多功能相控超聲波陣列設(shè)計(jì)

柯永斌 尤青

摘? 要：現(xiàn)代相控超聲波陣列控制器是一種能夠使用多個(gè)換能器或傳感器發(fā)送或接收信號(hào)的電子系統(tǒng)，可以在幾乎實(shí)時(shí)的情況下對(duì)發(fā)射的波束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和塑形，在商業(yè)上具有廣泛用途。本文擬設(shè)計(jì)一種新型的相控超聲波陣列及其控制器，這是一個(gè)模塊化、低成本、多用途的相控超聲平臺(tái)，由桌面端軟件、下位機(jī)軟件、控制器、驅(qū)動(dòng)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(shí)時(shí)模擬聲場(chǎng)，能夠計(jì)算出每個(gè)超聲換能器單元的相位和振幅數(shù)據(jù)并發(fā)送給所連接的控制器，控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的脈沖信號(hào)，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大后推動(dòng)超聲換能器產(chǎn)生特定相位和振幅的超聲波?？刂破骰诟咝阅軉纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)，多個(gè)超聲陣列可以級(jí)聯(lián)使用，擴(kuò)展陣列規(guī)模。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)懸浮;參量揚(yáng)聲器;相控陣;虛擬觸覺;超聲波

中圖分類號(hào)：TB559? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。

近年來超聲波系統(tǒng)的應(yīng)用前景更為廣闊，一些新興的應(yīng)用，如：超聲觸覺反饋、參量揚(yáng)聲器、超聲懸浮等。參量揚(yáng)聲器是在空氣中再現(xiàn)聲音的革命性方法，它使用超聲波來產(chǎn)生在空氣中可被聽見的聲束，當(dāng)這些調(diào)制以人耳可聽頻率的超聲波在空氣中傳播時(shí)，將會(huì)發(fā)生一種非線性作用，這種非線性作用產(chǎn)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(nèi)，這些可聽見的差頻率是在空氣中自發(fā)產(chǎn)生的，同時(shí)繼承了超聲波的高指向性。比如在公共場(chǎng)所，為了將語音播報(bào)信息傳達(dá)給特定人群，而避免對(duì)無關(guān)人員產(chǎn)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(chǎng)仍是美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)等工業(yè)基礎(chǔ)雄厚的國(guó)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(guó)SONATEST等公司。在二維超聲陣列的研究方面，這些國(guó)家也走在世界前列，如英國(guó)的Ultrahaptics致力于相控超聲陣列在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用，開發(fā)一種聲波觸感技術(shù)，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(shè)計(jì)和制作一款低成本、高穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)聲學(xué)懸浮、參量揚(yáng)聲器等應(yīng)用的相控超聲陣列，為增強(qiáng)本設(shè)計(jì)的靈活性和可擴(kuò)展性，該超聲陣列擬采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊包含8*8規(guī)模的超聲波換能器陣列，且每個(gè)模塊擁有自己獨(dú)立的處理器和驅(qū)動(dòng)電路，各個(gè)模塊間可以容易地進(jìn)行級(jí)聯(lián)擴(kuò)展，用以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的相控陣列和更復(fù)雜的功能。

1? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖1、2所示，系統(tǒng)由上位機(jī)軟件和多個(gè)軟硬件相同的相控陣子模塊級(jí)聯(lián)而成，這樣可以縮小單個(gè)模塊的規(guī)模，盡可能減少系統(tǒng)的制造成本，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)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(jī)軟件用于運(yùn)行需要較高運(yùn)算量的相控陣和3D圖形算法，并且提供直觀的人機(jī)交互界面，這將為聲學(xué)懸浮和超聲觸覺反饋的應(yīng)用帶來很多方便。上位機(jī)通過串口將計(jì)算得到的各換能器單元相位數(shù)據(jù)發(fā)送到與之相連的第一個(gè)相控陣模塊，第一個(gè)模塊將屬于自身的數(shù)據(jù)信息暫存并將其余數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)單元，同時(shí)向下一個(gè)單元提供同步信號(hào)，待所有模塊完成數(shù)據(jù)接收之后，在同步信號(hào)的觸發(fā)下所有模塊同時(shí)驅(qū)動(dòng)各自的超聲換能器產(chǎn)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(shè)計(jì)

2.1? 超聲驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

為了降低驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜度和焊接工作量，本文采用成熟的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案，但超聲換能器需要提供高達(dá)20Vpp的激勵(lì)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(qū)動(dòng)器芯片。TCT40-16T型超聲發(fā)射頭內(nèi)部采用壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)，當(dāng)在它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)產(chǎn)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。本文采用International Rectifier公司的MOS專用驅(qū)動(dòng)器芯片IR4427，其可以提供高達(dá)1.5A的驅(qū)動(dòng)電流，具有非常廣的工作電壓范圍，最高可達(dá)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(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)超聲換能器單元，減少驅(qū)動(dòng)器芯片的用量。

2.2? 音頻調(diào)制電路設(shè)計(jì)

在信號(hào)調(diào)制類型方面，為最大限度減小音頻失真，通常在參量揚(yáng)聲器中使用幅度調(diào)制方式，多為單邊帶調(diào)制，因?yàn)槌Ｒ?guī)AM調(diào)制方式功率利用率較低，傳輸?shù)囊纛l功率不超過超聲總輻射功率的三分之一，而單邊帶調(diào)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(lì)信號(hào)為單極性脈沖信號(hào)，AM調(diào)制使用單極性調(diào)制，調(diào)制電路原理圖如圖3所示。

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

2.3? 相控超聲陣列設(shè)計(jì)

相控超聲波陣列根據(jù)需要可以設(shè)計(jì)成多種不同的形式，但本文需要兼顧陣列的模塊化設(shè)計(jì)，為了能夠更方便地對(duì)陣列進(jìn)行擴(kuò)展，采用平面型陣列，通過對(duì)聲場(chǎng)的模擬，平面型相控超聲陣列可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)超聲懸浮、觸覺反饋、參量揚(yáng)聲器等應(yīng)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(gè)引腳均通過FX8-80板對(duì)板連接器引出，用于連接超聲驅(qū)動(dòng)板。

3? 軟件設(shè)計(jì)流程

當(dāng)相控超聲陣列連續(xù)工作時(shí)，主控板需要不間斷地產(chǎn)生40kHz脈沖信號(hào)，但與此同時(shí)主控還需要通過串口不間斷地從上位機(jī)或前一模塊接收最新數(shù)據(jù)信息，即主控的CPU既需要從緩存讀取數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)超聲陣列，又需要將最近接收到的數(shù)據(jù)存入緩存，一方面二者同時(shí)進(jìn)行時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重沖突，另一方面若二者交替進(jìn)行又無法保證陣列和串口通信的連續(xù)進(jìn)行。為了解決這個(gè)問題，本文選擇使用乒乓操作機(jī)制。

如圖4所示，在主控內(nèi)部定義兩個(gè)結(jié)構(gòu)一致的緩存區(qū)，當(dāng)主控使用緩存A為超聲陣列生成驅(qū)動(dòng)波形時(shí)，通過串口接收到的數(shù)據(jù)全部放入緩存B中，當(dāng)判斷到來自上位機(jī)的一幀數(shù)據(jù)接收完畢時(shí)，交換緩存角色，使用緩存B為超聲陣列生成驅(qū)動(dòng)波形，同時(shí)通過串口接收到的數(shù)據(jù)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(shí)器等基本外設(shè)以及分配兩個(gè)緩存空間，對(duì)緩存置初值是為了當(dāng)波形生成程序開始工作時(shí)，從緩存中讀到的數(shù)據(jù)處在有效數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)，以免數(shù)據(jù)溢出造成異常。之后程序進(jìn)入乒乓操作的死循環(huán)中，交替選擇緩存A和B作為數(shù)據(jù)接收緩存和波形發(fā)生緩存，同步信號(hào)用于確保級(jí)聯(lián)的各個(gè)模塊控制器同時(shí)響應(yīng)，其所控制的超聲波換能器同步產(chǎn)生40kHz超聲脈沖。

4? 實(shí)驗(yàn)

聲學(xué)懸浮主要是通過相控陣在微粒懸浮位置兩側(cè)創(chuàng)建兩個(gè)壓力相同、相位互補(bǔ)的高壓場(chǎng)，對(duì)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(shí)在水平方向上將微粒束縛在當(dāng)前位置。聲學(xué)懸浮應(yīng)用需要在PC端軟件的相控陣模型中創(chuàng)建所需的高壓勢(shì)場(chǎng)并使其滿足以上所述的相位關(guān)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(diǎn)和圖6（b）中水平中心點(diǎn)即為微粒懸浮位置。

通過仿真可以粗略計(jì)算出聲場(chǎng)對(duì)微粒水平和垂直方向上產(chǎn)生的壓力，將各點(diǎn)數(shù)據(jù)匯總到Excel并繪制出壓力變化曲線，如圖7所示。

計(jì)算中需要設(shè)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(dāng)微粒從零點(diǎn)偏向左側(cè)時(shí)，將受到正向的力而向右移動(dòng)，偏向右側(cè)時(shí)，將受到負(fù)向的力而向左移動(dòng);由圖7（b）可見當(dāng)微粒偏向下方時(shí)（小于0），將受到正向的力而向上移動(dòng)，偏向上方時(shí)（大于0），將受到負(fù)向的力而向下移動(dòng)。待聲場(chǎng)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中微粒的懸浮，如圖8所示。

5? 結(jié)? 論

本文主要根據(jù)窄帶面陣相控超聲波陣列的發(fā)展背景和未來可能的應(yīng)用場(chǎng)景，介紹了相控超聲陣列的研究意義和實(shí)現(xiàn)原理，并且詳細(xì)敘述了一款多功能面陣相控超聲陣列的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，主要包括系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，以及模塊化設(shè)計(jì)所必須遵循的設(shè)計(jì)原則。經(jīng)過不懈的努力，本文基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

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作者簡(jiǎn)介：柯永斌（1984.07-），男，漢族，福建建甌人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：控制工程、電子學(xué);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(xué)。