(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210936217.8 (22)申请日 2022.08.05 (71)申请人 复旦大学 地址 200433 上海市杨 浦区邯郸路2 20号 (72)发明人 江雪　张传鑫　他得安　 (74)专利代理 机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 3123 6 专利代理师 胡晶 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06T 17/00(2006.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 高精度构建三维声场的方法、 系统、 设备及 存储介质 (57)摘要 本发明公开了一种高精度构建三维声场 的 方法、 系统、 设备及存储介质， 可适应任意声学相 控阵或超材料， 包括几何特征如发射单元尺度、 数量、 位置及声辐射性能， 针对不同类型的发射 单元进行优化； 使用声全息算法， 通过迭代优化， 充分利用相控阵或超材料的性能， 高精度构建任 意三维声场分布， 例如构建空间多波束、 多焦点 和空间中任意声强的分布， 生成任意声学图像 等； 实现声能量的高精度控制， 包括空间位置和 分布强度的准确性， 提高声学手段在消费电子、 生物医学工程和水声探测等领域中的应用体验。 该声全息算法计算基于明确物理过程， 在计算声 传播过程中使用卷积或频域计算， 计算速度快， 可实时计算， 用于实时高精度三维声场分布的构 建。 权利要求书2页 说明书10页 附图5页 CN 115358143 A 2022.11.18 CN 115358143 A 1.一种高精度构建三维声场的方法， 其特征在于， 适用于声学相控阵或超材料构建三 维声场， 包括： 根据发射设备的性能参数， 初始化声全息算法； 构建初始声场， 作为待构建三维声场的参 考分布； 仿真声传播过程， 将目标声场反向传播至发射平面； 获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息， 计算发射平面的发射 参数； 根据发射平面的发射参数， 将目标声场正向传播至初始声场的位置， 获取正向传播的 声场分布信息， 判断目标声场的构建质量是否满足预设要求， 若是， 则完成三维声场的构 建； 若否， 则根据正向传播获取的声场分布信 息及参考分布， 修正目标声场， 将修正后的目 标声场反向传播至发射平面， 获取反向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息， 计算发 射平面的发射 参数， 直至发射 参数满足预设要求。 2.如权利要求1所述的高精度构建三维声场的方法， 其特征在于， 所述根据发射设备的 性能参数， 初始化声全息算法进一 步包括： 根据发射设备的特性， 定义辐射源； 根据发射设备的发射单 元的频率、 形状、 尺寸、 位置及角度， 自动生成网格； 其中， 发射单元的发射参数可设置为常规的均匀阵列、 非均匀排列的阵列或稀疏阵列； 其每个阵元可独立设置为任意形状， 以及任意偏转角度； 对于规则形状的发射单元， 网格可以复用， 只 生成不重复的网格； 对于阵列中相同的阵 元也可实现复用， 只对一个阵元生成网格。 3.如权利要求1所述的高精度构建三维声场的方法， 其特征在于， 所述构建初始声场， 作为待构建三维声场的参 考分布进一 步包括： 定义初始声场的声场类型、 声场强度及空间位置， 对声场中的不同组成部分指定不同 的声场类型， 并支持独立控制设置， 可设置各个组成部分的声强(W/cm2)， 还可设置各个组 成部分不同的编码调制方式； 其中， 声场类型包括： 多焦点、 多波束、 各阶声涡旋、 任意声学图像， 各种声场类型可任 意组合构建于不同位置； 编码调制方式包括幅度调制、 相位调制、 频率调制。 4.如权利要求1所述的高精度构建三维声场的方法， 其特征在于， 所述仿真声传播过 程， 将目标声场反向传播至发射平面进一 步包括： 对于均匀介质可使用基于物理模型的反向传播运算， 基于共轭格林函数， 使用包含瑞 利积分、 有限元、 有限差分在内的数值计算方法实现基于物理模型的反向传播； 对于复杂介质可使用误差反向传播的运算形式， 基于数学优化方法， 根据目标声场， 将 误差反向传播至发射平面； 基于数学模型或物理模型的反向传播过程， 将声场信息编码至整个发射平面， 基于此 构建的声场， 具有较强的鲁棒 性和抗干扰性。 5.如权利要求1所述的高精度构建三维声场的方法， 其特征在于， 所述获取反向传播至 发射平面处的声场分布的反馈信息， 计算发射平面的发射 参数进一 步包括： 所述反向传播的结果即反馈信息；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115358143 A 2基于物理模型的反向传播， 提取反馈信息中的发射面处的声压， 对发射面各发射单元 表面的声压进行积分或空间滤波操作， 得到发射 面上各发射单 元的发射幅度和相位； 基于数学优化模型的反向传播， 根据不同优化算法， 对发射单元的幅度和相位进行调 整； 在每次迭代得到各发射单元的发射幅度和相位后， 根据使用的发射设备的发射单元的 辐射性能再次进行修正， 对发射幅度和相位进行分级量化， 校准一致性和量化误差， 得到适 用于当前发射设备的发射 参数， 以满足对不同相控阵或超材 料的适应； 当相控阵或超材料阵列中某个发射单元出现问题时， 该误差信息将带入迭代修正， 满 足不同工况 下的声场构建优化。 6.如权利要求1所述的高精度构建三维声场的方法， 其特征在于， 所述根据正向传播获 取的声场分布信息及参 考分布， 修 正用于反向传播的目标声场进一 步包括： 当修正目标声场的发射幅度时， 将相位作为自由度， 在保留正向传播获取的声场的相 位分布的基础上， 将幅度分布初始化 为参考分布的幅度； 当修正目标声场的相位时， 将幅度作为自由度， 在保留正向传播获取的声场的幅度分 布的基础上， 将相位分布初始化 为参考分布的相位； 当同时修正目标声场的发射幅度和相位时， 对根据预设的阈值， 对发射幅度和相位进 行微扰修 正。 7.如权利要求6所述的高精度构建三维声场的方法， 其特征在于， 所述修正用于反向传 播的目标声场进一 步包括： 当对发射幅度和/或相位进行修正的算法无法 收敛或收敛后构建声场的误差不符合要 求时， 则根据正向传播获取的声场分布、 声场分布的变化量及参考声场， 求解修正加权系 数， 对声场的发射幅度和/或相位进一 步修正， 用于改善声场的构建质量。 8.一种高精度构建三维声场的系统， 其特征在于， 适用于声学相控阵或超材料构建三 维声场， 包括： 参数设置模块， 用于根据发射设备的性能参数， 初始化声全息算法； 初始模块， 用于构建初始声场， 作为待构建三维声场的参 考分布； 迭代模块， 用于仿真声传播过程， 将目标声场反向传播至发射平面； 获取反向传播至发 射平面处的声场分布的反馈信息， 计算发射平面的发射参数； 根据发射平面的发射参数， 将 目标声场正向传播至初始声场的位置， 获取正向传播的声场分布信息， 判断目标声场的构 建质量是否满足预设要求， 若是， 则完成三维声场的构建； 若否， 则根据正向传播获取 的声 场分布信息及参考分布， 修正目标声场， 将修正后的目标声场反向传播至发射平面， 获取反 向传播至发射平面处的声场分布的反馈信息， 计算发射平面的发射参数， 直至发射参数满 足预设要求。 9.一种高精度构建三维声场的设备， 其特征在于， 包括： 存储器和 处理器， 所述存储器 中存储有计算机可读指令， 所述计算机可读指令被所述处理器执行时， 使得所述处理器执 行如权利要求1至7中任意 一项所述的高精度构建三维声场的方法中的步骤。 10.一种存储有计算机可读指令的存储介质， 其特征在于， 所述计算机可读指令被一个 或多个处理器执行时， 使得一个或多个处理器执行如权利要求1至7中任意一项 所述的高精 度构建三维声场的方法中的步骤。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115358143 A 3