Diff-PAT

2021. 06. 08

Acoustic Hologram Optmisation based on Automatic Differentiation and Stochastic Gradient Descent

自動微分を用いた音響ホログラム最適化法

Acoustic holograms are the keystone of modern acoustics. They encode three-dimensional acoustic fields in two dimensions, and their quality determines the performance of acoustic systems. Optimisation methods that control only the phase of an acoustic wave are considered inferior to methods that control both the amplitude and phase of the wave. In this paper, we present Diff-PAT, an acoustic hologram optimisation platform with automatic differentiation. We show that in the most fundamental case of optimizing the output amplitude to match that of the target amplitude; our method with only phase modulation achieves better performance than conventional algorithm with both amplitude and phase modulation. The performance of Diff-PAT was evaluated by randomly generating 1000 sets of up to 32 control points for single-sided arrays and single-axis arrays. This optimisation platform for acoustic hologram can be used in a wide range of applications of PATs without introducing any changes to existing systems that control the PATs. In addition, we applied Diff-PAT to a phase plate and achieved an increase of >8 dB in the peak noise-to-signal ratio of the acoustic hologram.

音響ホログラムは3次元の音響場の情報を2次元に圧縮し,再生する技術を指し,近代の音響工学において重要な役割を果たしています.音響ホログラムの精度はその音響システムそのもの性能も左右し,位相のみを最適化する手法は音圧と位相の双方を最適化する手法よりも劣っていると考えられていました.本プロジェクトでは自動微分を基盤とする音響ホログラム最適化手法Difff-PATを開発し,出力音圧をターゲットの音圧に合わせる目的であれば音圧と位相の双方を最適化する従来法よりも,Diff-PATの方が精度が高いことを示しました.Diff-PATの精度は1000個のランダムターゲットを生成し,最大32個の焦点を結び,単軸及び片面フェーズドアレイを用いて検証しました.この音響ホログラム最適化法はフェーズドアレイを用いる様々な場面(例えば音響浮揚や超音波触覚ディスプレイ,音響立体ディスプレイ)で応用することができ,最小限の変更で組み込むことができます.また,Diff-PATをフェーズドプレート(水中音響)にも応用し,従来法よりもPSNRが8dB以上,向上させることに成功しました.

Tatsuki Fushimi*, Kenta Yamamoto*, Yoichi Ochiai

* Equal Contribution (共同第一著者)