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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Resonatoranordnung zum Erfassen von Schallwellen.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Es ist bekannt Körperschall und Luftschall, Akustische Emission (AE) und Ultraschall mit breitbandigen Sensoren zu messen. Die Signale der Sensoren werden z.B. als Strom oder Spannung übertragen, Aliasing gefiltert, digitalisiert (ADgewandelt) und einer Analyse zugeführt. Für Analysen im Frequenzbereich ist diesem Ansatz eine Fouriertransformation oder dergleichen erforderlich.
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Dabei muss für die gesamte Signalkette mehr als die Bandbreite der relevanten Signale bereitgestellt werden. Wegen des Abtast-Theorems sogar mindestens die doppelte Bandbreite, oft sogar die 2,5 bis 15-fache Bandbreite.
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Andere bekannte Lösungen benutzen Tiefpassfilter, Bandpass-Filterbänke oder Effektivwert Schaltungen, um die Bandbreite und den Aufwand der Erfassung von Schalldaten zu beschränken.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die apparative Komplexität einer Anordnung zum Erfassen von Schall, insbesondere von Körperschall oder Ultraschall, zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Resonatoranordnung zum Erfassen von Schallwellen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine Resonatoranordnung zum Erfassen von Schallwellen Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- - eine Resonatoranordnung zum Erfassen von Schallwellen mit einer Vielzahl an Resonatoren, welche jeweils mit wenigstens einer Eigenfrequenz schwingen und mit wenigstens einem Sensor zum Messen von Amplituden, insbesondere von zeitlich gemittelten Amplituden, der Resonatoren, wobei die Resonatoranordnung eingerichtet ist, Schallwellen mittels einer Vielzahl von Messungen von Amplituden zu erfassen, wobei die Schallwellen eine größere Bandbreite aufweisen als jeweils ein von einem Resonator erfassbares Signal; sowie
- - eine Resonatoranordnung zum Erfassen von Schallwellen mit einem Resonator, welcher mit einer Vielzahl von Eigenfrequenzen schwingt und mit wenigstens einem Sensor zum Messen einer Amplitude, insbesondere einer zeitlich gemittelten Amplitude, des Resonators, wobei die Resonatoranordnung eingerichtet ist, Schallwellen mittels einer Vielzahl von Messungen von Resonatoramplituden zu erfassen, wobei die Schallwellen eine größere Bandbreite aufweisen als jeweils eine Eigenfrequenz.
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Ein Resonator ist ein schwingfähiges System, dessen Komponenten auf eine oder mehrere bestimmte Frequenzen (Eigenfrequenzen) in der Art abgestimmt sind, dass der Resonator bei breitbandiger Anregung vorwiegend mit diesen Frequenzen schwingt.
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Schall bezeichnet mechanische Schwingungen in einem elastischen Medium Diese Schwingungen pflanzen sich in Form von Schallwellen als Druck- und Dichteschwankungen fort. Ultraschallwellen, Körperschallwellen Luftschallwellen und andere akustische Emissionen sind Schallwellen.
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Die Eigenfrequenz eines schwingfähigen Systems ist eine Frequenz, mit der das System nach einmaliger Anregung als Eigenform schwingen kann. Wenn ein solches System von außen mit Schwingungen beaufschlagt wird, deren Frequenz mit der Eigenfrequenz übereinstimmt, reagiert das System mit besonders großen Amplituden, was man als Resonanz bezeichnet.
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Die Bandbreite ist eine Kenngröße in der Signalverarbeitung, die die Breite des Intervalls in einem Frequenzspektrum festlegt, in dem Frequenzanteile eines zu übertragenden oder zu speichernden Signals liegen. Die Bandbreite ist durch eine untere und eine obere Grenzfrequenz charakterisiert.
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Eine relative Phasenlage zweier Schallwellen gibt an, in wie fern zwei Schallwellen zueinander phasenverschoben sind. Ein Phasendetektor oder Phasenvergleicher ist eine Schaltung, die die Phasen einer Schwingung mit einer in der Phase definierten Referenzschwingung vergleicht und im Falle einer Phasenmodulation die Phasendifferenz als Signal ausgibt.
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Die Wellenfront ist bei Wellenausbreitung in einem Medium eine Fläche, auf der alle Punkte die gleiche Laufzeit zu einem Sender, z. B. einer Schallquelle, besitzen.
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Ein Mikrosystem (MEMS) ist ein miniaturisiertes Gerät, eine Baugruppe oder ein Bauteil, dessen Komponenten kleinste Abmessungen im Bereich von Mikrometern haben und als System zusammenwirken. Ein Mikrosystem kann einen oder mehrere Sensoren, Aktoren und eine Steuerungselektronik auf einem Substrat umfassen.
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Ein System mit veränderlichen Eigenfrequenzen wird auch als stimmbar bezeichnet.
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Die (Schall)kopplung zwischen zwei Medien beschreibt die Fähigkeit von Schall, sich von einem Medium auf ein anders Medium auszubreiten.
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Ein Biegeschwinger ist ein zu harmonischen Schwingungen fähiges FederMasse-System, das beispielsweise einen Stab aufweist. Entlang des Biegeschwingers bestimmen die Größen Biegemoment und Masse die Eigenfrequenz des Biegeschwingers. Biegeschwinger können einseitig eingespannt oder frei bzw. in den Schwingungsknoten ihrer Grundfrequenz aufgehängt sein.
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Die grundlegende Idee der Erfindung ist es, anstatt einem breitbandigen Sensor eine Vielzahl an schmalbandigen Resonatoren zu verwenden.
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Alternativ ist es auch die grundlegende Idee der Erfindung, anstatt einem breitbandigen Sensor einen Resonator, welcher mit einer Vielzahl von Eigenfrequenzen schwingt, zu verwenden.
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Die Amplituden der Vielzahl an Resonatoren bzw. die Vielzahl der Amplituden des Resonators werden mittels eines Sensors erfasst.
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Somit lässt sich aus einem breitbandigen Schallsignal eine Vielzahl schmalbandiger Frequenzanteile erfassen. Somit ist es auch nicht erforderlich die Bandbreite des Schallsignals durch einen Sensor über die gesamte Signalverarbeitungskette abzubilden, sondern es ist möglich, das breitbandige Schallsignal bereits zu Beginn der Signalverarbeitungskette in schmalbandige Signalanteile mittels der Vielzahl an Resonatoren/des Resonators zu unterteilen
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Der Resonator bzw. die Resonatoren können als Hohlraumresonatoren, als Biegeschwinger oder als Festkörper ausgebildet sein. Hohlraumresonatoren können mit Gasen oder mit Flüssigkeiten gefüllt sein.
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Der Sensor kann die Amplitude beispielsweise mit piezoelektrischen, mit piezoresistiven und/oder mit induktiven Mitteln messen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Resonatoranordnung einen Phasendetektor auf, der eingerichtet ist, eine relative Phasenlage wenigstens zweier Schallwellen zu erfassen. Die Phasenlage zweier oder mehrerer Schallsignale erlaubt Rückschlüsse auf die Ursprungsrichtung bzw. Ausbreitungsrichtung des Schalls sowie die Ursprungsrichtung bzw. Ausbreitungsrichtung zweier oder mehrerer Schallsignale in Bezug zueinander zu setzen. Der Phasendetektor kann beispielsweise als Quadratur-Encoder ausgebildet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Resonatoranordnung eingerichtet, eine erste Schallwellenfront, insbesondere mittels einer Schwellwertdetektion, also eine Erfassung, ob eine Amplitude einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, zu erfassen. Dies ermöglicht es, das menschliche Hören mittels einer elektronischen Sensorik authentisch nachzubilden. Zudem lassen sich somit Einzelereignisse detektieren. Somit lassen sich besonders bei Schallreflexionen die Ausbreitungsrichtung bzw. die Ursprungsrichtung eines Schallsignals noch bestimmen. Kommt es zu Reflexionen eines Schallsignals breiten sich die reflektierten Signale in der Regel mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen aus. Dementsprechend ist es vorteilhaft, lediglich die Ausbreitungsrichtung einer ersten Wellenfront zu erfassen.
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Dementsprechend ist es auch vorteilhaft, eine Ausbreitungsrichtung der Schallwellen zu erfassen. Die Erfassung einer Ausbreitungsrichtung mittels einer Schwellwertdetektion ist aufgrund ihrer Einfachheit besonders vorteilhaft. Dies insbesondere vor dem Hintergrund, dass sich die Ausbreitungsrichtung von Signalanteilen eines Schallpegels erfassen lässt. Diesbezüglich sieht der Stand der Technik oft eine deutlich aufwändigere Fourier-Transformation des Signals vor.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung überlappen sich die Eigenfrequenzen der Resonatoren bzw. die Vielzahl der Eigenfrequenzen des Resonators. Somit lässt sich ein Frequenzbereich ohne Unterbrechungen, also dicht, abdecken. Somit lässt sich Schall mit der gleichen Genauigkeit wie mit einem breitbandigen Sensor in Verbindung mit einer Fourier Transformation erfassen. Dementsprechend lässt sich ein Erfassungsergebnis von gleicher Güte mit deutlich einfacheren Sensoren erreichen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind Eigenfrequenzen Eigenfrequenzintervalle, die eine Frequenzbreite aufweisen, wobei die Eigenfrequenz breiten logarithmisch anwachsen. Dementsprechend kann es auch vorteilhaft sein, die Resonatoren bzw. die Eigenfrequenzen auf einen Frequenzbereich logarithmisch zu verteilen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Eigenfrequenzen Eigenfrequenzintervalle sind, die eine konstante oder linear anwachsende Frequenzbreite aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Wachstumsverhalten der Frequenzbreiten anwendungsbezogen gewählt wird. Somit lassen sich bestimmte Phänomene detailgetreu und mit reduziertem Aufwand erfassen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Vielzahl der Resonatoren bzw. der Resonator als Mikrosystem (MEMS) ausgebildet. Mikrosysteme bieten gegenüber konventionellen „Makrosystemen“ vor allem Vorteile in der Kostenersparnis aufgrund von geringerem Werkstoffverbrauch und der Option der Parallel-Fertigung sowie in der Effizienz aufgrund von geringerem Energie- und Leistungsbedarf. Hierbei kommt es auch zu kürzeren Informationswegen. Dies führt zu kürzeren Reaktionszeiten. Aufgrund der geringen Größe lassen sich Mikrosysteme auch besser gegenüber elektrischen Störsignalen (EMV) abschirmen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Eigenfrequenzen der Vielzahl an Resonatoren bzw. des Resonators äquidistant, logarithmisch, exponentiell, quadratisch oder unregelmäßig verteilt. Beispielsweise ist eine logarithmische Verteilung besonders für die Nachbildung einer sogenannten Wavelet-Transformation vorteilhaft.
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Es versteht sich, dass eine Resonatoranordnung, die sowohl eine Vielzahl an Resonatoren entsprechend dem Anspruch 1, im Folgenden als Resonatorbank bezeichnet, als auch einen weiteren Resonator, der mit einer Vielzahl von Eigenfrequenzen schwingt, entsprechend dem Anspruch 2, im Folgenden als Resonatorsystem bezeichnet, vorteilhaft ist. Somit lassen sich die Vorteile der beiden Ausführungsformen der Erfindung kombinieren. Beispielsweise ist es vorteilhaft, eine Resonatorbank derart auszulegen, dass diese mit ihrer Umgebung schwach verkoppelt ist. Demgegenüber ist es vorteilhaft, ein Resonatorsystem derart auszulegen, dass dieses mit seiner Umgebung stark verkoppelt ist. Dementsprechend kann eine Kombination aus einer Resonatorbank und einem Resonatorsystem vorteilhaft sein, wenn sich unterschiedliche Kopplungen mit der Umgebung ergeben.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Resonatoranordnung stimmbar, d. h. die Eigenfrequenzen der Vielzahl an Resonatoren bzw. des Resonators sind veränderlich. Dies lässt sich beispielsweise bewerkstelligen, indem ein Volumen eines Hohlraumresonators verändert wird, verschließbare Öffnungen in einem Hohlraumresonator vorgesehen sind oder die wirksame Länge eines Biegeschwingers verändert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Vielzahl an Resonatoren unterschiedlich stark mit einer Umgebung der Resonatoranordnung verkoppelt bzw. der Resonator ist für verschiedene Frequenzen unterschiedlich mit einer Umgebung der Resonatoranordnung verkoppelt. Somit lässt sich eine Resonatoranordnung hinsichtlich verschiedener Aspekte von verschiedenen Anwendungsszenarien auslegen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1 eine schematische Prinzipskizze einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Prinzipskizze einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine schematische Prinzipskizze einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4 eine schematische Prinzipskizze einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche, funktionsgleiche und gleichwirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nicht anders ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt eine schematische Prinzipskizze einer Resonatoranordnung 10, die in 1 als Resonatorbank ausgebildet ist. Die Resonatoranordnung 10 umfasst eine Vielzahl an Resonatoren 12, die radial angeordnet sind. Die Resonatoren 12 sind als Biegeschwinger ausgebildet und mit einem Sensor 14 zum Messen der Amplituden der Resonatoren 12 verbunden.
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2 zeigt eine Resonatoranordnung 20 ähnlich zu 1. Im Gegensatz zu 1 sind die Resonatoren 12 in 2 nicht radial, sondern linear angeordnet.
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Bei der Resonatoranordnung 10 bzw. 20, die als Resonatorbank ausgebildet ist, ergibt die Signalantwort des Sensors 14 direkt die Amplitude der jeweiligen Frequenz.
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3 zeigt eine Resonatoranordnung 30, die in 3 als Resonatorsystem ausgebildet ist.
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4 zeigt eine Resonatoranordnung 40, die in 4 als Resonatorsystem ausgebildet ist. Die Resonatoranordnung 40 umfasst einen Resonator 42, der als schwingende Platte ausgebildet ist, sowie mehrere Sensoren 44 zum Messen der Amplitude. Die Sensoren 44 sind auf der schwingenden Platte an verschiedenen Orten verteilt und sind eingerichtet, die Frequenzen der schwingenden Platte an unterschiedlichen Orten zu messen. Zudem umfasst die Resonatoranordnung 40 eine Auswerteeinheit 46, die ein Signal der Sensoren 44 empfängt und auswertet. Als Ergebnis gibt die Auswerteeinheit 46 eine oder mehrere gemessene Frequenzen aus.
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Bei der Resonatoranordnung 30 bzw. 40, die als Resonatorsystem ausgebildet ist, enthält die Signalantwort des Sensors bzw. der Sensoren 32 bzw. 42 eine Überlagerung der entsprechenden Eigenfrequenzen. Dementsprechend ist die Amplitude einer Eigenfrequenzschwingung aus dem Verhältnis der Amplituden aller Eigenfrequenzschwingungen zu ermitteln. Dies kann durch das Lösen eines linearen Gleichungssystems bewerkstelligt werden. Dies lässt sich digital oder durch ein elektrisches Netzwerk lösen.
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Bezugszeichen
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- 10
- Resonatoranordnung
- 12
- Resonator
- 14
- Sensor
- 20
- Resonatoranordnung
- 30
- Resonatoranordnung
- 32
- Resonator
- 34
- Sensor
- 40
- Resonatoranordnung
- 42
- Resonator
- 44
- Sensor
- 46
- Auswerteeinheit
