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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen akustischen Sensor mit einer Membran und einem elektroakustischen Wandler.
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Bei akustischen Sensoren, insbesondere Ultraschallsensoren in der Fahrzeugtechnik, ist es bei einer Montage des akustischen Sensors oftmals notwendig, eine schallabstrahlende Fläche des akustischen Sensors in einem gewissen Winkel gegenüber einer angrenzenden Oberfläche einer Fahrzeugkomponente anzuordnen, um einige Bereiche in einer Umgebung eines Fahrzeuges zu erfassen. Dies ist notwendig, da akustische Sensoren typischerweise eine symmetrische Richtcharakteristik aufweisen und deren Hauptabstrahlrichtung senkrecht auf der Membranebene steht. Bei einer runden Membran ist die Richtcharakteristik typischerweise rotationssymmetrisch mit einem gleichmäßigen Öffnungswinkel von 30 Grad um eine Hauptachse der Richtcharakteristik.
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Bei einer Anordnung von akustischen Sensoren an einem Fahrzeug kommt es oftmals zu Konflikten zwischen einer erforderlichen Positionierung und Ausrichtung der akustischen Sensoren, um alle relevanten Bereich der Fahrzeugumgebung mit diesen zu erfassen, und den Möglichkeiten zur Anordnung der akustischen Sensoren unter Berücksichtigung optisch ästhetischer Aspekte sowie funktionaler Aspekte, wie zum Beispiel einer Aerodynamik des Fahrzeuges.
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Daher ist es erstrebenswert, einen akustischen Sensor zu schaffen, dessen Hauptachse der Richtcharakteristik nicht senkrecht auf der schallabstrahlenden Fläche, also der Membran des akustischen Sensors, steht.
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Aus der
DE19614885C1 , und der
DE10138892A1 sind Ultraschallsensoren bekannt bei denen durch eine Membranform eine Richtcharakteristik beeinflusst wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße akustische Sensor umfasst eine Membran mit zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen, die dazu eingerichtet ist, in einer Betriebsfrequenz des akustischen Sensors zu schwingen, genau einen elektroakustischen Wandler, der auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen der Membran angeordnet ist, und dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Signal in eine mechanische Schwingung zu wandeln, um die Membran zu einer Schwingung in der Betriebsfrequenz anzuregen, wobei ein Schwerpunkt des genau einen elektroakustischen Wandlers abseits eines Schwerpunktes der Membran angeordnet ist, wobei die Membran in dem Bereich, auf dem der Schwerpunkt des elektroakustische Wandlers angeordnet ist, dünner ist als in einem Bereich, auf dem ein Randbereich des elektroakustischen Wandlers angeordnet ist, und wobei der elektroakustische Wandler in dessen Randbereich auf der Membran aufliegt und in dem Bereich um den Schwerpunkt des elektroakustischen Wandlers einen Abstand zu der Membran aufweist..
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Es wird somit ein akustischer Sensor geschaffen, dessen Membran zumindest auf einer Seite eine nahezu ebene Fläche bildet, die bündig in eine Fahrzeugkontur integriert werden kann. Dabei steht eine Hauptachse einer Richtcharakteristik des akustischen Sensors nicht senkrecht auf der Membran, sondern ist in eine vordefinierte Richtung gerichtet. Es wird ermöglicht, eine Schallabstrahlrichtung des akustischen Sensors auf einfache Weise zu modifizieren. Somit wird ein akustischer Sensor geschaffen, der einen hohen Freiheitsgrad bei einer Auswahl eines Punktes ermöglicht, an dem dieser akustische Sensor an einem Fahrzeug angeordnet wird.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt weist die Membran zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen eine Dicke auf, die mit einem Abstand zu dem elektroakustischen Wandler abnimmt. Mit anderen Worten Weist die Membran also ihre dickste Stelle in einem Bereich auf, in dem der elektroakustische Wandler angeordnet ist. Somit wird ein besonders flacher Winkel zwischen einer Hauptachse der Richtcharakteristik des akustischen Sensors und der Membran ermöglicht.
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Zugleich wird ein Schwingungswiderstand der Membran minimiert und somit eine Dämpfung der Membran gering gehalten. Daher wird ein besonders effizienter akustischer Sensor geschaffen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Membran in einem Bereich, auf dem der elektroakustische Wandler angeordnet ist, eine andere Dicke aufweist, als in den an den elektroakustischen Wandler angrenzenden Bereichen. Dadurch kann eine Resonanzfrequenz der Membran auf einfache Weise optimiert werden.
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Ebenso vorteilhaft ist es, wenn die Membran in einem Bereich, auf dem der Schwerpunkt des elektroakustischen Wandlers angeordnet ist, dünner ist, als in einem Bereich, auf dem ein Randbereich des elektroakustischen Wandlers angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine hohe Beweglichkeit des elektroakustischen Wandlers gewährleistet, wenn dieser zu einer Schwingung angeregt wird. Eine Dämpfung wird somit minimiert und ein besonders effizienter akustischer Sensor geschaffen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der elektroakustische Wandler in dessen Randbereich auf der Membran aufliegt und in dem Bereich unter dem Schwerpunkt des akustischen Wandlers einen Abstand zu der Membran aufweist. Somit befindet sich eine Senke in der Membran, welche sich unter dem elektroakustischen Wandler befindet. Dadurch wird eine optimale Übertragung einer Schwingung des elektroakustischen Wandlers an die Membran ermöglicht. Die Schwingung des elektroakustischen Wandlers wird kaum gedämpft und es wird ein effizientes Aufschwingen der Membran ermöglicht.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Schwerpunkt der Oberfläche der Membran ein Flächenschwerpunkt der Membran ist. Dadurch, dass eine Oberfläche der Membran maßgeblich für das von dem akustischen Sensor ausgestrahlte akustische Signal ist, wird somit besonders gezielt Einfluss auf eine Richtcharakteristik des akustischen Sensors genommen.
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Ebenso vorteilhaft ist es, wenn der Schwerpunkt der Oberfläche der Membran ein Masseschwerpunkt der Membran ist. Da Schwingungseigenschaften der Membran, insbesondere deren Resonanzfrequenz, von einer Masse der Membran und deren Verteilung abhängig ist, wird somit eine gezielte Beeinflussung der Richtcharakteristik des akustischen Sensors sichergestellt.
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Weist die Membran eine gleichbleibende Dicke auf, so entspricht ein Flächenschwerpunkt der Membran einem Masseschwerpunkt der Membran.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Schwerpunkt der Oberfläche der Membran außerhalb einer Fläche liegt, in der eine Oberfläche des elektroakustischen Wandlers auf der Membran aufliegt. Mit anderen Worten liegt der Schwerpunkt der Membran abseits des elektroakustischen Wandlers. Somit wird die Richtcharakteristik des akustischen Sensors besonders stark beeinflusst.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche der Membran asymmetrisch hinsichtlich einer Achsensymmetrie und/oder einer Punktsymmetrie ist. Somit wird ein besonders flacher Winkel zwischen einer Hauptachse der Richtcharakteristik des akustischen Sensors und der Membran ermöglicht.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn eine Oberfläche des elektroakustischen Wandlers, welche auf der Membran aufliegt, asymmetrisch hinsichtlich einer Achssymmetrie und/oder einer Punktsymmetrie ist. Somit wird ein besonders flacher Winkel zwischen einer Hauptachse der Richtcharakteristik des akustischen Sensors und der Membran ermöglicht.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der akustische Sensor ein Ultraschallsensor ist, der für eine Anwendung im Automobilbereich geeignet ist. Gerade in diesem Bereich werden hohe Anforderungen an ein optisches Erscheinungsbild von Ultraschallsensoren gestellt, die gerade durch den erfindungsgemäßen Sensor befriedigt werden.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 ein Querschnitt durch einen akustischen Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine Draufsicht auf den akustischen Sensor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 3 eine Draufsicht auf einen akustischen Sensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
- 4 ein Querschnitt durch eine Membran und einen elektroakustischen Wandler eines akustischen Sensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Querschnitt durch einen akustischen Sensor 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der akustische Sensor 1 umfasst ein Gehäuse 4 und einen elektroakustischen Wandler 3. Das Gehäuse 4 umfasst eine Membran 2.
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Das Gehäuse 4 weist die Form eines Topfes auf. Dabei ist die Membran 2 ein Boden des Topfes. Die Membran 2 weist zwei einander gegenüberliegende Oberflächen 2a, 2b auf. Die gegenüberliegenden Oberflächen 2a, 2b sind eine innenliegende Oberfläche 2a und eine außenliegende Oberfläche 2b. Die innenliegende Oberfläche liegt dabei in einem Innenbereich des Gehäuses 4, also in dem Topf, und die äußere Oberfläche 2b liegt auf einer Außenseite des Gehäuses 4. Die gegenüberliegenden Oberflächen 2a, 2b entsprechen sich in ihrem äußeren Umfang.
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Das Gehäuse 4 und die Membran 2 sind in dieser ersten Ausführungsform einstückig geformt. Dabei ist ein Anteil des Gehäuses 4, welcher die Membran 2 bildet, entsprechend dünn und aus einem flexiblen Material geformt, wodurch ein Schwingen der Membran 2 ermöglicht wird. Eine Dicke der Membran, also ein Abstand zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen 2a, 2b ist dabei derart gewählt, dass die Membran 2 in einer Betriebsfrequenz des akustischen Sensors 1 schwingt, wenn diese durch den elektroakustischen Wandler 3 angeregt wird.
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Der elektroakustische Wandler 3 ist auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen 2a, 2b der Membran 2 angeordnet. In dem in dieser ersten Ausführungsform gezeigten akustischen Sensor 1 ist der elektroakustische Wandler 3 auf der innenliegenden Oberfläche 2a angeordnet. Somit liegt dieser in dem Innenbereich des Gehäuses 4.
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Der elektroakustische Wandler 3 ist dazu eingerichtet, ein elektrisches Signal in eine mechanische Schwingung zu wandeln, um die Membran 2 zu einer Schwingung in der Betriebsfrequenz anzuregen. Der elektroakustische Wandler 3 ist ein Biegeschwinger oder ein Dickenschwinger. Das elektrische Signal ist eine hochfrequente Wechselspannung, welche über eine in 1 nicht gezeigte Elektronik an den elektroakustischen Wandler 3 angelegt wird. Der elektroakustische Wandler 3 ist entweder mit der Membran 2 verbunden oder steht in einem losen Kontakt zu dieser. Wird der elektroakustische Wandler 3 durch das elektrische Signal zu der mechanischen Schwingung angeregt, so überträgt sich diese Schwingung auf die Membran 2 und regt diese zu einer Schwingung in der entsprechenden Betriebsfrequenz an.
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2 zeigt den akustischen Sensor 1 gemäß der ersten Ausführungsform in einer Draufsicht. Diese Draufsicht ist in 2 derart gewählt, dass ein Blick in das topfförmige Gehäuse 4 ermöglicht wird. Es ist nunmehr ersichtlich, dass die innere Oberfläche 2a sich in eine erste Richtung weiter erstreckt als in eine zweite Richtung. Die erste Richtung verläuft in 2 von oben nach unten. Die zweite Richtung verläuft in 2 von links nach rechts. Das Gehäuse 4 hat einen kreisrunden äußeren Umfang und einen inneren Umfang, der einem äußeren Umfang der Membran 2 entspricht.
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Die Membran 2 weist in dieser ersten Ausführungsform eine gleichbleibende Dicke auf. Somit ist ein Abstand zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen 2a, 2b in jedem Bereich der Membran gleich. Folglich liegt ein Schwerpunkt SP1 der Oberfläche 2a der Membran 2 in einem Zentrum der Oberfläche 2a Membran 2. Dieser Schwerpunkt SP1 der Membran ist sowohl ein Flächenschwerpunkt als auch ein Masseschwerpunkt der Membran 2.
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Der elektroakustische Wandler 3 weist die Form einer Kreisscheibe auf. Diese Kreisscheibe liegt mit einer ihrer kreisrunden ebenen Oberflächen auf der Membran 2 auf. Ein Schwerpunkt SP2 des elektroakustischen Wandlers 3 ist dabei ein Mittelpunkt dieser kreisrunden Oberfläche des elektroakustischen Wandlers 3.
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Eine Position des elektroakustischen Wandler 3 auf der Membran 2 ist derart gewählt, dass der Schwerpunkt SP2 des elektroakustischen Wandlers 3 nicht direkt über dem Schwerpunkt SP1 der Oberfläche 2a der Membran 2 liegt, wenn diese Elemente in einer Draufsicht auf die innenliegende Oberfläche 2a der Membran 2 betrachtet werden. Mit anderen Worten liegen somit eine Hochachse, die senkrecht auf einer der Oberflächen der Membran 2 steht und durch deren Schwerpunkt SP1 verläuft und eine Hochachse, die senkrecht auf einer der Oberflächen des elektroakustischen Wandlers 3 steht und durch dessen Schwerpunkt SP2 verläuft, nicht aufeinander.
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Somit ist der Schwerpunkt SP2 des elektroakustischen Wandlers 3 abseits des Schwerpunktes SP1 der Oberfläche 2a der Membran 2 angeordnet.
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Auf der Membran 2 ist lediglich der elektroakustische Wandler 3 angeordnet und kein weiterer elektroakustischer Wandler. Somit ist genau ein elektroakustischer Wandler 3 auf der Membran 2 angeordnet.
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3 zeigt eine Draufsicht auf einen akustischen Sensor 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Ausführungsform der Erfindung entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform der Erfindung. In dieser zweiten Ausführungsform ist der elektroakustische Wandler 3 jedoch in der Form einer elliptischen Scheibe ausgeführt. Ferner ist der Schwerpunkt SP2 des elektroakustischen Wandlers 3 derart gegenüber dem Schwerpunkt SP1 der Oberfläche 2a der Membran 2 verschoben, dass die Membran 2 und der elektroakustische Wandler 3 bei gemeinsamer Betrachtung in einer Draufsicht auf deren ebene Oberflächen keine Symmetrieachse aufweisen.
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Dabei liegt der Schwerpunkt SP1 der Oberfläche 2a der Membran 2 außerhalb einer Fläche, in der eine Oberfläche des elektroakustischen Wandlers 3 auf der Membran 2 aufliegt. Dies bedeutet, dass der Schwerpunkt SP1 der Oberfläche 2a der Membran 2 außerhalb eines äußeren Umfangs des elektroakustischen Wandlers 3 liegt.
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Da die Membran 2 auch in der zweiten Ausführungsform eine gleichbleibende Dicke aufweist, entspricht ein Flächenschwerpunkt der Membran einem Masseschwerpunkt der Membran. Dies ist nicht zwingend der Fall, wenn die Membran 2 eine veränderliche Dicke aufweist.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine Membran 2 und einen elektroakustischen Wandler 3 eines akustischen Sensors 1 in einer dritten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten und zweiten Ausführungsform. In dieser dritten Ausführungsform weist die Membran 2 jedoch zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen 2a, 2b eine Dicke auf, die mit einem Abstand zu dem elektroakustischen Wandler 3 abnimmt. Dazu weist die Membran 2 an ihrem äußeren Umfang eine erste Dicke d1 auf. In einem Bereich, in dem ein äußerer Umfang des elektroakustischen Wandlers 3 auf der Membran 2 aufliegt, weist die Membran 2 eine Dicke d2 auf. In den Bereichen zwischen dem äußeren Rand der Membran 2 und dem äußeren Rand des elektroakustischen Wandlers 3 nimmt die Dicke der Membran 2 ausgehend von dem elektroakustischen Wandler 3 und der zweiten Dicke d2 kontinuierlich ab. Da der elektroakustische Wandler 3 nicht in einem Zentrum der Membran 2 angeordnet ist, weist die Membran abhängig von einem Abstand zwischen dem äußeren Umfang des elektroakustischen Wandlers 3 und dem äußeren Umfang der Membran 2 eine unterschiedliche Steigung auf.
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In einem Auflagebereich 5, in dem der elektroakustische Wandler 3 auf der Membran 2 angeordnet ist, also unterhalb des elektroakustischen Wandlers 3, befindet sich eine Senke 6 in der Membran 2. Ein Durchmesser der Senke 6 ist dabei geringer gewählt als ein Durchmesser der ebenen Oberfläche des elektroakustischen Wandlers 3. Die Senke 6 wird somit vollständig von dem elektroakustischen Wandler 3 bedeckt. Aufgrund der Senke 6 ist die Membran 2 in einem Bereich, auf dem der Schwerpunkt SP2 des elektroakustischen Wandlers 3 angeordnet ist, also in dessen Zentrum, dünner als in einem Bereich, auf dem ein Randbereich des elektroakustischen Wandlers 3 auf der Membran 2 angeordnet ist. Der Randbereich des elektroakustischen Wandlers 3 ist ein äußerer Umfang des elektroakustischen Wandlers 3.
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Da die Membran 2 im Bereich des elektroakustischen Wandlers 3 die Senke 6 aufweist, die auf Seiten der Membran 2 gelegene Oberfläche des elektroakustischen Wandlers 3 jedoch eine ebene Oberfläche ist, ergibt sich, dass der elektroakustische Wandler 3 nur in seinem Randbereich auf der Membran 2 aufliegt und in dem Bereich um den Schwerpunkt SP2 des elektroakustischen Wandlers 3 einen Abstand zu der Membran 2 aufweist. Wird der elektroakustische Wandler 3 zu einer Schwingung angeregt, so kann dieser im Bereich seines Schwerpunktes SP2 frei schwingen, ohne mit der Membran 2 zu kollidieren.
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In weiteren Ausführungsformen der Erfindung, die nicht in den Figuren gezeigt sind, sind die Oberflächen 2a, 2b der Membran 2 asymmetrisch hinsichtlich einer Achsensymmetrie und/oder einer Punktsymmetrie. Ein Umfang der Membran 2 kann dabei beliebig gewählt werden, solange sich daraus eine asymmetrische Form der Membran ergibt. Beispielhaft seien hier Ausnehmungen an einem äußeren Umfang der Membran genannt, die in unregelmäßigen Abständen in die Membran 2 eingebracht sind. Auch die Form eines nicht gleichschenkligen Dreiecks für den Umfang der Membran 2 führt beispielhaft zu einer asymmetrischen Membran 2.
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Auch eine Oberfläche des elektroakustischen Wandlers 3, welche auf der Membran 2 aufliegt, kann asymmetrisch hinsichtlich einer Achsensymmetrie und/oder oder Punktsymmetrie gewählt sein. Auch hier kann eine beliebige Form für einen Umfang der Oberfläche des elektroakustischen Wandlers 3 gewählt werden. Beispielhaft seien hier Ausnehmungen an einem äußeren Umfang des elektroakustischen Wandlers 3 genannt, die in unregelmäßigen Abständen in den elektroakustischen Wandler 3 eingebracht sind. Auch die Form eines nicht gleichschenkligen Dreiecks für den Umfang des elektroakustischen Wandlers 3 führt beispielhaft zu einem asymmetrischen elektroakustischen Wandler 3.
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Auch ein Einbringen von Löchern, Strukturen, Erhöhungen oder Senken in eine Oberfläche der Membran 2 oder des elektroakustischen Wandlers 3 kann diese als asymmetrischen Elementen ausbilden.
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Durch eine derartige asymmetrische Oberfläche 2a der Membran 2 und/oder des elektroakustischen Wandlers 3 kann insbesondere eine Feinanpassung hinsichtlich einer Abstrahlcharakteristik des akustischen Sensors 1 erfolgen.
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Nebst oben stehender Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 bis 4 verwiesen.
