DE102009051237A1

DE102009051237A1 - Akustisches Mehrfachblendenhorn

Info

Publication number: DE102009051237A1
Application number: DE102009051237A
Authority: DE
Inventors: Osvaldo Fort Collins Buccafusca
Original assignee: Avago Technologies Wireless IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2010-05-06
Also published as: US20100109481A1; US20120223620A1; US8199953B2

Abstract

Eine Vorrichtung zum Senden oder Empfangen von Ultraschallsignalen weist einen Wandler und ein akustisches Horn auf. Der Wandler ist derart konfiguriert, dass er zwischen elektrische Energie und den Ultraschallsignalen umwandelt, und kann ein mikroelektromechanisches System (MEMS)-Wandler sein. Das akustische Horn ist an den Wandler gekoppelt und weist mehrere Blenden auf, durch die die Ultraschallsignale gesendet oder empfangen werden, um zumindest eines von einem Strahlungsmuster, einer Frequenzantwort oder einer Stärke der Ultraschallsignale zu manipulieren. Die mehreren Blenden haben verschiedene Größen.

Description

HINTERGRUND
Akustische mikroelektromechanisches System(MEMS)-Wandler, wie beispielsweise Ultraschallwandler, sind gewöhnlicherweise effizienter als herkömmliche Wandler. Jedoch weisen MEMS-Wandler aufgrund ihrer kleinen Größe eine geringere effektive Ausgangsleistung, eine geringere Empfindlichkeit und/oder breitere (weniger fokussierte) Strahlungsmuster auf.
Strahlungsmuster von akustischen MEMS-Wandlern und anderen Miniaturultraschallwandlern können durch Gruppieren der Wandler in Felder manipuliert werden, die durch vorbestimmte Abstände getrennt sind, um ein gewünschtes Muster bereitzustellen. Durch Steuern der Trennung und der Größe der Feldelemente wie auch der Phase zwischen ihnen kann das akustische Strahlungsmuster fokussiert oder kollimiert und auch gesteuert werden. Jedoch ist der Zwischenraum zwischen mehreren Wandlern durch die physikalische Größe jedes Wandlers begrenzt. Ferner erhöht die Verwendung von mehreren Wandlern, die möglicherweise verschiedene Größen haben, Kosten und wirft potentielle Kompatibilitäts- und Synchronisationsfragen auf.
Es mag einen Bedarf für eine Vorrichtung zum Senden oder Empfangen von Ultraschallsignalen, eine Vorrichtung zum Senden von Ultraschallsignalen und eine Vorrichtung zum Senden von Ultraschallsignalen mit verbesserten Charakteristika geben.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG
Dieser Bedarf mag durch eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst werden.
In einem typischen Ausführungsbeispiel weist eine Vorrichtung zum Senden oder Empfangen von Ultraschallsignalen einen Wandler oder Transducer und ein akustisches Horn auf, das an den Wandler gekoppelt ist. Der Wandler ist derart konfiguriert, dass er zwischen elektrischer Energie und den Ultraschallsignalen umwandelt. Das akustische Horn weist mehrere Blenden oder Aperturen auf, durch die hindurch die Ultraschallsignale gesendet oder empfangen werden, um zumindest eines von einem Strahlungsmuster, einer Frequenzantwort oder einer Stärke der Ultraschallsignale zu manipulieren. Die Blenden oder Aperturen weisen entsprechende verschiedene Blendengrößen auf.
In einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel weist eine Vorrichtung zum Senden von Ultraschallsignalen einen mikroelektromechanisches System(MEMS)-Wandler, der derart konfiguriert ist, dass er elektrische Energie in akustische Signale umwandelt, und ein akustisches Horn auf, das zum Verstärken der Ultraschallsignale an den Wandler gekoppelt ist. Das akustische Horn weist mehrere Hornstrukturen auf, die eine gemeinsame Halsöffnung (throat opening) zum Empfangen der Ultraschallsignale von dem Wandler aufweisen. Die Mehrfachhornstrukturen weisen eine Mittelhornstruktur und mehrere Umfangshornstrukturen auf. Abmessungen von zumindest zwei der Hornstrukturen sind verschieden.
In einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel weist eine Vorrichtung zum Senden von Ultraschallsignalen einen MEMS-Wandler, der derart konfiguriert ist, dass er elektrische Energie in die Ultraschallsignale umwandelt, und ein akustisches Horn auf, das zum Verstärken der Ultraschallsignale an den Wandler gekoppelt ist. Das akustische Horn weist einen Halsabschnitt benachbart zu dem MEMS-Wandler zum Empfangen der Ultraschallsignale und einen Mundabschnitt (mouth portion) auf, der in der Fläche größer als der Halsabschnitt ist. Die Vorrichtung weist auch eine akustische Linsenstruktur auf, die an dem Mundabschnitt des akustischen Horns befestigt ist, wobei die Linsenstruktur ein vorbestimmtes Muster von Öffnungen zum Manipulieren eines Strahlungsmusters der Signale definiert, durch die Ultraschallsignale gesendet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Ausführungsbeispiele werden am besten durch die folgende detaillierte Beschreibung verstanden, wenn sie mit den beigefügten Figuren gelesen wird. Es wird hervorgehoben, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. In Wirklichkeit können die Abmessungen für die Diskussionsklarheit beliebig vergrößert oder verkleinert sein. Wo immer anwendbar und praktisch, beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
1A und 1B sind Querschnittsdarstellungen, die akustische Hörner für einen Wandler gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel darstellen.
2A und 2B sind Querschnittsdarstellungen, die akustische Hörner für einen Wandler gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel darstellen.
3 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein akustisches Mehrfachblendenhorn gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel darstellt.
4 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein akustisches Mehrfachblendenhorn gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel darstellt.
5 ist eine Draufsicht, die ein akustisches Mehrfachblendenhorn gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel darstellt.
6 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein akustisches Mehrfachblendenhorn gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel darstellt.
7A ist ein herkömmliches Ultraschallstrahlungsmuster.
7B ist ein Ultraschallstrahlungsmuster eines akustischen Mehrfachblendenhorns gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel.
8 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein akustisches Mehrfachblendenhorn gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel darstellt.
9A–9C sind Draufsichten, die Fresnel-Muster eines akustischen Mehrfachblendenhorns gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel darstellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung sind zum Zwecke der Erklärung und nicht zur Einschränkung typische Ausführungsbeispiele dargelegt, die bestimmte Einzelheiten offenbaren, um ein grundlegendes Verständnis der vorliegenden Lehren zu schaffen. Jedoch ist es für einen Fachmann, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung hatte, offensichtlich, dass andere Ausführungsbeispiele gemäß den vorliegenden Lehren, die von den bestimmten Einzelheiten abweichen, die hier offenbart sind, innerhalb des Umfangs der angefügten Ansprüche bleiben. Ferner können Beschreibungen von gut bekannten Vorrichtungen und Verfahren weggelassen werden, um die Beschreibung der typischen Ausführungsbeispiele nicht zu verschleiern. Solche Verfahren und Vorrichtungen sind eindeutig innerhalb des Umfangs der vorliegenden Lehren.
Üblicherweise können Hörner verwendet werden, um akustische Wellen zu verstärken, wie beispielsweise durch die Eingliederung von Hörnern in verschiedene Musikinstrumente und in frühe Hörhilfen angedeutet wird. Hörner können auch verwendet werden, um Strahlungsmuster von akustischen Aussendern oder Emittern, einschließlich von Ultraschallwandlern, zu manipulieren.
1A ist eine Querschnittsdarstellung, die ein akustisches Horn für einen Ultraschall- oder mikroelektromechanisches System(MEMS)-Wandler gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel darstellt. Wie in 1 gezeigt, ist ein akustisches Horn 120 direkt an einen einzelnen Ultraschallwandler 110 (beispielsweise in Berührung mit der Fläche oder Oberfläche des Wandlers 110) gekoppelt. Beispielsweise kann das akustische Horn 120 physikalisch an den Wandler 110, beispielsweise durch Kleben, Löten oder Schweißen, befestigt sein. Alternativ können das gemeinsame akustische Horn 120 und der Wandler 110 relativ zueinander innerhalb eines Gehäuses positioniert sein, das jedes Element am Platz hält. Das Horn 120 stellt in sowohl dem Sende- als auch Empfangsmodus eine bessere Impedanzanpassung, eine bessere akustische Verstärkung oder eine bessere Strahlungsmustersteuerung als der Wandler 110 alleine dar.
1B ist eine Querschnittsdarstellung, die eine alternative Bauart eines akustischen Horns für einen MEMS-Wandler gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel darstellt. Wie in 1B gezeigt, ist ein akustisches Horn 120 mittels einer Druckkammer 125 an einen einzelnen Ultraschallwandler 110 gekoppelt. Diese Bauart kann beispielsweise implementiert sein, wenn das akustische Horn 120 nicht oberhalb ist, um die Fläche des Wandlers 110 zu berühren. Beispielsweise kann das Vorhandensein von Drahtverbindungen eine direkte Kopplung verhindern, und dadurch die Ergänzung der Druckkammer 125 zum Koppeln des akustischen Horns 120 und des Wandlers 110 erfordern. Abmessungen der Druckkammer 125 sind geringer als die akustische Weglänge, die dem Wandler 110 entspricht, wie es durch einen Fachmann gewürdigt würde.
2A und 2B sind Querschnittsdarstellungen, die akustische Hörner für einen Ultraschallwandler gemäß typischen Ausführungsbeispielen darstellen. Akustische Hörner sind üblicherweise röhrenförmig mit kreisförmigen Querschnitten an gegenüberliegenden Endöffnungen gestaltet, wobei ein Ende (beispielsweise am nächsten zu dem akustischen Wandler) typischerweise enger als das andere ist. Die engere Öffnung nahe des Wandlers kann als der Hals oder die Halsöffnung des Horns bezeichnet werden, und die größere Öffnung kann als der Mund oder die Mundöffnung des Horns bezeichnet werden.
2A zeigt ein Beispiel eines Ultraschallwandlers 210, wie beispielsweise eines MEMS-Wandlers, der an ein akustisches Horn 220 gekoppelt ist, das einen Querschnitt von divergierenden linearen Seitenwänden aufweist und das als ein kegelförmiges Horn bezeichnet werden kann, da das Rohr eine allgemein kegelförmige Gestalt aufweist. Ein Radius r an jedem Ort entlang der x-Achse des akustischen Horns 220 kann durch die folgende Formel dargestellt werden, in der r₁ der Radius am Ort x₁ des akustischen Horns 220 (des Hornhalses) ist und m eine reelle Zahl größer als 1 ist: r(x) = mx + r1
Ein Zylinder ist ein Spezialfall des kegelförmigen akustischen Horns 220, bei dem m = 0, so dass der Radius r an jedem Ort x entlang des zylinderförmigen akustischen Horns 220 gleich r₁ der Endöffnung ist.
2B zeigt ein Beispiel eines Ultraschallwandlers 210, wie beispielsweise eines MEMS-Wandlers, der an ein akustisches Horn 221 gekoppelt ist, das einen Querschnitt von exponentiell gekrümmten Seitenwänden aufweist und das als ein exponentielles Horn bezeichnet werden kann. Bei dem akustischen Horn 221 kann eine Fläche S an jedem Ort entlang der x-Achse des akustischen Horns 221 durch die folgende Exponentialformel dargestellt werden, in der S₁ eine Fläche am Punkt x₁ des akustischen Horns 221 (des Hornhalses) ist und m eine reelle Zahl größer als 1 ist: S(x) = S1emx
Es versteht sich, dass andere Implementierungen ein akustisches Horn aufweisen können, das Endöffnungen hat, die nicht kreisförmig sind, beispielsweise rechteckige, quadratische, vieleckige und elliptische Öffnungen, wie auch andere funktionelle Abhängigkeiten des Radius des Horns. Natürlich können die Größe und/oder die Gestalt des akustischen Horns variieren, um besondere Vorteile für jede spezielle Situation bereitzustellen oder anwendungsspezifische Ausgestaltungserfordernisse von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen, wie für einen Fachmann offensichtlich ist.
Ein akustischer Ultraschallsender, beispielsweise mit einem MEMS-Wandler, hat aufgrund seiner kleinen Größe ein breites Strahlungsmuster. Bei vielen Anwendungen ist ein fokussierter akustischer Strahl gewünscht, da die akustische Welle innerhalb einer begrenzten Fläche erfasst wird. Daher verbessert ein Manipulieren des Strahlungsmusters, um gesendete Energie zu richten oder zu fokussieren, die Energieeffizienz. Eine herkömmliche Technik, um diese Verbesserung zu erreichen, verwendet Felder von Wandlern, aber dieser Ansatz vergrößert Kosten und eine Komplexität der Wandler. Durch Verwenden von Diffraktionseffekten, durch Manipulieren von Blendengestalten und durch akustische Verzögerungen ist es beispielsweise möglich, einen akustischen Strahl von einem einzelnen Wandler nach Belieben zu gestalten, wie unten erläutert ist.
3 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein akustisches Mehrfachblendenhorn zeigt gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel darstellt. Wie in 3 gezeigt, weist eine akustische Vorrichtung 300 einen akustischen MEMS-Wandler 310, wie beispielsweise einen Ultraschallwandler auf, der an der Basis oder dem Hals des akustischen Mehrfachblendenhorn 320 positioniert ist, das die Ultraschallsignale verstärkt. Das akustische Mehrfachblendenhorn 320 weist gemeinsame Hornstrukturen 321 und 322 auf, die eine gemeinsame Halsblende 330 und getrennte entsprechende Mundblenden 331 und 332 aufweisen, die das Feld 335 bilden. Die Mehrfachblendenbauart des akustischen Horns 320 ermöglicht eine Manipulation des Strahlungsmusters (beispielsweise eine Strahlkonditionierung oder Strahlformung), das von dem Wandler 310 in einem Ultraschallaussender, wie beispielsweise in einem MEMS-Sender, gesendet wird. Gleichermaßen ermöglicht die Mehrfachblendenbauart des akustischen Mehrfachblendenhorns 320 eine Manipulation einer Richtungsabhängigkeit und Frequenzantwort des Wandlers 310 in einem Ultraschallempfänger, wie beispielsweise in einem MEMS-Empfänger.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Wandler 310 jeder Typ eines akustischen Miniaturwandlers zum Aussenden von Ultraschallwellen sein. Zu Erklärungszwecken wird angenommen, dass die akustische Vorrichtung 300 ein MEMS-Sender ist und der Wandler 310 in einem Sendemodus arbeitet. Das heißt, der Wandler 310 empfängt elektrische Energie von einer Signalquelle (nicht gezeigt), und sendet entsprechend durch den elektrischen Eingang induzierten Vibrationen mittels des akustischen Mehrfachblendenhorns 320 Ultraschallwellen aus. Es versteht sich, dass die in 3 gezeigte Bauart gleichermaßen auf eine akustische Vorrichtung 300 zutrifft, die ein MEMS-Empfänger ist, wobei in diesem Fall der Wandler 310 in einem Empfangsmodus arbeitet. Das heißt, der Wandler 310 empfängt Ultraschallwellen von einer akustischen Quelle (nicht gezeigt), die durch das akustisches Mehrfachblendenhorn 320 gesammelt werden, und wandelt den Schall in elektrische Energie um. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Implementierungen verschiedene Typen, Größen und Gestalten von Wandlern bereitstellen, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Das akustische Mehrfachblendenhorn 320 kann aus jedem Material gebildet sein, das geeignet ist, in vorbestimmten Gestalten geformt zu werden, um die gewünschten Strahlungsmustercharakteristika bereitzustellen, wobei dies als Strahlkonditionierung oder Strahlformung bezeichnet werden kann. Beispielsweise können die akustischen Hornstrukturen 321 und 322 des akustischen Mehrfachblendenhorns 320 aus leichtem Plastik oder Metall gebildet sein. Die akustischen Hornstrukturen 321 und 322 sind auch vergleichsweise klein. Beispielsweise kann die Halsblende 330 im Durchmesser ungefähr 0,5 bis 1,0 mm sein und jede der Mundblenden 331 und 332 kann im Durchmesser ungefähr 2,0 bis 5,0 mm sein. Die Länge jeder akustischen Hornstruktur 321 und 322 kann in der Länge, gemessen von der Mitte der gemeinsamen Halsblende 330 bis zu der Mitte jeder entsprechenden Mundblende 331 oder 332, ungefähr 5,0 bis 10 mm sein. Es versteht sich, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen die Mundblende 331 für verschiedene Effekte auf das Strahlungsmuster einen verschiedenen Durchmesser als die Mundblende 332 haben kann.
Das akustische Mehrfachblendenhorn 320 ist, wie oben hinsichtlich 1 diskutiert, akustisch entweder direkt oder durch eine Druckkammer (nicht gezeigt) an den Wandler 310 gekoppelt, und dadurch werden von dem Wandler 310 ausgesendete (oder zu ihm gesendete) Ultraschallwellen erfasst, verstärkt und gerichtet.
Das von dem Wandler 310 ausgesendete Strahlungsmuster kann durch Verändern des Abstandes d zwischen den Mundblenden 331 und 332 des Felds 300 wie auch durch Verändern der Größe und/oder der Gestalt der akustischen Hornstrukturen 321 und 322 manipuliert werden. Beispielsweise kann der Abstand d zwischen einer halben (½) bis ungefähr einer (1) Wellenlänge λ der von dem Wandler 310 ausgesendeten Ultraschallwellen reichen. Wie in dem in 3 (wie auch in 2A oben) gezeigten Ausführungsbeispiel können die Seiten der akustischen Hornstrukturen 321 und 322 gerade sein, was den Herstellungsprozess vereinfacht. Jedoch können der Abstand d und die Größe und/oder die Gestalt der akustischen Hornstrukturen 321 und 322 und der korrespondierenden Mundblenden 331 und 332 variieren, um besondere Vorteile für jede spezielle Situation zu schaffen oder anwendungsspezifische Ausgestaltungserfordernisse von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen, wie es für einen Fachmann offensichtlich ist.
4 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein akustisches Mehrfachblendenhorn gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel darstellt. Wie in 4 gezeigt, weist die akustische Vorrichtung 400 einen einzelnen MEMS-Wandler 410, wie beispielsweise einen Ultraschallwandler, auf, der an der Basis des akustischen Mehrfachblendenhorns 420 positioniert ist, das die Ultraschallsignale verstärkt. Das akustische Mehrfachblendenhorn 420 weist gemeinsame Hornstrukturen 421 und 422 auf, die eine gemeinsame Halsblende 430 und getrennte entsprechende Mundblenden 431 und 432 aufweisen, um das Feld 435 zu bilden. In dem gezeigten erläuternden Ausführungsbeispiel sind die Mundblenden 431 und 432 des Feldes 435 kreisförmig und durch einen Abstand d voneinander getrennt, dessen Wert, wie oben hinsichtlich 3 diskutiert, basierend auf dem gewünschten Strahlungsmuster des Wandlers 410 bestimmt ist. Die Mundblende 431 kann ebenfalls in verschiedenen Ausführungsbeispielen für verschiedene Effekte auf das Strahlungsmuster einen verschiedenen Durchmesser wie die Mundblende 432 haben.
Die akustische Vorrichtung 400 unterscheidet sich von der akustischen Vorrichtung 300 in 3 dadurch, dass die Querschnittseiten der akustischen Hornstrukturen 421 und 422 nicht linear sind. Die akustische Hornstrukturen 421 und 422 sind vielmehr, wie das in 2B gezeigte akustische Horn 221, gekrümmt. Die Abmessungen und die Gestalt der Krümmungen können verändert werden, um gewünschte Effekte auf das Strahlungsmuster, die Frequenzantwort und die Effizienz bereitzustellen. Das akustische Mehrfachblendenhorn 420 ermöglicht, verglichen mit dem akustischen Horn 320, eine genauere Manipulation des Strahlungsmusters. Jedoch ist es schwieriger herzustellen. Die Größe, die Gestalt und der Zwischenraum (beispielsweise der Abstand d) der akustischen Hornstrukturen 421 und 422 und der entsprechenden Mundblenden 431 und 432 können auch variieren, um besondere Vorteile für jede bestimmte Situation bereitzustellen oder anwendungsspezifische Ausgestaltungserfordernisse von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen, wie es für einen Fachmann offensichtlich ist.
Obwohl 3 und 4 typische akustische Hornstrukturen 310 und 410 zeigen, die entsprechende Arrays 300 und 400 bilden, die zwei Blenden aufweisende lineare Arrays sind, versteht es sich, dass drei, vier oder mehr Blenden aufweisende Arrays unter Verwendung eines einzelnen Wandlers implementiert werden können. Lineare oder zweidimensionale Anordnungen können in Abhängigkeit des gewünschten Strahlungsmusters implementiert werden. Beispielsweise ist 5 eine Querschnittsdarstellung, die ein akustisches Mehrfachblendenhorn gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel darstellt, das ein zweidimensionales Array oder Feld bestehend aus vier Blenden aufweist.
Wie spezieller in 5 gezeigt, weist die akustische Vorrichtung 500 einen einzelnen MEMS-Wandler 510, wie beispielsweise einen Ultraschallwandler, auf, der an der Basis eines akustischen Mehrfachblendenhorns 520 positioniert ist, das Ultraschallsignale verstärkt. Das akustisches Mehrfachblendenhorn 520 weist vier akustische Hornstrukturen 521, 522, 523 und 524 auf, die eine gemeinsame Halsblende (nicht gezeigt) und vier getrennte entsprechende Mundblenden 531, 532, 533 und 534 aufweisen, die ausgerichtet sind, um das zweidimensionale Feld 535 zu bilden. Die Mundblenden 531–534 sind voneinander durch einen Abstand d in einer ersten Richtung und durch einen Abstand d' in einer zweiten Richtung getrennt, die senkrecht zu der ersten Richtung ist. In einem Ausführungsbeispiel kann der Abstand d und der Abstand d' beispielsweise gleich sein. In dem gezeigten erläuternden Ausführungsbeispiel sind die Halsblenden 531–534 ebenfalls kreisförmig gestaltet.
Das resultierende Strahlungsmuster von Ultraschallsignalen kann hinsichtlich Gestalt und Richtungsabhängigkeit beispielsweise durch Ändern der Größen, der Gestalten und des Zwischenraums (d. h. der Abstände d und d') der Mundblenden 531–534 wie auch durch Ändern der Größen und/oder der Gestalten der akustischen Hornstrukturen 521–524 manipuliert werden, um besondere Vorteile für jede spezielle Situation bereitzustellen oder anwendungsspezifische Ausgestaltungserfordernisse von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen, wie es für einen Fachmann offensichtlich ist. Beispielsweise können die akustischen Hornstrukturen 521–524, obwohl sie gezeigt sind, als ob sie, wie in 4 gezeigt, allgemein gekrümmte Querschnittsgestalten aufweisen, in alternativen Ausführungsbeispielen, wie in 3 gezeigt, lineare Querschnittsgestalten aufweisen. Alle oder einige der Mundblenden 531–534 können auch für verschiedene Effekte auf das Strahlungsmuster voneinander verschiedene Durchmesser aufweisen.
6 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein akustisches Mehrfachblendenhorn gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel darstellt, das ein lineares Feld mit drei Blenden aufweist. Dieses spezielle Ausführungsbeispiel befasst sich mit einer Manipulation eines Strahlungsmusters, um die Effizienz eines herkömmlichen Drei-Wandler-Systems unter Verwendung eines einzelnen Wandlers mit einem akustischen Mehrfachblendenhorn zu verbessern, wobei Empfänger bei komplementären Winkeln von ±30° von dem Wandler angeordnet sind. Variationen dieses Ausführungsbeispiels, wie beispielsweise eine Blendenanordnung und -größe, können zwei oder mehr Keulen bei komplementären oder nichtkomplementären Winkeln erzeugen.
Wie spezieller in 6 gezeigt, weist die akustische Vorrichtung 600 einen einzelnen MEMS-Wandler 610, wie beispielsweise einen Ultraschallwandler, auf, der an dem Hals eines akustischen Mehrfachblendenhorns 620 positioniert ist, das die Ultraschallsignale verstärkt. Das akustisches Mehrfachblendenhorn 620 weist drei akustische Hornstrukturen 621, 622 und 623 auf, die eine gemeinsame Halsblende 630 und drei getrennte entsprechende Mundblenden 631, 632 und 633 aufweisen, die ausgerichtet sind, um ein lineares Array 635 zu bilden. In dem gezeigten erläuternden Ausführungsbeispiel sind die Mundblenden 631, 632 und 633 kreisförmig gestaltet, und sie sind voneinander durch einen Abstand d getrennt. Die resultierende Sendung oder Transmission von Ultraschallwellen von dem Wandler 610 führt daher zu mehreren Strahlungskeulen, die hinsichtlich Gestalt und Richtungsabhängigkeit, beispielsweise durch Ändern der Größen und/oder der Gestalten der Mundblenden 531, 532 und 533 wie auch durch Ändern der Größen und/oder der Gestalten der akustischen Hornstrukturen 521, 522 und 523 und/oder des Abstandes d verändert werden können, um besondere Vorteile für jede spezielle Situation bereitzustellen oder anwendungsspezifische Ausgestaltungserfordernisse von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen, wie es für einen Fachmann offensichtlich ist.
Beispielsweise ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Mittelmundblende 632 des Arrays 600 im Durchmesser kleiner als die benachbarten äußeren oder Umfangsmundblenden 631 und 633. Die akustische Mittelhornstruktur 622 ist in der Länge kürzer als jede der akustischen Umfangshornstrukturen 621 und 623. Die akustische Mittelhornstruktur 622 ist auch rohrförmig mit im Wesentlichen parallelen Seiten, während jede der akustischen Umfangshornstrukturen 621 und 623 einen rohrförmigen inneren Abschnitt, der im Wesentlichen parallele Seiten aufweist, und einen kegelförmigen äußeren Abschnitt aufweist, der divergierende lineare Seiten (beispielsweise wie oben hinsichtlich 2A diskutiert) aufweist. Das gemeinsame Ergebnis ist ein Strahlungsmuster der Ultraschallwellen, die von dem Wandler 610 ausgesendet werden, das eine kleine Mittelkeule mit zwei größeren äußeren Keulen aufweist, die bei komplementären Winkeln von der Mittelkeule gerichtet sind. Wie oben erwähnt, sind die Mundblenden 631, 632 und 633 des Feldes 600 durch einen Abstand d getrennt, dessen Wert basierend auf den gewünschten Strahlungsmuster bestimmt ist.
Erläuternde Anwendungen des Ultraschallwandlers umfassen beispielsweise Gasfluss- und Windmessungen, für die mehrere Wandlerwege erforderlich sind, um eine Geschwindigkeit und Richtung des Gases zu bestimmen. Üblicherweise erfordert dies eine Verwendung von mehreren Wandlern. Jedoch können die gleichen Ergebnisse unter Verwendung eines einzelnen Wandlers 610 und eines akustischen Mehrfachblendenhorn 620 erhalten werden, das eine effiziente Sendung mit signifikanter Richtungsabhängigkeit an mehrere Empfänger bei verschiedenen Anordnungen ermöglicht, und dadurch reduziert sich die Anzahl von erforderlichen Wandlern.
Zu Darstellungszwecken ist unter Bezugnahme auf 6 und 7B ein Beispiel eines speziellen Strahlungsmusters von dem Wandler 610 unten dargelegt. Es versteht sich jedoch, dass die verschiedenen Abmessungen und Parameter für Erklärungszwecke sind, und dass die verschiedenen Ausführungsbeispiele nicht darauf beschränkt sind.
Unter der Annahme, dass ein akustischer MEMS-Wandler kreisförmig ist und einen Durchmesser von 1,0 mm aufweist, ist das berechnete Strahlungsmuster (beispielsweise bei 100 kHz) in 7A gezeigt, wobei der Wandler an dem Ursprung des Polardiagramms angeordnet ist, das relativ beabstandete, konzentrische Kreise um den Ursprung andeutet. Insbesondere ist das breite Strahlungsmuster von dem Wandler im Wesentlichen kreisförmig und über 180° (beispielweise 90° bis 270°) gleichmäßig. Entsprechend würde die Effizienz, obwohl zwei bei ±30° angeordnete Empfänger beispielsweise geeignet wären, die Aussendung zu erfassen, geringer sein, da mehr der abgestrahlten Energie über das breite Strahlungsmuster verloren ist. Dieses System ist auch aufgrund der fehlenden Richtungsabhängigkeit für Reflexionen und Interferenzen anfällig.
Jedoch kann der Wandler 610, wie in 6 gezeigt, unter Verwendung des linearen Dreiblendenfelds 635 der Mehrfachblendenhornstruktur 620 die Richtungsabhängigkeit verbessern. Beispielsweise kann jede der Umfangsmundblenden 631 und 633 einen Durchmesser von 2,0 mm aufweisen, die Mittelmundblende 632 kann einen Durchmesser von 0,6 mm aufweisen, und der Abstand d zwischen benachbarten Blenden 631–632 und 632–633 kann 3,0 mm sein. Bei dieser erläuternden Bauart ist das Strahlungsmuster des einzelnen Wandlers 610 in 7B gezeigt, wobei der Wandler 610 an dem Ursprung des Polardiagramms angeordnet ist. Insbesondere weist das Strahlungsmuster von dem Wandler 610 zwei große Seitenkeulen auf, die Sehnen aufweisen, die sich von dem Wandler 610 bei komplementären Winkeln von ungefähr ±30° erstrecken. Entsprechend würden zwei bei ±30° von dem Wandler 610 aus angeordnete Empfänger beispielsweise die gerichtete akustische Energie empfangen und daher effizienter und zuverlässiger die Aussendung mit minimaler verlorener abgestrahlter Energie erfassen. Ferner stellt das Mehrfachblendenhorn 620 einen kürzeren akustischen Weg durch die akustische Mittelhornstruktur 622 bereit, die der Mittelmundblende 632 entspricht, was eine Verzögerung (beispielsweise von ungefähr einer halben Wellenlänge) für die benachbarten Umfangsmundblenden 631 und 633 erzeugt, so dass destruktive Interferenz die mittige Aussendung minimiert.
Obwohl ein ähnliches Strahlungsmuster unter Verwendung mehrerer Wandler (im Gegensatz zu einem einzelnen Wandler 610) erhalten werden kann, die angeordnet sind, um ein Wandlerfeld zu bilden, reduziert die Verwendung eines einzelnen Wandlers 610 Materialkosten. Ferner fügt die Ausgestaltung von Wandlern mit unterschiedlichen Durchmessern auf den gleichen Wafer mit der gleichen Frequenz Komplexität zu dem Herstellungsprozess hinzu. Eine Manipulation der erforderlichen Phasendifferenzen zwischen drei getrennten Wandlern, die in einem Array angeordnet sind, erfordert eine externe Schaltung, was weitere Kosten zu dem System und Implementationsschwierigkeiten hinzufügt. Ferner ermöglicht die Manipulation der Geometrie jeder Blende eine akustische Verstärkung in den gewünschten Blenden.
8 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein akustisches Mehrfachblendenhorn gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel darstellt. Bezug nehmend auf 8 weist eine akustische Vorrichtung 800 einen Ultraschallwandler 810 auf, der entweder direkt oder durch eine Druckkammer (nicht gezeigt), wie oben diskutiert, an ein akustisches Horn 820, gekoppelt ist. Das akustische Horn 820 weist eine kegelförmige Gestalt mit einem Querschnitt auf, der divergierende lineare Seiten aufweist, die sich von dem Wandler 810 zum Verstärken der Ultraschallsignale erstrecken. Eine akustische Diffraktionslinse 840, die mehrere in einem vorbestimmten Muster angeordnete Blenden aufweist, ist an dem Mund des akustischen Horns 820 angebracht. Das vorbestimmte Muster kann jede Ausgestaltung zum Richten von Ultraschallwellen in einem gewünschten Strahlungsmuster aufweisen. Beispielsweise kann die Linse 840 in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Fresnel-ähnliche Linse sein, die ein vorbestimmtes Fresnel-Blendenmuster aufweist.
9A, 9B und 9C sind Draufsichten, die typische Fresnel-Muster eines akustischen Mehrfachblendenhorns gemäß typischen Ausführungsbeispielen darstellen, die für die Linse 840 verwendet werden können.
Insbesondere zeigt 9A eine binäre Fresnel-Linse 841, die ein Muster konzentrischer Kreise von abwechselnden Fresnel-Zonen aufweist, bei dem die schattierten Abschnitte Öffnungen (oder Blenden) andeuten, durch die Ultraschallsignale hindurchtreten können (d. h. nicht geblockt werden). Eine Schnittansicht entlang A-A' der Linse 841 ist im Wesentlichen die gleiche wie die Seitenansicht der Linse 840 in 8.
Die Grenzen der abwechselnden Zonen sind ungefähr in Übereinstimmung mit der folgenden bekannten Formel (oder ähnlichen Fresnel-Zonenformeln) vorgesehen, in der R_n der Radius der Grenze n ist, λ die Wellenlänge des Ultraschallsignals ist und z₁, z₂ Abstände der Linse 840 zu der Quelle (dem Wandler 810) bzw. zu einem Brennpunkt (nicht gezeigt) der Linse 840 sind:
Das Strahlungsmuster wird durch die mehreren Blenden in der akustischen Diffraktionslinse 841 manipuliert, die an dem akustischen Horn 820 montiert ist. Die Linse 841 kann daher die akustische Wellenfront manipulieren, um akustische Energie zu fokussieren oder zu kollimieren. In alternativen Ausführungsbeispielen kann dies gleichermaßen durch Gestalten von Materialien erreicht werden, die verschiedene akustische Brechungsindexe aufweisen.
9B zeigt eine binäre Fresnel-Linse 842, die ein ähnliches Muster konzentrischer Kreise von alternierenden Zonen aufweist, bei dem die schattierten Abschnitte Öffnungen (oder Blenden) andeuten, durch die Ultraschallsignale hindurchtreten können (d. h. nicht blockiert werden). Zusätzliche Querelemente, die allgemein dem Durchmesser der Linse 842 folgen, schaffen ferner strukturelle Unterstützung. 9C zeigt eine weitere erläuternde Fresnel-Linse 843, die ein Muster konzentrischer Kreise von abwechselnden Zonen aufweist, bei dem die schattierten Abschnitte Öffnungen (oder Blenden) andeuten, durch die Ultraschallsignale hindurchtreten können (d. h. nicht blockiert werden). Zusätzliche Querelemente, die für die verschiedenen Kreise umfänglich bei verschiedenen Orten positioniert sind, schaffen strukturelle Unterstützung.
Die verschiedenen typischen Ausführungsbeispiele sind in erster Linie aus der Perspektive eines Wandlers erläutert, der in der Funktion eines Ultraschallsignalsenders arbeitet. Wie oben erwähnt, können die verschiedenen Ausführungsbeispiele (beispielsweise 1–6, 8 und 9A–9C) jedoch aufgrund des akustischen Reziprozitätsprinzips gleicherweise im Fall eines Wandlers angewendet werden, der in der Funktion eines Ultraschallempfängers arbeitet.
Die verschiedenen Komponenten, Materialien, Strukturen und Parameter sind nur als Beispiel und nicht in einem einschränkenden Sinn enthalten. In Anbetracht dieser Offenbarung können Fachleute die vorliegenden Lehren beim Bestimmen ihrer eigenen Anwendungen und von erforderlichen Komponenten, Materialien, Strukturen und einer Anlage zum Implementieren dieser Anwendungen implementieren, während sie innerhalb des Umfangs der angehängten Ansprüche bleiben.

Claims

Eine Vorrichtung zum Senden oder Empfangen von Ultraschallsignalen, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Wandler, der derart konfiguriert ist, dass er zwischen elektrischer Energie und den Ultraschallsignalen umwandelt; und ein akustisches Horn, das an den Wandler gekoppelt ist, wobei das akustische Horn eine Mehrzahl von Blenden aufweist, durch die die Ultraschallsignale gesendet oder empfangen werden, um zumindest eines von einem Strahlungsmuster, einer Frequenzantwort oder einer Stärke der Ultraschallsignale zu manipulieren, wobei die Mehrzahl von Blenden eine entsprechende Mehrzahl von verschiedenen Blendengrößen aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wandler einen mikroelektromechanisches System(MEMS)-Wandler aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das akustische Horn eine Mehrzahl von Hornstrukturen aufweist, die eine gemeinsame Halsöffnung benachbart zu dem Wandler und eine Mehrzahl von Mundöffnungen aufweisen, die der Mehrzahl von Blenden entsprechen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Mehrzahl von Hornstrukturen eine Mittelhornstruktur und zumindest zwei benachbarte Umfangshornstrukturen aufweist, die in linearer Art ausgerichtet sind.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mehrzahl von Blenden in zweidimensionaler Art ausgerichtet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Mittelhornstruktur eine andere Länge als die zumindest zwei benachbarten Umfangshornstrukturen aufweist, um Relativphasen der Ultraschallsignale zu manipulieren, die jeweils von der entsprechenden Mehrzahl von Blenden ausgesendet werden.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Strahlungsmuster der Ultraschallsignale, das von der Vorrichtung gesendet wird, zwei oder mehr Keulen aufweist, die sich bei verschiedenen Winkeln von dem Wandler erstrecken.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Strahlungsmuster der Ultraschallsignale, die von der Vorrichtung gesendet werden, eine Keule bei einem Nicht-Null-Winkel von dem Wandler aufweist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das akustische Horn eine akustische Linse aufweist, die an einer Mundöffnung des akustischen Horns befestigt ist, wobei die Linse ein Muster definiert, das eine Mehrzahl von Blenden aufweist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Mehrzahl von Blenden eine Mehrzahl konzentrischer Kreise aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Muster ein Fresnel-Muster aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Mehrzahl konzentrischer Kreise abwechselnde Zonen definieren, in denen Anteile der Ultraschallsignale blockiert werden.
Die Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei Grenzen der abwechselnden Zonen durch die folgende Formel approximiert werden, in der R_n ein Radius der Grenze n ist, λ eine Wellenlänge der Ultraschallsignale ist und z₁, z₂ Abstände der Linse zu dem Wandler bzw. zu einem Brennpunkt der Linse sind:
Eine Vorrichtung zum Senden von Ultraschallsignalen, wobei die Vorrichtung aufweist: einen mikroelektromechanisches System(MEMS)-Wandler, der derart konfiguriert ist, dass er elektrische Energie in akustische Signale umwandelt; und ein akustisches Horn, das zum Verstärken der Ultraschallsignale an den Wandler gekoppelt ist, wobei das akustische Horn eine Mehrzahl von Hornstrukturen aufweist, die eine gemeinsame Halsöffnung zum Empfangen der Ultraschallsignale von dem Wandler aufweisen, wobei die Mehrzahl von Hornstrukturen eine Mittelhornstruktur und eine Mehrzahl von Umfangshornstrukturen aufweist, wobei Abmessungen von zumindest zwei der Mehrzahl von Hornstrukturen verschieden sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei zumindest eine der Mehrzahl von Hornstrukturen einen rohrförmigen inneren Abschnitt und einen kegelförmigen äußeren Abschnitt aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Mittelhornstruktur eine Verzögerung von ungefähr einer halben Wellenlänge eines Anteils der Ultraschallsignale erzeugt, die durch jede der Mehrzahl von Umfangshornstrukturen hindurch gesendet werden.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei ein Mittelpunkt der Mundblende der Mittelhornstruktur den gleichen Abstand von einem Mittelpunkt von Mundblenden jeder der Mehrzahl von Umfangshornstrukturen aufweist.
Eine Vorrichtung zum Senden von Ultraschallsignalen, wobei die Vorrichtung aufweist: einen mikroelektromechanisches System(MEMS)-Wandler, der derart konfiguriert ist, dass er elektrische Energie in Ultraschallsignale umwandelt; und ein akustisches Horn, das zum Verstärken der Ultraschallsignale an den Wandler gekoppelt ist, wobei das akustische Horn einen Halsabschnitt benachbart zu dem MEMS-Wandler zum Empfangen der Ultraschallsignale und einen Mundabschnitt aufweist, der in der Fläche größer als der Halsabschnitt ist; und eine akustische Linsenstruktur, die an dem Mundabschnitt des akustischen Horns angebracht ist, wobei die Linsenstruktur ein vorbestimmtes Muster von Öffnungen zum Manipulieren eines Strahlungsmusters der Ultraschallsignale definiert, durch die hindurch die Ultraschallsignale gesendet werden.
Die Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das vorbestimmte Muster ein Fresnel-Muster aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, ferner aufweisend: eine Druckkammer, die derart konfiguriert ist, dass sie den MEMS-Wandler und den Eingangsabschnitt des akustischen Horns verbindet.