相控阵波束形成技术在空气介质中应用于超声嗅觉刺激（ultrasound smells），通过精确控制换能器阵列各阵元的相位和幅度，实现声束的电子转向与聚焦。这种方法无需物理气味物质，即可诱发人类嗅觉幻觉，潜在用于虚拟现实、医疗康复等领域。其核心在于空气中超声波的高衰减特性下，优化聚焦以产生足够的声流（acoustic streaming）和热效应，同时平衡振动与加热，避免组织损伤。
相控阵波束形成原理
相控阵超声系统由多个压电换能器阵元组成线性或二维阵列，每个阵元独立驱动。波束形成依赖延时 - 求和（delay-and-sum）算法：为聚焦目标点，计算各阵元到焦点的传播路径差 Δτ = (d sinθ + r)/c，其中 d 为阵元间距，θ 为转向角，r 为焦距，c 为空气声速（约 343 m/s）。相位移 φ = 2π f Δτ，f 为频率。通过 FPGA 或 DSP 实时生成相位移，实现动态聚焦。
在空气中，超声衰减 α ≈ 1.5×10^{-3} f^2 dB/m（f in MHz），高频衰减剧烈，故宜选 40-100 kHz 中频段。文献显示，类似医疗 tFUS 系统采用 833 kHz 阵列聚焦脑部，但空气应用需更高功率补偿衰减。相控阵的优势在于无机械移动，扫描范围广，支持多焦点合成。
例如，16 元线性阵列（阵元尺寸 16.7×7.7 mm），驱动 150 V 峰峰值脉冲，可在 12 mm 焦距产生 1.15 MPa 压力，横向分辨率 1.6 mm。该参数经优化后适用于空气嗅觉聚焦，转向角 ±60°。
空气介质聚焦挑战与调谐
空气非均匀介质，温度 / 湿度影响 c，导致相位误差。需自适应 beamforming：监测回波相位，迭代调整 φ。幅度调谐 A_i 控制阵元功率，优化旁瓣抑制：目标 FoM = 效率 × 分辨率，迭代几何设计最小化栅瓣。
聚焦产生两关键效应：
- 声流振动：非线性效应下，超声梯度驱动空气粒子流速 v_s ≈ (1+α_p) P_a / (2 ρ c)，P_a 为声压，ρ 空气密度，α_p 非线性系数。振动频率匹配嗅觉神经（~20-200 Hz 调制），激活鼻腔上皮纤毛。
- 热效应：吸收功率 I 转热，ΔT = (2 α I τ)/ (ρ C_p)，τ 暴露时间，C_p 比热。低强度 tFUS（<720 mW/cm²）安全，但空气需更高 I 以补偿衰减。
平衡策略：脉冲模式，占空比 D=10-20%，调制包络产生低频振动主导。证据显示，writetobrain.com 报道的超声嗅觉刺激即利用此机制，无需接触。
可落地工程参数
硬件清单：
- 阵列：64 元线性相控阵，阵元间距 λ/2（λ=c/f，f=60 kHz 时～5.7 mm）。
- 驱动：多通道 Tx/Rx ASIC，峰压 2 MPa，SNR>60 dB。
- 介质：空气，27°C，湿度 50%。
软件参数：
| 参数 | 值 | 说明 |
|---|---|---|
| 频率 f | 40-80 kHz | 平衡穿透与分辨 |
| 焦距 r | 10-50 cm | 鼻腔靶向 |
| 转向角 θ | -45°~45° | 覆盖嗅区 |
| 相移精度 | <1° | FPGA 实现 |
| 幅度范围 | 0-1 (归一) | 旁瓣 <-40 dB |
| I_SPTA | <100 mW/cm² | FDA 热指数限 |
| 暴露 τ | <6 s / 点 | 机械指数 MI<1.9 |
聚焦法则：
- 发射：动态聚焦，Δτ 计算后数字相移。
- 接收：后向 beamforming，提升信噪。
实施步骤：
- 校准阵列一致性（激光超声测量响应）。
- 模拟 Field II 建模声场，优化阵型。
- 实测水箱验证压力场，后空气测试热像仪监测 ΔT。
- 集成安全：红外测温、声压传感器，阈值超限自动衰减。
安全监控与风险控制
风险：过热烧伤、声空化（空气少见）。限值：热指数 TI<1，机械指数 MI<1.9。监控点：
- 实时 ΔT<1°C/6min。
- 功率反馈回路，PID 控制。
- 回滚：异常时切换 CW 模式或关断。
人体试验前，动物模型验证嗅觉激活（EEG 嗅区响应）。参数落地确保分辨 < 2 mm，效应稳定。
最后，资料来源：writetobrain.com（Ultrasound Olfactory Stimulation）；IEEE TBioCAS 论文（相控阵设计，2021）；NDT 相控阵参考。
（正文字数：约 1250 字）