DE102015209234A1 - Device for emitting and / or receiving acoustic signals - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Aussenden und/oder Empfangen akustischer Signale. Diese Vorrichtung (1) umfasst einen elektroakustischen Wandler (2), der zumindest zwei voneinander elektrisch isolierte erste Kontaktierungen (3a, 3b, 3c, 3d) aufweist, über die jeweils unterschiedliche Bereiche des elektroakustischen Wandlers (2) zu einer Schwingung angeregt werden können, wobei die Vorrichtung (1) dazu eingerichtet ist, dass bei einem Aussenden akustischer Signale an jeder der ersten Kontaktierungen (3a, 3b, 3c, 3d) jeweils ein elektrisches Signal angelegt wird, wobei die angelegten elektrischen Signale einen zueinander unterschiedlichen zeitlichen Verlauf haben, und/oder bei einem Empfangen akustischer Signale an jeder der ersten Kontaktierungen (3a, 3b, 3c, 3d) jeweils ein elektrisches Signal abgegriffen wird, um aus dem unterschiedlichen zeitlichen Verlauf der abgegriffenen elektrischen Signale ein Schwingen des elektroakustischer Wandlers zu ermitteln.The present invention relates to a device (1) for emitting and / or receiving acoustic signals. This device (1) comprises an electroacoustic transducer (2) which has at least two first contacts (3a, 3b, 3c, 3d) which are electrically insulated from one another, via which different regions of the electroacoustic transducer (2) can be excited to oscillate, wherein the device (1) is arranged so that when emitting acoustic signals at each of the first contacts (3a, 3b, 3c, 3d) is applied in each case an electrical signal, wherein the applied electrical signals have a mutually different temporal course, and / or upon receiving acoustic signals at each of the first contacts (3a, 3b, 3c, 3d) is tapped in each case an electrical signal to determine from the different time course of the tapped electrical signals, a swing of the electro-acoustic transducer.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen akustischer Signale. The present invention relates to a device for emitting and / or receiving acoustic signals.
Seit geraumer Zeit bewähren sich Zungenfrequenzmesser in vielen Anwendungen. Dabei sind an einem akustisch starren Schwingungseinkoppelelement mehrere Schwingzungen angebracht, die bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen jeweils ihr Schwingungsmaximum erreichen. Ein Beobachter sieht anhand der Zunge, die ihren größten Ausschlag zeigt, mit welcher Frequenz das Schwingungseinkoppelelement angeregt wird. For quite some time, tongue frequency meters have proven themselves in many applications. In this case, a plurality of vibration tongues are attached to an acoustically rigid Schwingungseinkoppelelement, which each reach their maximum vibration at different excitation frequencies. An observer sees from the tongue, which shows its greatest excursion, with which frequency the oscillation coupling element is excited.
Ein Nachteil solcher Zungenfrequenzmesser ist es, dass immer nur ein Teil der verfügbaren Mittel, wie in diesem Fall der Schwingzungen, genutzt wird. Äquivalent dazu wäre es, wenn man auf einer Membran mehrere elektroakustische Wandler unterschiedlicher Resonanzfrequenz platzieren würde und je nach auszusendender beziehungsweise zu empfangender Frequenz einen anderen elektroakustischen Wandler verwenden würde. Dabei würde jedoch der jeweils nicht genutzte Bereich der Membran unnötig Schallenergie aus dem Schallfeld ziehen beziehungsweise bei einem Senden zum Schwingen angeregt. A disadvantage of such tongue frequency meters is that only a portion of the available means, such as in this case the vibrating tongues, is used. Equivalent to this would be to place a plurality of electroacoustic transducers of different resonant frequency on a membrane and to use another electroacoustic transducer depending on the frequency to be transmitted or received. However, the respectively unused area of the membrane would unnecessarily pull sound energy out of the sound field or cause it to oscillate during a transmission.
Aus dem Bereich der Nachrichtentechnik ist es bekannt, dass mit Frequenzmodulationen, wie zum Beispiel Frequency Hopping, in einem sehr engen Frequenzband Informationen mit sehr guter Zuverlässigkeit, das heißt Trennfähigkeit übertragen werden können. Dies gilt insbesondere bei Nutzung orthogonaler Modulation, wie diese beispielsweise in W-LAN-Systemen genutzt wird. From the field of telecommunications, it is known that with frequency modulation, such as frequency hopping, in a very narrow frequency band information with very good reliability, ie separation capability can be transmitted. This is especially true when using orthogonal modulation, as used for example in W-LAN systems.
Es wird auf die Varianzanalyse, das heißt Signalanalyse mittels Momente zweiter Ordnung, in der
Aktuelle elektroakustische Wandler weisen zumeist nur zwei Kontaktierungen auf und sind somit für eine Schwingungsform, das heißt genau eine Resonanzfrequenz optimal.Current electro-acoustic transducers usually have only two contacts and are therefore optimal for a vibration mode, that is to say exactly one resonance frequency.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen akustischer Signale umfasst einen elektroakustischen Wandler, der zumindest zwei voneinander elektrisch isolierte erste Kontaktierungen aufweist, über die jeweils unterschiedliche Bereiche des elektroakustischen Wandlers zu einer Schwingung angeregt werden können. Dabei ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, dass bei einem Aussenden akustischer Signale an jeder der ersten Kontaktierungen jeweils ein elektrisches Signal angelegt wird, wobei die angelegten elektrischen Signale einen zueinander unterschiedlichen zeitlichen Verlauf haben, und/oder bei einem Empfangen akustischer Signale an jeder der ersten Kontaktierungen jeweils ein elektrisches Signal abgegriffen wird, um aus dem unterschiedlichen zeitlichen Verlauf der abgegriffenen elektrischen Signale ein Schwingen des elektroakustischen Wandlers zu ermitteln.The device according to the invention for emitting and / or receiving acoustic signals comprises an electroacoustic transducer which has at least two electrically insulated first contacts, via which in each case different regions of the electroacoustic transducer can be excited to oscillate. In this case, the device is set up so that an electrical signal is applied to each of the first contacts when emitting acoustic signals, wherein the applied electrical signals have a mutually different temporal course, and / or upon receiving acoustic signals at each of the first contacts in each case an electrical signal is tapped in order to determine a swinging of the electroacoustic transducer from the different temporal course of the tapped electrical signals.
Eine solche Vorrichtung ist vorteilhaft, da eine besonders effiziente Umsetzung zwischen akustischen Signalen und elektrischen Signalen erfolgt. Das bedeutet, die Vorrichtung weist einen hohen Wirkungsgrad beim Senden akustischer Signale und eine hohe Empfindlichkeit beim Empfangen akustischer Signale auf. Die Vorrichtung zeichnet sich durch einen besonders vorteilhaften Störabstand, beispielsweise zu einem Rauschen eines Innenwiderstandes der Vorrichtung, aus. Dem elektroakustischen Wandler kann insbesondere beim Aussenden akustischer Signale ein vorgegebenes Schwingverhalten eingeprägt werden, wodurch das Schwingverhalten des elektroakustischen Wandler präzise gesteuert werden und somit an beliebige Umgebungsbedingungen optimal angepasst werden kann.Such a device is advantageous because a particularly efficient implementation between acoustic signals and electrical signals takes place. That is, the device has a high efficiency in transmitting acoustic signals and high sensitivity in receiving acoustic signals. The device is characterized by a particularly advantageous signal-to-noise ratio, for example noise of an internal resistance of the device. The electroacoustic transducer, in particular when emitting acoustic signals, a predetermined vibration behavior can be impressed, whereby the vibration behavior of the electroacoustic transducer can be precisely controlled and thus optimally adapted to any environmental conditions.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Es ist vorteilhaft, wenn die ersten Kontaktierungen konzentrische Kreise auf einer Oberfläche des elektroakustischen Wandlers bilden. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn der elektroakustische Wandler die Form einer Kreisscheibe aufweist. Auf diese Weise wird eine Anordnung der Kontaktierungen erreicht, durch welche einzelne Schwingungsmodi des elektroakustischen Wandlers besonders effizient angeregt werden können. Gleichzeitig weisen die Kontaktierungen dabei eine wenig komplexe Form auf, wodurch eine Herstellung der Vorrichtung vereinfacht wird und zugleich eine hohe Stabilität erreicht wird. It is advantageous if the first contacts form concentric circles on a surface of the electroacoustic transducer. In particular, it is advantageous if the electroacoustic transducer has the shape of a circular disk. In this way, an arrangement of the contacts is achieved by which individual vibration modes of the electro-acoustic transducer can be excited particularly efficient. At the same time, the contacts have a somewhat complex shape, which simplifies manufacture of the device and at the same time achieves high stability.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der unterschiedliche zeitliche Verlauf der an die ersten Kontaktierungen angelegten elektrischen Signale derart gewählt ist, dass der elektroakustische Wandler wahlweise in einem ersten Schwingungsmodus oder in einem zweiten Schwingungsmodus schwingt. Insbesondere ist dabei der erste Schwingungsmodus ein Schwingungsmodus einer ersten Frequenz und der zweite Schwingungsmodus ein Schwingungsmodus einer zweiten Frequenz. Es kann somit immer ein Schwingungsmodus gewählt werden, der eine besonders hohe Empfindlichkeit oder einen besonders hohen Wirkungsgrad der Vorrichtung ermöglicht. Dabei wird eine Anpassung der Vorrichtung an eine gewünschte Frequenz ermöglicht. It is also advantageous if the different time profile of the electrical signals applied to the first contacts is selected such that the electroacoustic transducer oscillates selectively in a first vibration mode or in a second vibration mode. In particular, the first vibration mode is a vibration mode of a first frequency and the second vibration mode is a vibration mode of a second frequency. It can thus always be chosen a vibration mode, which allows a particularly high sensitivity or a particularly high efficiency of the device. In this case, an adaptation of the device to a desired frequency is made possible.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der elektroakustische Wandler zumindest eine zweite Kontaktierung aufweist, die mit einer zugehörigen ersten Kontaktierung elektrisch leitfähig verbunden ist, wobei die zweite Kontaktierung derart angeordnet ist, dass die zweite Kontaktierung im Ansprechen auf ein vordefiniertes eintreffendes akustisches Signal hinsichtlich Frequenz und/oder Amplitude und/oder Phase in identischer weise schwingt wie die zugehörige erste Kontaktierung. Somit wird eine Anzahl elektrischer Signale verringert, die bei einem Aussenden akustischer Signale durch die Vorrichtung benötigt wird und/oder eine Verarbeitung elektrischer Signale beim Empfangen akustischer Signale wird vereinfacht, da solche Bereiche des elektroakustischen Wandlers, die ähnliche elektrische Signale verursachen, zusammengefasst sind. Furthermore, it is advantageous if the electroacoustic transducer has at least one second contact, which is electrically conductively connected to an associated first contact, wherein the second contact is arranged such that the second contact in response to a predefined incoming acoustic signal with respect to frequency and / or or amplitude and / or phase oscillates in an identical manner as the associated first contact. Thus, a number of electrical signals needed when transmitting acoustic signals through the device are reduced and / or processing of electrical signals when receiving acoustic signals is simplified as those regions of the electroacoustic transducer which cause similar electrical signals are combined.
Ebenso vorteilhaft ist es, bei dem Empfangen akustischer Signale jedes der an den ersten Kontaktierungen abgegriffenen elektrischen Signale auf einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf hin gefiltert wird. Auf diese Weise werden Störeinflüsse beim Empfangen akustischer Signale können besonders effizient unterdrückt. When receiving acoustic signals, it is equally advantageous to filter each of the electrical signals picked up at the first contacts to a predetermined time profile. In this way, interference when receiving acoustic signals can be particularly efficiently suppressed.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Verzögerungseinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, eine Phase eines eingehenden elektrischen Signals zu verändern und das eingehende elektrische Signal an eine der ersten Kontaktierungen anzulegen und das in seiner Phase veränderte eingehende elektrische Signal an eine andere der ersten Kontaktierungen anzulegen. Insbesondere erfolgt das Verändern der Phase des eingehenden elektrischen Signals mittels eines passiven Bauelementes. Somit wird zumindest ein Teil der zum Aussenden eines akustischen Signals benötigten elektrischen Signalen auf besonders einfache Weise erzeugt. Furthermore, it is advantageous if the device according to the invention comprises a delay unit which is adapted to change a phase of an incoming electrical signal and to apply the incoming electrical signal to one of the first contacts and the incoming electrical signal changed in phase to another of the first create first contacts. In particular, the phase of the incoming electrical signal is changed by means of a passive component. Thus, at least a part of the electrical signals required for emitting an acoustic signal is generated in a particularly simple manner.
Es ist vorteilhaft, wenn der elektroakustische Wandler ein Biegeschwinger ist, wobei die ersten und/oder zweiten Kontaktierungen auf einer ersten Seite des elektroakustischen Wandlers angeordnet sind und eine Bezugselektrode flächig auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des elektroakustischen Wandlers angeordnet ist. Auf diese Weise kann die gesamte erste Seite des elektroakustischen Wandlers für die ersten und/oder zweiten Kontaktierungen genutzt werden und eine besonders präzise Anregung des elektroakustischen Wandlers erfolgen. It is advantageous if the electroacoustic transducer is a bending oscillator, wherein the first and / or second contacts are arranged on a first side of the electroacoustic transducer and a reference electrode is arranged flat on a second side opposite the first side of the electroacoustic transducer. In this way, the entire first side of the electroacoustic transducer can be used for the first and / or second contacts and a particularly precise excitation of the electroacoustic transducer can take place.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die an den ersten Kontaktierungen angelegten elektrischen Signale derart gewählt sind, dass das von der Vorrichtung ausgesendete oder empfangene akustische Signal in einem vorgegebenen Frequenzbereich liegt und insbesondere eine konstante Frequenz aufweist. Somit kann die Vorrichtung bei einer solchen Frequenz betrieben werden, in der diese einen besonders hohen Wirkungsgrad erzielt und eine besonders hohe Empfindlichkeit aufweist. It is also advantageous if the electrical signals applied to the first contacts are chosen such that the acoustic signal emitted or received by the device is within a predetermined frequency range and in particular has a constant frequency. Thus, the device can be operated at such a frequency in which this achieves a particularly high efficiency and has a particularly high sensitivity.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das von der Vorrichtung ausgesendete oder empfangene akustische Signal ein Ultraschallsignal ist. Dies ist vorteilhaft, da gerade im Bereich des Sendens und Empfangens von Ultraschallsignalen hohe Anforderungen an die Empfindlichkeit und den Wirkungsgrad von Vorrichtungen zum Aussenden und/oder Empfangen akustischer Signale gestellt werden. Furthermore, it is advantageous if the acoustic signal emitted or received by the device is an ultrasonic signal. This is advantageous since, especially in the field of transmitting and receiving ultrasound signals, high demands are placed on the sensitivity and efficiency of devices for emitting and / or receiving acoustic signals.
Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft, in dem der elektroakustische Wandler auf einer Membran angeordnet und insbesondere mit dieser verklebt wird, eine Kontaktierungsschicht auf einer der Membran abgewandten Seite des elektroakustischen Wandlers aufgebracht wird und die ersten und/oder zweiten Kontaktierungen aus der Kontaktierungsschicht geformt werden, indem die Bereiche der Kontaktierungsschicht, die zwischen den ersten und/oder zweiten Kontaktierungen liegen, entfernt werden. Durch ein solches Verfahren wird eine präzise Anordnung der Kontaktierungen ermöglicht und ein Brechen des elektroakustischen Wandlers vermieden. Further, a method for producing a device according to the invention is advantageous in which the electroacoustic transducer is arranged on a membrane and in particular glued to this, a contacting layer on a side facing away from the membrane of the electroacoustic transducer is applied and the first and / or second contacts of the Contacting layer are formed by the areas of the bonding layer, which lie between the first and / or second contacts are removed. Such a method enables a precise arrangement of the contacts and avoids breaking of the electroacoustic transducer.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eingerichtet ist, an einem Fahrzeug angeordnet zu sein und insbesondere in ein Bordnetz des Fahrzeuges integriert zu werden. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, Informationen über das akustische Signal zu senden und/oder zu empfangen.Furthermore, it is advantageous if the device is set up to be arranged on a vehicle and in particular to be integrated into an electrical system of the vehicle. It is also advantageous if the device is set up to send and / or receive information about the acoustic signal.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Der elektroakustische Wandler
Der elektroakustische Wandler
Die erste ringförmige Kontaktierung
Die ersten Kontaktierungen
Wir eine Spannung zwischen eine der ersten Kontaktierungen
Jede der ersten Kontaktierungen
Bei einem Aussenden akustischer Signale durch die Vorrichtung
In dieser ersten Ausführungsform kann der elektroakustische Wandler
Es ist eine Lage der kreisscheibenförmigen Kontaktierung
Es wird ersichtlich, dass der elektroakustische Wandler
In der Signaleinheit
Dabei ist jeweils ein erstes bis viertes elektrisches für den ersten Schwingungsmodus hinterlegt und jeweils ein erstes bis viertes elektrisches für den zweiten Schwingungsmodus hinterlegt. Hinterlegt bedeutet dabei, dass die Signaleinheit
In dieser ersten Ausführungsform haben die dem ersten Schwingungsmodus zugehörigen elektrischen Signale eine erste Frequenz f1 und die dem zweiten Schwingungsmodus zugehörigen elektrischen Signale eine zweite Frequenz f2. Dies führt dazu, dass der elektroakustische Wandler
Die dem ersten Schwingungsmodus zugehörigen elektrischen Signale weisen eine konstante Frequenz auf. Somit weist auch das von der elektroakustischen Wandler
Bei einem Empfangen akustischer Signale wir an jeder der ersten Kontaktierungen
Die Vorrichtung
Handelt es sich bei dem elektroaksutischen Wandler
In einer optionalen Ausführungsform umfasst die Signaleinheit
Eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen akustischer Signale ist in
Die zweite Kontaktierung
Die zweite Kontaktierung
Der elektroakustische Wandler besteht idealerweise aus einer großen Vielzahl von Kontaktierungen. Häufig kann man davon ausgehen, dass in Bereichen gleicher Auslenkung gleichartige Ladungsverschiebungen stattfinden und entsprechend gleichartige Spannungspotenziale bestehen. Erfindungsgemäß werden somit gleiche Potenziale in einem Kontakt zusammengefasst, um den Aufwand zu reduzieren. The electroacoustic transducer ideally consists of a large variety of contacts. It can often be assumed that similar charge shifts take place in regions of equal deflection and correspondingly similar voltage potentials exist. According to the invention, the same potentials are thus combined in one contact in order to reduce the effort.
Im Folgenden wird ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Aussenden und/oder Empfangen elektroakustischer Signale beschrieben. Dabei wird zunächst eine durchgängige Kontaktierungsschicht auf der ersten Seite
Neben dem Vorteil, dass das Schwingungsverhalten für jede Signalform, insbesondere für einen Puls fester Frequenz, so eingestellt werden kann, dass das funktionale Ziel, wie zum Beispiel maximale Frequenz und/oder Phasenlage optimal erreicht werden kann, besteht ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ansteuerung des elektroakustischen Wandlers
Dem Fachmann ist bekannt, dass auch alternative Ableitungen des erfindungsgemäßen Grundgedanken möglich sind, beispielsweise indem zumindest Teile der Signalverarbeitung mit abgetasteten zeit- und wertdiskreten Datensignalen durchgeführt wird. It is known to the person skilled in the art that alternative derivations of the basic idea according to the invention are also possible, for example by carrying out at least parts of the signal processing with sampled time and value-discrete data signals.
Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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