大规模全息声镊系统实现三维声场精准合成与粒子动态操控

　　本研究提出一种基于四面对称阵列的大规模全息声镊（AHAT）系统，通过2304个独立控制的换能器单元实现0.18°超高相位精度调控，在空气中合成单焦点、双陷阱、涡旋及复杂图案声场，成功实现1mm聚苯乙烯颗粒的悬浮捕获与0.1mm精度轨迹操控，为生物医学领域提供新型非接触式粒子操纵平台。

　　

亮点

该系统通过增加单元数量承载更多声场信息内容，实现更精密复杂的声场生成与稳定捕获。图1展示了可同时驱动2304个超声换能器的大规模AHAT方案，四组阵列各含576个24×24排列单元，每个换能器对应独立通道。

声场合成仿真

基于底部24×24阵列，我们进行了单焦点和多焦点声场合成的仿真计算。超声换能器等效为远场圆活塞模型，其传播函数依赖于第一类一阶贝塞尔函数。参照文献中的BFGS和IB算法，通过相位优化实现声场精准构建。

讨论

系统在声场合成的数值模拟与实验评估中均展现优异性能，证实其在高精度声场生成与粒子操控方面的可行性。我们开发了优化时反算法，在频域而非时域提取相位分布，此举提升各换能器相位精度，降低背景噪声，改善边缘清晰度，并显著提升合成效率。

结论

本研究设计并实现了基于微控制器的大规模相位精确空中全息声镊系统，每个通道能精确调节相位，成功合成聚焦、双陷阱、涡旋等单波束声场及复杂图案。通过计算声场中粒子所受声辐射力，验证了系统在生物医学粒子操控中的应用潜力。