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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen akustischen Sensor zum Aussenden und/oder Empfangen akustischer Signale.
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In einem akustischen Sensor wird typischerweise eine Membran mittels eines elektroakustischen Wandlers angeregt. Dadurch wird die Membran in eine Schwingung versetzt, wodurch von der Membran ein akustisches Signal abgegeben wird. In entsprechender Weise können auch akustische Signale über die Membran empfangen werden. Dabei ist der elektroakustische Wandler in einem Zentrum der Membran angeordnet, um diese über ihre gesamte Oberfläche hinweg gleichmäßig anzuregen.
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Dabei ist es auch bekannt, dass die Membran über einen Steg mit dem elektroakustischen Wandler verbunden ist. Auf diese Weise wird eine mechanische Ausdehnung des elektroakustischen Wandlers über einen Hebelarm verstärkt und somit ein großer Hub der Membran erreicht, wodurch ein stärkeres akustisches Signal ausgesendet wird. Die
WO2013117437A1 offenbart einen solchen akustischen Sensor. In diesem treten jedoch sehr hohe punktuelle Belastungen der Membran auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße akustische Sensor zum Aussenden und/oder Empfangen akustischer Signale umfasst eine Membran mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste und die zweite Oberfläche gegenüberliegende Seiten der Membran bilden und durch ihren Rand einen gemeinsamen Flächenumfang definieren, ein Gehäuse, welches die Membran trägt und eine Ausdehnung des Flächenumfangs der Membran bei einem Betrieb des akustischen Sensors zumindest beschränkt, und einen ersten elektroakustischen Wandler, der auf einem ersten Teilbereich der ersten Oberfläche der Membran angeordnet ist, wobei sich der erste Teilbereich abseits eines Flächenschwerpunktes der ersten Oberfläche der Membran befindet.
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Der Flächenumfang der Membran wird in seiner Ausdehnung dahingehend beschränkt, dass der Flächenumfang nicht bei einer Anregung der Membran durch den elektroakustischen Wandler variiert. Die Membran ist dabei insbesondere an ihrem Flächenumfang durch das Gehäuse eingefasst. Dabei ist der erste elektroakustische Wandler azentrisch auf der ersten Oberfläche angeordnet. Der erste elektroakustische Wandler liegt somit nicht auf dem Flächenschwerpunkt der Membran. Somit liegt der erste Teilbereich gänzlich außerhalb des Flächenschwerpunktes der ersten Oberfläche der Membran. Der erste Teilbereich kann dabei auch ein Loch aufweisen, in dem der Flächenschwerpunktes der ersten Oberfläche der Membran liegt, wobei der erste elektroakustische Wandler abseits dieses Loches auf der Membran angeordnet ist. Der Flächenschwerpunkt ist ein Zentrum der Membran. Weist die Membran beispielsweise die Form einer Kreisscheibe auf, so ist ein Kreismittelpunkt der Flächenschwerpunkt der Membran. Die erste und die zweite Oberfläche sind im Wesentlichen eben.
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Ein erfindungsgemäßer akustischer Sensor ist vorteilhaft, da bereits eine geringe Bewegung des elektroakustischen Wandlers in eine starke Bewegung der Membran umgesetzt wird. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des ersten elektroakustischen Wandlers auf der Membran werden dabei besonders großflächige Bereiche der Membran geschaffen, in denen kein elektroakustischer Wandler angeordnet ist. Diese können mit einem besonders geringen Dämpfungswiderstand schwingen und werden peitschenartig durch den ersten akustischen Wandler angeregt. Somit wird ein besonders großer Hub der Membran bei einer Anregung durch eine geringe Bewegung des ersten elektroakustischen Wandlers erreicht und somit ein besonders effizienter akustischer Sensor geschaffen. Erfindungsgemäß wird somit ein großer Hub der Membran dank des Hebelprinzips geschaffen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt nimmt eine Steifigkeit der Membran in einem an den ersten Teilbereich angrenzenden Bereich ausgehend von dem ersten Teilbereich stetig ab. Dies bedeutet, dass die Membran dem Bereich, in dem der erste elektroakustische Wandler angeordnet ist, eine höhere Steifigkeit aufweist, als in dem an den ersten Teilbereich angrenzenden Bereich. Insbesondere nimmt die Steifigkeit der Membran ab, da eine Dicke der Membran abnimmt. Insbesondere nimmt somit eine Dicke der Membran in einem an den ersten Teilbereich angrenzenden Bereich ausgehend von dem ersten Teilbereich stetig ab. In dem an den ersten Teilbereich angrenzenden Bereich ist somit ein Biege- und Rückstellmoment der Membran besonders klein und diese wird bei einer geringen Anregung des angrenzenden ersten Teilbereiches mit einem großen Hub reagieren und somit mit einer großen Amplitude schwingen. Dies führt zu einer hohen abgestrahlten Schallleistung und somit zu einem hohen Wirkungsgrad des akustischen Sensors.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn der akustische Sensor eine Vielzahl von elektroakustischen Wandlern umfasst, wobei jeder der elektroakustischen Wandler auf jeweils einen zugehörigen Teilbereich der ersten Oberfläche der Membran angeordnet ist, wobei zugehörigen Teilbereiche einander nicht überschneiden, und wobei die zugehörigen Teilbereiche abseits des Flächenschwerpunktes der ersten Oberfläche der Membran liegen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass mehrere elektroakustische Wandler nebeneinander auf der ersten Oberfläche angeordnet sind. Eine Vielzahl sind dabei zwei oder mehr elektroakustische Wandler. Der erste akustische Wandler ist dabei einer der elektroakustischen Wandler aus der Vielzahl von elektroakustischen Wandlern. Auf diese Weise können Bereiche, die zwischen den elektroakustischen Wandlern liegen, von mehreren Seiten ausgehend besonders effizient angeregt werden. Insbesondere werden die elektroakustischen Wandler durch unterschiedliche elektrische Signale angeregt. Auf diese Weise wird aus einer einzigen Membran ein Sensor-Array geschaffen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn eine Steifigkeit der Membran in einem Bereich, der zwischen den zugehörigen Teilbereichen zweier elektroakustischer Wandler liegt, geringer ist als in den zugehörigen Teilbereichen dieser elektroakustischen Wandler. Insbesondere ist die Steifigkeit der Membran dabei geringer, da eine Dicke der Membran geringer ist. Dadurch wird gerade in dem Bereich, der von mehreren elektroakustischen Wandlern angeregt wird, ein Biege- und Rückstellmoment der Membran minimiert, wodurch wiederum ein großer Schwingungshub der Membran erreicht wird.
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Bevorzugt ist die Vielzahl elektroakustischer Wandler auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet. Dabei ist jeder der elektroakustischen Wandler auf der Leiterplatte fixiert. Somit wird eine relative Bewegung der elektroakustischen Wandler gegeneinander verhindert. Somit wird ein Hub der Membran in den Bereichen zwischen den elektroakustischen Wandlern erhöht, da die Membran nicht in eine andere Richtung ausweichen kann, da diese im Bereich der elektroakustischen Wandler in ihrer Ausgangsposition gehalten wird. Bevorzugt ist dazu die Vielzahl der elektroakustischen Wandler mechanisch mit der Membran verbunden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der erste elektroakustische Wandler ein ringförmiger elektroakustischer Wandler ist und mit einer seiner lochscheibenförmigen Oberflächen auf der ersten Oberfläche der Membran angeordnet ist. Der ringförmige elektroakustische Wandler hat insbesondere die Form einer Lochscheibe. Insbesondere ist der elektroakustische Wandler dabei mit der Membran mechanisch verbunden. Damit wird ein besonders starkes Schwingen der Membran im Inneren des ringförmigen elektroakustischen Wandlers ermöglicht, da die Membran bei einer Anregung durch den elektroakustischen Wandler im Inneren des Ringes von allen Seiten angeregt wird und insbesondere nicht seitlich ausweichen kann. Somit wird ein besonders effizienter akustischer Sensor geschaffen.
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Weiter bevorzugt ist eine Steifigkeit der Membran in dem ersten Teilbereich, in dem der ringförmige elektroakustische Wandler angeordnet ist, größer, als in einem Teilbereich, der von dem ringförmigen elektroakustischen Wandler eingefasst wird. Insbesondere ist die Steifigkeit der Membran dabei geringer, da eine Dicke der Membran geringer ist. Somit wird ein Biegemoment der Membran in diesen eingefassten Teilbereich verringert und dieser eingefasste Teilbereich wird zu einer besonders starken Schwingung angeregt. Eine besonders starke Schwingung zeichnet sich dabei durch eine besonders große Amplitude des abgestrahlten Schalldrucks aus.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Membran eine Sicke aufweist, die entlang dem Rand der Membran verläuft und alle auf der Membran angeordneten elektroakustischen Wandler umläuft. Eine Sicke ist eine Dünnstelle der Membran. Durch eine entsprechende Dimensionierung einer solchen Sicke kann ein maximaler Hub der Membran und deren Resonanzfrequenz eingestellt werden.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der akustische Sensor ferner ein Stützelement umfasst, welches auf Seiten der ersten Oberfläche der Membran angeordnet ist und einen Anschlag bildet, welcher eine maximale Amplitude der Membran begrenzt. Insbesondere weist das Stützelement eine Oberflächenkontur auf, die in ihrem Verlauf einer Oberflächenkontur der ersten Oberfläche der Membran entspricht. Auch ist es vorteilhaft, wenn das Stützelement eine Leiterplatte ist. Auf diese Weise kann die Membran vor einer Überdehnung, beispielsweise durch einen stumpfen Schlag, geschützt werden. Die maximale Amplitude der Membran ist dabei ein maximaler Hub der Membran.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass der elektroakustische Wandler ein Piezoelement oder ein Bimetall ist. Sowohl ein Piezoelement als auch ein Bimetall kann eine geringe Bewegung schnell und mit großer Kraft ausführen. Somit kann ein akustischer Sensor mit einem besonders großen Hebelarm geschaffen werden, wobei der elektroakustische Wandler genügend Kraft aufbringt, um die Membran über diesen Hebel anzuregen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 ein akustischer Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine Membran eines akustischen Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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3 ein akustischer Sensor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
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4 ein akustischer Sensor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
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5 ein akustischer Sensor gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung, und
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6 ein akustischer Sensor gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen akustischen Sensor 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der akustische Sensor 10 umfasst eine Membran 20, ein Gehäuse 30 und einen ersten elektroakustischen Wandler 40.
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Die Membran 20 weist in dieser ersten Ausführungsform die Form einer Kreisscheibe auf, wobei die Kreisscheibe eine variable Dicke aufweist. Die beiden gegenüberliegenden Oberflächen 21, 22 der Membran 20 sind eine erste Oberfläche 21 und eine zweite Oberfläche 22. Die erste Oberfläche 21 und die zweite Oberfläche 22 bilden somit gegenüberliegende Seiten der Membran. Die zweite Oberfläche 22 liegt dabei auf einer Seite der Membran 20, in welche ein akustisches Signal von dem akustischen Sensor 10 in dessen Umfeld abgegeben wird, um eine Umgebung des akustischen Sensors 10 zu erfassen. Durch den Rand der ersten Oberfläche 21 und den Rand der zweiten Oberfläche 22 wird ein gemeinsamer Flächenumfang der Membran 20 definiert. Der Flächenumfang der Membran ist in dieser ersten Ausführungsform der kreisrunde äußere Umfang der kreisscheibenförmigen Membran 20. Eine Dicke der Membran 20 ist ein Abstand zwischen der ersten Oberfläche 21 und der zweiten Oberfläche 22. Die Membran 20 ist aus einem flexiblen Material gefertigt.
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Die Membran 20 kann aus beliebigen Materialien, wie beispielsweise Aluminium, Faserverbundwerkstoffen, Gummi, Kunststoffen und ähnlichem bestehen und nach Maßgabe durch Gießen, Fließpressen und/oder durch Nachbearbeitung wie beispielsweise Schleifen, Bohren, Lasern erzeugt werden.
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Das Gehäuse 30 weist in dieser ersten Ausführungsform die Form eines Topfes auf. Dabei überspannt die Membran 20 eine Öffnung dieses Topfes und somit eine Öffnung des Gehäuses 30. Dabei ist der Rand der Membran 20 mit dem Gehäuse 30 verschweißt. Das Gehäuse 30 ist aus einem Material gefertigt, welches eine geringere Elastizität als die Membran 20 aufweist. Somit ist eine Ausdehnung des Flächenumfangs der Membran 20 auf die Ausdehnung der Öffnung des Gehäuses 30, begrenzt. Unabhängig davon, wie die Membran 20 während eines Betriebes des akustischen Sensors 10 angeregt wird, kann deren Flächenumfang sich nicht weiter ausdehnen, da diese durch das Gehäuse 30 beschränkt wird. Somit ist eine Ausdehnung des Flächenumfangs der Membran 20 bei einem Betrieb des akustischen Sensors 10 zumindest beschränkt. Dabei wird der Rand der Membran in einer Grundebene der Membran 20 gehalten, welche in dieser ersten Ausführungsform eine Ebene ist, in welcher die kreisscheibenförmige Membran 20 liegt.
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Die Membran 20 in folglich in dem Gehäuse 30 seitlich eingeklemmt. Eine durch Anlegen von elektrischer Spannung an den ersten elektroakustischen Wandler 40 bewirkte Längenänderung des ersten elektroakustischen Wandler 40 zwingt die Membran 20 zu einer Verbiegung und somit zu einer Ausweichbewegung aus dem Gehäuse hinaus. Dadurch, dass die Membran 20 außerhalb des Flächenschwerpunktes 23 angeregt wird, wird ein Hebel maximiert, über dem ein Hub der Membran 20 erzeugt wird.
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Der elektroakustische Wandler 40 ist in dieser ersten Ausführungsform ein Piezoelement oder ein Bimetall. Der erste elektroakustische Wandler 40 ist auf einem ersten Teilbereich 24 der ersten Oberfläche 21 der Membran angeordnet. Der erste Teilbereich 24 der ersten Oberfläche 21 ist somit ein Bereich auf der ersten Oberfläche 21 der Membran 20, der von dem ersten elektroakustischen Wandler 40 bedeckt wird. Der erste Teilbereich 24 befindet sich gänzlich außerhalb eines Flächenschwerpunktes 23 der ersten Oberfläche 21 der Membran 20. Die erste Oberfläche 21 ist in dieser ersten Ausführungsform eine runde Oberfläche. Daher ist der Flächenschwerpunkt 23 ein Mittelpunkt der ersten Oberfläche, wobei zwischen dem Flächenschwerpunkt 23 und dem Rand der Membran 20 ein konstanter Abstand d1 vorliegt. Der Abstand d1 ist ein Radius der kreisscheibenförmigen Membran 20 und somit der ersten Oberfläche 21. Der erste elektroakustische Wandler 40 ist zwischen dem Rand der Membran 20 und dem Flächenschwerpunkt 23 der ersten Oberfläche 21 angeordnet. Der erste elektroakustische Wandler 40 ist ein in dieser ersten Ausführungsform kreisscheibenförmiges Bauteil, welches einen Durchmesser aufweist, der kleiner als der Abstand d1 ist.
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Eine Steifigkeit der Membran 20 nimmt in einem an den ersten Teilbereich 24 angrenzenden Bereich ausgehend von dem ersten Teilbereich 24 stetig ab. Dies wird in dieser ersten Ausführungsform dadurch erreicht, dass eine Dicke der Membran 20 in dem ersten Teilbereich 24 größer ist als in den übrigen Bereichen der Membran 20, wobei zwischen dem ersten Teilbereich 24 und den übrigen Bereichen der Membran 20 ein stetiger Übergang geschaffen ist. Die Membran 20 weist daher in dem ersten Teilbereich eine konstante erste Dicke auf. Abseits des ersten Teilbereichs 24 nimmt die Dicke der Membran 20 stetig ab, bis diese auf eine zweite Dicke reduziert ist, die geringer als die erste Dicke ist. Der erste Teilbereich 24 Bereich mit der ersten Dicke ist in 1 links gezeigt und ein Bereich mit der zweiten Dicke ist in 1 rechts gezeigt. Zwischen diesen Bereichen unterschiedlicher Dicke liegt der an den ersten Teilbereich 24 angrenzende Bereich, in dem die Dicke der Membran 20 stetig abnimmt.
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2 zeigt eine Membran 20 eines akustischen Sensors 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform. Jedoch sind in dieser zweiten Ausführungsform eine Vielzahl von elektroakustischen Wandlern 40, 41, 42 auf der Membran 20 angeordnet. Jeder der elektroakustischen Wandler 40, 41, 42 ist auf einem jeweils zugehörigen Teilbereich 24, 25, 26 der ersten Oberfläche 21 der Membran 20 angeordnet. So ist der erste elektroakustische Wandler 40 in dem ersten Teilbereich 24 angeordnet, ein zweiter elektroakustischer Wandler 41 ist in einem zweiten Teilbereich 25 angeordnet und ein dritter elektroakustischer Wandler 42 ist in einem dritten Teilbereich 26 angeordnet. Die zugehörigen Teilbereiche 24, 25, 26 überschneiden sich gegenseitig nicht.
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In dieser zweiten Ausführungsform liegt ein Bereich 27 zwischen dem ersten elektroakustischen Wandler 40 und dem zweiten elektroakustischen Wandler 41 und somit zwischen dem ersten Teilbereich 24 und dem zweiten Teilbereich 25. In diesem Bereich 27, der zwischen den zugehörigen Teilbereichen 24, 25 liegt, ist eine Steifigkeit der Membran 20 geringer, als in dem ersten Teilbereich 24 und dem zweiten Teilbereich 25. Dies wird dadurch erreicht, dass die Dicke der Membran sich ausgehend von dem ersten Teilbereich stetig verringert und sich erst ab halber Strecke zwischen dem ersten Teilbereich und dem zweiten Teilbereich wieder vergrößert. Die Membran 20 bildet in ihrem Querschnitt somit einen Bogen zwischen dem ersten elektroakustischen Wandler 40 und dem zweiten elektroakustischen Wandler 41. In entsprechender Weise bildet die Membran 20 einen Bogen zwischen dem zweiten elektroakustischen Wandler 41 und dem dritten elektroakustischen Wandler 42. Auf diese Weise kann eine beliebige Anzahl von elektroakustischen Wandlern 40, 41, 42 auf der Membran angeordnet werden und somit ein Sensor-Array geschaffen werden.
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Mit Hinblick auf 2 sei ein Wirkprinzip erläutert, welches für jede der beschriebenen Ausführungsformen gültig ist. Mit einem ersten Pfeil 60, welcher am Rand der ersten elektroakustischen Wandlers dargestellt ist, wird eine Bewegung des ersten elektroakustischen Wandlers 40 angedeutet, wenn dieser durch ein elektrisches Signal angeregt wird. Je nach Wahl des ersten elektroakustischen Wandlers 40 wird sich der erste elektroakustische Wandler 40 bei einer Anregung biegen, ausdehnen oder biegen und ausdehnen. Es sei angenommen, dass sich der erste elektroakustische Wandler 40 bei einer Anregung biegt. Dadurch wird ein Abschnitt 62 der Membran, der auf dem äußeren Rand des ersten elektroakustischen Wandlers 40 angeordnet ist, mit einem Drehmoment beaufschlagt, welches durch den ersten Pfeil 60 angedeutet ist. Der Abschnitt 62 der Membran ist dabei ein Bereich der Membran, der sich von dem ersten elektroakustischen Wandler 40 ausgehend von dem ersten elektroakustischen Wandler 40 weg erstreckt. Es ist ersichtlich, dass schon eine geringe Bewegung des ersten elektroakustischen Wandlers 40 zu einer deutlich größeren Bewegung der Membran 20 führt, wenn ein Ende des Abschnitts 62 betrachtet wird, das einen Abstand zu dem ersten elektroakustischen Wandler 40 aufweist. Dies ist in 2 durch einen zweiten Pfeil 61 angedeutet. Somit wird durch den Abschnitt 62 der Membran 20 ein Hebelarm geschaffen, der eine geringe mechanische Bewegung des elektroakustischen Wandlers 40 in einen großen Hub der Membran 20 umsetzt. Dies führt dazu, dass eine Amplitude oder ein Hub der Membran 20, wenn diese durch den elektroakustischen Wandler 40 zu einer Schwingung angeregt wird, in den Bereichen abseits der elektroakustischen Wandler 40, 41, 42 erheblich größer ist als in den zugehörigen Teilbereichen 24, 25, 26, auf denen die elektroakustischen Wandler 40, 41, 42 angeordnet sind.
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Dieses Wirkprinzip gilt auch, wenn der erste elektroakustische Wandler 40 derart gewählt ist, dass dieser sich entlang der ersten Oberfläche 21 ausdehnt. Da die Membran 20 in der Ausdehnung ihres Flächenumfangs durch das Gehäuse 30 beschränkt ist, wird diese durch einen Hub, der dem zweiten Pfeil 61 entspricht, aus der Grundebene der Membran 20 ausweichen. Auch somit wird durch eine geringe mechanische Bewegung des ersten elektroakustischen Wandlers 40 ein großer Hub der Membran 20 erzeugt.
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3 zeigt einen akustischen Sensor 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die dritte Ausführungsform der Erfindung entspricht den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung. Der akustische Sensor 10 umfasst dabei den ersten elektroakustischen Wandler 40 und den zweiten elektroakustischen Wandler 41 und somit eine Vielzahl von elektroakustischen Wandlern. Der erste elektroakustische Wandler 40 ist dabei auf dem ersten Teilbereich 24 und der zweite elektroakustische Wandler 41 auf dem zweiten Teilbereich 25 angeordnet. Der Bereich 27, der zwischen den zugehörigen Teilbereichen 24, 25, also dem ersten Teilbereich 24 und dem zweiten Teilbereich 25, liegt, weist dabei entsprechend der zweiten Ausführungsform eine geringere Steifigkeit auf, als der erste Teilbereich 24 und der zweiten Teilbereich 25. Sowohl der erste Teilbereich 24 als auch der zweite Teilbereich 25 liegt zwischen dem Flächenschwerpunkt 23 der Membran 20 und dem Rand der Membran 20. Somit liegen die dem ersten und zweiten elektroakustischen Wandler 40, 41 zugehörigen Teilbereiche gänzlich außerhalb des Flächenschwerpunktes 25 der ersten Oberfläche 21 der Membran 20. Der erste Teilbereich 24 und der zweite Teilbereich 25 überschneiden einander nicht.
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Die Membran 20 weist in dieser dritten Ausführungsform eine Sicke 29 auf, die entlang dem Rand der Membran 20 verläuft und alle auf der Membran 20 angeordneten elektroakustischen Wandler 40, 41 umläuft. Die Sicke 29 ist dabei eine Verjüngung der Dicke der Membran 20. Mit der Sicke 29 verläuft somit ein Graben auf der ersten Oberfläche 21 der Membran 20, der einem Kreisverlauf entlang dem Rand der Membran 20 aufweist. Die elektroakustischen Wandler 40, 41 sind innerhalb dieses ringförmigen Verlaufes der Sicke 29 angeordnet.
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Durch die Gestalt der Membran 20 kann ohne Änderung der elektroakustischen Wandler 40, 41, 42 die Richtcharakteristik und der maximale Hub, die Resonanzfrequenz und andere Parameter des akustischen Sensors 10 eingestellt werden. Dies erfolgt auch durch die Sicke 29. So wird durch die Sicke 29 eine Bewegung der Membran 20 zentriert, was einen größeren Öffnungswinkel bei größerem Schallschwingungshub bewirkt. Wird auf die Sicke 29 verzichtet, und der elektroakustische Wandler weiter außen auf der Membran 20 positioniert, so ergibt sich eine größere schallabstrahlende Fläche der Membran 20 und damit eine engere Richtcharakteristik bei geringerem Schallhub.
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Der Bereich zwischen den elektroakustischen Wandlern 40, 41 kann zudem weitere Sicken aufweisen, die in 3 nicht gezeigt sind.
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4 zeigt einen akustischen Sensor 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Die vierte Ausführungsform der Erfindung entspricht der ersten bis dritten Ausführungsform der Erfindung, jedoch umfasst der akustische Sensor nur den ersten elektroakustischen Wandler 40 und keine Vielzahl elektroakustischer Wandler. Der erste elektroakustische Wandler ist dabei als ein ringförmiger elektroakustischer Wandler 43 ausgeführt, der im Wesentlichen die Form einer Lochscheibe aufweist. Der ringförmige elektroakustische Wandler 43 ist mit einer seiner lochscheibenförmigen Oberflächen auf der ersten Oberfläche 21 der Membran 20 angeordnet. Dabei umläuft der ringförmige elektroakustische Wandler 43 und somit der erste Teilbereich 24 den Flächenschwerpunkt 23 der ersten Oberfläche 21 der Membran 20.
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Dabei ist die Steifigkeit der Membran 20 in dem ersten Teilbereich 24, in dem der ringförmige elektroakustische Wandler 43 angeordnet ist, größer, als in einem Teilbereich 28, der von dem ringförmigen elektroakustischen Wandler 43 eingefasst ist. Dieser Teilbereich 28 ist also der Bereich der Membran 20, der innerhalb des inneren Ringumfangs des elektroakustischen Wandlers 43 liegt. Dabei ist die Dicke der Membran 20 in diesem Teilbereich 28 geringer als in dem ersten Teilbereich 24.
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Der Bereich innerhalb des ringförmigen elektroakustischen Wandlers 43 kann zudem weitere Sicken aufweisen, die in 4 nicht gezeigt sind.
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5 zeigt einen akustischen Sensor 10 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Die fünfte Ausführungsform entspricht der ersten bis vierten Ausführungsform der Erfindung. Dabei umfasst der akustische Sensor 10 ferner ein Stützelement 50, welches auf Seiten der ersten Oberfläche 21 der Membran 20 angeordnet ist und einen Anschlag bildet, welcher eine maximale Amplitude und somit einen maximalen Hub der Membran 20 begrenzt. Das Stützelement 50 ist in einem Inneren des akustischen Sensors 10 angeordnet. Eine auf Seiten der Membran 20 gelegene Oberfläche des Stützelementes 50 ist dabei derart geformt, dass bei einer Anordnung des Stützelementes 50 in dem akustischen Sensor 10 ein Spalt zwischen dem Stützelement 50 und der Membran 20 mit den elektroakustischen Wandlern 40, 41 entsteht, welcher eine im Wesentlichen konstante Spaltdicke aufweist. Lediglich im Bereich der elektroakustischen Wandler 40, 41 kann dieser Spalt in seiner Ausdehnung minimiert sein, um eine Kontaktierung der elektroakustischen Wandler 40, 41 zu ermöglichen. Dazu ist es vorteilhaft, wenn das Stützelement 50 zugleich eine Leiterplatte ist. Eine Kontaktierung kann dann über Leiterbahnen erfolgen, die auf dem Stützelement 50 angeordnet sind. Insbesondere ist in dem Spalt ein elastisches Dämmmaterial 51 angeordnet. Das Stützelement 50 ist in seiner Lage gegenüber dem Gehäuse 30 fixiert. Kommt es zu einem stumpfen Stoß auf die zweite Oberfläche 22 der Membran 20, so wird die Membran 20 in Richtung des Stützelementes 50 gedrückt und setzt auf diesem auf. Die Membran 20 kann somit nicht überdehnt werden und reißen.
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6 zeigt einen akustischen Sensor 10 gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. In dieser sechsten Ausführungsform, welche im Wesentlichen der zweiten, dritten und fünften Ausführungsform entspricht, ist die Vielzahl elektroakustischer Wandler 40, 41 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 70 angeordnet. Dadurch wird eine Lage der elektroakustischen Wandler 40, 41 relativ zueinander fixiert. Somit kann der erste elektroakustische Wandler 40 und der zweite elektroakustische Wandler 41 bei einer Anregung der Membran 20 nicht auseinandergedrückt werden. Somit wird die Membran 20 in den Bereich zwischen dem ersten elektroakustischen Wandler 40 und dem zweiten elektroakustischen Wandler 41 dazu gezwungen, mit einer stärkeren Amplitude zu schwingen, wenn dieser durch den ersten und zweiten elektroakustischen Wandler 40, 41 angeregt wird.
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Für alle Ausführungsformen gilt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Steifigkeit der Membran 20 durch eine Dicke der Membran 20 angepasst wird. Dabei ergibt es sich, dass sensible Bereiche des akustischen Sensors 10 in denen die elektroakustischen Wandler 40, 41, 42 angeordnet sind, durch eine dickere und damit robuste Membran geschützt werden als die übrigen Bereich des akustischen Sensors 10. Zugleich sind die Bereiche der Membran 20, in denen kein elektroakustischer Wandler 40, 41, 42 angeordnet ist, massearm und können daher großflächig eine schmale Richtcharakteristik erzeugen.
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Eine Steifigkeit der Membran 20 kann in allen Ausführungsformen der Erfindung auch dadurch angepasst werden, dass die Membran 20 aus unterschiedlichen Materialien geformt wird. Dies ermöglicht einen erfindungsgemäßen Sensor mit einer Membran 20 konstanter Dicke.
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In weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die Membran 20 aus verschiedenen Schichten zusammengesetzt. Dabei kann der elektroakustische Wandler zwischen zwei Schichten der Membran 20 angeordnet sein.
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Nebst oben stehender Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 bis 6 verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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