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Stand der Technik
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Es ist bekannt, insbesondere auf dem Feld der Einparksysteme für Fahrzeuge, eine Umgebung mittels eines Pulsechoverfahrens abzutasten. Die minimale Erfassungsdistanz ergibt sich insbesondere aus der Geschwindigkeit des Umschaltens vom Sende- auf den Empfangsmodus. Insbesondere bei der Verwendung von akustischen Wandlern verhindert jedoch das Nachschwingen des Wandlers zum Ende des Sendemodus eine sofortige Umschaltung.
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Es ist bekannt, das Nachschwingen mittels akustischer Dämpfung zu verringern, wobei jedoch diese Dämpfung auch die Signalstärke verringert und somit die Reichweite des Abtastverfahrens verschlechtert.
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In der Veröffentlichung
EP 0 623 395 A1 wird vorgeschlagen, zur Verringerung des Nachschwingens ein RC-Glied oder eine zusätzliche niederohmige Quelle an den Wandler gezielt anzuschließen, um dadurch das Ausschwingverhalten festzulegen. Mit diesen Mitteln wird in dieser Entgegenhaltung die Nachschwingung gedämpft, nachdem der Wandler mit einer Vielzahl von Anregungspulsen angeregt wurde.
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Daher sind bekannte Mittel zur Anregung sowie zur anschließenden Dämpfung der Schwingung eines akustischen Wandlers aufwändig und erfordern insbesondere eine präzise sowie komplexe zeitliche Steuerung der einzelnen Mittel. Ferner sind gemäß dem Stand der Technik zusätzliche Mittel erforderlich, um die gewünschte Dämpfung zu erreichen. Schließlich weist der zur Anregung verwendete Generator einen komplexen Aufbau auf, um zum einen einen zeitlich präzisen Pulsburst zu erzeugen, und zum anderen, um eine ausreichend hohe Ausgangsspannung für eine übliche Reichweite des Wandlers zu ermöglichen.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorgehensweise zu ermöglichen, mit der sich auf einfache Weise Abtastpulse erzeugen lassen und ebenso auf einfache Weise die Nachschwingzeit verkürzen lässt.
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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 einen kostengünstigen und einfachen Aufbau einer Sendeeinheit für ein Pulsechoverfahren-basiertes Abtastsystem. Ferner werden Nachschwingungen effektiv und auf einfache Weise unterdrückt. Dadurch kann ein Abtastsystem vorgesehen werden, mit dem sich auch Objekte erfassen lassen, die sich besonders nahe am Wandler befinden. Dies ist insbesondere bei Einparksystemen wichtig, um eine präzise Führung auch bei sehr geringen Abständen zu ermöglichen. Schließlich ist die Umsetzung der Erfindung besonders einfach, wobei bereits weitreichend zur Verfügung stehende Komponenten verwendet werden können. Insbesondere können bereits bestehende Systeme verwendet werden, bei denen nur geringfügige Modifikationen erforderlich sind, um die Erfindung umzusetzen. Spezifische Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen es, dass der Wandler mit hohen Spannungen angesteuert werden kann, obwohl nur geringere Versorgungsspannungen zur Verfügung stehen, ohne auf kostspielige Komponenten wie Transformatoren zurückgreifen zu müssen.
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Die Erfindung sieht vor, dass nur ein einziger Rechteckpuls an den Wandler angelegt wird, wobei die erste, ansteigende Flanke den Wandler in Schwingung versetzt, bis die zweite, abfallende Flanke folgt. Mit der zweiten, abfallenden Flanke wird die Eigenschwingung des Wandlers beendet. Somit kann mit einem einzigen Rechteckpuls das Anregungssignal in Form der ersten Flanke vorgesehen werden, sowie ein aktives Dämpfungssignal in Form der zweiten Flanke, die die Schwingung des Wandlers aufgrund von destruktiver Überlagerung bzw. aktiver Dämpfung beendet. Die erste, ansteigende Flanke verwendet die Eigenschaft von Ultraschallwandlern, nach Anregung weiter zu schwingen, um mittels einer einzelnen Flanke eine oder mehrere Schwingungsperioden zu erzeugen. Um die zweite, abfallende Flanke zur optimalen destruktiven Überlagerung zeitlich zu steuern, ist es lediglich notwendig, die Länge des Rechteckpulses präzise zu steuern. Dies erfordert keinen besonderen Aufwand, da es sich um eine besonders einfache Pulsform handelt.
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Die Erfindung sieht daher ein Verfahren zur Erfassung eines Objekts in einem Umfeld vor, wobei ein Ultraschallsignal abgesendet wird und ein Echosignal empfangen wird. Das Echosignal entspricht hierbei dem vom Objekt zurückgeworfenen Ultraschallsignal. Die Erfindung sieht vor, dass das Ultraschallsignal durch Anregung eines Ultraschallwandlers mit einem einzelnen Rechteckpuls pro Erfassungszyklus erzeugt wird. Der Rechteckpuls umfasst eine erste, ansteigende Flanke und eine zweite, abfallende Flanke. Der Ultraschallwandler wird dadurch von der ersten Flanke zum Schwingen angeregt, um das Ultraschallsignal abzugeben. Die zweite, abfallende Flanke beendet diesen Eigenschwingungsvorgang durch destruktive Überlagerung der zweiten Flanke mit der Schwingungsbewegung des Ultraschallwandlers.
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Um die destruktive Überlagerung zu erreichen, ist vorgesehen, dass die zweite Flanke mit dem Beginn einer Schwingungshalbwelle der Schwingungsbewegung im Wesentlichen zusammenfällt. Weiterhin ist die Richtung der Schwingungshalbwelle entgegengesetzt zu der Richtung der zweiten Flanke. Der Beginn einer Schwingungshalbwelle entspricht hierbei vorzugsweise einem Nulldurchgang. Die Schwingungsbewegung, d. h. die mechanische Schwingung des Ultraschallwandlers, übertragen auf die elektrischen Anschlüsse des Wandlers, bildet die Schwingungshalbwelle, die mit der zweiten Flanke überlagert wird. Die Abbildungen der mechanischen Schwingung auf die elektrischen Anschlüsse des Ultraschallwandlers ergeben sich aus dem elektroakustischen Ersatzschaltbild des Ultraschallwandlers. Die destruktive Überlagerung der zweiten Flanke mit der Schwingungshalbwelle kann in der elektrischen Ebene oder in der mechanischen/akustischen Ebene stattfinden. Dadurch werden unvollständige destruktive Überlagerungen vermieden, die sich durch den Phasenversatz aufgrund der elektroakustischen Wandlung ergeben. Ein derartiger Phasenversatz ergibt sich aus dem Ersatzschaltbild.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Ultraschallwandler ein kapazitiver Ultraschallwandler, der nur Wechselsignalanteile eines Signals wandelt. Auf diese Weise wirken nur die erste und die zweite Flanke auf den Wandler, während eine dazwischen liegende Periode mit konstanter Amplitude oder sich langsam ändernder Amplitude im Wesentlichen keine Auswirkungen auf den Ultraschallwandler hat. Ein Ersatzschaltbild eines kapazitiven Ultraschallwandlers umfasst eine Serienkapazität, durch die hindurch der Anregungsstrom geleitet wird. Die Erfindung sieht vor, den Ultraschallwandler kapazitiv anzuregen. Dies kann umgesetzt werden, indem der Ultraschallwandler selbst die vorangehend beschriebenen kapazitiven Eigenschaften aufweist, oder indem ein Anregungssignal über eine diskrete Serienkapazität dem Ultraschallwandler zugeführt wird. Der Ultraschallwandler kann daher kapazitiv angeregt werden, indem das Anregungssignal über eine externe Serienkapazität geführt wird, oder indem das Ersatzschaltbild des Ultraschallwandlers selbst eine derartige Serienkapazität aufweist, durch die hindurch das Anregungssignal fließt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Ultraschallwandler wie vorangehend beschrieben kapazitiv angeregt wird. Darüber hinaus ist der von der zweiten Flanke an den Ultraschallwandler übertragene Energiebetrag um einen Differenzenergiebetrag geringer als der Energiebetrag, der die erste Flanke an den Ultraschallwandler überträgt. Dies wird durch eine geringere Flankenhöhe oder auf einer geringeren Flankensteilheit der zweiten Flanke gegenüber der ersten Flanke erreicht. Durch die kapazitive Ankopplung sowie durch ein frequenzselektives Verhalten des Ultraschallwandlers ergibt sich durch eine andere Flankenform, insbesondere durch eine andere Höhe und/oder durch eine andere Flankensteilheit, ein anderer Energieübertrag. Mit diesem Mechanismus lässt sich der Energiebetrag, welchen die zweite Flanke an den Ultraschallwandler überträgt, geringer ausgestalten als der Energiebetrag, der die erste Flanke an den Ultraschallwandler überträgt. Ferner weist der Ultraschallwandler eine frequenzselektive Übertragungsfunktion auf, die zusätzlich den übertragenen Energiebetrag bei einer steilen Flanke gegenüber einer flachen Flanke erhöht. Durch individuelle Ausgestaltung der ersten Flanke und der zweiten Flanke lässt sich daher der zur Anregung verwendete Energiebetrag und der zur aktiven Dämpfung verwendete Energiebetrag individuell ausgestalten. Insbesondere kann der Energiebetrag der zweiten Flanke von dem Energiebetrag der ersten Flanke desselben Rechteckpulses unterschieden werden.
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Vorzugsweise wird der Energiebetrag, der die zweite Flanke an den Ultraschallwandler überträgt, geringer vorgesehen als der Energiebetrag, mit dem die erste Flanke den Ultraschallwandler anregt. Dadurch kann der zweite Energiebetrag, der zur destruktiven Überlagerung verwendet wird (um das Nachschwingen zu beenden), um einen bestimmten Differenzenergiebetrag geringer vorgesehen werden als der Energiebetrag, mit dem die erste Flanke den Ultraschallwandler anregt. Um das Nachschwingen so effektiv wie möglich zu beenden, wird hierbei die Energie berücksichtigt, welche der Ultraschallwandler zwischen der ersten und der zweiten Flanke ausgehend von der Energie der Schwingungsbewegung in andere Energieformen umwandelt. Als andere Energieformen werden hierbei insbesondere die abgestrahlte akustische Energie und die durch mechanische Dämpfung verlorengegangene Energie bezeichnet. Der Differenzenergiebetrag entspricht insbesondere einer Verlustenergie, die der Summe einer akustischen Abstrahlenergie und einer Dämpfungsenergie des Ultraschallwandlers entspricht, welche zwischen der ersten und der zweiten Flanke auftreten. Die akustische Abstrahlenergie entspricht hierbei der Energie, die der Wandler zwischen dem ersten und dem zweiten Puls als Schallwelle abstrahlt. Als Dämpfungsenergie wird die Energie bezeichnet, um die der Ultraschallwandler zwischen der ersten und der zweiten Flanke durch mechanische Dämpfung gedämpft wird. Durch Berücksichtigung dieses Differenzenergiebetrags führt die destruktive Überlagerung durch die zweite Flanke nicht zu einem Überschwingen, sondern zu einer im Wesentlichen vollständigen destruktiven Überlagerung. Mit anderen Worten entspricht der Differenzenergiebetrag einer Verringerung der Schwingungsbewegung des Ultraschallwandlers durch ein Abklingen der Schwingung zwischen der ersten und der zweiten Flanke.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist es, dass zur Erzeugung der Flanken eine Kaskadenschaltung verwendet wird, um aus einer Betriebsspannung von beispielsweise 12 oder 24 Volt eine deutlich höhere Anregungsspannung zu erzeugen, mit der die erste und die zweite Flanke generiert werden. Hierbei wird der Ultraschallwandler mittels einer Kaskadenschaltung energiespeichernder Bauelemente angeregt. Die energiespeichernden Bauelemente sind insbesondere Kondensatoren, mit denen sich die Anregungsspannung erzeugen lässt. Jedoch sind auch Induktivitäten denkbar, mit denen sich ein entsprechender Strom realisieren lässt. Die Kaskadenschaltung wird von einem Wechselsignal gespeist, insbesondere von einem Wechselspannungssignal, um die Bauelemente in bekannter Weise zunehmend aufzuladen.
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In einer ersten Variante der Erfindung, in der eine Kaskadenschaltung verwendet wird, wird das Wechselsignal zur Erzeugung der ersten Flanke mit einer höheren Frequenz oder einer höheren Amplitude vorgesehen, als zur Erzeugung der zweiten Flanke. Durch die höhere Frequenz lässt sich in einer bestimmten Zeiteinheit mehr Energie in die einzelnen Bauelemente übertragen. In gleicher Weise dient eine höhere Amplitude zu einer stärkeren Aufladung der Bauelemente. Die höhere Frequenz und die höhere Amplitude führen jeweils zu einer größeren Flankenhöhe der ersten Flanke im Vergleich zur zweiten Flanke. Alternativ hierzu kann das Wechselsignal zur Erzeugung der zweiten Flanke eine abnehmende Frequenz oder eine abnehmende Amplitude aufweisen, wodurch sich eine geringere Flankensteilheit der zweiten Flanke ergibt. Die Flankensteilheit ergibt sich hierbei durch die Abnahme der Frequenz bzw. durch die Abnahme der Amplitude des Wechselsignals. Auch die erste Flanke kann mittels eines Wechselsignals erzeugt werden, das eine veränderliche Frequenz oder eine veränderliche Amplitude aufweist, wobei jedoch die Änderungsgeschwindigkeit geringer ist als bei der Erzeugung der zweiten Flanke. Dadurch ergibt sich automatisch eine größere Flankensteilheit der ersten Flanke im Vergleich zur zweiten Flanke. Die geringe Flankensteilheit der zweiten Flanke, zusammen mit den kapazitiven Eigenschaften des Ultraschallwandlers oder der Anregung des Ultraschallwandlers führen zu einer geringeren Flankenhöhe, die vom Ultraschallwandler umgesetzt wird. Dadurch überträgt die zweite Flanke wie gewünscht einen geringeren Energiebetrag als die erste Flanke, gemäß dem Differenzenergiebetrag.
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Neben der Möglichkeit, die durch die erste und zweite Flanke übertragenen Energiebeträge unterschiedlich vorzusehen, kann durch eine veränderliche Frequenz oder veränderliche Amplitude des Wechselsignals eine gewünschte Flankenform erzeugt werden. Insbesondere kann eine Flankenform mit geringem Obertonanteil erzeugt werden. Insbesondere sind die Frequenz und/oder die Amplitude des Wechselsignals eingerichtet, im Wandler für jede Flanke eine Pulsform zu erzeugen, die einen geringen Obertonanteil aufweist. Vorzugsweise weisen die si-Funktion und dazu angenäherte Funktionen einen besonders geringen Obertonanteil auf. Beispielsweise ist ein „Raised Cosine”-Puls eine derartige angenäherte Funktion. Die in der Kaskadenschaltung aufgebaute Energie kann unmittelbar zur Anregung des daran angeschlossenen Ultraschallwandlers verwendet werden. Ferner kann die in der Kaskadenschaltung gesteuerte Energie zunächst aufgebaut werden, um daraufhin über eine gesteuerte Schaltereinrichtung an den Ultraschallwandler übertragen zu werden. Hierbei erzeugt das Ansteuern der Schaltereinrichtung die jeweilige Flanke.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird daher der Ultraschallwandler mittels einer Kaskadenschaltung energiespeichernder Bauelemente angeregt, die von einem Wechselsignal gespeist wird. Hierbei baut das Wechselsignal jeweils vor der ersten und der zweiten Flanke eine elektrische Energie in der Kaskadenschaltung auf. Die entsprechenden Energiebeträge werden zu Beginn der ersten Flanke und zu Beginn der zweiten Flanke über eine gesteuerte Schaltereinrichtung an den Ultraschallwandler übertragen. Dadurch werden die Flanken erzeugt. Zu Beginn der ersten Flanke und zu Beginn der zweiten Flanke wird die gesteuerte Schaltereinrichtung geschlossen. Nach Beendigung der ersten Flanke und nach Beendigung der zweiten Flanke wird die entgegengesetzte Schaltereinrichtung wieder geöffnet, um erneut elektrische Energie in der Kaskadenschaltung aufzubauen. Die Schaltereinrichtung kann hierbei unmittelbar von einem nicht leitenden auf einen leitenden Zustand (mit einem Widerstand von im Wesentlichen Null) übergehen, oder kann zusätzliche Elemente, beispielsweise eine Induktivität oder einen Kondensator umfassen, mit denen sich die Änderung des Schaltungszustands ausgestalten lässt. Durch diese letztgenannte Maßnahme kann die Flankensteilheit für die einzelnen Flanken definiert werden. Beispielsweise kann zur Erzeugung der zweiten Flanke der Schaltzustand langsamer geändert werden als zur Erzeugung der ersten Flanke. Dadurch kann die Schaltereinrichtung verwendet werden, um die zweite Flanke mit einer geringeren Steilheit vorzusehen als die erste Flanke.
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Vorzugsweise ist die Richtung der zweiten Flanke entgegengesetzt zur Richtung der ersten Flanke. Hierzu kann eine Umpolungsvorrichtung verwendet werden, die zwischen den zwei Flanken eine Anregungsspannung umkehrt. Insbesondere bei der Verwendung einer Kaskadenschaltung kann eine Umpolungseinrichtung dieser nachgeschaltet sein, um die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom zwischen den beiden Flanken umzukehren. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht daher vor, dass die Kaskadenschaltung eine Ausgangsspannung oder einen Ausgangsstrom erzeugt, die bzw. der zwischen den beiden Flanken umgepolt wird. Insbesondere die vorab beschriebene Umpolungseinrichtung kann verwendet werden, um die Ausgangsspannung bzw. den Ausgangsstrom umzupolen.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der zeitliche Abstand zwischen der ersten und der zweiten Flanke einer oder mehrerer (ganzzahliger) Perioden einer Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers entspricht. Die Resonanzfrequenz ergibt sich aus der Bauart des Ultraschallwandlers, insbesondere aus der schwingenden Masse und der Federsteifigkeit. Ferner ergibt sich die Resonanzfrequenz aus der Art der Haltung des Ultraschallwandlers, die Einfluss auf die effektive Schwingmasse oder Federsteifigkeit haben kann. Die Bauart des Ultraschallwandlers beeinflusst ferner den Differenzenergiebetrag, den der Wandler zwischen der ersten und zweiten Flanke durch Abstrahlung oder Dämpfung verliert. Insbesondere hängt der Differenzenergiebetrag von der Abstrahlfläche ab, sowie von gegebenenfalls vorhandener zusätzlicher mechanischer Dämpfung. Die mechanische Dämpfung ergibt sich insbesondere aus der Haltung des Ultraschallwandlers und gegebenenfalls von vorliegendem akustischem Dämpfungsmaterial, die bzw. das mechanisch auf den Ultraschallwandler wirkt.
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Der verwendete Ultraschallwandler ist insbesondere ein piezoelektrischer Ultraschallwandler, dessen Ersatzschaltbild bauartbedingt eine Serienkapazität umfasst. Das Verfahren wird insbesondere ausgeführt zur Erfassung eines Objekts in einem Umfeld eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Das Verfahren kann im Rahmen einer Einparkunterstützung oder Fahrerassistenz ausgeführt werden. Der Ultraschallwandler ist hierbei an der Außenseite des Fahrzeugs angebracht und in das Umfeld bzw. in die Umgebung des Fahrzeugs gerichtet. Das Verfahren kann insbesondere von Fahrerassistenzsystemen oder Einparkhilfesystemen ausgeführt werden.
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Die Erfindung betrifft schließlich eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ultraschallsignals. Die Vorrichtung umfasst einen Einzelpulsgenerator, der zur Erzeugung eines einzelnen Rechteckpulses eingerichtet ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Ultraschallwandler, der an den Einzelpulsgenerator angeschlossen ist. Der Ultraschallwandler weist ein kapazitives Ansteuerverhalten auf; insbesondere ist der Ultraschallwandler ein piezoelektrisches Element. Der Einzelpulsgenerator ist eingerichtet, den Rechteckpuls mit einer Pulsdauer vorzusehen, die einer oder mehreren ganzzahligen Perioden der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers entspricht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Einzelpulsgenerator eingerichtet, eine erste und eine zweite Flanke zu erzeugen. Insbesondere ist der Einzelpulsgenerator eingerichtet, die erste, ansteigende Flanke mit unterschiedlicher Flankensteilheit oder unterschiedlicher Flankenhöhe zu erzeugen. Insbesondere hat die zweite, abfallende Flanke eine geringere Flankensteilheit oder eine geringere Flankenhöhe als die erste, ansteigende Flanke. Die Flankensteilheit oder die Flankenhöhe des Einzelpulsgenerators sind derart ausgestaltet, dass der sich ergebende Differenzenergiebetrag einer bestimmten Verlustenergie entspricht. Die Verlustenergie ist diejenige Energie, welche der Ultraschallwandler aufgrund von bauartbedingter Abstrahlung und mechanischer Dämpfung im Verlauf der Pulsdauer verliert. Der Differenzenergiebetrag bezieht sich auf einen ersten Energiebetrag, und einen zweiten Energiebetrag, mit denen die erste bzw. zweite Flanke den Ultraschallwandler anregen. Der Differenzenergiebetrag betrifft somit die mechanische Schwingungsenergie des Ultraschallwandlers. Demnach sind die Flankensteilheit und/oder die Flankenhöhe auf die Energiebeträge gerichtet, mit denen die Flanken den Ultraschallwandler mechanisch anregen bzw. stoppen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Einzelpulsgenerator einen Wechselsignalgenerator und eine daran angeschlossene Kaskadenschaltung energiespeichernder Bauelemente. Der Wechselsignalgenerator erzeugt das oben beschriebene Wechselsignal und die Kaskadenschaltung weist die oben beschriebenen Merkmale auf. Der Wechselsignalgenerator ist eingerichtet, die Kaskadenschaltung zur Erzeugung der zweiten Flanke mit einer geringeren Amplitude oder mit einer geringeren Frequenz anzuregen, als zur Erzeugung der ersten Flanke. In dieser Ausführungsform ist der Ultraschallwandler vorzugsweise unmittelbar an einen Ausgang der Kaskadenschaltung angeschlossen. In einer alternativen Ausführungsform hiervon umfasst der Einzelpulsgenerator einen Wechselsignalgenerator, eine daran angeschlossene Kaskadenschaltung energiespeichernder Bauelemente, sowie eine an die Kaskadenschaltung angeschlossene Schaltereinrichtung. Der Ultraschallwandler ist an einen Ausgang der Schaltereinrichtung angeschlossen. Die Schaltereinrichtung ist eingerichtet, das von der Kaskadenschaltung gelieferte Signal, d. h. ein Spannungs- oder Stromsignal, zum Erzeugen der zweiten Flanke mit einer geringeren Amplitude oder Flankensteilheit an den Ultraschallwandler weiterzugeben, als zur Erzeugung der ersten Flanke. Hierzu kann die Schaltereinrichtung eine zuschaltbare Induktivität oder eine zuschaltbare Kapazität umfassen. Über diese Kapazität oder diese Induktivität ist bei der Erzeugung der zweiten Flanke der Ultraschallwandler mit der Kaskadenschaltung verbunden, während bei der Erzeugung der ersten Flanke entweder eine direkte Verbindung vorgesehen wird, oder die Verbindung über eine Kapazität oder eine Induktivität mit geringerem Wert als die vorgenannte Induktivität oder Kapazität angeschlossen wird.
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Eine spezifische Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass der Kaskadenschaltung eine Polungsumkehrschaltung nachgeschaltet ist. Die Polungsumkehrschaltung ist mit dem Ausgang der Kaskadenschaltung verbunden, und ist eingerichtet, zwischen der ersten und der zweiten Flanke eine Polungsumkehr vorzusehen.
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Allgemein wird erfindungsgemäß der Ultraschallwandler mittels zwei Flanken angeregt, die vorzugsweise zueinander entgegengesetzte Richtungen haben. Der Signalverlauf zwischen der ersten und zweiten Flanke ist entweder konstant oder hat eine deutlich geringere maximale Steilheit als die Flanken. Aufgrund der kapazitiven Anregung des Ultraschallwandlers kann daher der Bereich zwischen der ersten und der zweiten Flanke als im Wesentlichen wechselanteilsfrei betrachtet werden, auch wenn sich der Signalpegel mit einer geringeren Änderungsrate ändert. Hierbei ist die Frequenzselektivität des Ultraschallwandlers aufgrund eines Resonanzverhaltens zu berücksichtigen. Daher werden erfindungsgemäß als Rechteckpulse alle Pulsformen bezeichnet, die eine erste und eine zweite Flanke aufweisen, wobei zwischen den Flanken eine Änderungsrate vorliegt, die entweder null ist oder deutlich unter der Änderungsrate der ersten und der zweiten Flanke liegt. Die Änderungsrate zwischen den Flanken ist vorzugsweise um mindestens den Faktor 10, 100, 1000 oder mehr geringer als die Änderungsrate an der ersten und der zweiten Flanke.
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Die Erfindung sieht vor, dass die zweite, abfallende Flanke durch den damit verbundenen Energieübertrag die mechanische Schwingung des Ultraschallwandlers im Wesentlichen vollständig beendet. Hierzu ist wie oben beschrieben der Differenzenergiebetrag an das Abklingverhalten des Wandlers angepasst. Daher wird vorzugsweise der Ultraschallwandler ohne zusätzliche mechanische Dämpfung vorgesehen. Insbesondere weist der verwendete Ultraschallwandler keinen Dämpfungsschaum auf, der mit der Schwingungsfläche des Ultraschallwandlers in Kontakt steht.
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Die Zeitdauer zwischen der ersten und der zweiten Flanke, d. h. die Pulsdauer, beträgt vorzugsweise weniger als 0,4, weniger als 0,3 oder weniger als 0,15 ms. Dadurch lassen sich Objekte in einem minimalen Abstand von ca. 15, 10 oder 5 cm erfassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt ein Zeitverlaufsdiagramm, in dem ein erfindungsgemäßer Rechteckpuls sowie die zugehörigen, auf den Ultraschallwandler übertragenen Energien dargestellt sind.
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Die 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rechteckpuls 10 mit einer ersten, ansteigenden Flanke 12 und einer zweiten, abfallenden Flanke 14. Der Verlauf des Anregungssignals zwischen den Flanken 12 und 14 weist eine geringe Steilheit auf und führt somit zu einem zu vernachlässigenden Energieübertrag zum kapazitiv angeregten Ultraschallwandler. Der Energiebetrag 20, der durch die erste Flanke 12 in den Ultraschallwandler eingespeist wird, führt zu der ersten positiven Viertelwelle der Schwingungsbewegung 30. Ab dem Ende der Flanke 12 schwingt der Ultraschallwandler gemäß der Schwingungsbewegung 30 weiter. Hierbei verliert die Schwingungsbewegung 30 zunehmend an Energie, wie anhand der abnehmenden Amplitude der Schwingungsbewegung 30 zu erkennen ist. Zu Beginn der zweiten Flanke 14 weist die Schwingungsbewegung einen Nulldurchgang auf, wobei an diesem Punkt die Schwingungsbewegung 30 entgegengesetzt ist zu der Auswirkung des Energiebetrags 22, der durch die zweite Flanke 14 im Ultraschallwandler erzeugt wird. Die resultierende destruktive Überlagerung der Schwingungsbewegung 30 mit der Auswirkung der zweiten Flanke 22 führt zu einem unmittelbaren Ende der Schwingungsbewegung 30. In gleicher Weise wie die Schwingungsbewegung 30 zwischen den zwei Flanken 12 und 14 reduziert wird, ist der Energiebetrag 22 der zweiten Flanke geringer als der Energiebetrag 20 der ersten Flanke. Der Energiebetrag, um den die Schwingungsbewegung 30 abnimmt, entspricht hierbei dem Differenzenergiebetrag zwischen den Energiebeträgen 20 und 22. Aufgrund der geringen Anzahl an Schwingungen zwischen der ersten und der zweiten Flanke lässt sich auch bei geringen Streuungen sowohl der Nulldurchgang als auch die Energieabnahme der Schwingungsbewegung ausreichend präzise vorausberechnen. Der Beginn der zweiten Flanke 14 kann dadurch präzise zeitlich gesteuert werden. In gleicher Weise kann die Höhe der Flanke 14, ausgehend von dem zu erwartenden Differenzenergiebetrag, ermittelt werden. Die Höhe der Energiebeträge 20, 22 entspricht den jeweiligen Flächeninhalten der dargestellten Rechtecke.
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Ein alternativer Verlauf des Anregungssignals zwischen den Flanken 12 und 14 ist mit Abschnitt 40 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Änderungsrate des Abschnitts 40 geringer ist als die Änderungsrate der Abschnitte 12 und 14. Aufgrund des kapazitiven Verhaltens des Ultraschallwandlers wird kein wesentlicher Energiebetrag durch den Abschnitt 40 auf den Wandler übertragen. Dennoch kann Abschnitt 40 einen relativ starken Amplitudenhub aufweisen, soweit die Steilheit deutlich geringer ist als die der Flanken 12 und 14. Insbesondere kann innerhalb des Abschnitts 40 die Amplitude Anregungssignals auf Null absinken, wie es beispielsweise bei der Verwendung von Kaskadenschaltungen der Fall ist, die zur Anregung verwendet werden. Zum besseren Verständnis sind die Flanken 12 und 14 mit relativ geringen Steigungen dargestellt. Insbesondere ist die Energiedifferenz 24 vergrößert dargestellt, sowie auch die Abklingrate der Bewegung 30. Die Zeitdauer der Flanken 12 und 14 kann, bezogen auf die Zeitdauer zwischen den Flanken 12 und 14, deutlich größer sein als in 1 dargestellt. Der Abschnitt 40 hat lediglich einen symbolhaften Verlauf und kann einem Abklingprozess entsprechen.
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In 1 ist ferner eine alternative zweite Flanke 14' dargestellt. Es ist ersichtlich, dass diese zwar den gleichen Hub wie die erste Flanke 12 aufweist. Jedoch hat die alternative Flanke 14' im Vergleich zur Flanke 12 oder 14 einen deutlich geringeren Steigungsbetrag d. h. eine deutlich geringere Flankensteilheit. Aufgrund der kapazitiven Eigenschaften oder kapazitiven Ankopplung des Ultraschallwandlers und insbesondere aufgrund der frequenzselektiven Anregungseigenschaften des Ultraschallwandlers ergibt sich daher ein deutlich geringerer Energiebetrag 22', der durch die Flanke 14' an den Wandler zur Umwandlung in mechanische Schwingung übertragen wird. Es ist ersichtlich, dass somit als zweite Maßnahme die Flankensteilheit der zweiten Flanke gegenüber der ersten Flanke deutlich verringert werden kann, um den gewünschten Differenzenergiebetrag zu erreichen. Grundsätzlich können beide Maßnahmen kombiniert werden, so dass die zweite Flanke gegenüber der ersten Flanke eine geringere Flankenhöhe und eine geringere Flankensteilheit aufweist.
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In der 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Blockschaltbild dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Einzelpulsgenerator 100, der an einen symbolhaft dargestellten Ultraschallwandler 110 angeschlossen ist, um diesen anzusteuern. Der Ultraschallwandler 110 weist ein kapazitives Ansteuerverhalten auf, wie es symbolhaft mit der Serienkapazität 112 dargestellt ist. Der Ultraschallwandler kann insbesondere als Piezoelement ausgeführt sein. Es ist eine generelle Eigenschaft piezoelektrischer Wandler, ein kapazitives Ansteuerverhalten aufzuweisen. Ferner haben piezoelektrische Wandler üblicherweise ein frequenzselektives Ansteuerverhalten.
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Der Einzelpulsgenerator 100 umfasst einen Wechselsignalgenerator 120, der vorzugsweise als Wechselspannungsgenerator ausgeführt ist. Der Einzelpulsgenerator 100 umfasst ferner eine symbolhaft dargestellte, kapazitive Kaskadenschaltung 130, die von dem Wechselsignalgenerator 120 angeregt wird. Eine erste Alternative sieht vor, dass der Ausgang der Kaskadenschaltung 130 mit dem Ultraschallwandler 110 direkt verbunden ist. In dieser Alternative ist der Wechselsignalgenerator 120 eingerichtet, die Kaskadenschaltung 130 zum Erzeugen der zweiten Flanke auf andere Weise anzuregen als zur Erzeugung der ersten Flanke, um die zweite Flanke mit geringerer Flankenhöhe oder geringerer Flankensteilheit vorzusehen. Hierzu ist der Einzelpulsgenerator eingerichtet, den Wechselsignalgenerator 120 mit geringerer Amplitude oder mit geringerer Frequenz anzuregen.
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Eine weitere Alternative sieht vor, dass zwischen der Kaskadenschaltung 130 und dem Ultraschallwandler 110 zwei weitere Komponenten vorgesehen sind, vgl. Bezugszeichen 140 und 150. Diese sind in 2 gestrichelt dargestellt. In dieser Alternative umfasst der Wechselsignalgenerator 120 als die zwei weiteren Komponenten eine Polungsumkehrschaltung 140 sowie eine Schaltereinrichtung 150. Die Polungsumkehrschaltung 140 ist eingerichtet, zwischen der ersten und zweiten Flanke die Polung der Ausgangsspannung der Kaskadenschaltung 130 umzukehren. Die Schaltereinrichtung 150 ist eingerichtet, zur Erzeugung der ersten und der zweiten Flanke jeweils in einen geschlossenen Zustand überzugehen, um gezielt die Kaskadenschaltung 130 über die Polungsumkehrschaltung 140 mit dem Ultraschallwandler 110 zu verbinden. Durch das Schließen der Schaltereinrichtung 150 werden die Flanken erzeugt. Die Schaltereinrichtung 150 schließt zur Erzeugung der zweiten Flanke langsamer als zur Erzeugung der ersten Flanke. Es ergeben sich verschiedene Flankensteilheiten. Ferner kann die Schaltereinrichtung 150 während der ersten Flanke eine höhere Impedanz aufweisen als während der zweiten Flanke. Als Impedanz wird hierbei beispielsweise der Widerstand oder die Kapazität zwischen dem Eingang der Schaltereinrichtung 150 und dem Ausgang der Schaltereinrichtung 150 angesehen.
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Die beiden vorgenannten Alternativen sind miteinander kombinierbar oder können einzeln angewandt werden.
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Zudem kann die Reihenfolge der Polungsumkehrschaltung 140 und der Schaltereinrichtung 150 vertauscht sein.
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Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nur die Polungsumkehrschaltung 140 zwischen Kaskadenschaltung 130 und Ultraschallwandler 110 aufweisen, oder kann nur die Schaltereinrichtung 150 zwischen der Kaskadenschaltung 130 und dem Ultraschallwandler 110 aufweisen.
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Der Einzelpulsgenerator 100 kann von einem Bordnetz 160 eines Fahrzeugs gespeist werden. Das Bordnetz 160 ist insbesondere ein Niedervoltbordnetz mit einer Spannung von 12 Volt oder auch 24 Volt. Gemäß dem Symbol des Bordnetzes 160 wird dieses im Wesentlichen von einem Akkumulator gespeist.
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Allgemein ist unter dem Begriff Flankensteilheit der Betrag der Flankensteilheit zu verstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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