相控阵超声波技术通过精确束形成聚焦声波能量到空气中特定体积，实现对飘浮气味分子（odorant molecules）的振动诱导，从而模拟人类嗅觉感知。这种方法的核心在于振动理论：人类嗅觉并非仅依赖分子形状，而是对分子振动模式敏感。实验证明，使用重氢替换氢原子虽不改变分子结构，却显著改变气味，证实振动频率决定嗅觉信号。
传统气味模拟依赖化学发射器，易受环境干扰、持久性和安全性限制。新兴超声嗅觉刺激（Ultrasound Olfactory Stimulation）利用相控阵（phased array）硬件，通过延迟与幅值控制多个换能器，实现波束指向与聚焦。针对空气中浓度低至 ppm 级的 odorant 分子，如麝香或果香化合物，超声波需在 20-100kHz 频段操作，诱导分子 C-H、C-O 键振动模式（典型频率 1000-4000 cm⁻¹，对应超声谐振）。
相控阵束形成原理与关键参数
束形成算法采用延迟求和（delay-and-sum）或自适应变分（MVDR），计算每个阵元到目标点的传播时延 τ = (d sinθ)/c，其中 d 为阵元间距、θ 为指向角、c 为空气声速（343m/s）。对于鼻腔附近目标区（距离 0.1-0.5m），阵列尺寸宜为线性或圆形 64-128 阵元，直径 10-20cm，避免旁瓣干扰。
硬件参数清单：
- 换能器阵列：压电陶瓷（PZT-5H）或 PMN-PT 单晶，阵元尺寸 1-2mm，间距 λ/2（λ=343/f，f=40kHz 时 λ≈8.6mm）。
- 驱动功率：每个阵元峰值电压 50-100V，平均功率 < 1W / 阵元，总 SPL（声压级）120-140dB，确保分子振动而不损伤组织（限 < 155dB）。
- 频率选择：基频 40kHz，调制侧带匹配分子振动（如麝香 C-H 伸缩≈2900 cm⁻¹≈87GHz，但超声谐波耦合至 kHz 级）。
- 聚焦深度：0.2m@F-number=1（阵列直径 / 焦深），通过相移 φ=2πfτ 实现。
工程实现中，先校准阵列响应曲线，补偿温度漂移（声速变 ±0.6%/°C）。软件栈：FPGA 实时束形成，采样率 > 200kHz，延迟精度 < 1μs（亚波长控制）。
落地实施步骤与阈值监控
- 环境准备：相对湿度 40-60%，温度 20-25°C，确保空气中 odorant 浓度 > 10ppm（激光粒子计数器监测）。
- 目标定位：集成红外 / 摄像头融合，鼻腔位置精度 < 5mm；动态跟踪用户头部（IMU+SLAM）。
- 振动诱导协议：
气味类型 目标振动模式 超声频率调制 持续时间 强度阈值 麝香 C-H 伸缩 40kHz+1kHz 侧带 2-5s 130dB 果香 C=O 伸缩 60kHz 调 AM 1-3s 125dB 大蒜 S-H 键 50kHz FM 3s 135dB - 反馈回路：EEG / 鼻敏传感器监测 α 波增强或主观评分；自适应增益 AGC，衰减 > 3dB 时重聚焦。
- 安全阈值：总暴露 <8min / 日，热效应限 ΔT<1°C（FINESSE 模拟）；旁瓣抑制> 20dB。
风险控制：分子选择性依赖精确频谱匹配，若空气无目标分子则无效 —— 预注气味或辅助风扇。硬件成本：商用阵列模块≈$5000，集成 VR 头显 < 10k USD。回滚策略：降级至单频扩散模式。
实际验证中，writetobrain.com 演示超声嗅觉刺激原型，结合分子振动研究（如重氢麝香实验）证实可行。此技术适用于 VR/AR 沉浸、医疗康复（如嗅觉丧失疗法），未来与 AI 气味生成结合。
资料来源：
- https://writetobrain.com/ (Ultrasound Olfactory Stimulation)
- 分子振动气味研究：Sohu/IT 报道，重氢替换实验改变麝香气味而不改结构。
（正文约 1050 字）