第6、7篇我们学会了让空气产生声音的方法(PAA)。剩下的问题是瞄准——如何把已经形成的波束折向想要的方向?答案不是把扬声器物理转动,而是操纵时间。本篇的主题是相控阵(Phased Array)与波束成形(Beamforming)。而且本篇不会只用文字讲规则,而是代入40kHz这个真实载波,算出阵元间距4.3mm这个数字究竟从何而来。
水漂的直觉 — 同时落下就直行,依次落下就转向
往平静的湖面同时投下三块石头,三圈波纹合成的波前会朝正前方前进。这次试着从左边开始依次投下。先产生的波纹已经扩散得更远,晚来的波纹才汇入,因此合成的波前会倾斜着前进。投石的位置没变,波前的方向却变了——这就是波束成形的全部。时间差造出方向。
相控阵 — 时序魔法三步骤
- 相位延迟(Phase Delay) — 对排成一列的阵元施加依次递增的时间延迟后发射。
- 干涉(Interference) — 各阵元的波相互叠加,在特定方向上波峰相遇而增强(相长干涉),在其余方向相互抵消(相消干涉——静默区)。
- 电子扫描(Electronic Steering) — 只要改变延迟模式,波束就向左、向右、向中央移动。这是没有运动部件、仅靠软件改变瞄准方向的"虚拟透镜"。
第2篇预告过的"相位控制",其实体就是这个。顺带一提,这一原理在雷达和5G天线上也完全一样地使用——只要是波,无论声波还是电波,同一套数学都适用。
扫描角与相位差 — 一个式子就够了
相邻两个阵元发出的波要在角度θ方向上波峰相遇,两波到达该方向的路程差必须被精确补偿。间距为d的两阵元的路程差是d·sinθ,因此所需的时间延迟与相位差为:
Δt = d·sinθ / c , Δφ = 2π·(d/λ)·sinθ [rad] = 360°·(d/λ)·sinθ
其中c为声速(343m/s),λ为波长。如第1篇所见,40kHz载波的波长为λ = 343 ÷ 40,000 = 8.575mm,一个周期为25μs。若把阵元间距取为半波长4.29mm,上式便简化为Δφ = 180°·sinθ。实际数值如下。
| 扫描角θ | 相邻阵元间相位差 | 时间延迟 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 0°(正前方) | 0° | 0μs | 所有阵元同时发射 |
| 5° | 15.7° | 1.09μs | — |
| 10° | 31.3° | 2.17μs | — |
| 15° | 46.6° | 3.24μs | — |
| 30° | 90.0° | 6.25μs | 四分之一周期 |
| 45° | 127.3° | 8.84μs | — |
| 60° | 155.9° | 10.83μs | — |
| 90°(侧向) | 180.0° | 12.50μs | 半个周期——理论极限 |
表中最重要的是最后一行。在d = λ/2下,90°扫描所需的相位差恰好是180°,即半个周期。由于相位超过360°就会绕回,半波长间距意味着能够无相位歧义地指定从0°到90°所有方向的最大间距。后文d ≤ λ/2规则的真身正是这一点。
从实务角度值得注意的是延迟量的大小。30°扫描所需的延迟为6.25μs,若要以1°的分辨率控制它,大致需要0.2μs级的时间分辨率。用数字方式实现,就意味着需要数MHz量级的时序时钟。扫描之所以以数字信号处理而非模拟延迟线为标准,原因就在这里。
阵元间距的规则 — 空间混叠与d ≤ λ/2
然而阵元不能随意摆放。间距太宽就会产生名为空间混叠(Spatial Aliasing)的错觉。
视频里高速旋转的车轮看起来像在倒转,是因为摄像机的帧(采样)跟不上车轮的转动。扬声器阵列完全一样。阵元间距相对波长过宽时,等于对空间做了稀疏采样,于是在非预期的方向上出现幽灵波束。
请设想用旗帜标记山脉的山脊线。只有在山峰之间的谷地也插上旗帜,山脊的形状才能被复原。波也一样:阵元间距d必须在波长的一半(λ/2)以下,才能干净地只形成一个想要的波前。这个d ≤ λ/2是阵列设计的第一规则——想必您也注意到了,它与数字采样的奈奎斯特定理是同一原理(第11篇将正面展开)。
代入数字后,这条规则就成了极其冷酷的约束。40kHz下λ = 8.575mm,所以
d ≤ λ/2 = 8.575mm ÷ 2 = 4.29mm
也就是阵元中心距不得超过4.3mm,同时也意味着阵元本身的直径不得超过4.3mm。要以这个间距填满直径100mm的圆板,一边需要约23个,正方格点约420个,六方密排约490个阵元。阵列设计为何动辄要那么多阵元,答案就在这一行里。
栅瓣(Grating Lobe) — 非预期的虚假声束
违反规则(d > λ/2)时出现的幽灵波束也有名字——栅瓣(Grating Lobe)。它是在瞄准的主瓣(Main Lobe)旁对称出现的假波束,就像用手电筒照墙,却因看不见的镜子把毫不相干的地方也照亮了。在定向扬声器中,栅瓣会造成"旁边的人也听得见"这一致命缺陷,因此在阵元间距设计中必须加以抑制。
栅瓣出现的角度可以精确计算。当主瓣扫描到θ₀时,幽灵波束出现在满足下式的θ处。
sinθ = sinθ₀ ± λ/d (仅当|sinθ| ≤ 1时才实际出现)
从这个式子可以读出,d越小,λ/d越大,直到方程无解。这正是d ≤ λ/2规则的推导。若要把θ₀用到±90°,就需要λ/d ≥ 2,即d ≤ λ/2。反过来,缩小扫描范围就可以放宽间距。条件是d/λ ≤ 1/(1 + |sinθ₀|),在40kHz下的结果如下。
| 阵元间距d | d/λ | 无栅瓣的最大扫描角 | 设计性格 |
|---|---|---|---|
| 4.29mm | 0.50 | ±90° | 完全自由扫描 |
| 5.14mm | 0.60 | ±41.8° | 室内大范围扫描 |
| 6.00mm | 0.70 | ±25.4° | 几个座位的范围 |
| 6.86mm | 0.80 | ±14.5° | 仅够微调 |
| 8.58mm | 1.00 | 0°(无法扫描) | 固定波束专用 |
表的最后一行尤其重要。间距达到一个波长时,连朝正前方发射都已卡在栅瓣的边界上。若完全不做扫描、只用固定正前方波束,那么撑到d < λ还行;但在那一刻,这个阵列就不再是"相控阵",而只是把若干个扬声器贴在一起而已。
阵元数所决定的 — 波束宽度与扫描代价
如果说间距决定幽灵波束,那么阵元数决定波束的粗细。均匀驱动、长度为L的线阵所形成的半功率(−3dB)波束宽度遵循下面的近似式。
波束宽度 ≈ 0.886 × λ / L [rad] ≈ 50.8° × λ / L
以d = λ/2填满的阵列有L = N·λ/2,因此λ被约掉,波束宽度变为约101.6° ÷ N。也就是说,仅由阵元数就决定了波束宽度。
| 阵元数N | 阵列长度(4.29mm间距) | 载波波束宽度 | 3m处光斑直径 |
|---|---|---|---|
| 8 | 34.3mm | 12.7° | — |
| 16 | 68.6mm | 6.35° | 33.3cm |
| 32 | 137.2mm | 3.17° | 16.6cm |
| 64 | 274.4mm | 1.59° | 8.3cm |
| 128 | 548.8mm | 0.79° | — |
这与第3篇"5°波束在3m处直径0.26m"的声区计算相衔接。要得到那种程度的波束,按半波长间距计算需要一个轴向上二十几个阵元,阵列的物理长度须达到8~9cm。除了增加阵元之外没有别的办法把波束收窄——孔径就是分辨率。
此外还要付出扫描的代价。把波束折过θ角,从该方向看去阵列的有效孔径会缩小为cosθ倍,因此波束宽度扩大为1/cosθ倍。以N = 32(正前方3.17°)为基准,15°扫描时为3.28°,30°时3.66°,45°时4.49°,60°时6.35°。折到60°,波束就比正前方胖了一倍。许多设计把可扫描范围定在±30~40°,原因正在于此。
旁瓣 — 均匀驱动的代价
即使遵守了所有规则消除了栅瓣,主瓣旁边也总会残留一些小峰。这就是旁瓣(side lobe)。如果说栅瓣是违反规则的结果,那么旁瓣就是所有有限孔径阵列的宿命。作为把阵列骤然截断的矩形窗(所有阵元以相同强度驱动)的代价,第一旁瓣止步于比主瓣低约13dB的水平。无论怎样增加阵元,这13dB都不会改善。
解法不在阵元数,而在幅度加权(amplitude shading)。把边缘阵元驱动得弱一些,使孔径的边界变得平滑,旁瓣就会大幅下降。这是把信号处理中的窗函数原样应用到空间上,代表性数值如下。
| 驱动分布(窗函数) | 第一旁瓣 | 主瓣宽度倍率 | 性格 |
|---|---|---|---|
| 均匀(矩形窗) | −13.3dB | 1.00 | 最大输出·最小波束宽度 |
| Hann | −31.5dB | 1.44 | 均衡型 |
| Hamming | −42.7dB | 1.47 | 泄漏抑制优异 |
| Blackman | −58.1dB | 1.68 | 极端抑制·波束损失大 |
表所讲的是一个明确的交换。把旁瓣从−13dB降到−43dB、下降30dB的代价,是波束胖了1.5倍。而且既然压低了边缘阵元,总输出也会下降。在定向扬声器上还要再加一条——如第7篇所见,可听声与载波声压的平方成正比,因此在载波上为−13dB的旁瓣,到了可听声大致变成−26dB。非线性变换再一次让指向性更加锐利,这是这项技术为数不多的免费礼物。
阵列的几何 — 线阵、方阵、六方
即使阵元数相同,布局不同波束质量也不同。线性(Linear)阵列只能沿一个轴收窄,因此波束呈扇形扩散;矩形(Rectangular)格点能收窄两个轴,但由于行列的规则性会残留旁瓣(side lobe);六方(Hexagonal)布局能最密地填充阵元,在同样面积上形成最干净的激光型波束。这与蜂巢以最少材料填满最大空间是同一种几何。
六方布局的优势可从两方面定量说明。第一,圆在平面上的填充率从正方格点的π/4 ≈ 78.5%提升到六方布局的π/(2√3) ≈ 90.7%。同样面积能装下约1.15倍的阵元,输出也随之提高。第二,开始出现栅瓣的间距本身在六方布局中更宽裕。幽灵波束出现在阵列格点的倒格子(reciprocal lattice)位置上,而三角(六方)格子的倒格子比正方格子远2/√3 ≈ 1.155倍。按同样的算法,允许完全自由扫描(±90°)的最大间距便从正方格点的0.5λ = 4.29mm提高到六方布局的0.577λ = 4.95mm。在难以把阵元缩到4.3mm的40kHz频段,这0.7mm的余量绝不算小。另外,正方格点会把幽灵波束集中在行列两个方向,六方布局则分散到六个方位,某一方向出现强泄漏的概率也更低。
设计者的两难 — 当4.3mm无法遵守时
现在来看现实。在40kHz谐振的压电元件,其物理尺寸由谐振条件所决定(这是第9、10篇的主题)。广泛使用的40kHz超声元件外壳直径在10mm上下,4.29mm间距在物理上不可能。那会怎么样呢?
把d = 10mm代入前面的式子,λ/d = 0.857,因此即便正前方扫描,sinθ = ±0.857,即在±59.0°处出现栅瓣。把波束折10°,幽灵波束移到−43.1°;折20°,则大步逼近到−31.0°。也就是说,扫描越多,幽灵越靠近主瓣。
不过实际产品之所以还能凑合工作,是有原因的。因为单个阵元本身已经具有指向性。计算直径10mm圆形振动面的指向特性,−3dB波束宽度为52.4°,而在59°方向上已经衰减了14.8dB。阵因子造出的幽灵波束被阵元因子压低了15dB。加之可听声是载波的平方,于是变成−29.6dB,实质上已降到听不见的水平。阵元的物理尺寸部分地拯救了对规则的违反。
当然这只是在正前方附近的情形;扫描角一大,幽灵波束就进入阵元指向性的中央区域,抑制急剧减弱。若要认真实现大角度电子扫描,最终除了把阵元做小别无他途。以半导体工艺直接制作振动膜的压电微机械超声换能器(PMUT)阵列之所以在定向音频研究中反复出现,原因正在这里——把阵元缩到数百微米量级,4.3mm规则才终于能从容遵守。
局限与常见误解
- "做了波束成形声音就变大"的误解 — 波束成形不是产生能量的技术,而是汇聚能量的技术。总辐射功率只与阵元数成正比,轴上声压升高只是把本该散向侧面的能量转向了前方的结果。
- "扫描范围是软件问题"的误解 — 扫描角的上限由阵元间距而非代码决定。d一旦确定,最大扫描角就已经定死了。
- 近场里波束宽度公式不成立 — 上述波束宽度近似式全部以远场(夫琅禾费区)为前提。在第7篇算出的瑞利距离(直径100mm·40kHz下约0.92m)以内,波束反而按孔径尺寸原样前进,扫描也不会如预期那样进行。
- 扫描了载波,可听声的指向性并不会原样跟随 — 可听声是由沿波束分布在数米范围内的虚拟声源产生的。折弯载波波束就要求整根虚拟声源柱一起倾斜,因此扫描角越大,实际可听声的方向与载波瞄准方向之间的误差就越大。
- 阵元个体差异会直接变成旁瓣 — 即使用加权设计到−43dB,若阵元间灵敏度·相位偏差大,实测旁瓣也降不到那个水平。在使用大量阵元的设计中,阵元筛选与逐个校正决定了性能的实际上限。
小结
波束成形是用时间差(相位)造出波前方向的技术,其质量由d ≤ λ/2的间距规则与阵列几何决定。用本篇得到的数字重写一遍——40kHz下间距4.29mm以下,30°扫描需要相邻阵元间6.25μs的延迟,3°波束需要32个阵元与137mm的孔径,均匀驱动的旁瓣为−13dB,若用10mm阵元则在±59°出现幽灵波束——这五个就是阵列设计的坐标。下一篇,我们把视线收窄到单个阵元——把电变成声的心脏,压电效应。
系列导读
《定向扬声器的科学》按以下顺序连载。
- 什么是定向扬声器 — 声音的手电筒
- 把声音载入听不见的声音 — 工作原理第一步
- 定向扬声器应用案例 — 展览·安全·零售·办公
- 什么是超声波 — 定义·种类·传播特性
- 为什么是超声波 — 产生原理与应用地图
- 空气变成扬声器的魔法 — PAA非线性声学
- PAA理论深入 — Berktay·Westervelt·KZK
- 瞄准声音 — 相控阵与波束成形(本篇)
- 后续:压电效应、换能器设计、奈奎斯特、调制、信号处理
本系列由笔者亲自研究、整理超声定向声学技术的自制讲义改编为博客形式,图片摘自该讲义。
参考资料
- P. J. Westervelt, "Parametric Acoustic Array," JASA 35(4), 535 (1963):超声波束的非线性相互作用产生差频声这一结果的原典——被扫描对象即该波束的本质
- H. O. Berktay, "Possible exploitation of non-linear acoustics in underwater transmitting applications," JSV 2(4), 435 (1965):可听声与载波声压平方成正比的关系——旁瓣在可听声中被双倍抑制的依据
- M. Yoneyama et al., "The audio spotlight: An application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of loudspeaker design," JASA 73(5), 1532 (1983):将多个超声阵元排布于平面的最早的空气中参量扬声器实现
- K. Aoki, T. Kamakura & Y. Kumamoto, "Parametric loudspeaker — characteristics of acoustic field and suitable modulation of carrier ultrasound," Electron. Commun. Jpn. (Part III) 74(9), 76 (1991):阵列型参量扬声器的声场·指向特性实测
- F. J. Harris, "On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform," Proc. IEEE 66(1), 51 (1978):本文旁瓣表(−13.3 / −31.5 / −42.7 / −58.1dB)与主瓣宽度倍率的出处——把窗函数原样用作空间加权
- W. Zhuang et al., "A steerable non-paraxial Gaussian beam expansion for a steerable parametric array loudspeaker," JASA 153(1), 124 (2023):被扫描的参量阵列的声场模型——扫描角增大时可听声波束与载波瞄准发生偏离的问题
- S. Nakagawa et al., "Beam Steering of Portable Parametric Array Loudspeaker," APSIPA ASC 2019, 1824:小型参量阵列的电子扫描实现与测量
- G. Olszewski et al., "Steerable highly directional audio beam loudspeaker," Interspeech 2005, 137:把超声阵列扫描应用于语音重放的早期案例
- J. Li et al., "Piezoelectric micromachined ultrasonic transducer array for micro audio directional speaker," IEEE ICMA 2013, 450:把阵元缩至微米量级以解除半波长间距约束的PMUT阵列路线
- H. E. Bass, L. C. Sutherland & A. J. Zuckerwar, "Atmospheric absorption of sound: Further developments," JASA 97(1), 680 (1995):40kHz载波的大气吸收——被扫描波束实际能到达的距离上限
- Phased array — Wikipedia:相位控制扫描与栅瓣条件 sinθ = sinθ₀ ± λ/d 的概览