1、2所示，系统由上位机软件和多个软硬件相同的相控阵子模块级联而成，这样可以缩小单个模块的规模，尽可能减少系统的制造成本，同时可以根据实际需要自由组合阵列的规模和形状，提高系统的灵活性。上位机软件用于运行需要较高运算量的相控阵和3D图形算法，并且提供直观的人机交互界面，这将为声学悬浮和超声触觉反馈的应用带来很多方便。上位机通过串口将计算得到的各换能器单元相位数据发送到与之相连的第一个相控阵模块，第一个模块将属于自身的数据信息暂存并将其余数据转发到下一个单元，同时向下一个单元提供同步信号，待所有模块完成数据接收之后，在同步信号的触发下所有模块同时驱动各自的超声换能器产生特定相位的超声脉冲串，相控超声阵列完成一次刷新工作。

2  硬件设计

2.1  超声驱动设计

为了降低驱动电路的复杂度和焊接工作量，本文采用成熟的驱动器设计方案，但超声换能器需要提供高达20Vpp的激励电压，市面上很难找到一款满足要求且低成本的超声波专用驱动器芯片。TCT40-16T型超声发射头内部采用压电陶瓷片结构，当在它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会产生共振，并带动共振板振动，产生超声波。本文采用International Rectifier公司的MOS专用驱动器芯片IR4427，其可以提供高达1.5A的驱动电流，具有非常广的工作电压范围，最高可达25V。另一方面每一片IR4427芯片都拥有两路完全一样的输出通道，可以同时驱动两个超声换能器单元，减少驱动器芯片的用量。

2.2  音頻调制电路设计

在信号调制类型方面，为最大限度减小音频失真，通常在参量扬声器中使用幅度调制方式，多为单边带调制，因为常规AM调制方式功率利用率较低，传输的音频功率不超过超声总辐射功率的三分之一，而单边带调制功率利用率接近百分之百，此外由于本文中超声换能器的激励信号为单极性脉冲信号，AM调制使用单极性调制，调制电路原理图如图3所示。

当3.5mm音频插头插入音频插座J2或J7之前，555多谐振荡器产生的200Hz脉冲通过插座内部弹簧片接入到两路音频调制电路的输入端。当音频插头插入后，弹簧片将断开与200Hz信号源的连接，转而连接到音频信号作为调制电路信号输入。可使用跳线帽短接J5的不同侧引脚来选择下侧调制电路的信号源，可选择J2的右声道，或者为J7输入的独立音频信号，这样可以使用同一相控阵列产生方向不同的两个波束，并分别调制不同的音频信号。

2.3  相控超声阵列设计

相控超声波阵列根据需要可以设计成多种不同的形式，但本文需要兼顾阵列的模块化设计，为了能够更方便地对阵列进行扩展，采用平面型阵列，通过对声场的模拟，平面型相控超声阵列可以同时实现超声悬浮、触觉反馈、参量扬声器等应用需求。

本文中采用8*8平面超声阵列，超声发射头为TCT40-16T型，所有发射头的两个引脚均通过FX8-80板对板连接器引出，用于连接超声驱动板。

3  软件设计流程

当相控超声阵列连续工作时，主控板需要不间断地产生40kHz脉冲信号，但与此同时主控还需要通过串口不间断地从上位机或前一模块接收最新数据信息，即主控的CPU既需要从缓存读取数据来驱动超声阵列，又需要将最近接收到的数据存入缓存，一方面二者同时进行时难免会产生严重冲突，另一方面若二者交替进行又无法保证阵列和串口通信的连续进行。为了解决这个问题，本文选择使用乒乓操作机制。

如图4所示，在主控内部定义两个结构一致的缓存区，当主控使用缓存A为超声阵列生成驱动波形时，通过串口接收到的数据全部放入缓存B中，当判断到来自上位机的一帧数据接收完毕时，交换缓存角色，使用缓存B为超声阵列生成驱动波形，同时通过串口接收到的数据全部放入缓存A中，依次交替。

子模块整体程序流程如图5所示。初始化主要包括初始化IO口、串口、定时器等基本外设以及分配两个缓存空间，对缓存置初值是为了当波形生成程序开始工作时，从缓存中读到的数据处在有效数据范围之内，以免数据溢出造成异常。之后程序进入乒乓操作的死循环中，交替选择缓存A和B作为数据接收缓存和波形发生缓存，同步信号用于确保级联的各个模块控制器同时响应，其所控制的超声波换能器同步产生40kHz超声脉冲。

4  实验

声学悬浮主要是通过相控阵在微粒悬浮位置两侧创建两个压力相同、相位互补的高压场，对处在相位切变处的微粒施加向上的作用力以抵消微粒受到的重力，同时在水平方向上将微粒束缚在当前位置。声学悬浮应用需要在PC端软件的相控阵模型中创建所需的高压势场并使其满足以上所述的相位关系。创建完成的仿真图像如图6所示。图6（a）中垂直面阵中心点和图6（b）中水平中心点即为微粒悬浮位置。

通过仿真可以粗略计算出声场对微粒水平和垂直方向上产生的压力，将各点数据汇总到Excel并绘制出压力变化曲线，如图7所示。

计算中需要设定一些常量，选取空气中声速为340m/s，空气密度1.2kg/m3，微粒材料为泡沫塑料，密度为30kg/m3，微粒中声速为900m/s。由图7（a）可见当微粒从零点偏向左侧时，将受到正向的力而向右移动，偏向右侧时，将受到负向的力而向左移动;由图7（b）可见当微粒偏向下方时（小于0），将受到正向的力而向上移动，偏向上方时（大于0），将受到负向的力而向下移动。待声场图形创建完成后，可通过串口将各换能器单元相位信息发送到相控阵列，实现现实中微粒的悬浮，如图8所示。

5  结  论

本文主要根据窄带面阵相控超声波阵列的发展背景和未来可能的应用场景，介绍了相控超声阵列的研究意义和实现原理，并且详细叙述了一款多功能面阵相控超声阵列的设计思路和实现方法，主要包括系统硬件和软件设计，以及模块化设计所必须遵循的设计原则。经过不懈的努力，本文基本实现了预期功能。

参考文献：

[1] OCHIAI Y，HOSHI T，SUZUKI I. Holographic Whisper：Rendering Audible Sound Spots in Three-dimensional Space by Focusing Ultrasonic Waves [C]//Chi Conference on Human Factors in Computing Systems. ACM，2017：4314-4325.

[2] BONI E，BASSI L，DALLAI A，et al. A reconfigurable and programmable FPGA-based system for nonstandard ultrasound methods [J].IEEE transactions on ultrasonics，ferroelectrics，and frequency control，2012，59（7）：1378-1385.

[3] OCHIAI Y，HOSHI T，REKIMOTO J. Three-dimensional mid-air acoustic manipulation by ultrasonic phased arrays [J].PloS one，2014，9（5）：97590.

[4] OMIROU T，PEREZ A M，SUBRAMANIAN S，et al. Floating charts：Data plotting using free-floating acoustically levitated representations [C]//2016 IEEE Symposium on 3D User Interfaces （3DUI）. IEEE，2016：187-190.

[5] MARZO A. GauntLev：A Wearable to Manipulate Free-floating Objects [C]//Chi Conference on Human Factors in Computing Systems. ACM，2016：3277-3281.

[6] 彭虎.超声成像算法导论 [M].中国科学技术大学出版社，2008.

[7] 杨益，温周斌，冯海泓，等.超指向性扬声器的系统设计与测试 [J].声学技术，2008（1）：66-70.

[8] LIGHTHILL M. On sound generated aerodynamically：I. General theory [J].Proceedings of the Royal Society of London，1954，222（1148）：1-32.

[9] 钱祖文.非线性声学 [M].科学出版社，2009.

[10] 潘建龙，张逸，刘航，等.基于超声波的可定向传播音响系统 [J].科技致富向导，2014（20）：258+263.

作者简介：柯永斌（1984.07-），男，汉族，福建建瓯人，实验师，硕士，研究方向：控制工程、电子学;尤青（1996.04-），男，汉族，江苏淮安人，本科，研究方向：电子信息工程、电子学。