[发明专利]用于产生声场的方法和设备

说明书

发明背景

已知在一定的应用范围中(包括触觉反馈)使用连续分布的声能，所述声能在本文中将称作“声场”。

已知通过在声场可以存在于其内的空间中界定一个或多个控制点来控制声场。每一控制点被分配等于所述控制点处的声场的所需振幅的振幅值。随后控制换能器以在控制点中的每一个处产生展现出所需振幅的声场。

然而，当使用极多个控制点时，用于使用控制点产生声场的已知系统受到限制。

概述

根据本发明的第一方面，提供了一种使用具有已知相对位置和定向的换能器的阵列产生声场的方法，所述方法包括：

-界定各自具有相对于换能器的所述阵列的已知空间关系的多个控制点；

-将振幅分配到每一控制点；

-计算包括元素的矩阵，对于所述控制点中的每一个，所述元素表示在所述控制点处产生具有所述分配振幅和特定相位的模型化声场对其它控制点处的所述模型化声场的相应振幅和相位的影响；

-确定所述矩阵的特征向量，每一特征向量表示所述控制点处的所述模型化声场的相位和相对振幅的集合；

-选择所述集合之一且操作所述换能器阵列以使所述换能器中的一个或多个输出各自具有初始振幅和相位的声波，使得所述控制点处的所得声场的所述相位和振幅对应于选定集合的所述相位和相对振幅。

因此，本发明的第一方面包括对可被求解来寻找控制点处的有效相位的特征问题进行公式化。发明者已发现，本发明的实施方案中的特征问题的使用与已知方法相比可以造成控制点求解时间更快且更加可预测，继而意指可支持更高数量的控制点且可以实现控制点的实时更新。更快且更可预测的求解时间还意指与已知方向相比可控制更大体积的声场。

控制点是特定位置处的标记。相邻控制点之间的距离应足以使得声场的声波能够从控制点之一相移以匹配下一个控制点。在一些实施方案中，间距可以等于声场的声波的波长。

在本发明的实施方案中，换能器阵列包括任何适当配置中的一个或多个换能器；例如，平行布置的一个或多个二维阵列。

控制点处具有所分配振幅和特定相位的模型化声场可以被模型化为由控制点正下方的虚拟换能器产生。在一些实施方案中，虚拟换能器可以在真实换能器阵列的平面中。然而，所属领域技术人员将明白，声场可以被模型化为由其它布置的虚拟换能器产生，即，可以被定位在控制点正下方或与可以具有不同于控制点的空间关系的一个或多个虚拟换能器可以用于产生模型化声场。虚拟换能器的使用使得能够预计算查找表。优选地，虚拟换能器匹配换能器阵列中的换能器。

所述方法可以包括计算矩阵的特征值的步骤。特征值表示缩放因子，相对于彼此，其中的一些将相对较高且其中的一些将相对较低。所述方法可以包括选择具有相对较高的对应特征值的相位和相对振幅的集合作为选定集合。优选地，所述方法可以包括选择具有最高的对应特征值的相位和相对振幅的集合作为选定集合。

特征值界定当对应的特征向量在被矩阵变换时所述特征向量如何缩放。即，特征值表示一旦考虑通过在其它控制点处产生所分配振幅引起的对每一控制点处的振幅的间接贡献，控制点处的声场的相对振幅将放大的程度。因此，寻找大的特征值指示利用大量相长干预的相对振幅和相位的对应集合。在考虑到矩阵的所有特征值的相对值的情况下选择具有相对较高的对应特征值的相对振幅和相位的集合因此具有优于选择相对较低特征值的优点，因为其使得由换能器输出功率的使用更加有效。

所述方法可以包括使用查找函数计算在控制点之一处产生所分配振幅对其它控制点中的每一个处的振幅和相位的影响，所述查找函数界定声波的振幅和相位如何在空间上由于衰减和传播而改变。查找函数可以考虑振幅和相位变动的两个来源中的一个或两个。首先，由换能器输出的声波的振幅的衰减随着相距换能器的距离的增加而增加，且其次，随着声波传播通过空间发生相位变化。

如果使用这种查找函数，那么针对特定换能器阵列只需要计算一次声波的相位由于衰减和传播引起的空间变动，这降低了模型化声场所需的时间和计算将产生所得声场的相位和振幅的换能器的初始振幅和相位所需的时间。

所述方法可以包括正则化步骤，其中误差被引入到由换能器输出的初始振幅和相位中。

包括正则化步骤的优点是，此可通过增加换能器的平均振幅改善阵列的功率输出效率使得更多换能器是在较高振幅上。例如，为了避免其中一个换能器在100％振幅上且所有其它换能器在0.1％振幅上的情形，正则化步骤引入一些误差来换取换能器的平均振幅上升到(即)80％。