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Stand der Technik
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Auf dem technischen Gebiet der Erfindung, d. h. auf dem Gebiet der akustischen Abtastung einer Umgebung, sind Verfahren bekannt, die das Aussenden von Impulsen in einer Umgebung und den Empfang von dort reflektierten Impulsen umfassen, um durch Auswertung auf einen Abstand zu einem Objekt schließen zu können.
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Die verwendeten Wandler sind akustische Wandler mit einer Membran, die notwendigerweise eine gewisse Masse besitzt, wobei die Membran ferner eine Federkraft aufweist, so dass sich ein Nachschwingverhalten ergibt. Piezoelektrische Wandler weisen das gleiche Verhalten für ihre Piezoelektrische Schicht auf. Das Nachschwingen nach einer vorherigen Anregung ist aus mehreren Gründen unerwünscht, nicht zuletzt aufgrund des dadurch bedingten Mindestabstands, da der Wandler erst dann als Empfänger des an einem Objekt reflektierten Schalls verwendet werden kann, wenn die Schwingung (als Resultat einer vorhergehenden Anregung) weitgehend abgeklungen ist.
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Es ist daher bekannt, die Membran neben der Eigendämpfung zusätzlich passiv mittels Dämpfungselementen zu dämpfen, wobei beispielsweise Schaum verwendet wird. Dadurch wird jedoch die Empfindlichkeit in beide Wandlungsrichtungen, d. h. beim Aussenden und beim Empfangen der Schallimpulse deutlich verringert.
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Beispielsweise aus der Anmeldung
DE 101 36 628 A ist bekannt, die Membran aktiv zu dämpfen, indem zum Unterdrücken von Nachschwingungen ein entgegengesetztes Signal an den Wandler angelegt wird, wobei die Überlagerung dieses Dämpfungssignals mit der Nachschwingung zu einer Amplitudenreduktion führt. Dieses Verfahren führt nur dann zu einer zufrieden stellenden Dämpfung, wenn die vorgegebene, konstante Frequenz des Dämpfungssignals der Resonanzfrequenz des Wandlers entspricht. Weiterhin ist ein stetiges Messsignal auch während der Dämpfung erforderlich. Dies schränkt den Einsatz des bekannten Verfahrens auf bestimmte Wandlerarten ein.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Mechanismus zur aktiven Dämpfung eines akustischen Wandlers vorzusehen, der sich für eine Vielzahl von Wandlerarten oder Wandler eines Typs mit statisch (zwischen einzelnen Betriebszyklen) unterschiedlichen und dynamisch (während eines Betriebszyklus') veränderlichen Eigenschaften eignet.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung ermöglicht eine aktive Dämpfung für nahezu alle akustischen Wandler, insbesondere für Wandler, deren Resonanzfrequenz nicht exakt bei der Herstellung vorbekannt ist, sowie für Wandler, deren Resonanzfrequenz veränderlich ist. Das Verfahren ist einsetzbar für Wandler, deren Resonanzfrequenz sich während des Betriebs ändert, insbesondere durch Änderungen im akustischen System durch Verschmutzung, Alterung, veränderliche Lagerspannung, Änderungen von umgebenden akustischen Elementen usw. Die Erfindung ermöglicht es, für eine Vielzahl von Wandlern eine deutlich reduzierte Nachschwingzeit zu erhalten, ohne dass passive Dämpfungselemente verwendet werden, die die Reichweite und Effizienz des Wandlers deutlich verringern. Die Erfindung kann auch in Kombination mit einer herkömmlichen passiven Dämpfung oder mit einer passiven Dämpfung mit reduzierten Dämpfungseigenschaften verwendet werden, um so beispielsweise noch zügiger dämpfen zu können. Insbesondere ist es möglich, Wandler mit starken Herstellungstoleranzen zu verwenden, da die Erfindung eine individuelle und kontinuierliche Adaption ermöglicht. Schließlich muss während der Herstellung kein Frequenzabgleich ausgeführt werden; ebenso sind keine Komponenten notwendig (beispielsweise Kondensatoren), die eine Anpassung an sich dynamisch oder im Laufe der Lebensdauer verändernde Eigenschaften, wie z. B. eine Temperaturkompensation oder die Kompensation von Alterungseffekten, vorsehen, um (unter anderem) das Dämpfungssignal entsprechend der jeweils aktuellen Resonanzfrequenz anzupassen. Mittels der Erfindung können Schwebungen durch aktiven Dämpfungseingriff verhindert werden, die eine Nachschwingzeit deutlich verlängern würden.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept ist es, bei der aktiven Dämpfung nicht von einer fest vorgegebenen Resonanzfrequenz auszugehen (die sich beispielsweise aus dem Bautyp ergibt), sondern die aktuelle Schwingungsfrequenz zu erfassen, um die aktive Dämpfung mit dieser Frequenz, angepasst an die aktuellen akustischen und systemverbundenen Eigenschaften, vorzusehen. Dies wird erreicht, indem ein Nachschwingen betrachtet wird, um daraus auf die aktuelle, veränderliche Resonanzfrequenz bzw. Schwingungsfrequenz des Wandlers bzw. des gesamten akustischen Systems schließen zu können. Aufgrund dieser Information kann die Frequenz des Dämpfungssignals, das zur aktiven Dämpfung an den Wandler angelegt wird, spezifisch angepasst sein. Bei geringen Fehlanpassungen (z. B. unterschiedliche Resonanz- und Dämpfungsfrequenzen, Phasenverschiebung), wie sie im Stand der Technik auftreten können, tritt keine Auslöschung auf, sondern es ergeben sich Schwingungen, deren Amplitude größer als die gedämpfte Nachschwingungsamplitude ist. Die Erfindung verhindert diesen Effekt und erzeugt dadurch ein deutlich robusteres System.
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Neben der Betrachtung eines Nachschwingvorgangs, um die aktuelle Schwingungsfrequenz und somit die Resonanzfrequenz des Wandlers zu erzeugen, kann auch eine elektrische Größe während des Anregens des Wandlers erfasst werden, beispielsweise der Strom, der beim Anlegen einer Anregungsspannung fließt. Aus dem gegebenenfalls vorhandenen Phasenversatz kann auf die Eigenresonanzfrequenz des Wandlers geschlossen werden, die die Frequenz vorgibt, mit der der Dämpfungspuls zu erfolgen hat.
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Bevorzugt wird jedoch erfindungsgemäß die Frequenz der Schwingung erfasst, die aus dem Anregen des Wandlers resultiert. Es wird daher der Wandler angeregt und darauf folgend (d. h. nach oder mit dem Ende des Anregens) wird ein Wandlersignal erfasst, dessen Frequenz der Resonanzfrequenz entspricht und damit die Frequenz auch der Frequenz entspricht, mit der angeregt und gedämpft wird. Für das Anregen ergeben sich zwei Alternativen, wobei in einer ersten Alternative ein üblicher Anregungsimpuls, der zum akustischen Abtasten der Umgebung verwendet wird, auch zum Erzeugen eines Nachschwingens verwendet wird, so dass die Schwingungsfrequenz nach dem Zuführen des Anregungspulses erfasst wird.
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Bei bekannten Verfahren wird die Nachschwingungsdauer üblicherweise ausgeblendet, da aus dieser keine Echodaten extrahiert werden können, wobei im Gegensatz hierzu die Erfindung vorsieht, das Nachschwingverhalten zu betrachten, um auf die Resonanzfrequenz des Systems schließen zu können. Die aktuelle Resonanzfrequenz, d. h. die aktuelle Schwingungsfrequenz während des Nachschwingvorgangs, entspricht der Frequenz des zu erzeugenden Dämpfungspulses. Die zweite Alternative sieht vor, dass ein zusätzlicher Messpuls angelegt wird, der deutlich kürzer als der Anregungspuls sein kann und der nur zur Auslenkung der Wandlermembran dient, um die Frequenz des resultierenden Nachschwingvorgangs erfassen zu können. Die zweite Alternative ermöglicht daher, die aktuelle Schwingungsfrequenz unabhängig von dem üblichen Anregen während des Betriebs des Wandlers erfassen zu können. Bei einigen Wandlern ändert sich die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Amplitude. Somit ist insbesondere die erste Alternative sehr gut geeignet, diese Abhängigkeit zu erfassen. Dadurch kann bei der Dämpfung während des Betriebes die Dämpfungsfrequenz exakt auf die jeweilige, sich dynamisch ändernde, Resonanzfrequenz des Wandlers angepasst werden.
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Neben der möglichst optimalen Dämpfung kann die Kenntnis über die Resonanzfrequenz auch dazu eingesetzt werden, den Wandler möglichst optimal anzuregen. Dazu ist das Anregungssignal in gleicher Frequenz und Phasenlage entsprechend der Wandlerschwingung an den Wandler anzulegen.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere für Abstandserfassungssensoren für Kraftfahrzeuge, die ultraschallbasiert sind und die auf dem Pulsechoverfahren beruhen. Derartige Systeme eignen sich beispielsweise für Einparkassistenzverfahren oder Spurhalteverfahren. Weiterhin kann das Verfahren für Wandler eingesetzt werden, die ultraschallbasiert eine Durchflussmenge, insbesondere eines Kraftstoffgemischs, erfassen und bei denen Ultraschalpulse durch einen Kraftstoffstrom hindurch geleitet werden und insbesondere vom selben Wandler wieder empfangen werden.
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Die Erfindung kann umgesetzt werden mittels eines Verfahrens oder einer Vorrichtung, die im Weiteren beschrieben ist.
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Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur aktiven Dämpfung eines akustischen Wandlers, der insbesondere als Piezoelement ausgeführt ist. Derartige Wandler können an Außenseiten von Kraftfahrzeugen angeordnet sein. Das Verfahren sieht vor, den Wandler anzuregen, indem ein elektrischer Anregungspuls dem Wandler zugeführt wird. Dieser Schritt dient zum Aussenden eines Ultraschallpulses, um die Umgebung akustisch abzutasten. Verfahrensgemäß wird daraufhin der Wandler gedämpft, indem dem Wandler ein Dämpfungspuls zugeführt wird. Der Dämpfungspuls wird während der Nachschwingzeit zugeführt, um die Nachschwingung zu dämpfen. Hierzu ist der Dämpfungspuls der Schwingungsbewegung des Wandlers zumindest teilweise entgegengesetzt, so dass sich Bewegungskomponenten im Sinne einer destruktiven Interferenz aufheben. Dies wird als aktive Dämpfung bezeichnet. Der Dämpfungspuls wird dem Wandler als elektrisches Signal zugeführt, wobei die Schwingungsbewegung des Wandlers hierdurch verringert wird. Die Entsprechung elektrischer und akustischer Signale ergibt sich durch das reziproke Zweitor, das von dem akustischen Wandler vorgesehen wird. Die Aufhebung kann daher auf elektrischer Seite, auf akustischer Seite des Ersatzschaltbildes des Wandlers oder zwischen diesen Seiten innerhalb des Ersatzschaltbilds betrachtet werden. Der Dämpfungspuls ist der Schwingungsbewegung dadurch entgegengesetzt, dass diese zueinander derart phasenverschoben sind, dass die Amplitude des Dämpfungspulses die Amplitude der Schwingungsbewegung zumindest abschnittsweise aufhebt, wobei insbesondere die Wellenberge des Dämpfungspulses und der Schwingungsbewegung entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Dies entspricht einem Phasenversatz von im Wesentlichen 180°, d. h. einer halben Periode, wobei sich jedoch auch teilweise Aufhebungen ergeben, wenn der Dämpfungspuls um einen Winkelbetrag von mehr als 90° und weniger als 270° zu der Phase der Schwingungsbewegung versetzt ist.
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Da die Erfindung mit dem aktuellen Schwingungsverhalten des akustischen Wandlers arbeitet, sieht das Verfahren ferner einen Erfassungsschritt vor, während dem wiederum der Wandler angeregt wird und die resultierende aktuelle Schwingungsfrequenz des Wandlers erfasst wird. Das Anregen des Wandlers innerhalb des Erfassungsschritts kann sich, wie oben bemerkt, mit dem Zuführen des Anregungspulses zur akustischen Abtastung der Umgebung decken oder es kann eine von der üblichen Anregung während des Betriebs des Wandlers getrennte Anregung erfolgen, die nur den Zweck der Erzeugung eines Nachschwingens hat, um die aktuelle Schwingungsfrequenz erfassen zu können. Das Erfassen der resultierenden aktuellen Schwingungsfrequenz entspricht der Betrachtung der Frequenz des Nachschwingens, wobei der Begriff „resultierend” dem Nachschwingvorgang als Reaktion auf eine Anregung gleichgesetzt werden kann. Die aktuelle Schwingungsfrequenz entspricht der Frequenz, mit der sich der Wandler während des Nachschwingens, d. h. nach dem Anregen bewegt. Da das resultierende Schwingen nicht mit einer Anregung oder mit anderen externen Beeinflussungen beaufschlagt ist, stellt sich als aktuelle Schwingungsfrequenz die Resonanzfrequenz des Wandlers ein. Daher kann die aktuelle Schwingungsfrequenz mit der Resonanzfrequenz gleichgesetzt werden, oder es kann zumindest eine einfache Verknüpfung zwischen diesen Frequenzen vorgesehen werden, die eine zusätzliche Korrektur enthält, die die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von weiteren Wandlereigenschaften und Wandlerzuständen, insbesondere der aktuellen Schwingungsamplitude, wiedergibt.
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Das Anregen durch Zuführen des Anregungspulses, um die Umgebung akustisch mittels eines Pulsechoverfahrens abzutasten, berücksichtigt vorzugsweise ebenso die erfasste Resonanzfrequenz, d. h. die erfasste aktuelle Schwingungsfrequenz. Der Anregungspuls wird daher vorzugsweise mit der Resonanzfrequenz, d. h. mit der erfassten, aktuellen Schwingungsfrequenz abgeben.
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Diese erfasste, aus dem Anlegen resultierende, Schwingungsfrequenz, die auch als Resonanzfrequenz betrachtet werden kann, dient zur Erzeugung des Dämpfungspulses. Insbesondere wird der Dämpfungspuls mit der aktuellen Schwingungsfrequenz vorgesehen bzw. erzeugt. Als erfasste Schwingungsfrequenz sowie als Frequenz des Dämpfungspulses wird die Frequenz der Grundschwingung des jeweiligen Signals betrachtet. Die während des Nachschwingens erfasste Schwingungsfrequenz ist somit die Grundfrequenz der Nachschwingung, wobei die Grundfrequenz des Dämpfungspulses dieser Frequenz entspricht. Der Dämpfungspuls bildet somit mindestens die Grundfrequenz des Signals nach, das während des Erfassungsschritts am Wandler anliegt. Die erfasste Schwingungsfrequenz bildet somit zumindest die Grundschwingung der Schwingungsbewegung nach, die nach dem Zuführen des Anregungspulses erfasst wird. Der Dämpfungspuls dient daraufhin dazu, diese Schwingungsbewegung oder folgende Schwingungsbewegungen, die nach folgenden Anregungspulsen auftreten, zu dämpfen.
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Insbesondere sieht das Verfahren vor, dass das Anregen im Rahmen des Erfassungsschrittes durch das Zuführen des Anregungspulses an den Wandler vorgesehen wird, d. h. durch einen Anregungsschritt, der zur akustischen Abtastung der Umgebung dient. Ferner wird ein Messsignal erfasst, das der Wandler nach dem Ende des Anregungspulses abgibt, insbesondere dessen Frequenz. Diese Frequenz wird als die aktuelle Schwingungsfrequenz erfasst. Das Verfahren kann insbesondere vorsehen, dass nicht das gesamte Messsignal untersucht wird, sondern dass nur die (Grund-)Frequenz erfasst wird. Die sich ergebende Frequenz wird als die aktuelle Schwingungsfrequenz erfasst, mit welcher wiederum der Dämpfungsimpuls vorgesehen wird.
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Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass das Anregen während des Erfassungsschritts durch Zuführen eines Messpulses an den Wandler vorgesehen wird. Dieser Messpuls ist ein zusätzlicher Messpuls, der nicht zur akustischen Abtastung der Umgebung dient, insbesondere aufgrund seiner kurzen Dauer. Die Vermessung der aktuellen Schwingungsfrequenz und das Anregen zur akustischen Abtastung der Umgebung können dadurch zeitlich auseinander liegen. Eine Frequenz eines Messsignals, das der Wandler nach dem Ende des Messpulses abgibt, wird als die aktuelle Schwingungsfrequenz erfasst. Mit dieser aktuellen Schwingungsfrequenz wird der Dämpfungspuls vorgesehen. Mit anderen Worten wird ein Dämpfungspuls gemäß der Vorgabe erzeugt, dass dieser zumindest als Grundfrequenz die erfasste Frequenz des Messsignals aufweist.
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Der hierbei verwendete Messpuls dient lediglich zur Erzeugung einer Nachschwingung des Wandlers. Insbesondere lässt sich dadurch erreichen, dass zur Bestimmung der Resonanzfrequenz ein Messpuls mit der Dauer von nur wenigen Halbwellen ausreicht (z. B. weniger als zehn, weniger als fünf oder nur zwei oder eine Halbwelle). Der Messpuls muss ferner nicht notwendigerweise eine Frequenz aufweisen, die exakt der Resonanzfrequenz entspricht, sondern es muss lediglich gegeben sein, dass das Wandlersystem durch das Frequenzspektrum des Messpulses angeregt werden kann. Dazu umfasst das Frequenzspektrum des Messpulses zumindest eine (vordefinierte) Frequenzkomponente, die in der Nähe einer anzunehmenden Resonanzfrequenz des Wandlers liegt. Das Frequenzspektrum kann auch weitere Frequenzkomponenten aufweisen, so dass dessen Erzeugung keine besonderen Vorkehrungen erfordert. Die anzunehmende Resonanzfrequenz kann vorgegeben sein und insbesondere einer bauartabhängigen Norm-Resonanzfrequenz entsprechen. Neben zumindest einer Frequenzkomponente, die vordefiniert sein kann und die zur Anregung des Wandlers geeignet ist, kann der Messpuls weitere Frequenzkomponenten aufweisen, die nicht notwendigerweise den Wandler zu einer Nachschwingung veranlassen. Es ist lediglich vorteilhaft, dass zumindest eine Frequenzkomponente des Messpulses in der Lage ist, den akustischen Wandler anzuregen, so dass eine breite Vielzahl von Signalformen zum Erstellen des Messpulses verwendet werden kann. Dies vereinfacht die Umsetzung von Komponenten, die zur Erzeugung des Messpulses dienen. Als Beispiel kann ein einfacher Rechteckimpuls verwendet werden, wobei Flankensteilheit und Pulsbreite sowie Flankenverlauf in weiten Toleranzgrenzen vorgesehen sein können. Ferner kann der Messpuls mit einer Frequenz vorgesehen werden, die einer vorab erfassten Resonanzfrequenz bzw. Schwingungsfrequenz entspricht.
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Die aktuelle Schwingungsfrequenz, die nach dem Anregen im Rahmen des Erfassungsschritts erfindungsgemäß erfasst wird, entspricht der aktuellen Resonanzfrequenz des Wandlers, wenn dieser in einem frei schwingendem Zustand ist. Insbesondere bedeutet ein frei schwingender Zustand, dass der Wandler nicht mit weiteren Anregungssignalen beaufschlagt ist. Die aktuelle Schwingungsfrequenz wird durch Ermitteln einer Periodendauer eines vom Wandler abgegebenen Signals erfasst, insbesondere des Messsignals, das der Wandler nach dem Ende des Anregungspulses oder nach dem Zuführen des Messpulses abgibt. Die Periodendauer wird insbesondere durch das Erfassen des zeitlichen Abstands zwischen zwei aufeinander folgenden Nulldurchgängen ermittelt. Hierzu kann das von dem Wandler abgegebene Signal hochpassgefiltert sein, beispielsweise durch Setzen eines Offsets (beispielsweise eines mit dem Wandler verbundenen Operationsverstärkers) auf null. Alternativ kann der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Maxima oder Minima des vom Wandler abgegebenen Signals erfasst werden. Weitere Möglichkeiten zur Erfassung der aktuellen Schwingungsfrequenz, d. h. der Resonanzfrequenz, sind das zeitliche Ableiten des vom Wandler abgegebenen Signals und das Ermitteln des Maximums der zeitlichen Ableitung. Die Periodendauer kann insbesondere mittels eines Taktgebers und eines Zählers erfasst werden, der die Anzahl der Takte erfasst, die zwischen zwei zeitlich eindeutig zuordenbaren Ereignissen (z. B. zwei oder mehr aufeinanderfolgende Nulldurchgänge zur Vermessung der Dauer einer Halbwelle, der Periodendauer, respektive der Dauer einer Vollwelle oder einem Vielfachen derer) liegt. Die Schwingungsfrequenz und die Periodendauer verhalten sich reziprok zueinander.
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Die eine Frequenz des Messsignals, das der Wandler nach dem Ende des Anregungspulses bzw. speziellen Messpulses abgibt, wird als die aktuelle Schwingungsfrequenz erfasst, mit der der Anregungspuls und der Dämpfungspuls vorgesehen werden.
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Das Erfassen der Schwingungsfrequenz erfolgt durch Ermitteln einer Periodendauer eines vom Wandler abgegebenen Signals durch Erfassen des zeitlichen Abstands zwischen zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen, insbesondere Nulldurchgänge des Wechselstromanteils des erfassten Signals, zwischen zwei oder mehreren aufeinander folgenden relativen Maxima, zwischen zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden relativen Minima, zwischen zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden sich in gleichartiger oder mit entgegengesetzten Vorzeichen wiederholenden Signalverläufen oder zwischen zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden in deren zeitlichem Zusammenhang eindeutig identifizierbaren Signalverläufen des vom Wandler abgegebenen Signals.
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Der Anregungspuls und/oder der Messpuls (der lediglich zum Erzeugen einer Nachschwingung dient) können als Burst-Signal vorgesehen sein, d. h. als periodisches Signal, das sich über ein Zeitfenster erstreckt. Als periodische Signale werden vorzugsweise Rechtecksignale verwendet, wobei jedoch grundsätzlich auch Sinussignale, Dreieckssignale, Sägezahnsignale oder Ähnliches zur Anregung verwendet werden können. Vorzugsweise ist der Anregungspuls gleichanteilsfrei, insbesondere ein bipolarer Rechteckpuls, der zudem einen Nullzustand umfassen kann. Der Dämpfungspuls kann auf die gleiche Weise wie der Anregungspuls oder der Messpuls ausgebildet sein, mit dem Unterschied, dass die Frequenz des Dämpfungspulses der aktuellen Schwingungsfrequenz entspricht. Der Dämpfungspuls wird vorzugsweise mit einer variablen Leistung vorgesehen. Hierzu kann der Dämpfungspuls einen maximalen Amplitudenbetrag und/oder ein Tastverhältnis aufweisen, der bzw. das unter der entsprechenden Größe des Messpulses bzw. des Anregungspulses liegt. Amplitude und/oder Tastverhältnis sind vorzugsweise umso geringer, je geringer die Leistung bzw. die Amplitude des Signals ist, das der Wandler nach dem Anregen (durch den Anregungspuls oder den Messpuls) abgibt. Die Amplitude kann insbesondere verringert werden, indem dem Wandler ein Widerstand bzw. ein Widerstandsnetzwerk vorgeschaltet wird, wobei das Widerstandsnetzwerk Schalter umfassen kann, die den Gesamtreihenwiderstand gemäß der Amplitude des Nachschwingsignals vergrößern, je geringer die Leistung des Signals ist, das der Wandler nach dem Anregen abgibt bzw. je geringer die noch im Wandler befindliche Energie ist. Die Amplitude kann insbesondere auch dadurch verringert werden, dass regelbare oder unterschiedliche, umschaltbare Stromquellen eingesetzt werden, wobei sich der Strom gemäß der Amplitude des Nachschwingsignals verkleinert, je geringer die Leistung des Signals ist, das der Wandler nach dem Anregen abgibt bzw. je geringer die noch im Wandler befindliche Energie ist.
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Der Wandler wird vorzugsweise von einem ternären Treiber angesteuert, der die Anregungspulse, die Dämpfungspulse und/oder die Messpulse abgibt. Der ternäre Treiber gibt eine positive Amplitude, eine negative Amplitude sowie eine Nullamplitude ab, wobei während der Nullamplitude der Treiber in hochohmigem Zustand ist. Der Treiber wird während des Erfassens des vom Wandler abgegebenen Signals entweder von dem Wandler getrennt oder in hochohmigen Zustand versetzt. In hochohmigem Zustand ist der Innenwiderstand des Ausgangs des Treibers um ein Vielfaches größer als während der positiven oder negativen Amplitude.
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Um den Dämpfungspuls entsprechend der zu unterdrückenden Schwingungsbewegung einzusetzen, wird vor dem Zuführen des Dämpfungspulses eine Phaseninformation der Schwingungsbewegung des Wandlers erfasst. Die Phaseninformation kann aus dem Messsignal ermittelt werden, insbesondere durch Erfassen der Nulldurchgänge beispielsweise aller ins Positive oder aller ins Negative führenden Nulldurchgänge. Der Dämpfungspuls wird daraufhin mit einer Phase zugeführt, die zu der so erfassten Phaseninformation versetzt ist, d. h. einen Betrag von größer als 90°, um einen Betrag von kleiner als 270° oder von im Wesentlichen 180° (beispielsweise mit einer Abweichung von +/–10%). Somit wird nicht nur die Frequenz, sondern auch die Phase des Dämpfungspulses an das Messsignal bzw. an die zugehörige Schwingungsbewegung angepasst, um die nachfolgenden Schwingungsbewegungen optimal kompensieren und somit dämpfen zu können.
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Während die aktuelle Schwingungsfrequenz in einem vorhergehenden Schritt oder in einer vorhergehenden Phase erfasst werden kann, d. h. in einem bereits zurückliegenden Erfassungsschritt, wird die Phaseninformation der aktuell zu dämpfenden Schwingungsbewegung erfasst, um den Dämpfungspuls mit der aktuellen Schwingungsbewegung des Wandlers (mit einem Versatz von 180°) synchronisieren zu können. Die Phase wird somit vorzugsweise unmittelbar vor jedem Zuführen eines Dämpfungspulses ermittelt, wohingegen die Schwingungsfrequenz in vorangehenden Schritten ermittelt werden kann. In besonderen Betriebsfällen kann die Phasenlage des Wandlers bekannt sein, so dass eine explizite Synchronisation nicht erforderlich ist. Insb. ist die Phasenlage während der Anregung und im Anschluss an eine Anregung bekannt, so dass sofort nach der Anregung mit der Dämpfung begonnen werden kann.
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Da die Schwingungsfrequenz für eine gewisse Zeitdauer konstant ist, kann die aktuelle Schwingungsfrequenz einmal erfasst und zwischengespeichert werden, bis aufgrund des Ablaufs eines vorgegebenen Zeitfensters eine erneute Schwingungsfrequenz zu erfassen ist. Ferner kann immer dann eine neue Schwingungsfrequenz erfasst werden, wenn ein Umgebungssensor eine Änderung erfasst, die über einem bestimmten Schwellwert liegt, beispielsweise eine Temperaturveränderung, die größer als ein vorgegebener Betrag ist.
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Da mit derartigen Änderungen der Umgebung auch Änderungen des akustischen Systems und insbesondere der Resonanzfrequenz des Wandlers verbunden sind, lässt sich dadurch immer dann die Schwingungsfrequenz, dergemäß der Dämpfungspuls vorgesehen wird, aktualisieren, wenn eine Änderung des Resonanzverhaltens des Wandlers zu erwarten ist. Ferner kann immer dann der erfindungsgemäße Erfassungsschritt ausgeführt werden, wenn erfasst wird, dass ein Fahrzeug, welches den akustischen Wandler trägt, eine bestimmte Grenzgeschwindigkeit unterschreitet, beispielsweise eine Geschwindigkeit von 10 oder 5 km pro Stunde. Wird somit eine resultierende aktuelle Schwingungsfrequenz erfasst, so wird diese zwischengespeichert und für zukünftige Erzeugungen des Ansteuerimpulses und des Dämpfungspulses verwendet, bis die Schwingungsfrequenz in einem erneuten Erfassungsschritt aktualisiert wird. Insbesondere dann, wenn die erfasste Schwingungsfrequenz älter als eine vorbestimmte Zeitdauer ist, wird ein erneuter Erfassungsschritt ausgeführt.
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Eine Aktualisierung mittels des erfindungsgemäßen Erfassungsschritts erfolgt insbesondere immer dann, wenn die zuletzt erfasste Schwingungsfrequenz älter ist als eine vorbestimmte Zeitdauer. Die Zeitdauer richtet sich vorzugsweise nach Umweltbedingungen, insbesondere der Temperatur oder Niederschlag. Ferner kann der erfindungsgemäße Erfassungsschritt bei Temperaturänderungen, bei erfasster Verschmutzung oder Vereisung ausgeführt werden. Alternativ oder in Kombination hiermit kann der Erfassungsschritt bzw. die Aktualisierung alle 0,1 oder 1 oder 10 Minuten ausgeführt werden, insbesondere einmal im Monat oder einmal im Jahr, um Alterungseffekte berücksichtigen zu können. Wie bereits bemerkt, kann der Erfassungsschritt ausgeführt werden, wenn der Wandler oder ein sich in räumlicher Nähe befindliches Bauteil die Temperatur so ändert, dass auf eine Temperaturänderung am Wandler geschlossen werden kann, derzufolge sich auch die Schwingungsfrequenz ändert.
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Die Erfindung wird ferner realisiert durch ein Verfahren zur Umgebungserfassung eines Kraftfahrzeugs, auf dem der Wandler angeordnet ist. Das Verfahren sieht vor, ein akustisches Pulsechoverfahren auszuführen, welches Absenden und Empfangen des Ultraschallpulses vorsieht. Erfindungsgemäß wird vor dem Empfangen des Ultraschallpulses das erfindungsgemäße Verfahren zur aktiven Dämpfung ausgeführt. Insbesondere wird zumindest einmal, jedoch vorzugsweise wiederholt bzw. periodisch wiederholt, der erfindungsgemäße Erfassungsschritt ausgeführt, bei dem die aktuelle Schwingungsfrequenz erfasst wird, gemäß der der Dämpfungspuls erstellt wird. Nach dem Absenden des Ultraschallpulses (durch Anregen des Wandlers durch Zuführen eines Anregungspulses) wird der Dämpfungspuls an den Wandler angelegt. Aufgrund der erfassten aktuellen Schwingungsfrequenz oder aufgrund einer aktuell hinterlegten Schwingungsfrequenz ist der Dämpfungspuls an das aktuelle Nachschwingverhalten des Wandlers angepasst. Jedem Zuführen des Dämpfungspulses geht vorzugsweise eine Erfassung einer Phaseninformation voraus, die die Schwingungsbewegung des Wandlers wiedergibt, um den Dämpfungspuls synchronisiert zu der aktuellen Schwingungsbewegung abzugeben, um dadurch den maximal möglichen Kombinationseffekt zu erzielen.
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Die Erfindung wird ferner mittels einer Vorrichtung zur aktiven Dämpfung eines akustischen Wandlers realisiert, mit einer Erfassungseinrichtung, die an dem Wandler angeschlossen ist. Die Erfassungseinrichtung ist in der Lage, eine aktuelle Schwingungsfrequenz eines von dem Wandler stammenden Messsignals zu erfassen, insbesondere mittels eines getakteten Zählers und einer Nulldurchgangserkennung, einer Scheitelpunktmessung oder anderen Mitteln, um den zeitlichen Abstand zwischen sich, mit gleichartiger oder mit entgegen gesetzten Vorzeichen, wiederholenden Signalverläufe zu ermitteln oder um den zeitlichen Abstand zwischen mind. zwei aufeinanderfolgenden und in deren zeitlichem Zusammenhang eindeutig identifizierbaren Signalverläufen zu ermitteln. Diese sind eingerichtet, die Anzahl der Takte zwischen zwei oder mehreren Nulldurchgängen bzw. gleichartigen Signalverläufen zu erfassen, um dadurch auf die Schwingungsfrequenz (oder eine diese wiedergebende Größe) zu schließen. Die Vorrichtung weist ferner einen Signalgenerator auf, der mit dem Wandler verbunden ist und der ferner mit der Erfassungseinrichtung zum Empfang der Schwingungsfrequenz verbunden ist. Der Signalgenerator ist in der Lage, einen Dämpfungspuls zu erzeugen, wobei der Signalgenerator bei der Erzeugung des Dämpfungspulses die zuvor empfangene Schwingungsfrequenz berücksichtigt und gemäß dieser die Frequenz des Dämpfungspulses vorsieht. Der Signalgenerator ist ferner in der Lage, den Dämpfungspuls hinsichtlich der Phase zumindest teilweise entgegengesetzt zu der (aktuell erfassten) Schwingungsbewegung des Wandlers vorzusehen. Der Signalgenerator ist durch die Verbindung mit dem Wandler in der Lage, den Dämpfungspuls an diesen anzulegen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Speicher, in dem eine aktuell erfasste Schwingungsfrequenz abgelegt werden kann, wobei der Speicher ferner mit dem Signalgenerator verbunden ist, der die aktuelle Schwingungsfrequenz aus dem Wandler abrufen kann, um den Dämpfungspuls mit der Schwingungsfrequenz vorzusehen. Der Signalgenerator kann eine binäre oder ternäre Endstufe sein, wobei die ternäre Endstufe ferner im Nullzustand auf einen hohen Innenwiderstand schaltet.
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Ferner kann der Signalgenerator einen Eingang für ein Tastverhältnis aufweisen, mit dem das Tastverhältnis des Dämpfungspulses vorgesehen wird. Der Signalgenerator kann ferner alternativ oder in Kombination hiermit einen Eingang für eine Amplitude aufweisen, mit dem sich die Amplitude des Dämpfungspulses steuern lässt, beispielsweise mittels eines steuerbaren Widerstandsnetzwerks oder mittels einer steuerbaren Strom oder Spannungsquelle. Die Vorrichtung kann eine Amplitudenerfassungseinrichtung aufweisen, die die Amplitude eines Messsignals erfasst (bzw. dessen Leistung), wobei das Tastverhältnis sowie die Amplitude bzw. Leistung des Signalgenerators gemäß dieser Amplitudenerfassungseinrichtung durch eine entsprechende Verbindung gesteuert wird, um bei höherer erfasster Leistung des Messsignals eine höhere Amplitude bzw. ein höheres Tastverhältnis vorzusehen als bei einer geringeren Leistung des Messsignals. Dadurch kann ebenso die Dämpfungsstärke adaptiv an das aktuelle Nachschwingverhalten angepasst werden. Neben der Messung der Schwingungsamplitude kann alternativ ein sogenannter Energiezähler eingesetzt werden, der in geeigneter Form die aktuelle Energie im Schwingkreis repräsentiert. Die durch die Anregung hinzugefügte Schwingungsenergie wird zum Energiezähler in zeitlichen Abständen hinzuaddiert. Die durch die Eigendämpfung und die aktive Dämpfung entnommene Energie des Schwingkreises wird in zeitlichen Abständen entsprechend vom Energiezähler subtrahiert.
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Neben der Messung der Schwingungsamplitude oder dem Einsatz eines Energiezählers kann die Restenergie auch aufgrund der Dauer vorhergehender Referenz-Dämpfungsvorgängen ermittelt werden, die während des Regelbetriebes zur akustischen Abtastung der Umgebung oder während spezieller Vermessungszyklen zur Ermittlung der Resonanzfrequenz aufgenommen wurden. Durch die Auswertung des Energiezählers kann die benötigte Intensität des Dämpfungspulses bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Erfassungseinrichtung ferner eine Phasenerfassungseinheit, insbesondere ausgebildet durch einen Nulldurchgangsdetektor (der vorzugsweise auch die Richtung des Nulldurchgangs erfassen kann). Die Phasenerfassungseinheit ist mit dem Wandler verbunden und ist eingerichtet, anhand des Messsignals eine Phasenlage des vom Wandler stammenden Signals (= des Messsignals) zu erfassen. Die Phasenerfassungseinheit ist ferner mit dem Signalgenerator verbunden, um an diesen die erfasste Phasenlage zu übertragen. Dadurch kann der Signalgenerator Synchronisierungsinformation in Form der Phasenlage verarbeiten, um den Dämpfungspuls genau entgegengesetzt zu der Phasenlage der aktuellen Schwingungsbewegung des Wandlers vorzusehen. Die Phasenerfassungseinheit ist eingerichtet, nach einem beendeten Anregungs- und Dämpfungspuls des Wandlers die Phasenlage zu ermitteln. Der Signalgenerator ist eingerichtet, den Dämpfungspuls mit einer Phase vorzusehen, die zumindest teilweise der Phasenlage entgegengesetzt ist, insbesondere um im Wesentlichen 180°, wodurch die aktive Unterdrückung der Nachschwingbewegung des Wandlers optimiert werden kann.
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Die Vorrichtung kann mittels fest verdrahteter Komponenten, mittels programmierbarer Hardware und zugehöriger Software oder einer Kombination hiervon implementiert werden. Insbesondere kann die Vorrichtung als Controller, Mikrocontroller, als DSP oder als fest verdrahtete, digitale Logikschaltung (ASIC oder FPGA) ausgebildet sein. Insbesondere kann der Leistungstreiber (Endstufe) Teil einer integrierten Schaltung sein, die auch die meisten oder alle anderen Komponenten der Vorrichtung umsetzt, oder er kann ein externer Treiber sein. Die Phasenerfassungseinheit und/oder die Erfassungseinrichtung zur Erfassung des Messsignals kann einen A/D-Wandler umfassen, einen Komparator, Tiefpass, Hochpass, Spitzenwertdetektor oder Ähnliches, insbesondere Komponenten einer Ein-/Ausgabeschnittstelle eines integrierten Schaltkreises (beispielsweise eines Mikrocontrollers). Der Wandler kann über eine Verstärkerschaltung (beispielsweise über einen Operationsverstärker) mit der Erfassungseinrichtung verbunden sein.
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Der Dämpfungspuls kann exakt mit der Frequenz vorgesehen werden, die der Schwingungsfrequenz entspricht, oder er kann mit einer Frequenz vorgesehen werden, die der Schwingungsfrequenz zugeordnet ist, in Abhängigkeit von der Anregungsamplitude oder in Abhängigkeit von der aktuellen Amplitude im Schwingkreis des Wandlers. Die letztgenannte Möglichkeit berücksichtigt die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von einer Signalamplitude oder der Leistung, wobei die Signalamplitude oder Leistung einem bestimmten Anregungspuls bzw. einem bestimmten Dämpfungspuls zugeordnet ist (d. h. einer Anregung zum Erzeugen eines akustischen Abtastpulses). Die Abhängigkeit von Signalamplitude oder Leistung zur Resonanzfrequenz kann vollständig durch den Wandler vermessen werden. Ferner ist es möglich, von einer Schwingungsfrequenz, die bei geringeren Amplituden erfasst wurde, gemäß dem amplitudenabhängigen Verhalten des Wandlers korrekt auf die Schwingungsfrequenz bei höheren Amplituden zu schließen sowie durch Messung bei hohen Amplituden auf die Schwingungsfrequenz bei niedrigeren Amplituden zu schließen. Hierzu kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen Korrekturfaktor oder eine Look-up-Tabelle umfassen, die eine Korrekturkurve zur Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Amplitude wiedergibt. Es kann beispielsweise ein flüchtiger Speicher verwendet werden, wenn die Korrekturinformationen dynamisch ermittelt werden. Werden die Korrekturinformationen statisch oder selten während des Betriebes bestimmt, können diese in einem nichtflüchtigen Lese-/Schreibspeicher wie einem Flashspeicher abgelegt werden. In einer alternativen Ausführungsform besteht die Abhängigkeit zwischen Resonanzfrequenz und Amplitude in der Abhängigkeit der Resonanzfrequenz und der Amplitude bzw. Leistung, die für den Dämpfungspuls vorgesehen ist, und die gemäß der Amplitude oder Leistung des Messsignals abhängig sein kann.
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Gemäß dieser Ausführungsform entspricht die aktuelle Schwingungsfrequenz, die zum Dämpfen verwendet wird, der dementsprechend korrigierte Frequenz. Die Korrektur wird insbesondere im Rahmen der Frequenzerfassung ausgeführt, weshalb die korrigierte Frequenz als Resultat der Messung betrachtet wird. Da die Korrektur keine wesentliche Frequenzverschiebung umfasst, entsprechen sich die Frequenzen im Wesentlichen. Bei unterschiedlichen Amplituden wird die Frequenz entsprechend mehrfach anpasst.
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Anstatt einer einzelnen aktuellen Schwingungsfrequenz kann auch eine Vielzahl von Schwingungsfrequenzen verwendet werden, die gemittelt werden, wobei der Mittelwert der Frequenzen die Frequenz des Dämpfungspulses bestimmt. Ferner kann die aktuelle Schwingungsfrequenz nicht nur anhand zweier direkt benachbarter Nulldurchgänge oder Extrems gemessen werden, sondern anhand einer vorbestimmten Vielzahl von Nulldurchgängen, Extrems, Scheitelpunkten, sich wiederholenden Signalzuständen oder eindeutig identifizierbaren Signalzuständen, um so Messrauschen, insbesondere Jitterfehler, zu verringern. Schließlich kann die Phasenlage durch Messung von benachbarten Nulldurchgängen, Extrems, Scheitelpunkten, sich wiederholenden Signalzuständen oder eindeutig identifizierbaren Signalzuständen erfasst werden, d. h. Messung von benachbarten Extrems, wobei der Zeitpunkt des Nulldurchgangs durch arithmetische Mittelung der Zeitpunkte der Extrems erstellt wird. Insbesondere ist die Messung und Mittlung von gespiegelten Signalverläufen in N-ter Ableitung wie z. B. Nulldurchgänge mit steigendem und fallendem Signalverlauf sowie oberer und unterer Scheitelpunkt der Amplitude besonders geeignet, schaltungsspezifische Abweichungen zu eliminieren.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung vorgesehen, die ferner zur Eliminierung von zusätzlichen Laufzeiteffekten bei der Signalverarbeitung und Generierung in der Vorrichtung in Form von Laufzeitverzögerungen vorgesehen ist. Die in der Signalkette – beginnend bei dem Signalgenerator über die Verstärkerschaltung hin zur Bewegung der Membrane und letztendlich in der Erfassungseinrichtung und Auswerteeinheit – auftretenden Laufzeitverzögerungen können erfindungsgemäß erfasst werden, indem durch die Kenntnis über die genaue Phasenlage eines Ansteuerpulses und dem Vergleich mit dem anschließend gemessenen Signalverlauf der Membrane die Laufzeitverzögerung zwischen Signalgenerator und Erfassungseinrichtung durch Differenzbildung ermittelt werden kann. Die Vorrichtung umfasst hierfür eine Zeiterfassungseinrichtung, die mit dem Signalgenerator verbunden ist, der den Wandler anregt, und die ferner (vorzugsweise indirekt über einen Verstärker) mit dem Wandler verbunden ist, um die Signale zu erfassen, die sich aus der Anregung des Wandlers ergeben. Der sich ergebende zeitliche Versatz vervollständigt die wie oben beschrieben ermittelte Resonanzfrequenz, so dass zusammen ein Dämpfungssignal erzeugt werden kann, das aufgrund des Versatzes, d. h. der oben beschriebenen Laufzeitverzögerungen einen absoluten Zeitbezug hat.
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Der Wandler kann die Laufzeitverzögerung während des Betriebes dynamisch ermitteln. Auch ist es möglich, die Laufzeitverzögerung vor dem Einsatz des Wandlers einmalig statisch zu ermitteln. Die Laufzeitverzögerung kann bei dynamischer Ermittlung im flüchtigen Speicher abgelegt sein, während bei einer statischen Festlegung ein nichtflüchtiger Speicher, wie z. B. ein FLASH-Speicher besonders geeignet ist.
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Die erfindungsgemäß Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass sie den Effekt der Laufzeitverzögerung in die Dämpfung mit einem Phasenversatz von 180° einbezieht. Dazu wird die gegenphasige Dämpfung um den Betrag der Laufzeitverzögerung früher ausgeführt, als bei einer als ideal angenommene Schaltung ohne Laufzeitverzögerung. Insbesondere Alterungs- und Temperatureffekte können dadurch ausgeglichen werden, was auch dazu führt dass Komponenten mit größerer Toleranz verwendet werden können.
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Die Abweichungen in der Messung von Phasenlage und Schwingfrequenz gegenüber dem tatsächlichen Wandlersignal, die insbesondere durch schaltungstechnische oder Quantisierungseffekte hervorgerufenen werden, können dadurch minimiert werden, dass ein zeitlicher Mittelwert vom gemessenen Wandlersignal gebildet wird zu Zeitpunkten mit gleichem, jedoch vorzeichenverkehrtem Anstieg, insb. Nulldurchgängen mit steigendem und fallendem Signalverlauf sowie im oberen und unteren Scheitelpunkt der Amplitude. Alternativ kann das Wandlersignal mittels eines Filters analysiert werden, insbesondere durch einen Tiefpass, Bandpass, insbesondere ausgeführt als FIR-Filter, IIR-Filter, oder als analoge Schaltung. Ferner kann der Filter mittels einer regelungstechnische Filterung (beispielsweise mittels einer rückgeführten oder nicht rückgeführten Schleife, in der Verzögerungselemente miteinander verschaltet sind) umgesetzt werden. Ferner kann die Schwingungsfrequenz mittels eines PLL erfasst werden. Zusätzlich kann ein Hochpass verwendet werden, um einen Spannungsoffset des vom Wandler abgegebenen Signals zu blockieren.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zusätzlich zur Aktivdämpfung mit einem passiv dämpfenden Schaum gedämpft wird. Der passiv dämpfenden Schaum ist mit einer schwingenden Komponente des Wandlers in Kontakt, insbesondere mit einem Membran des Wandler. Der passiv dämpfende Schaum nimmt Schwingungsenergie des Wandlers auf. Der Schaum weist eine Dämpfungsfähigkeit aufweist, die im Wesentlichen mit der Dämpfungsfähigkeit von Schaum, der zur (ausschließlich) passiven Dämpfung in Wandlern verwendet wird, übereinstimmt. Ferner kann die Dämpfungsfähigkeit des erfindungsgemäß verwendeten Schaums unter der von Schaum liegen, der zur ausschließlich passiven Dämpfung von Wandlern (insbesondere Ultraschallwandlern) verwendet wird. Die Dämpfungsfähigkeit des erfindungsgemäß verwendeten Schaums liegt insbesondere ähnlich hoch wie die Dämpfungsfähigkeit eines Schaums, der nach dem Stand der Technik als reine Schaumdämpfung verwendet wird. Alternativ liegt die Dämpfungsfähigkeit des erfindungsgemäß verwendeten Schaums niedriger als die nach dem Stand der Technik verwendete reine (d. h. rein passive) Schaumdämpfung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die anhand der folgenden Figurenbeschreibungen näher erläutert werden.
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Die 1 zeigt ein Schaubild zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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die 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt ein Ablaufdiagramm mit drei verschiedenen Kurven, die auf der gleichen, nach rechts führenden Zeitachse aufgetragen sind. Die obere, in 1 dargestellte Kurve, stellt ein Messsignal 10 dar, das an den Anschlüssen eines erfindungsgemäß betriebenen Wandlers erfasst wird. Die darunter liegende Kurve stellt die Amplitude der Membranbewegung 20 dar, die die Membran des Wandlers ausführt. Die Kurve 20 zeigt somit den Verlauf der tatsächlichen Wandleranregung auf akustischer Seite. Die in 1 unten dargestellte Kurve, die zusammen mit ihrer Nulllinie 30 dargestellt ist, ist das Anregungssignal 40, mit dem der erfindungsgemäß betriebene Wandler angeregt wird. Da die Anregung an den gleichen Anschlüssen erfolgt, wie die Erfassung des Messsignals 10, sind die Signalformeln des Messsignals 10 und des Anregungssignals 40 dort ähnlich, wo das Anregungssignal nicht null ist (d. h. sich auf der Nulllinie 30 befindet). Wenn sich das Anregungssignal 40 auf der Nulllinie befindet, beispielsweise in Abschnitt 43, dann wird ein Treiber, der an dem Wandler angeschlossen ist, hochohmig geschaltet. Der Wandler dient in diesen Zeitabschnitten der Wiedergabe der Membranbewegung, wie sie sich auf elektrischer Seite des Wandlers darstellt. Der zumeist rechteckige Signalverlauf des Messsignals 10 rührt daher, dass die verwendete Verstärkerschaltung recht schnell in die Sättigung fährt.
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Die 1 ist in mehrere Zeitabschnitte 41–49 unterteilt. Im ersten Teilabschnitt 41 befindet sich der Wandler in Ruhe; vor dem Ende des Zeitabschnitts 41 findet keine Anregung statt, so dass das Ende des Zeitabschnitts 41 als Beginn einer aktiven Periode bezeichnet werden kann. In dem darauf folgenden Zeitabschnitt 42 wird ein Messsignal an den Wandler gelegt, das den Wandler anregt. Es ist zu erkennen, dass in diesem Zeitbereich die Membranbewegung 20 beginnt. Die Anregung findet mittels einer Periode eines Rechtecksignals statt, wobei die Periodendauer bzw. die Frequenz des Messsignals, das zur Anregung verwendet wird, nicht der Resonanzfrequenz entspricht. In der darauf folgenden Zeitperiode 43 wird die resultierende aktuelle Schwingungsfrequenz anhand des Messsignals ermittelt. Dazu werden zunächst wahlweise die Nulldurchgänge, Extrems, Scheitelpunkte, sich wiederholenden Signalzustände oder eindeutig identifizierbaren Signalzustände, insb. jedoch die Nulldurchgänge, des Messsignals 10 erfasst und ggf. schaltungsspezifische Offsets und Jitter durch Mittelung eliminiert. Beispielsweise kann durch die Bestimmung der zeitlichen Differenz von zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen die halbe Periodendauer bzw. durch die zeitliche Differenz des ersten und letzten Nulldurchgangs von drei aufeinander folgenden Nulldurchgängen die volle Periodendauer bestimmt werden. Zur Erfassung des Zustandes der Wandlermembrane ist es vorteilhaft die Spannung am Wandler zu dem Zeitpunkt zu messen zu dem sich der Treiber im hochohmigen Zustand befindet. Über einen Messwiderstand ist es ebenfalls möglich, den Stromverlauf in der Wandlermembrane zu erfassen. Auch hier ist es vorteilhaft aber nicht zwingend erforderlich, den Treiber hochohmig zu schalten.
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Nachdem der Messpuls in Abschnitt 42 an den Wandler angelegt wurde und das darauf folgende Nachschwingen in Abschnitt 43 zur Erfassung der resultierenden aktuellen Schwingungsfrequenz verwendet wurde, wird im darauf folgenden Abschnitt 44 über eine längere Periode der Wandler angeregt, indem ein längerer Anregungspuls aufgebracht wird. Es ist ersichtlich, dass in diesem Zeitraum die Membranbewegung 20 deutlich zunimmt, wodurch ein akustischer Abtastimpuls erzeugt wird. Mit Ende des Abschnitts 44 wird der Anregungspuls beendet, worauf ein Zeitabschnitt 45 folgt, während dessen der Wandler nicht angeregt wird. Der Zeitabschnitt 45 endet mit der Erfassung der Flanke 12, anhand der die aktuelle Phasenlage des Wandlers ermittelt wird. Der Zeitabschnitt 45 dient ferner dazu, den späteren Dämpfungspuls mit der Membranbewegung zu synchronisieren, um eine maximal wirkende Dämpfung zu erreichen. Mit Beginn des darauf folgenden Abschnitts 46 beginnt die aktive Dämpfung, während der ein Dämpfungspuls an den Wandler angelegt wird, der anhand des Anregungssignals 40 in Zeitabschnitt 46 dargestellt ist. Anhand der Membranbewegungskurve 20 im Abschnitt 46 ist zu erkennen, dass die Nachschwingung durch Anlegen des Dämpfungspulses in Abschnitt 46 stark gedämpft ist. Auf den Zeitabschnitt 46, der einen Teil des Dämpfungspulses umfasst, folgt ein Abschnitt 47, während dessen der Wandler nicht angesteuert wird, um die selbständige (Rest-)Schwingung und die Phasenlage des Wandlers neu zu erfassen. Der Zeitabschnitt 47 endet mit der Flanke 14 im Messsignal, die die gewünschte Phaseninformation wiedergibt, anhand der sich der weitere Teil des Dämpfungspulses synchronisieren kann. Im darauf folgenden Zeitabschnitt 48 ist daher ein weiterer, zweiter Teil des Dämpfungspulses dargestellt, der während des vorangehenden erneuten Synchronisierabschnitts 47 erneut mit der tatsächlichen Bewegung der Membran synchronisiert wurde. Während der zweiten gegenphasigen Ansteuerung 48 (d. h. während des zweiten Dämpfungspulses) wird gegebenenfalls der Dämpfungspuls mit einem geringeren Tastverhältnis oder einer geringeren Amplitude angesteuert als im ersten Teil, um der bereits verringerten Amplitude der Nachschwingung Rechnung zu tragen, so dass ein zu hohe Dämpfung und damit ein erneutes Anregen vermieden wird. Die Zeitabschnitte 46 und 48 enden nach einer vorbestimmten Zeitdauer (beispielsweise definiert durch die Anzahl der Perioden), woraufhin die Bewegung der Membran durch eine erneute Messung anhand des Messsignals durchgeführt wird, um die noch verbleibende Nachschwingungsstärke zu erfassen. Da zum Ende des Zeitabschnitts 48 das Messsignal 10 eine geringe Amplitude aufweist, wird kein weiterer Teil des Dämpfungspulses angelegt, da entweder die geringe Amplitude des Messsignals 10 darauf hinweist oder durch eine definierte Anzahl von Dämpfungspulsen gegeben ist, dass keine weitere wesentliche Membranbewegung 20 und somit kein wesentliches Nachschwingen mehr stattfindet.
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In der 1 ist dargestellt, dass zwischen dem Schritt des Erfassens der aktuellen Schwingungsfrequenz in Abschnitt 43 und dem Anlegen des Dämpfungspulses in den Abschnitten 45–48 ein Anregungspuls zum Erzeugen eines akustischen Abtastpulses während der Zeitdauer 44 angelegt wird. Während der Zeitdauer 43 wird die erfasste aktuelle Schwingungsfrequenz als Resonanzfrequenz zwischengespeichert und sowohl bei der Anregung im Abschnitt 44 als auch bei der Erzeugung des Dämpfungspulses in den Abschnitten 46 und 48 wiederverwendet. Darüber hinaus ist in 1 ein Verfahren dargestellt, gemäß dem ein individueller Messpuls dem Wandler zugeführt wird (in Abschnitt 42), der nur den Zweck hat, das Nachschwingverhalten in einem folgenden Zeitabschnitt 43 zu erfassen.
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Eine hierzu alternative Ausführungsform sieht vor, dass der Anregungspuls, der auch zur Erzeugung eines Ultraschallabtastpulses verwendet wird, auch das Anregen des Wandlers zum Zwecke der Erfassung der resultierenden Schwingungsfrequenz verwendet wird. Bei einem derartigen Verfahren können Zeitabschnitte entsprechend den Zeitabschnitten 45 und 47 verwendet werden, in dem kein Anregungssignal angelegt wird (im Gegensatz zu Abschnitt 46 und 48, Kurve 40), so dass sich anhand des Messsignals 10 in dem Abschnitt 45 und 47 (oder auch in darauf folgenden Abschnitten) das Nachschwingverhalten ablesen lässt und sich insbesondere die resultierende aktuelle Schwingungsfrequenz erfassen lässt. In diesem Fall ist die Anregung lt. Abschnitt 44 nicht mit der Resonanzfrequenz möglich oder nur mit einer Resonanzfrequenz, die durch einen vorhergehenden Anregungspuls ermittelt wurde und gespeichert vorliegt.
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In der 2 ist ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur aktiven Dämpfung dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Wandler 100, der zwei Anschlüsse 102, 104 aufweist. Zum einen sind diese mit einem Signalgenerator 110 der Vorrichtung verbunden, der den Wandler anregt. Ferner sind die Anschlüsse 102, 104 mit der erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung 120 verbunden, wobei die Anschlüsse 102, 104 während einer Anregungspause des Signalgenerators 110 ein Signal vorsehen, das die Bewegung der Membran des Wandlers 100 wiedergibt. Die Bewegung wird von der Erfassungseinrichtung 120 durch die Verbindung mit den Anschlüssen 102, 104 erfasst. Die Erfassungseinrichtung ist mit einer Frequenzmesseinheit 122 ausgerüstet, die es der Erfassungseinrichtung 120 gestattet, die Frequenz des Signals an den Anschlüssen 102, 104 zu erfassen, insbesondere wenn der Signalgenerator 110 einen hochohmigen Zustand am Ausgang aufweist. Die Erfassungseinrichtung 120 umfasst ferner eine Phasenerfassungseinheit 124, mit der eine Phaseninformation, insbesondere ein Nulldurchgang, des Signals erfasst werden kann, das an den Anschlüssen 102, 104 anliegt, während der Signalgenerator 110 kein Signal auf den Wandler 100 aufträgt. Die Frequenz- bzw. Phasenerfassungseinheit 122, 124 umfassen vorzugsweise Nulldurchgangsdetektoren, um die Phasenlage und die Periodenlänge zwischen zwei Nulldurchgängen zu erfassen. Die Erfassungseinheiten 122, 124 können einen gemeinsamen Nulldurchgangsdetektor verwenden.
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Die erfasste Schwingungsfrequenz und die erfasste Phasenlage werden über eine Verbindung an den Signalgenerator 110 übermittelt, der gemäß der Frequenz und der Phasenlage den Dämpfungspuls vorsieht, der entgegengesetzt zu dem Bewegungsverhalten des Wandlers 100 ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine Steuerung 130 umfassen, die den Signalgenerator 110 ansteuert, um Anregungspulse, Dämpfungspulse und gegebenenfalls Messpulse durch den Signalgenerator 110 zu den entsprechenden Zeitpunkten erzeugen zu lassen. In einer Ausführungsform, die eine Alternative zu der Ausführungsform von 2 darstellt, ist die Erfassungseinrichtung 120 nicht (nur) mit dem Signalgenerator 110 verbunden, sondern mit der Steuerung 130, die die Frequenzinformation und die Phaseninformation verarbeitet und den Signalgenerator entsprechend ansteuert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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