CN105324186A - 电声转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明所基于的构思在于，创造一种电声转换器(1)，所述电声转换器将厚度振动器和弯曲转换器的已知方案的特性和优点相互组合。为此，根据本发明设置一种电声转换器(1)，所述电声转换器包括壳体(180)和振动结构(110)。所述振动结构通过至少一个压电元件(150)、膜片(120)和声学传输器(140)构造。根据本发明设置，所述膜片(120)构造为弯曲振动器，而所述声学传输器(140)构造为厚度振动器。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的电声转换器。
背景技术
US2010/0020646A1描述了一种超声转换器，所述超声转换器提供在转换器材料的振动表面(压电陶瓷)和在其中传输振动的介质之间的传输路径，其中提及具有基本上杆状的传输元件的所谓的λ/2谐振器(厚度振动器)，所述杆状的传输元件在形状、长度和横截面方面可变。然而，传输元件的优选的长度尤其相应于λ/4。传输元件的构型取决于在谐振频率时要实现的声学辐射特性。在一种实施方式中，传输元件集成在声转换器的保护壳体中。
US8,320,218B2从在US2010/0020646A1中所描述的具有前部和后部传输元件的压电超声转换器出发与泊车系统结合地描述了一种以遮盖的安装方式、例如在保险杠中的超声转换器。在此，前部的杆状的传输元件构造为连接元件，还包括一平板、例如材料面(保险杠、车门)的一部分，超声转换器遮盖地安装在所述平板上。所述平的区域是谐振结构的一部分并且通过电声转换器激励。此外，描述了遮盖地且保护地安装超声转换器的方法。
DE102009040264A1描述了一种长形的超声转换器，所述超声转换器如此与车辆的构件耦合，使得超声转换器的纵向轴线基本上与构件的表面垂直地耦合，其中为了在激活超声转换器时产生超声波引起构件的局部的厚度振动。因此，可以实现超声瓣的改善的辐射特性并且实现遮盖的安装。DE102009040264A1涉及一种长形的超声转换器，其具有比宽度尺寸更大的长度尺寸，所述超声转换器由多个片构造，可以构造为整体的压电陶瓷或者杆状的压电元件。
发明内容
本发明提出一种用于电声转换器的新式的构造，所述电声转换器尤其适于遮盖地安装，例如在车辆的挡板元件中。
本发明基于以下构思：创造一种电声转换器，所述电声转换器将厚度振动器和弯曲转换器的已知方案的特性和优点相互组合。因此，例如在弯曲转换器中压电元件的电接通装置可以容易地从外部接触。此外，相对于通常的(λ/2厚度振动器)，压电陶瓷材料不必须预先施加压力。这是有利的，因为压电陶瓷通常可以仅仅以小程度地承受拉应力(Zugbeanspruchung)，而不会损害。此外，在根据本发明的构造中，能够通过例如硅酮泡沫简单地实现振动从外部的衰减。为了调节谐振频率(工作频率)，不仅厚度振动器而且弯曲振动器的几何参数和材料参数可供使用。通过适合地选择参数，可以根据所期望的应用来选择例如相对于公差稳健的设计。
为此，根据本发明设置一种电声转换器，其包括壳体和振动结构。所述振动结构通过至少一个压电元件、膜片和声学传输器构造。在此，膜片尤其理解为板，所述板虽然与其面相比具有小的厚度并且因此可以实施在垂直于其表面的方向上的弯曲振动，然而具有一定的弯曲刚性。
根据本发明，膜片与压电元件连接，从而可以根据电声转换器的已知原理将机械振动从膜片传输到压电元件上并且产生相应的电信号。通过给压电元件施加相应的电信号产生传输到膜片上的机械振动。为此，设置有电用于接通压电元件的电极的连接机构。
声学传输器将振动传输给膜片或者从膜片传输振动。为此，声学传输器具有第一表面和与所述第一表面平行的第二表面，其中声学传输器的第一表面与膜片耦合，而声学传输器的第二表面适于发射和/或接收声波。在此，耦合理解为能够实现声波的传输的机械连接。
根据本发明设置，膜片构造为弯曲振动器而声学传输器构造为厚度振动器。声学传输器尤其构造为所谓的λ/2厚度振动器，其中λ相应于振动结构的厚度振动的波长并且取决于材料的声速和振动的频率。当通过激励产生的波长是λ/2的多倍时，传输器处于谐振中。
通过入射到声学传输器的第二表面上的声波，声学传输器根据本发明被激励成厚度振动，换言之，被激励成在纵向方向上的周期性的长度变化。因为声学传输器与膜片连接，所以所述厚度振动又引起膜片的弯曲振动。与膜片连接的压电元件将所述弯曲振动转换成电信号。为了产生声波，给压电元件施加相应的电信号。由此，膜片被激励成弯曲振动。所述弯曲振动产生声学传输器的相应的厚度振动并且声波由声学传输器的第二表面辐射。
因此，根据本发明的电声转换器可以用作周围环境检测系统中的传感器，如其在载客车辆或者机器人中所使用的那样。为了检测周围环境，可以发射超声信号，所述超声信号在周围环境中的对象上被反射。所反射回的回波信号可以由传感器接收并且由相应的电子器件以已知的方式进一步处理。因此，例如可以识别障碍物并且避免碰撞。
从属权利要求示出本发明的优选扩展方案。
在本发明的一种优选实施中，声学传输器的第一表面与膜片的第一表面耦合。膜片的第二表面与压电元件连接，例如通过压电元件的粘接。这种构造可以通过以下实现：膜片在第一表面上与声学传输器的第一表面如此连接，使得保证声学振动的尽可能无损失的传输。这例如可以通过借助适合的粘合材料的粘接或者焊接或者螺纹连接实现。替代地，膜片也可以与声学传输器或者声学传输器的部分元件单件式地构造。
压电元件优选全平面地与膜片粘接。压电元件的形状可以是圆形的、椭圆形的、有角的或者任意的。此外，能够实现具有压电元件的环形构造的实施。
在根据本发明的电声转换器的一种特别优选的实施中，声学传输器包括基本上杆状的元件和板。在此，杆状应当理解为，所述元件坚固地构造并且具有在纵向方向上的主延伸。端面可以任意地成形，例如圆形、椭圆形或者矩形。同样可以设想，端面不同大小和/或不同形状地构造。杆状元件的端面与膜片连接。另一端面与板连接，其中膜片和/或板也可以与杆状元件单件式地构造。因此，板的背向杆状元件的表面构成声学传输器的第二表面，所述第二表面适于发射和/或接收声波。通过板和杆状元件的端面之间的形状和面积的比例以及通过板的厚度来确定电声转换器的辐射特性。通过所述参数的相应选择，可以相对于信号强度的角相关性以及相对于谐振频率来调节电声转换器的所期望的辐射特性。通常的频率位于30至150kHz的范围中。
板例如可以构造为车辆的挡板元件、尤其保险杠的一部分。在此，板可以与挡板元件单件式地构造或者构造为分离的部件。当板具有比环绕的挡板元件更小的厚度时，对于声学辐射特性是有利的。因此，挡板元件例如可以在构造板的区域中具有减小的材料厚度有利地，厚度为0.1至10mm，或者一般而言，板的直径和板的厚度之间的比例为约10/1。
根据本发明的电声转换器的壳体与挡板元件的内表面如此连接，使得电声转换器从外部不可见。由此得出以下优点：转换器可以被保护免受周围环境影响、例如污物或者潮湿地布置。此外得出创造性的优点。为此，壳体也可以与挡板元件单件式地构造。
为了将电声转换器的振动结构固定在壳体上，膜片优选可以借助支承结构固定在壳体上。为此，壳体例如可以具有减小的壁厚度的环绕区域，在所述环绕区域上膜片固定在边缘区域中，例如通过粘接或者夹合。替代地，所述支承也能够可移动地实施，例如其方式是，膜片和壳体之间的接触面积与膜片的总面积相比是小的并且因此柔性地实施。
替代地或附加地，杆状元件可以借助支承结构保持在壳体上。优选地，支承结构尤其布置在杆状元件的高度上，所述高度相应于振动结构的谐振振动的振动波节(Schwingungsknoten)。因此，支承结构位于以下位置处：在所述位置处杆状元件在激励的厚度振动时仅仅经受小的长度变化或者甚至不经受长度变化。因此，使支承机构仅仅微小地机械负荷。
在本发明的一种实施方式中，杆状元件具有朝与膜片连接的第一表面的方向和/或朝与板连接的端面的方向减小的横截面。因此，杆状元件朝膜片的方向和/或朝板的方向逐渐尖细。通过杆状元件和膜片或者板之间的、由此得到的减小的连接面积引起，仅仅小地阻碍膜片和/或板的振动特性、尤其弯曲。这引起对于入射的声波的改善的灵敏度以及所发射的声学信号的更大的信号强度。
在杆状元件和板的接合时，保持杆状元件和板的准确的相对定位以便实现电声转换器的所期望的辐射特性是重要的。因此，根据本发明的另一优选实施设置，杆状元件在其面向板的端面上具有至少一个安装辅助元件。所述安装辅助元件可以构造为凹部或者隆起部。也可以设置隆起部和凹部的组合。板在其面向杆状元件的端面的表面上具有至少一个互补的安装辅助元件。通过安装辅助元件在杆状元件和板的端侧上的彼此配合实现杆状元件和板的所设置的尤其中心的定位。在板和杆状元件之间的角定向例如对于实现确定的辐射特性是重要的实施方式中，可以通过安装辅助元件的相应的例如非旋转对称的布置来确保正确的角定向。
附图说明
以下，参照附图详细描述本发明的实施例。附图示出：
图1示出根据本发明的第一实施的电声转换器；
图2示出根据本发明的第二实施的电声转换器；
图3示出根据本发明的第三实施的电声转换器；
图4结合在声学传输器的厚度方向上的偏移的示图示出根据本发明的第一实施的电声转换器。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的第一实施的电声转换器1的示意性纵剖图。电声转换器1包括壳体180以及振动结构110。振动结构110包括压电元件150，所述压电元件在所述示例中实施为压电陶瓷片。在此，压电陶瓷片粘接在膜片120的下侧122上。压电陶瓷片基本上具有与膜片120相同的表面形状和大小并且与膜片120齐平。
如果给压电陶瓷片150施加相应的电压信号U，则这可以使膜片120振动。为此，设置有电连接机构190，所述电连接机构与压电元件150的电极接通并且在此仅仅示意性示出。
在膜片的上侧121上固定有杆状元件145。在此，杆状元件的第一表面141与膜片连接。所述固定例如可以通过螺纹连接和/或焊接和/或粘接实现。杆状元件145借助其第二表面(端面)146固定、尤其粘接在板240上。板240单件式地与挡板元件200连接，所述挡板元件在所述示例中是机动车的保险杠或者镶边。
壳体180例如通过粘接固定在挡板元件200的内侧上，因此所述电声转换器从外部不可见。在所述示例中，壳体180基本上是圆柱形的并且由金属、例如铝组成。所述壳体平行于杆状元件145的振动方向地具有高的阻抗(所述壳体是僵硬的和/或重的)，从而尽可能小地保持进入到壳体180中的振动。膜片120支承在壳体180的边缘区域185中。壳体180在所述边缘区域185中具有较小的壁厚度。支承部170可以固定地、例如通过夹合或者粘接地实施。替代地，支承部170可以具有一定的可移动性，这通过以下实现：膜片120和壳体180之间的接触面是小的并且因此柔性地实施。
板240的向外定向的表面142适于发射和/或接收声波。板240和杆状元件145共同构成根据本发明的声学传输器140，所述声学传输器可以通过膜片120的弯曲振动激励成厚度振动。在接收情形中，所述原理恰好相反。声波到达表面142并且激励板240。所述板激励杆状元件145，所述杆状元件又激励膜片120以便进行弯曲振动。因为压电元件150粘接在膜片120上，所以在压电元件150上产生电压信号，所述电压信号可以通过电连接机构190测量并且为了分析处理可以进行进一步处理。一般而言，振动结构110在确定的谐振频率时振动。在此，振动结构110的纵向延伸d相应于谐振振动的半波长(λ/2)。纵向延伸d基本上由杆状元件145的长度来确定，所述杆状元件因此也称作λ/2厚度振动器。
在图4中示意性示出厚度振动的偏移A。x轴相应于纵向方向，y轴相应于振动结构的偏移。所述偏移相应于振动的半波长。最大偏移在振动结构110的相应端部x1、x2上出现。在中间xm，所述偏移基本上是零，相应于振动波节。
为了制造膜片120和杆状元件145，可以利用金属、例如铝或者不锈钢。也可以使用在理想情况下不具有在-40℃至+85℃的温度范围中的玻璃转化温度的塑料。由多种不同材料的组合同样是可能的。杆状元件的长度根据发射频率和对于杆状元件145所使用的材料的选择以及根据声波的与之相连的传播速度来选择。为了避免杆状元件145的斜置，主要当杆状元件145与板240或者膜片120的尺寸相比非常长时，杆状元件145可以通过另一支承结构175固定在壳体180上。支承结构175优选可以布置在杆状元件145的一半高度h上。选择支承结构175的所述中间位置，因为在那里厚度振动的振动振幅最小。所述位置相应于在根据图4的示图中的位置xm处的振动波节。
在本发明的在图1中示出的实施中，膜片120、杆状元件145、壳体180和板240实施为分离的构件。替代地，膜片120和杆状元件145也可以单件式地构造。替代地，膜片120可以与壳体180单件式地构造和/或壳体180可以与板240或者挡板元件200单件式地构造。
为了保护电声转换器1向外部更好地免受周围环境影响、例如潮湿或者灰尘，还可以设置另一遮盖部(未示出)。
在图2中以纵剖图示意性示出电声转换器1的第二实施例。电声转换器1的基本构造和功能相应于在图1中示出的转换器。相同元件设置有相同的参考标记。在所述实施例中，与在图1中示出的电声转换器的区别是，小于膜片120地构造压电元件150。压电元件150中心地固定在膜片120的下侧上。膜片120和杆状元件145单件式地构造。在图2中示出的电声转换器1附加地具有用于安装辅助由杆状元件145和板240组成的装置的机构148、248。为此，作为安装辅助元件，凹部148中心地构造在杆状元件145的端面146上。板240在其面向端面146的表面246上互补地具有隆起部248。在杆状元件145和板240的接合时，隆起部248配合到凹部148中。由此确保，杆状元件相对于板240正确地定位。定位中的偏差可能引起在电声转换器1的辐射特性和/或谐振频率方面的不期望的偏差，尤其可能发生到所参与的结构中的非中心的力导入，由此可能产生在其他坐标方向上的不期望的所谓的“寄生振动”。所述偏差和不期望的效应通过安装辅助元件来避免。
在图3中以纵截图示意性示出电声转换器1的第三实施例。电声转换器1的基本构造和功能相应于在图1中示出的转换器。相同元件设置有相同的参考标记。在所述实施例中，与在图1中示出的电声转换器的区别是，杆状元件145如此构造，使得所述杆状元件具有朝与膜片120连接的第一表面141的方向减小的横截面。换言之，杆状元件145朝其与膜片120连接的端部的方向逐渐尖细地构造。通过杆状元件145和膜片120之间的由此得出的减小的连接面积引起，通过杆状元件仅仅微小地阻碍膜片的振动、尤其弯曲。附加地或替代地也可以设想，杆状元件的面向板240的端部逐渐尖细地构造。附加地或替代地可以设置，杆状元件145的端面141和146中的一个或两个具有中心的凹部，所述中心的凹部引起，杆状元件145和膜片120或者板140之间的相应的连接面环形地构造。由此，实现膜片120或者板240的振动的阻碍的进一步减小。
Claims (10)
1.一种电声转换器(100)，其包括：
壳体(180)；
振动结构(110)，所述振动结构包括至少一个压电元件(150)、膜片(120)和声学传输器(140)；
电连接机构(190)，所述电连接机构用于接通所述压电元件(150)的电极；
其中，所述膜片(120)与所述压电元件(150)连接；
其中，所述声学传输器(140)具有第一表面(141)和与所述第一表面平行的第二表面(142)；
其中，所述声学传输器(140)的第一表面(141)与所述膜片(120)耦合，而所述声学传输器(140)的第二表面(142)适于发射和/或接收声波；
其中，所述膜片(120)构造为弯曲振动器，而所述声学传输器(140)构造为厚度振动器。
2.根据权利要求1所述的电声转换器，其特征在于，所述声学传输器(140)的第一表面(141)与所述膜片(120)的第一表面(121)耦合，而所述膜片(120)的第二表面(122)与所述压电元件(150)连接、尤其粘接。
3.根据权利要求1或2所述的电声转换器，其特征在于，所述声学传输器(140)包括杆状元件(145)和板(240)。
4.根据权利要求3所述的电声转换器，其特征在于，所述板(240)构造为挡板元件(200)、尤其保险杠的一部分，其中，所述壳体(180)与所述挡板元件(200)的内表面如此连接，使得所述电声转换器从外部不可见。
5.根据权利要求4所述的电声转换器，其特征在于，所述板(240)与所述挡板元件(200)的环绕区域相比具有更小的材料厚度，其中，所述板的直径和所述板的厚度之间的比例尤其是约10/1。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电声转换器，其特征在于，所述膜片(120)借助支承结构(170)固定在所述壳体(180)上。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的电声转换器，其特征在于，所述杆状元件(145)借助支承结构(175)保持在所述壳体(180)上，其中，所述支承结构(175)尤其布置在所述杆状元件(145)的高度(h)上，所述高度相应于所述振动结构(110)的谐振振动的振动波节。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的电声转换器，其特征在于，所述杆状元件(145)具有朝与所述膜片(120)连接的第一表面(141)的方向减小的和/或朝与所述板(240)连接的端面(146)的方向减小的横截面。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的电声转换器，其特征在于，所述杆状元件(145)在其面向所述板(240)的端面(146)上具有至少一个安装辅助元件(148)，所述至少一个安装辅助元件构造为凹部或者隆起部，其中，所述板(240)在其面向所述端面(146)的表面(246)上具有至少一个互补的安装辅助元件(248)，其中，通过所述安装辅助元件(148，248)的彼此配合实现所述杆状元件(145)和所述板(240)的所设置的尤其中心的定位。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电声转换器，其特征在于，所述压电元件(150)四边形或者圆形或者环形或者椭圆形或者任意形地构造并且全平面地与所述膜片(120)粘接。
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