多功能相控超聲波陣列設計

柯永斌 尤青

摘? 要：現代相控超聲波陣列控制器是一種能夠使用多個換能器或傳感器發(fā)送或接收信號的電子系統(tǒng)，可以在幾乎實時的情況下對發(fā)射的波束進行偏轉和塑形，在商業(yè)上具有廣泛用途。本文擬設計一種新型的相控超聲波陣列及其控制器，這是一個模塊化、低成本、多用途的相控超聲平臺，由桌面端軟件、下位機軟件、控制器、驅動器和超聲陣列等部分組成。桌面端軟件可以用來定義超聲陣列的幾何形狀，實時模擬聲場，能夠計算出每個超聲換能器單元的相位和振幅數據并發(fā)送給所連接的控制器，控制器根據這些數據生成相應的脈沖信號，經由驅動電路進行功率放大后推動超聲換能器產生特定相位和振幅的超聲波?？刂破骰诟咝阅軉纹瑱C設計，多個超聲陣列可以級聯使用，擴展陣列規(guī)模。

關鍵詞：聲學懸浮;參量揚聲器;相控陣;虛擬觸覺;超聲波

中圖分類號：TB559? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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

超聲波是一種頻率高于20000Hz的聲波，它的方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農業(yè)上有很多的應用。

近年來超聲波系統(tǒng)的應用前景更為廣闊，一些新興的應用，如：超聲觸覺反饋、參量揚聲器、超聲懸浮等。參量揚聲器是在空氣中再現聲音的革命性方法，它使用超聲波來產生在空氣中可被聽見的聲束，當這些調制以人耳可聽頻率的超聲波在空氣中傳播時，將會發(fā)生一種非線性作用，這種非線性作用產生了原先超聲頻率的和頻率及差頻率，和頻率位于人類可聽見的頻率范圍之外，而差頻率則落在人類可聽見的頻率范圍之內，這些可聽見的差頻率是在空氣中自發(fā)產生的，同時繼承了超聲波的高指向性。比如在公共場所，為了將語音播報信息傳達給特定人群，而避免對無關人員產生干擾，可以將波束指向特定方向，使得只有特定人群才能聽見這些信息。

目前超聲波陣列研究的主戰(zhàn)場仍是美國、日本、德國、英國等工業(yè)基礎雄厚的國家，在相控陣超聲探傷儀方面具有代表性的有日本的奧林巴斯、英國SONATEST等公司。在二維超聲陣列的研究方面，這些國家也走在世界前列，如英國的Ultrahaptics致力于相控超聲陣列在虛擬現實中的應用，開發(fā)一種聲波觸感技術，能夠讓用戶在不接觸屏幕的情況下在半空中獲得觸覺反饋。

本文設計和制作一款低成本、高穩(wěn)定性，可以實現聲學懸浮、參量揚聲器等應用的相控超聲陣列，為增強本設計的靈活性和可擴展性，該超聲陣列擬采用模塊化設計，每個模塊包含8*8規(guī)模的超聲波換能器陣列，且每個模塊擁有自己獨立的處理器和驅動電路，各個模塊間可以容易地進行級聯擴展，用以實現更大規(guī)模的相控陣列和更復雜的功能。

1? 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)總體框架設計如圖1、2所示，系統(tǒng)由上位機軟件和多個軟硬件相同的相控陣子模塊級聯而成，這樣可以縮小單個模塊的規(guī)模，盡可能減少系統(tǒng)的制造成本，同時可以根據實際需要自由組合陣列的規(guī)模和形狀，提高系統(tǒng)的靈活性。上位機軟件用于運行需要較高運算量的相控陣和3D圖形算法，并且提供直觀的人機交互界面，這將為聲學懸浮和超聲觸覺反饋的應用帶來很多方便。上位機通過串口將計算得到的各換能器單元相位數據發(fā)送到與之相連的第一個相控陣模塊，第一個模塊將屬于自身的數據信息暫存并將其余數據轉發(fā)到下一個單元，同時向下一個單元提供同步信號，待所有模塊完成數據接收之后，在同步信號的觸發(fā)下所有模塊同時驅動各自的超聲換能器產生特定相位的超聲脈沖串，相控超聲陣列完成一次刷新工作。

2? 硬件設計

2.1? 超聲驅動設計

為了降低驅動電路的復雜度和焊接工作量，本文采用成熟的驅動器設計方案，但超聲換能器需要提供高達20Vpp的激勵電壓，市面上很難找到一款滿足要求且低成本的超聲波專用驅動器芯片。TCT40-16T型超聲發(fā)射頭內部采用壓電陶瓷片結構，當在它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會產生共振，并帶動共振板振動，產生超聲波。本文采用International Rectifier公司的MOS專用驅動器芯片IR4427，其可以提供高達1.5A的驅動電流，具有非常廣的工作電壓范圍，最高可達25V。另一方面每一片IR4427芯片都擁有兩路完全一樣的輸出通道，可以同時驅動兩個超聲換能器單元，減少驅動器芯片的用量。

2.2? 音頻調制電路設計

在信號調制類型方面，為最大限度減小音頻失真，通常在參量揚聲器中使用幅度調制方式，多為單邊帶調制，因為常規(guī)AM調制方式功率利用率較低，傳輸的音頻功率不超過超聲總輻射功率的三分之一，而單邊帶調制功率利用率接近百分之百，此外由于本文中超聲換能器的激勵信號為單極性脈沖信號，AM調制使用單極性調制，調制電路原理圖如圖3所示。

當3.5mm音頻插頭插入音頻插座J2或J7之前，555多諧振蕩器產生的200Hz脈沖通過插座內部彈簧片接入到兩路音頻調制電路的輸入端。當音頻插頭插入后，彈簧片將斷開與200Hz信號源的連接，轉而連接到音頻信號作為調制電路信號輸入?？墒褂锰€帽短接J5的不同側引腳來選擇下側調制電路的信號源，可選擇J2的右聲道，或者為J7輸入的獨立音頻信號，這樣可以使用同一相控陣列產生方向不同的兩個波束，并分別調制不同的音頻信號。

2.3? 相控超聲陣列設計

相控超聲波陣列根據需要可以設計成多種不同的形式，但本文需要兼顧陣列的模塊化設計，為了能夠更方便地對陣列進行擴展，采用平面型陣列，通過對聲場的模擬，平面型相控超聲陣列可以同時實現超聲懸浮、觸覺反饋、參量揚聲器等應用需求。

本文中采用8*8平面超聲陣列，超聲發(fā)射頭為TCT40-16T型，所有發(fā)射頭的兩個引腳均通過FX8-80板對板連接器引出，用于連接超聲驅動板。

3? 軟件設計流程

當相控超聲陣列連續(xù)工作時，主控板需要不間斷地產生40kHz脈沖信號，但與此同時主控還需要通過串口不間斷地從上位機或前一模塊接收最新數據信息，即主控的CPU既需要從緩存讀取數據來驅動超聲陣列，又需要將最近接收到的數據存入緩存，一方面二者同時進行時難免會產生嚴重沖突，另一方面若二者交替進行又無法保證陣列和串口通信的連續(xù)進行。為了解決這個問題，本文選擇使用乒乓操作機制。

如圖4所示，在主控內部定義兩個結構一致的緩存區(qū)，當主控使用緩存A為超聲陣列生成驅動波形時，通過串口接收到的數據全部放入緩存B中，當判斷到來自上位機的一幀數據接收完畢時，交換緩存角色，使用緩存B為超聲陣列生成驅動波形，同時通過串口接收到的數據全部放入緩存A中，依次交替。

子模塊整體程序流程如圖5所示。初始化主要包括初始化IO口、串口、定時器等基本外設以及分配兩個緩存空間，對緩存置初值是為了當波形生成程序開始工作時，從緩存中讀到的數據處在有效數據范圍之內，以免數據溢出造成異常。之后程序進入乒乓操作的死循環(huán)中，交替選擇緩存A和B作為數據接收緩存和波形發(fā)生緩存，同步信號用于確保級聯的各個模塊控制器同時響應，其所控制的超聲波換能器同步產生40kHz超聲脈沖。

4? 實驗

聲學懸浮主要是通過相控陣在微粒懸浮位置兩側創(chuàng)建兩個壓力相同、相位互補的高壓場，對處在相位切變處的微粒施加向上的作用力以抵消微粒受到的重力，同時在水平方向上將微粒束縛在當前位置。聲學懸浮應用需要在PC端軟件的相控陣模型中創(chuàng)建所需的高壓勢場并使其滿足以上所述的相位關系。創(chuàng)建完成的仿真圖像如圖6所示。圖6（a）中垂直面陣中心點和圖6（b）中水平中心點即為微粒懸浮位置。

通過仿真可以粗略計算出聲場對微粒水平和垂直方向上產生的壓力，將各點數據匯總到Excel并繪制出壓力變化曲線，如圖7所示。

計算中需要設定一些常量，選取空氣中聲速為340m/s，空氣密度1.2kg/m3，微粒材料為泡沫塑料，密度為30kg/m3，微粒中聲速為900m/s。由圖7（a）可見當微粒從零點偏向左側時，將受到正向的力而向右移動，偏向右側時，將受到負向的力而向左移動;由圖7（b）可見當微粒偏向下方時（小于0），將受到正向的力而向上移動，偏向上方時（大于0），將受到負向的力而向下移動。待聲場圖形創(chuàng)建完成后，可通過串口將各換能器單元相位信息發(fā)送到相控陣列，實現現實中微粒的懸浮，如圖8所示。

5? 結? 論

本文主要根據窄帶面陣相控超聲波陣列的發(fā)展背景和未來可能的應用場景，介紹了相控超聲陣列的研究意義和實現原理，并且詳細敘述了一款多功能面陣相控超聲陣列的設計思路和實現方法，主要包括系統(tǒng)硬件和軟件設計，以及模塊化設計所必須遵循的設計原則。經過不懈的努力，本文基本實現了預期功能。

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作者簡介：柯永斌（1984.07-），男，漢族，福建建甌人，實驗師，碩士，研究方向：控制工程、電子學;尤青（1996.04-），男，漢族，江蘇淮安人，本科，研究方向：電子信息工程、電子學。