CN116569068A - 用于机动车辆的超声波传感器组件和机动车辆 - Google Patents

Abstract

一种用于机动车辆(16)的超声波传感器组件(1)，包括：超声波传感器(2)，具有壳体(4)、与壳体(5)机械分离的超声波膜(5)和用于激励振动和检测超声波膜(5)的振动的声换能器元件(7)；和布置在超声波膜(5)前面的由声学超材料制成的屏障部分(3)。超材料优选是宽带超材料，其可以在角度范围内以非谐振方式隧穿。屏障部分(3)可以优选地形成在成形部件(13)中，例如机动车辆(16)的外蒙皮或内镶板的车身金属板。

Description

用于机动车辆的超声波传感器组件和机动车辆

技术领域

本发明涉及用于机动车辆的超声波传感器领域，更具体地，涉及用于机动车辆的超声波传感器组件和机动车辆。

背景技术

已知的超声波传感器具有壳体、与壳体机械分离的超声波膜以及用于激励振动和检测超声波膜的振动的声换能器元件。

这种类型的超声波传感器可以用于利用脉冲回波方法测量距机动车辆附近的物体或距车辆的内部的物体的距离。由换能器元件激励的超声波膜以超声波信号的形式发射能量。然后，声换能器元件检测超声波膜中的振动，该振动源自从机动车辆附近或内部返回的回波信号。基于信号飞行时间来确定与物体的距离。这种测量例如被机动车辆的停车辅助系统使用。

期望的特性是发射超声信号后超声传感器的短盲时间、低背景噪声和高信噪比。换句话说，所测量的返回回波信号的高幅度以及壳体和可能的其它部件的低水平结构振动是所希望的。

因此，传统上，超声波传感器优选地被无覆盖地布置，无需在超声波膜和待测量的车辆环境或内部之间布置额外的部件。如果需要有覆盖地安装，例如在车辆外蒙皮后面，则采取措施来降低覆盖部件的结构噪声，例如在覆盖部件上布置阻尼元件。

文献DE 102010044998A1教导了一种具有凹部的挡泥板，以允许通过凹部进行超声波检测，该凹部覆盖有不干扰传感器的检测功能的柔性膜。薄膜将超声波传感器耦接到车辆外部。

文献DE 102012208059 A1教导了一种传感器组件，其具有集成在挡泥板中的传感器单元，其中膜由挡泥板自身形成。

DE 102015113195 A1教导了一种超声波传感器，其被布置成在镶板部分的第一区域中隐藏在镶板部分之后。镶板部分的第一区域和超声波传感器的膜以这样的方式机械耦接，即反射的超声波信号激励膜和镶板部分产生机械振动。在镶板部分的围绕第一区域的第二区域中，多个通孔被布置成阻尼镶板部分的振动。

DE 102017209823 A1教导了一种超声波传感器，其振动膜形成为声学超材料，声学超材料在膜的频带内表现出共振行为。

US 2017059697 A1教导了一种布置，其中超声波传感器在成形部件的内侧后面被覆盖，并且旨在检测成形部件外侧上的物体。预加载结构将超声波传感器压靠在成形部件的内侧，其中耦接元件布置在超声波传感器和内表面之间。在耦接元件外部的区域中，阻尼材料被附接到成形部件的内侧。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是提供一种用于车辆的改进的超声波传感器组件和一种改进的机动车辆。

如G.D.Aguanno等人在“Broadband metamaterial for nonresonant matchingof acoustic waves”，Sci.Rep.2,340：DOI：10.1038/srep003401(2012)中所述，本申请的发明人提出了使用宽带超材料进行非谐振阻抗匹配的构思，该文献于2020年10月21日在https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3314304/？tool＝pmcentrez可获取，用于医疗诊断目的和其他微机械系统，也可以在机动车辆环境或内部的超声波测量领域中提供优势，并且在进一步考虑和实验的基础上，最终实现了下述解决方案。

根据第一方面，提出了一种用于机动车辆的超声波传感器组件，其包括：超声波传感器，具有壳体、与壳体机械分离的超声波膜、以及用于激励振动和检测超声波膜的振动的声换能器元件；以及设置在超声波膜前面并由声学超材料制成的屏障部分(screensection)。

发明人通过实验发现了令人惊讶的效果，与未覆盖的超声波传感器相比，布置在超声波膜前面的声学超材料不仅没有减小对应于反射超声波的测量信号的幅度，而且还显著增大了该幅度。因此，信噪比可以显著提高。

同时，有利的是，屏障部分可以在视觉上和机械上覆盖超声波传感器，从而保护它例如免受视角和冲击等的影响。

特别地，屏障部分以覆盖超声波膜的方式布置在超声波膜的前面。“覆盖”被理解为是指从超声波膜发射到待测量的空间区域(机动车辆环境或机动车辆内部)中的超声波以及从那里反射回超声波膜的超声波在每种情况下都穿过屏障部分。“未覆盖”被理解为意味着超声波可以不受阻碍地发射到待测量的空间区域中并从其反射回来，即，在待测量的空间区域中，在超声波膜和待测量的物体之间只有空气。

超声波膜可以从超声波传感器的壳体声学上解耦，例如通过由诸如硅树脂的声学软材料制成的解耦环。超声波膜可以插入壳体的开口中，其中解耦环布置在超声波膜和开口的壳体内边缘之间。

声换能器元件可以是基于机械感应、机械电容、机械电阻、磁致伸缩或电致伸缩原理的声换能器元件。例如，声换能器元件可以是压电元件。声换能器元件可以粘结到壳体内侧的超声波膜上、焊接到其上或者以不同的方式连接到超声波膜上。声换能器元件可以通过松散的解耦线连接到超声波传感器的外部布线的电接触部。

屏障部分可以是机动车辆的较大形状部件的一部分，其仅在布置在超声波传感器的超声波膜前面的区域中形成屏障部分。然而，屏障部分也可以包括独立屏幕或类似物的基本上整个区域，该独立屏幕或类似物设置在超声波膜的前面，用于覆盖超声波膜的特定目的。

声学超材料应特别理解为通过结构化处理赋予其有利声学特性的材料，这些有利声学特性是未加工或非结构化材料所不具备的。

声学超材料尤其可以是根据上文引用的D'Aguanno等人的出版物中描述的原理设计的超材料，该出版物被明确引用。

根据一个实施例，声学超材料是宽带声学超材料，其可以至少在入射角范围内被超声波以非共振方式隧穿。

具体而言，“宽带”应被理解为意指声学超材料不仅对于具有特定谐振频率的超声波，而且对于例如40至60kHz、优选16至100kHz的宽频带中的超声波都是均匀良好可渗透的。

短语“能够以非共振的方式隧穿”尤其意味着入射到声学超材料上的超声波在其到达的介质(例如空气)中和声学超材料中“感觉”到相同的声阻抗，从而无论在入射表面还是在出射表面都基本上不发生反射，而不管超声波的频率如何，也不管声学超材料的厚度如何。

“非共振”应特别被理解为指当通过声学超材料发生隧穿时，超材料内不会产生共振压力膨胀。这种非共振隧穿能力对应于声学超材料的宽带性质。

非共振隧穿能力优选地至少存在于超声波入射角范围内，该超声波入射角范围包括声学超材料的屏障部分的表面上的基本垂直的入射方向。实际上，相对于表面法线的角度范围可以在0°和30°到85°之间。

换句话说，由声学超材料构成的屏障部分的一侧上的声阻抗可以与待测量的空间区域中的空气的声阻抗相匹配，并且屏障部分的另一侧上的声阻抗也可以与空气的声阻抗相匹配，或者也可以与布置在另一侧上的超声波传感器的超声波膜的声阻抗相匹配。

根据另一实施例，声学超材料由声学硬基底材料形成，在该声学硬基底材料中形成了具有多个通孔的网格。

特别地，“声学硬”被理解为表示在未加工状态下具有高声阻的基底材料，并且当声波在未加工状态下入射到该基底材料上时，在该基底材料中发生反射。声学硬基底材料的例子是例如可以是车辆的外壳的一部分的金属片、可以是车辆的内部镶板的一部分的塑料板等。

具体地，所述多个通孔可以是具有圆形截面的开口，其从屏障部分的一侧延伸到屏障部分的相对侧。

与声学超材料的其他可能的实施例相比，具有多个圆形通孔的网格的结构有利地以特别有利的传输特性(transmission properties)为特征。

根据另一实施例，每个通孔的直径小于由超声波膜发射和接收的超声波的波长。

待发射和接收的超声波的频率，即超声波膜的固有频率，例如在16和100kHz之间，优选在40和60kHz之间，特别优选为50kHz。因此，在20℃的温度下，由超声波膜发射和接收的超声波的最终波长在21和3mm之间，优选在9和6mm之间，特别优选值为7mm。其它温度产生不同的波长。各个开口的直径特别优选地选择为具有比20℃时相应的预期波长小2倍或更多的值，优选为整数倍，例如1mm。

根据另一个实施例，网格的两个相邻开口之间的距离大于开口的直径，并且小于由超声波膜发射和接收的超声波的波长。

例如，孔间距可以选择在2至4mm之间，特别优选为2.5mm。

发明人能够使用这样的声学超材料，该声学超材料包括由钢、铝或塑料制成的板状屏障部分，该板状屏障部分具有孔间距为2.5mm且孔直径为1mm的穿孔网格，以实现接收信号幅度的增加以及信噪比的相应提高——取决于超声波膜和屏障部分之间的距离——与超声波传感器的未覆盖布置相比提高了1.5至10倍。

一种有利的变型提供了用不同于基底材料的填充材料填充通孔。优选地，填充材料是声学上柔软的材料，例如硅树脂。这允许实现封闭的表面。

根据另一实施例，所提出的超声波传感器组件还包括成形部件，超声波传感器以超声波膜面对成形部件的方式安装在该成形部件上，并且成形部件包括位于超声波膜前面部分中的声学超材料的屏障部分。

具体地，成形部件可以由与形成声学超材料相同的基底材料形成，例如由金属片或塑料形成。

特别地，成形部件可以与屏障部分整体形成。屏障部分可以回溯地形成在成形部件中，例如通过对成形部件穿孔。

成形部件可以是在机动车辆中具有预定功能的成形部件，在一个方案中，超声波传感器可以附加地附接到该成形部件，并且在该成形部件上，通过结构化在超声波传感器的超声波膜前面的区域中形成声学超材料的屏障部分。这允许传感器隐藏在成形部件后面，同时仍然允许用高回波信号幅度测量成形部件的另一侧的空间区域。

替代地，成形部件可以被提供用于在其上安装超声波传感器和形成屏障部分的特定目的。例如，设想提供一种超声波传感器，其原则上可以无覆盖地安装在车辆中或车辆上，具有仅需要比超声波传感器稍大的屏障，并且旨在利用超声波传感器组件的声学超材料的屏障部分的优点。

根据一个实施例，超声波传感器通过连接到安装支架的超声波传感器的壳体的外壁附接到成形部件，并且该支架在屏障部分外部的区域中紧固到成形部件，其中超声波膜的表面在成形部件的屏障部分后面平行于成形部件布置。

以这种方式，壳体可以有利地稳定安装在成形部件上，而与壳体机械分离的传感器膜不附接到成形部件或者与成形部件机械分离。

根据另一实施例，成形部件是车身的成形部件。

特别地，车身成形部件可以形成车辆的外蒙皮的一部分。因此，超声波传感器组件可以隐藏在车辆的外蒙皮后面，从而可以将隐藏布置的优点(防止外部机械影响、空气动力学和设计规格)与声学超材料的优点(即回波信号的信号幅度明显更高)相结合。声学超材料可以通过对车辆的外蒙皮进行结构化处理来形成，即在车辆的外蒙皮中形成具有带合适孔距和开口直径的通道开口的网格，从外部几乎看不到，如上所述。

根据另一个实施方案，成形部件是车体面板、挡泥板、车辆翼子镜(wing mirror)的下壳、防窥屏或车辆内饰板。

具有安装在车身面板后面或挡泥板后面或内部的超声波传感器的超声波传感器组件可用于监控车辆周围环境。具有安装在车辆内部镶板后面的超声波传感器的超声波传感器组件可用于监控车辆内部。一种具有超声波传感器的超声波传感器组件，设置在车辆翼子镜的下壳的后面或上面，可用于监测地面上坑等的深度。

根据进一步的实施例，超声波膜与屏障部分接触。

特别地，超声波膜可以在没有接触压力和/或没有固定到屏障部分的情况下与屏障部分接触。

特别地，声学超材料的面向超声波膜的一侧的声阻抗可以与超声波膜的声阻抗相匹配。

在本实施例中，可以有利地实现回波信号幅度急剧增加的观察效果。

此外，阻尼元件，例如钻孔或阻尼材料，可以在屏障部分外部设置在成形部件上。以这种方式，可以进一步抵消成形部件中的结构噪声的形成。

根据另一个实施例，超声波膜和屏障部分机械分离。

根据进一步的实施例，在超声波膜和屏障部分之间形成气隙。

气隙是将超声波膜从屏障部分或成形部件机械分离的一种可行方式。由于超声波膜也与超声波传感器的壳体机械分离，因此在超声波膜和超声波传感器的壳体安装在其上的成形部件之间没有机械或声学耦合。因此，成形部件很少受到结构振动的激励。因此，可以有利地省去成形部件上的阻尼元件，例如附着的阻尼材料、设计用于阻尼的钻孔等。

由于所提出的声学超材料的良好传输特性，不必将超声波膜与屏障部分机械耦接。空气间隙可以优选地薄，特别优选地薄于1mm，并且特别优选地薄于0.1mm或者甚至更薄。在这种情况下，可以特别容易地实现声学超材料放大回波信号的有益效果。

根据第二方面，提出了一种具有至少一个如上所述的超声波传感器组件的机动车辆。

针对第一方面的超声波传感器组件描述的特征、优点和实施例也相应地适用于第二方面的机动车辆。

机动车辆尤其可以是客车或重型货车。机动车辆可以具有辅助系统，例如驾驶辅助系统或停车辅助系统，其可以特别地被配置用于车辆的半自动或全自动驾驶。半自动驾驶被理解为例如停车辅助系统控制转向设备和/或自动档位选择系统。完全自主驾驶被理解为意味着，例如，辅助系统还控制驱动装置和制动装置。辅助系统可以以硬件的形式和/或软件的形式实现。在以硬件形式实现的情况下，辅助系统可以是例如计算机或微处理器的形式。在以软件形式实现的情况下，辅助系统可以是计算机程序产品、函数、例程、程序代码的一部分或可执行对象的形式。特别地，辅助系统可以是车辆的上级控制系统的一部分，例如ECU(发动机控制单元)。

该辅助系统可以使用所提出的超声波传感器组件，用于借助基于脉冲回波方法的超声波测量来监控或测量机动车辆的环境和/或机动车辆的内部。

根据一个实施例，成形部件形成机动车辆的外蒙皮的一部分，并且超声波传感器安装在成形部件的面向车辆内部的一侧上，使得由成形部件的屏障部分覆盖的超声波膜相对于机动车辆面向外。

超声波传感器组件因此可以隐藏在机动车辆的外蒙皮后面。声学超材料可以通过结构化处理来形成，例如通过在超声波传感器的超声波膜的区域中对外蒙皮进行穿孔。然后，执行的超声测量受益于增加的回波信号幅度。在超声波膜不与机动车辆的外蒙皮耦合的实施例中，所执行的超声波测量也受益于在外蒙皮中不激发结构传播噪声的事实。

由于开口非常小——最好小于超声波的波长——外壳的设计几乎不受影响。

还可以设想提供一种清洁装置，该清洁装置在必要时或定期地通过擦拭、冲洗或吹送来清洁声学微材料中的开口，并保持它们没有灰尘和雨水。清洁装置可以以与挡风玻璃刮水器技术领域中的类似清洁装置相同的方式设计。

根据另一实施例，成形部件是设置在车辆内部的成形部件，并且超声波传感器安装在成形部件上的相对于机动车辆面向外的一侧上，使得由成形部件的屏障部分覆盖的超声波膜面向车辆内部。

在车辆内部的监控中，有利的是不存在由于灰尘和雨水渗透而导致的问题，因此所提出的解决方案在这里特别适用。

还可以想到的是，成形部件形成机动车辆翼子镜的一部分，并且超声波传感器在成形部件的内侧上安装在成形部件上，使得由成形部件的屏障部分覆盖的超声波膜相对于机动车辆面向下。

这允许测量车辆下方的表面，例如坑的深度。此外，由于测量方向指向下方，因此声学超材料中的开口也面向下方，因此降低了灰尘和雨水进入声学超材料的开口的风险。

本发明的其他可能的实施方式还包括上面或下面关于示例性实施例描述的没有明确提及的特征或实施例的组合。在这种情况下，本领域的技术人员也将添加单独的方面作为对本发明的相应基本形式的改进或添加。

附图说明

本发明进一步有利的配置和方面是从属权利要求和下面描述的本发明示例性实施例的主题。下面参照附图基于优选的示例性实施例进一步更详细地解释本发明。

图1示出了根据第一示例性实施例的超声波传感器组件的截面示意图；

图2示出了根据第二示例性实施例的超声波传感器组件的截面示意图；

图3示出了根据第三示例性实施例的机动车辆的示意性平面图；

图4示出了根据示例性实施例的具有由声学超材料制成的屏障部分的成形部件的示意性平面图；

图5示出了用未覆盖的超声波传感器测得的回波信号的曲线图；

图6示出了当被图4的成形部件的屏障部分覆盖时，用图5的超声波传感器测得的回波信号的曲线图；和

图7示出了覆盖有超材料的超声传感器和未覆盖的超声传感器的角度相关传输波束(transmission beam)特性的曲线图。

具体实施方式

除非另有说明，图中相同或功能相同的元件具有相同的附图标记。

图1示出了根据第一示例性实施例的超声波传感器组件1的截面示意图。超声波传感器组件1包括超声波传感器2和屏障部分3。

超声波传感器1具有壳体4，该壳体由声学硬塑料制成。超声波膜5安装在由声学软材料、如硅树脂制成的解耦环6中。诸如压电元件的声学换能器元件7被粘接到超声波膜5的内表面。由压电元件7、超声波膜5和解耦环6组成的组件被装配到壳体4的开口中。

压电元件7通过解耦线8连接到第一金属接触销9。解耦线8可以具有过长的长度，因此不处于张力下。第二金属接触销10从壳体4向外伸出。印刷电路板11安装到金属接触销9、10上。用于压电元件7的电控制的电子部件12安装在印刷电路板11上。

机动车辆(图3中的16)的控制单元(图3中的23)因此可以通过未示出的导线和接触销10连接到超声波传感器2的电子部件12，并且通过向超声波传感器2传输电信号，使得部件12致动压电元件7并激励超声波膜5振动，从而发射超声波信号。类似地，机动车辆的控制单元可以从超声波传感器2接收电信号，电信号指示由压电元件7检测的超声波膜5的振动，并且以这种方式测量接收到的或反射的超声波信号。

应当注意，超声波膜5和压电元件7的组件通过解耦环6装配到壳体4的开口中，并且通过解耦线8电接触。以这种方式，超声波膜5与壳体4完全机械分离。

屏障部分3布置在超声波传感器2的超声波膜5的前面，并且特别是由宽带声学超材料制成，这将在后面详细描述。

屏障部分3特别是与超声波传感器2分开设置。屏障部分3特别地没有用于将超声波传感器2耦接到屏障部分3的耦接元件。可以在超声波膜5和屏障部分3之间形成薄的气隙，以便使超声波膜5与屏障部分3和连接到屏障部分3的其他未示出的部件(成形部件、支架等)机械分离。然而，也可以设想，超声波膜5在没有接触压力的情况下与屏障部分3接触。

有利地，以这种方式布置的屏障部分3的声学超材料可以显著提高由超声波传感器2提供的测量信号的信噪比。

图2示出了根据第二示例性实施例的超声波传感器组件1的截面示意图。

第二示例性实施例的超声波传感器组件1的超声波传感器2和屏障部分3可以是例如第一示例性实施例的超声波传感器2和屏障部分3，并且不再描述。

在第二示例性实施例中，屏障部分3是与成形部件13一体形成的部分，并且由与成形部件13相同的声学硬基底材料制成。也就是说，第二示例性实施例的屏障部分3是成形部件13的一部分。

成形部件13例如可以是机动车辆的外蒙皮的一部分，例如门外面板、挡泥板、翼面板等。然而，成形部件13也可以由塑料制成，并且可以是例如挡泥板、防窥屏、车辆内部镶板等。因为成形部件13由声学上硬的基底材料形成，所以在成形部件13中可能出现结构声或结构振动。

在成形部件13的屏障部分3中，成形部件13的基底材料通过结构化处理形成为声学超材料。

支架14安装在壳体4的外侧。支架14又紧固到成形部件13上。特别地，支架14在屏障部分3外部的区域中紧固到成形部件13。超声波传感器2由支架14保持，使得超声波传感器2的超声波膜5平行于成形部件13布置在成形部件13的屏障部分3后面。因此，在屏障部分3的声学超材料和超声波传感器2的超声波膜5之间形成空气间隙15，优选大约0.1mm厚。

因此，尽管分别由声学硬材料制成的成形部件13、支架14和超声传感器2的壳体4彼此机械耦接，但是如基于第一示例性实施例所解释的，超声膜5与超声传感器2的壳体4机械分离。此外，超声波膜2也通过气隙15与成形部件13机械分离。由于由声学超材料制成的屏障部分3也可以由超声波以非共振的方式遂穿，所以由成形部件13、支架14和壳体4组成的结构的结构振动对由超声波传感器组件1提供的测量信号的质量的任何影响都被严重地降低。

根据第二示例性实施例的衍生，超声波膜5与屏障部分3或者声学超材料3接触。这意味着根据该衍生，没有提供气隙15。屏障部分3的声学超材料的声阻抗可以与超声波膜5的在面对超声波传感器2的一侧上的声阻抗相匹配。

根据该衍生，可以实现超声波膜5和成形部件13之间的无声学解耦或较弱的声学解耦。然而，由于更好的阻抗匹配，在没有气隙15的情况下，由声学超材料3带来的放大测量的回波信号的幅度的效果可变得更强。这使得信噪比进一步提高。

为了成形部件13的更好的声学解耦，根据该衍生，阻尼元件，例如阻尼材料、阻尼钻孔或类似物，可以设置在成形部件13上、在屏障部分3外部的区域中。替代地，也可以设想通过计算从超声波传感器2的测量信号中去除耦合的结构振动。

图3示出了根据第三示例性实施例的机动车辆16的示意性俯视图。

机动车辆16包括多个超声波传感器201-206。三个第一超声波传感器201在前挡泥板17(图2的成形部件13的例子)的面向车辆内部的一侧上布置在覆盖位置。两个第二超声波传感器202在相应前翼18(图2中的车身成形部件13的例子，其形成车辆16的外蒙皮的一部分)的面向车辆内部的一侧上布置在覆盖位置。两个第三超声波传感器203在相应尾翼19(图2中的车身成形部件13的例子，其形成车辆16的外蒙皮的一部分)的面向车辆内部的一侧上布置在覆盖位置。两个第四超声波传感器204在相应的外门板20(图2中的车身成形部件13的例子，其形成车辆16的外蒙皮的一部分)的面向车辆内部的一侧上布置在覆盖位置。三个第五超声波传感器205在前挡泥板21(图2的成形部件13的例子)的面向车辆内部的一侧上布置在覆盖位置。此外，两个第六超声波传感器206在相应的车辆翼子镜22(图2的成形部件13的例子)的下壳体的内侧上布置在覆盖位置。

超声波传感器201-206的超声波膜(图1、2中的5)每个都被相应成形部件17-22的屏障部分3(图1、2)覆盖，其中相应成形部件17-22的基底材料形成为声学超材料，并且相对于机动车辆16面向外(超声波传感器201-205)或向下(超声波传感器206)。

因此，根据第一和第二示例性实施例的超声波传感器组件(图1、2中的1)形成在第三示例性实施例的机动车辆16上的超声波传感器201至206的每个安装位置处。

机动车辆16包括中央控制单元(示意性地显示为23)，该中央控制单元形成停车辅助系统，该停车辅助系统使用由超声波传感器201至206形成的超声波传感器组件，用于基于脉冲回波方法测量机动车辆16的环境。

此外，超声波传感器(未示出)也可以设置在机动车辆16中，其超声波膜(图1、2中的5)面向车辆内部。这种超声波传感器可以相对于机动车辆布置在例如面向外的车辆内部镶板的一侧上(图2，成形部件13的例子)，并且可以被由形成在车辆内部镶板中的声学超材料组成的屏障部分(3，图1，2)覆盖。控制单元23可以使用面向内的超声波传感器，用于根据脉冲回波方法监控车辆内部，例如用于检测乘客数量、行李厢负载、用于监控机动车辆16的驾驶员的健康状况或驾驶适应性等。

有利的是，机动车辆16中提供的所有超声波传感器201-206都被由声学超材料制成的相应屏障部分(图1、2中的3)覆盖，从而一方面受益于防止机械损坏和观察，另一方面受益于由于声学超材料引起的回波信号幅度的改善。

基于用原型进行的测量，声学超材料及其优点将在下面更详细地解释。

图4示出了具有屏障部分3的成形部件13的示意性俯视图。

成形部件13由声学硬基底材料制成。用于成形部件13的各种原型由厚度为1mm的铝、厚度为3mm的塑料和厚度为0.9mm的钢制成。每个原型的面积为10×10cm²。

在成形部件13的屏障部分3中，通过以特定方式在屏障部分3中穿孔成形部件13的基底材料来形成声学超材料。特别地，规则的网格由二十一个圆形通孔24形成。每个圆形通孔24的直径为1mm。网格的孔间距(任意两个相邻孔24之间的距离)为2.5mm。因此，通孔24的直径和孔间距均显著小于超声波传感器2(图1，2)发射的超声波的波长，该波长在室温下通常约为7mm。然而，孔间距大于开口直径。

原型13的穿孔屏障部分3被布置在超声波传感器(图1中的2)的超声波膜(图1中的5)的前面，从而形成具有被覆盖的超声波传感器(图1中的2)的超声波传感器组件(图1中的1)。在这种情况下，超声波膜(图1中的5)平行于屏障部分3布置，其中在屏障部分3和超声波膜(图1中的5)之间留有0.1mm的空气间隙。

所有上述成形部件13的原型都显示了这里所述的有利效果。因此，在成形部件13的材料和厚度方面存在高度的设计自由度，在成形部件13的后面可以设置超声波传感器(图1中的2)。

下面，参考图5至7，适当地交叉参考图1、2和4，将覆盖的超声波传感器组件1的测量结果与相同的未覆盖超声波传感器2在相同测试条件下获得的测量结果进行比较，该覆盖的超声波传感器组件1如上所述由超声波传感器2和0.9mm厚的钢的原型成形部件13形成，该原型成形部件13具有包括21个通孔24的穿孔网格。

图5示出了具有未被覆盖的超声传感器的测量回波信号的曲线图，图6示出了具有被覆盖的超声传感器组件1的测量回波信号的曲线图。沿着图5和6中的水平轴，绘制了由相应的超声波传感器1提供的测量信号的样本；图5和6中的水平轴也可以理解为时间轴。在图5和6中，以伏特为单位的测量信号的电压幅度被绘制在纵轴上。

在0到2000的时间范围内，测量超声波传感器2的结构振动25，尽管超声波膜5机械分离，但这在超声波信号发射期间不可避免地发生。

在大约8700个样本的时间之后，观察到回波信号26。在图中可以清楚地看到，在其他方面相同的测试条件下，与图5中未覆盖的超声传感器2的回波信号26的幅度相比，覆盖有声学超材料的超声传感器组件1在图6中的回波信号26的幅度增强了大约10倍。因此，信噪比提高了大约10倍。

图7示出了处于也用于图5和图6所示的测量的相同测量布置中的未覆盖的超声波传感器2和覆盖的超声波传感器组件1的角度相关的传输波束特性的曲线图。

沿着图7中的水平轴，相对于成形部件13的表面法线的角度以度为单位绘制，沿着图7中的竖直轴，发射信号的声压级以dB为单位绘制。

虚线曲线27示出了未覆盖的超声波传感器2的传输波束特性，实线曲线28示出了被覆盖的超声波传感器组件1的传输波束特性。

从图7中可以看出，具有宽带声学超材料的被覆盖的超声波传感器组件1被证明在从大约-85°到85°的整个相关角度范围内是有利的。声压水平始终明显高于未覆盖的超声波传感器2。

这示出了基于图4描述的用于形成出射和入射超声波的声学超材料的屏障部分3的结构可以在宽角度范围内以非谐振方式隧穿。

尽管已经基于示例性实施例描述了本发明，但是它可以以多种方式修改。特别地，所描述的在机动车辆16中的应用示例应被理解为纯粹的示例。所提出的超声波传感器组件还具有许多其他应用领域。例如，工厂设备中的移动机器人也可以有利地利用相应的超声波传感器组件测量其周围环境。

附图标记

1超声波传感器组件

2超声传感器

3屏障部分

4壳体

5超声波膜

6解耦环

7换能器元件、压电元件

8解耦线

9接触销

10接触销

11印刷电路板

12电子部件

13成形部件

14安装支架

15气隙

16机动车辆

17前挡泥板

18前翼

19尾翼

20车门外板

21后挡泥板

22翼子镜

23控制单元

24通孔

25结构振动

26回波信号

27未覆盖的超声波传感器的传输波束特性

28被覆盖的超声波传感器组件的传输波束特性

Claims (16)

1.一种用于机动车辆(16)的超声波传感器组件(1)，包括：

超声波传感器(2)，具有壳体(4)、与所述壳体(5)机械分离的超声波膜(5)以及用于激励振动和检测所述超声波膜(5)的振动的声换能器元件(7)，和

屏障部分(3)，布置在所述超声波膜(5)前面并且由声学超材料制成。

2.根据权利要求1所述的超声波传感器组件，

其中声学超材料是宽带声学超材料，所述宽带声学超材料至少在入射角范围内能够被超声波以非共振方式隧穿。

3.根据前述权利要求中任一项所述的超声波传感器组件，

其中声学超材料由声学硬基底材料形成，在该声学硬基底材料中形成具有多个通孔(24)的栅格。

4.根据权利要求3所述的超声波传感器组件，

其中每个通孔(24)的直径小于由超声波膜(5)发射和接收的超声波的波长。

5.根据权利要求4所述的超声波传感器组件，

其中网格的两个相邻通孔(24)之间的距离大于通孔(24)的直径，并且小于由超声波膜(5)发射和接收的超声波的波长。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的超声波传感器组件，

其特征在于，

通孔填充有不同于所述基底材料的填充材料。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的超声波传感器组件，还包括：

成形部件(13)，所述超声波传感器(2)以所述超声波膜(5)面向所述成形部件(13)的方式安装在所述成形部件上，

成形部件(13)包括在所述超声波膜(5)前面的部分中的声学超材料的屏障部分(13)。

8.根据权利要求7所述的超声波传感器组件，

其中超声波传感器(2)通过超声波传感器(2)的壳体(4)的外壁连接到支架(14)上而安装在所述成形部件(13)上，并且所述支架(14)在所述屏障部分(3)外部的区域中紧固到所述成形部件(13)，

其中所述超声波膜(5)的表面平行于所述成形部件(13)布置在所述成形部件(13)的屏障部分(3)后面。

9.根据权利要求6或8所述的超声波传感器组件，

其中所述成形部件(13)是车身成形部件(18，19，20)。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的超声波传感器组件，

其中所述成形部件包括车身面板(18，19，20)、挡泥板(17，21)、车辆翼子镜(22)的下壳、防窥屏或车辆内部镶板。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的超声波传感器组件，

其中所述超声波膜(5)与所述屏障部分(3)接触。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的超声波传感器组件，

其中所述超声波膜(5)和所述屏障部分(3)机械分离。

13.根据权利要求12所述的超声波传感器组件，

其中在所述超声波膜(5)和所述屏障部分(3)之间形成气隙(15)。

14.一种机动车辆(16)，具有至少一个如权利要求1至13中任一项所述的超声波传感器组件。

15.根据权利要求14所述的机动车辆，具有至少一个如权利要求7至13中任一项所述的超声波传感器组件(1)，

其中所述成形部件(13)形成机动车辆(16)的外蒙皮的一部分，并且所述超声波传感器(2)安装在所述成形部件(13)的面向车辆内部的一侧上，使得被所述成形部件(13)的屏障部分(3)覆盖的超声波膜(5)相对于所述机动车辆(16)面向外。

16.根据权利要求14所述的机动车辆，具有至少一个如权利要求7至13中任一项所述的超声波传感器组件(1)，

其中所述成形部件(13)是设置在车辆内部的成形部件(13)，并且所述超声波传感器(2)在成形部件(13)的相对于机动车辆(16)面向外的一侧上安装在成形部件(13)上，使得由成形部件(13)的屏障部分(3)覆盖的超声波膜(5)面向车辆内部。