CN107847981B - 用于发送和/或接收声学信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过发送和/或接收声学信号的装置(1)。所述装置包括壳体(2)和换能器单元(5)，该壳体具有至少一个第一通道(3)和一个第二通道(4)，这些通道分别使所述装置(1)的内部容积与所述装置(1)的周围环境连接，该换能器单元设置成用于沿第一方向和第二方向发出声学信号和/或被来自第一和第二方向的声学信号激励，其中，所述第一通道(3)在所述第一方向的与所述换能器单元(5)相反的侧上终止并且所述第二通道(4)在所述第二方向的与所述换能器单元(5)相反的侧上终止，并且其中，所述换能器单元(5)布置在所述装置(1)的所述内部容积中并且如此关于所述通道(3、4)布置，使得从所述换能器单元(5)发出的声波通过所述通道(3、4)传导至所述装置(1)的所述周围环境和/或来自所述装置(1)的所述周围环境的声波通过所述通道(3、4)传导至所述换能器单元(5)。

Description

用于发送和/或接收声学信号的装置

技术领域

本发明涉及一种用于发送和/或接收声学信号的装置。

背景技术

用于发送和/或接收声学信号的装置、例如超声传感器尤其经常用于车辆技术的领域中。在这样的超声传感器中，典型地将电声换能器与膜片耦合。在此，电声换能器的机械振动被传递到膜片上，以便产生尽可能大的声辐射面。在此，从大的膜片面脱离的声音从膜片直接辐射到待测量的空间中或者在接收声学信号时以逆转的方式被膜片接收。然而由此产生在有效发射功率方面的损耗，因为未利用从膜片背面辐射的声音。

由DE102007021616A1和DE10018807A1已知分别具有声传导元件的超声传感器。

发明内容

根据本发明的、用于通过发送和/或接收声学信号来探测周围环境的装置包括壳体和换能器单元，该壳体具有至少一个第一通道和一个第二通道，这些通道分别将所述装置的内部容积与所述装置的周围环境连接，该换能器单元设置成用于沿第一方向并且沿第二方向发出声学信号和/或被来自第一和第二方向的声学信号激励，其中，第一通道在第一方向的与换能器单元相反的侧上终止并且第二通道在第二方向的与换能器单元相反的侧上终止，并且其中，换能器单元布置在所述装置的内部容积中并且如此关于通道来布置，使得从换能器单元发出的声波通过通道传导至所述装置的周围环境和/或来自所述装置的周围环境的声波通过通道传导至换能器单元。

以该方式设立特别有效和精确的声学传感器。使得能够实现：从换能器单元发出的声波有针对性地发出到所述装置的周围环境中。降低了损耗，该损耗在声波、即声学信号从换能器单元发出的方向不相当于所述装置的期望的发送和/或感测方向时产生。然而由换能器单元发送的声学信号的不直接沿所述装置的期望的发送和/或接收方向发出的这些分量也对所述装置发送的声学信号作出贡献。此外，实现在换能器单元的构型中的高自由度，因为第一方向和第二方向(声学信号沿这些方向发出)不必与所述装置的发送和/或感测方向一致。此外，换能器单元被保护免受有害的环境影响，因为该换能器单元借助于所述通道与所述装置的周围环境分开。

从属权利要求示出本发明优选的扩展方案。

有利的是，换能器单元这样通过壳体封闭，使得该换能器单元将所述通道的位于所述装置的内部容积侧上的端部相互分开。因此，使得能够实现经过不同通道传导的声波的有效分开并且禁止这些声波的可能导致消除的、不希望的叠加。

也有利的是，换能器单元包括电声换能器和第一膜片，其中，电声换能器设置成用于激励第一膜片振动和/或被该第一膜片激励而振动。在此，第一和第二方向尤其位于膜片的不同侧上。因此，振动的电声换能器的前侧和后侧的运动被转化为至少一个声波柱

的相应行程功。

也有利的是，换能器单元还包括第二膜片，其中，电声换能器设置成用于激励第二膜片振动和/或被该第二膜片激励而振动，其中，从第一膜片发出的声波通过第一通道传导至所述装置的周围环境并且从第二膜片发出的声波通过第二通道传导至所述装置的周围环境和/或来自所述装置的周围环境的声波通过第一通道传导至第一膜片并且通过第二通道传导至第二膜片。因此，使得能够实现，两个不同的膜片被同样的电声换能器激励。在此，防止从不同膜片发出的声波的不希望的叠加。

也有利的是，在第一膜片和第二膜片之间的容积通过第三通道与所述装置的周围环境连接。因此，所述装置包括第三通道，该第三通道使所述装置的内部容积与所述装置的周围环境连接，其中，从第一膜片和第二膜片发出的声波通过第三通道传导至所述装置的周围环境和/或来自所述装置的周围环境的声波通过第三通道既传导至第一膜片也传导至第二膜片。以该方式，也将从换能器单元发出并且不能够明确地配属于所述膜片中的一个膜片的这些声波有针对性地传导至所述装置的周围环境中并且由此进一步提升所述装置的效率。

此外有利的是，所述通道通过一个共同的输出开口在所述装置的周围环境中终止。以该方式，使在所述装置的壳体中的开口数量最小化，由此更少的脏物能够侵入到所述装置中。此外，如果要以任意的方式密封所述开口，则使花费最小化。此外，如果该开口例如位于车辆元件的外侧上，则获得美观方面的优点。

同样有利的是，所述通道通过各一个输出开口在所述装置的周围环境中终止。由此得到在通道构型方面的附加自由度。也能够实现声学信号的更大面积的辐射和/或设立大面积的接收表面。因此，使得传感器被外部元件的遮盖变困难。

此外有利的是，所述通道中的每个通道分别具有纵轴线，其中，所述通道的纵轴线尤其输出开口侧上相对彼此不平行。因此，所述通道沿关于所述装置的周围环境而言的不同方向发出分别经过这些通道传导的声波。为此，所述通道的位于所述装置的周围环境侧上的端部相对彼此不同地取向。因此，能够以特别简单的方式影响所述装置的辐射特性。也能够实现，通过仅一个根据本发明的装置监控多个方向。

优选地，在所述装置的通道中的至少一个通道在周围环境侧上借助于柔性保护层覆盖。因此，禁止污物侵入到壳体中。

此外有利的是，所述通道中的至少两个通道具有不同的长度，其中，这些通道的长度尤其相差声学信号的半个波长。所述通道尤其分别具有如此选择的长度，使得在所述装置的周围环境侧上产生分别经过这些通道传导的声波的正叠加。因此，能够实现所述装置的特别高的效率。相应情况在接收声学信号时也适用。

也有利的是，所述通道中的至少一个通道在所述装置的内部容积和所述装置的周围环境之间具有附加开口，污物可以通过该附加开口排出并且该附加开口的直径小于相应通道的直径。以该方式，避免所述通道的堵塞并且确保所述装置的可用性。因为附加开口的直径根据本发明小于相应通道(所述附加开口位于该相应通道中)的直径，使得声波经过所述通道传导时的损耗最小化，因为该声波几乎不进入到附加开口中。

此外优选地，所述装置是超声传感器。

附图说明

下面参照附图详细说明本发明的实施例。在附图中示出：

图1根据本发明第一实施方式的、用于通过发送和/或接收声学信号来探测周围环境的装置，

图2相应于本发明第二实施方式的、用于通过发送和/或接收声学信号来探测周围环境的装置，和

图3在第三实施方式中的本发明装置的多个输出开口的示例性布置。

具体实施方式

图1示出在第一实施方式中通过发送和/或接收声学信号来探测周围环境的装置1。装置1包括壳体2，该壳体具有至少一个第一通道3和一个第二通道4，这些通道分别将装置1的一个内部容积与装置1的周围环境连接。壳体2在该第一实施方式中是传感器壳体，该传感器壳体是不透声的物体。在此，不透声意味着，壳体2具有相应的质量并且由相应的材料组成，使得该壳体通过由装置1的换能器单元5发出的声学振动仅以小的程度被激励而振动。要指出的是，壳体2在替代的实施方式中同样可以是满足与发送和/或接收声学信号无关的其他任务的构件。因此壳体2例如可以是保险杠、前照灯或车辆的其他构件。在该实施方式中，装置1的内部容积由壳体2内部的空腔形成。第一通道3从装置1的内部容积通向一个共同的输出开口10，该输出开口布置在壳体2的表面上。第二通道4同样使装置1的内部容积与所述共同的输出开口10连接。因此，第一通道3和第二通道4通过所述共同的输出开口10在所述装置的周围环境中终止。

装置1还包括换能器单元5，该换能器单元包括至少一个电声换能器6和一个第一膜片7，其中，电声换能器6设置成用于激励第一膜片7振动和/或被该第一膜片7激励而振动。换能器单元5布置在装置1的内部容积中。第一膜片7的外周边通过壳体2在装置1的内部容积中的内壁来封闭。因此，装置1的内部容积通过膜片7划分成第一区域21和第二区域22。第一通道3从第一区域21通向所述共同的输出开口10。第二通道4从第二区域22通向所述共同的输出开口10。电声换能器在该第一实施方式中是压电元件。

电声换能器6在第一膜片7的中心布置。如果电声换能器6被激励而振动，那么第一膜片7随着电声换能器6振动，其中，声波沿第一方向发出，该第一方向在该实施方式中是朝着第一区域21的方向并且由此朝着第一通道3的方向，并且声波沿第二方向发出，该第二方向在该实施方式中是朝着第二区域22的方向并且由此朝着第二通道4的方向。

因为第一通道3在第一区域21中终止并且第二通道4在第二区域22中终止，并且第一区域21通过第一膜片7与第二区域22分开，由此得出，第一通道3和第二通道4在换能器单元的不同侧上终止。

换能器单元5如此关于通道3、4布置，使得由换能器单元5、尤其由第一膜片7发出的声波通过多个通道、即第一通道3和第二通道4传导至装置1的周围环境。相反地，来自装置1的周围环境的声波通过这些通道3、4传导至换能器单元5。同时，换能器单元5通过第一膜片7这样由壳体2封闭，使得换能器单元5将通道3、4的位于所述装置的内部空间侧上的端部彼此分开。

第一通道3和第二通道4分别具有如此选择的长度，使得在装置1的周围环境侧上产生分别经过这些通道传导的声波的正叠加。在此，通道3、4的长度分别是在所述共同的开口10和第一膜片7之间的路径距离。如果在该实施方式中将第一膜片7置于振动中，则引起在第一区域21的侧上的声波和在第二区域22的侧上的声波，所述声波形成两个彼此以180°相位差的声学信号。因此，第一通道3的长度大于第二通道4的长度，其中，第一通道3的长度比第二通道4的长度大这样的路径距离，使得经过第一通道3传播的声波在共同的输出开口10处相对于经过第二通道4传导的声波延迟半个振动周期。因此，产生分别经过第一通道3和第二通道4传导的声波的正叠加。

通道3、4中的每个通道在装置1的内部容积和装置1的周围环境之间具有一个附加开口11，污物可以通过该附加开口排出并且该附加开口的直径小于对应通道3、4的直径。附加开口11具有相对于通道3、4的横截面积可忽略的开口直径。因此，由声学信号引起的、沿着附加开口11传播的声功率可忽略。附加开口11通过附加通道13与装置1的周围环境连接。因此使得能够实现，进入到第一通道3或第二通道4中的异物、例如冷凝水或脏物可以再次排出。

除了附加开口11之外替代地或附加地，共同的输出开口10在装置1的周围环境侧上借助于柔性保护层12覆盖。在该第一实施方式中，柔性保护层12是跨越所述共同的输出开口10的薄膜。替代于薄膜，在输出开口10上布置另一声穿透层、例如格栅。该声穿透层对于从换能器单元5出发的声波而言是可穿透的，但是保护装置1免受来自装置1的周围环境的物质的侵入。

通过在考虑声传播时间或者说声速的情况下通道长度的合适构型，在示出的构型中声流由此在通过所述共同的输出开口10释放到待测量的介质中之前已经在壳体内部叠加。在此，传播时间优选如此选择，使得该传播时间在结构设计上放大。通过声导路在相遇之前近似平行的导向在很大程度上防止到相邻通道上的过耦合。

图2示出在第二实施方式中用于发送和/或接收声学信号的装置1。第二实施方式基本上相当于第一实施方式。然而在该第二实施方式中，换能器单元5还具有第二膜片8，其中，电声换能器6设置成用于激励第一膜片7和第二膜片8振动和/或被第一膜片7和第二膜片8激励而振动。第二膜片8以相应于第一膜片7的方式布置在装置1的内部容积中。第一区域21由第一膜片7并且附加地通过第二膜片8与第二区域22分开。第三区域23位于第一膜片7和第二膜片8之间。因此，第一区域21通过第一膜片7与第三区域23分开。第三区域23通过第二膜片8与第二区域22分开。电声换能器6在第一侧上与第一膜片7连接并且在与第一侧相对置的第二侧上与第二膜片8连接。因此，电声换能器6既被第一膜片7也被第二膜片8承载。如果电声换能器6被激励而振动，则该电声换能器如此收缩，使得第一膜片7和第二膜片8相对彼此被拉近，或者如此延展，使得第一膜片7和第二膜片8相对彼此被压离。

在该第二实施方式中，电声换能器6由多个压电元件14形成，这些压电元件相互堆叠。

因为第一膜片7连接在第一区域21上并且第一区域21通过第一通道3与所述共同的输出开口10连接，由第一膜片7发出的声波通过第一通道3传导至所述装置的周围环境。因为第二膜片8邻接于第二区域22并且第二区域22通过第二通道4与所述共同的输出开口10连接，由第二膜片8发出的声波通过第二通道4传导至所述装置的周围环境。在接收来自所述装置的周围环境的声波时得到相反的效果，其中，来自所述装置的周围环境的声波通过第一通道3传导至第一膜片7并且通过第二通道4传导至第二膜片8。

如果在该实施方式中第一膜片7和第二膜片8被置于振动中，那么引起在第一区域21的侧上的声波和在第二区域22的侧上的声波，所述声波形成彼此同相的声学信号。因此，在该实施方式中第一通道3和第二通道4具有相同的长度。因此，在该第二实施方式中也产生分别经过第一通道3和第二通道4传导的声波的正叠加。

在该第二实施方式中，装置1还包括第三通道9，该第三通道使装置1的内部容积与装置1的周围环境连接。在该第二实施方式中，第三通道9使第三区域23与所述共同的输出开口10连接。因此，在第一膜片7和第二膜片8之间的容积通过第三通道9与所述装置的周围环境连接。如果电声换能器6被激励而振动，则在第一区域21和第二区域22中得到彼此同相的声波。此外，在第三区域23中得到相对于在第一区域21和第二区域22中的声波反相的声波。为了产生所有声波在输出开口10处的叠加，如此选择第三通道9的长度，使得相位偏移被补偿。

第三通道9的长度小于第一和第二通道3、4的长度，其中，第三通道9的长度比第一和第二通道3、4的长度小这样的路径距离，使得经过第三通道9传播的声波相对于经过第一或第二通道3、4传播的声波移位半个振动周期，并且在输出开口10处产生分别经过第一通道3、第二通道4和第三通道9传导的声波的正叠加。因此，所述通道3、4、9中的至少两个通道(这里是第一通道3和第三通道9以及第二通道4和第三通道9)具有不同的长度。在此，这些通道的长度差为声学信号的半个波长。

因为第三区域23和第三通道9位于第一膜片7和第二膜片8之间，由第一膜片7以及由第二膜片8发出的声波都通过第三通道9传导至所述装置的周围环境。相应地，在接收来自所述装置的周围环境的声波时，该声波通过第三通道9既传导至第一膜片7也传导至第二膜片8。

可看出，在电声换能器6的这种布置中，电声换能器6的相对运动至少取决于通过第一膜片7和第二膜片8施加到该电声换能器上的力，也取决于电声换能器6的振动频率。在优选实施方案中，如此平衡该力关系，使得电声换能器6在该电声换能器的与第一膜片7和第二膜片8连接的端面之间具有一点，该点在电声换能器6被激励时相对于壳体2不运动或者仅稍微运动。电声换能器在该点上具有接触部，电声换能器6通过该接触部与相应的电子部件连接，所述电子部件适用于激励电声换能器6或者适用于分析处理电信号，该电信号在通过来自装置1的周围环境的声波激励电声换能器6时得出。

图3示出在第三实施方式中的用于发送和/或接收声学信号的装置1的部分示图。第三实施方式相当于本发明的第一或第二实施方式，然而在该第三实施方式中通道3、4、9不在共同的输出开口10中终止，而是分别通过分开的输出开口10a、10b、10c与装置1的周围环境连接。这样第一通道3在第一输出开口10a中终止，第二通道4在第二输出开口10c中终止，并且第三通道9在第三输出开口10b中终止。因此可看出，能够以简单的方式使输出开口10的数量适配于通道3、4、9的数量。在此，还有利的是，任意数量的通道3、4、9在一个共同的输出开口10中终止并且其他通道在附加的输出开口中终止。因此，实现通道3、4、9在壳体2中构型的高自由度。在图3中示出的第三实施方式中，输出开口10a、10b、10c指向相同方向，该方向在图3中垂直于壳体2的表面。因此，图3示出通道3、4、9的替代导向，在该导向中声振动通过开口面分别在空间上隔开间距地耦合到待测量的介质上。

由物理基础已知，空气的各个彼此间隔开的声振动如何在测量空间中、即在装置1的周围环境中相互叠加。相应地选择在输出开口10a、10b、10c之间的间距。

在替代的实施方式中，通道3、4、9沿着关于装置1的周围环境而言不同的方向发出分别经过这些通道传导的声波。这例如通过以下方式实现：通道3、4、9以不同的角度达到壳体2的同一表面上，或者通道3、4、9在壳体2的不同表面上出来，这些表面相对彼此成所选择的角度。因此，通道3、4、9的各个纵轴线在输出开口10a、10b、10c的侧上相对彼此不平行。

一般性地要注意，电声换能器6的端侧能够在相应电操控的情况下相应于图1和2示出的双箭头来回运动。第一膜片7和第二膜片8固定在电声换能器6的端面上，所述膜片尽可能地、尤其在所述膜片的边缘区域如此刚性地设计，使得所述膜片这样接收通过电声换能器6作用到所述膜片上的力，使得这些膜片经受尤其小于电声换能器的最大行程的20％的弯曲。

根据本发明的基本构思是，所有通过电声换能器6产生的力导致膜片运动并且不出现支撑换能器的力。

膜片运动在通道3、4、9中导致相应的压力波动并且在第三通道9中导致反相的压力波动。本领域技术人员已知，在不可压缩的理想空气介质的前提下，压力由膜片面积和通道3、4、9的相应横截面的面积比例确定。

除了上面提到的书面公开，详细地参阅图1至3的公开。

Claims (11)

1.装置(1)，用于通过发送和/或接收声学信号来探测周围环境，所述装置包括：

壳体(2)，该壳体具有至少一个第一通道(3)和一个第二通道(4)，这些通道分别使所述装置(1)的内部容积与所述装置(1)的周围环境连接，

换能器单元(5)，该换能器单元设置成用于沿第一方向并且沿第二方向发出声学信号和/或被来自第一和第二方向的声学信号激励，

其中，所述第一通道(3)在所述第一方向的与所述换能器单元(5)相反的侧上终止并且所述第二通道(4)在所述第二方向的与所述换能器单元(5)相反的侧上终止，并且其中，所述换能器单元(5)布置在所述装置(1)的所述内部容积中并且如此关于所述通道(3、4)来布置，使得

-从所述换能器单元(5)发出的声波通过所述通道(3、4)传导至所述装置(1)的所述周围环境和/或

-来自所述装置(1)的所述周围环境的声波通过所述通道(3、4)传导至所述换能器单元(5)，

其中，所述换能器单元(5)包括电声换能器(6)和第一膜片(7)，其中，所述电声换能器(6)设置成用于激励所述第一膜片(7)振动和/或被该第一膜片(7)激励而振动，

其特征在于，所述换能器单元(5)还包括第二膜片(8)，其中，所述电声换能器(6)设置成用于激励所述第二膜片(8)振动和/或被该第二膜片(8)激励而振动，其中，

-从所述第一膜片(7)发出的声波通过所述第一通道(3)传导至所述装置(1)的所述周围环境并且从所述第二膜片(8)发出的声波通过所述第二通道(4)传导至所述装置(1)的所述周围环境和/或

-来自所述装置(1)的所述周围环境的声波通过第一通道(3)传导至所述第一膜片(7)并且通过所述第二通道(4)传导至所述第二膜片(8)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述换能器单元这样通过所述壳体封闭，使得该换能器单元将所述通道的位于所述装置的所述内部容积的侧上的端部相对彼此分开。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述第一膜片(7)和所述第二膜片(8)之间的容积通过第三通道(9)与所述装置(1)的所述周围环境连接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述通道(3、4、9)通过一个共同的输出开口(10)在所述装置(1)的所述周围环境中终止。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述通道(3、4、9)分别通过一个输出开口(10a、10b、10c)在所述装置(1)的所述周围环境中终止。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述通道(3、4、9)中的每个通道分别具有纵轴线，其中，所述通道(3、4、9)的所述纵轴线相对彼此不平行。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述通道(3、4、9)中的至少一个通道在所述装置(1)的周围环境侧借助于柔性保护层覆盖。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述通道(3、4、9)中的至少两个通道具有不同的长度。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述通道(3、4、9)中的至少一个通道在所述装置(1)的所述内部容积和所述装置(1)的所述周围环境之间具有附加开口(11)，污物能够通过该附加开口排出并且该附加开口的直径小于相应通道(3、4、9)的直径。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述通道(3、4、9)的所述纵轴线在所述输出开口(10a、10b、10c)侧相对彼此不平行。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述至少两个通道的长度相差所述声学信号的半个波长。

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