DE102019124989A1 - Transmission arrangement for the transmission of electrical energy with piezoelectric transducers - Google Patents
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Abstract
Eine Übertragungsanordnung (1) weist einen primären piezoelektrischen Wandler (2), einen sekundären piezoelektrischen Wandler (3) und eine Wand (4) zur Übertragung eines akustischen Signals zwischen den Wandlern (2, 3) auf, wobei wenigstens einer der Wandler (2, 3) abnehmbar an der Wand (4) befestigbar ist. Die Befestigung kann beispielsweise mechanisch oder magnetisch ausgebildet sein.A transmission arrangement (1) has a primary piezoelectric transducer (2), a secondary piezoelectric transducer (3) and a wall (4) for transmitting an acoustic signal between the transducers (2, 3), at least one of the transducers (2, 3) can be detachably attached to the wall (4). The attachment can for example be designed mechanically or magnetically.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Übertragungsanordnung zur Übertragung elektrischer Energie. Insbesondere wird elektrische Energie von einem piezoelektrischen Wandler über einen akustischen Kanal an einen weiteren piezoelektrischen Wandler übertragen und dort wieder in elektrische Energie umgewandelt. Das akustische Signal liegt insbesondere im Ultraschall-Frequenzbereich.The present invention relates to a transmission arrangement for transmitting electrical energy. In particular, electrical energy is transmitted from a piezoelectric transducer via an acoustic channel to a further piezoelectric transducer, where it is converted back into electrical energy. The acoustic signal is in particular in the ultrasonic frequency range.
Eine derartige Übertragungsanordnung ermöglicht es, Prozesse messtechnisch zu erfassen und Abläufe zu steuern, auch wenn diese in einer schwer zugänglichen Umgebung stattfinden, wie beispielsweise in einem abgeschlossenen Behälter oder anderweitigen Hohlraumstrukturen. Insbesondere kann elektrische Leistung in einen geschlossenen Hohlraum eingebracht bzw. verfügbar gemacht werden. Derartige Strukturen finden sich beispielsweise in der Industrie- und Verfahrenstechnik, wie z.B. der Öl- und Gas-Industrie, in Flugzeugen, Schiffen und Unterseebooten.Such a transmission arrangement makes it possible to record processes by measuring technology and to control processes, even if they take place in an environment that is difficult to access, such as in a closed container or other cavity structures. In particular, electrical power can be introduced or made available in a closed cavity. Such structures can be found, for example, in industrial and process engineering, such as the oil and gas industry, in aircraft, ships and submarines.
Die Übertragung elektrischer Energie in einen Hohlraum erfolgt oftmals über Kabeldurchführungen, bei denen Löcher in eine Wandung eines Hohlraums gebohrt werden. Die Einbringung von Löchern verletzt jedoch die strukturale Integrität der geschlossenen Behälter und macht oftmals eine Wartung erforderlich. Darüber hinaus können Gewicht und Größe der Durchführungen und Kabel stören. Weiterhin führen spezifische Betriebsbedingungen im Behälter, wie z.B. hohe Temperaturen und hoher Druck, bei Kabeldurchführungen zu einer hohen Ausfallquote.The transmission of electrical energy into a cavity often takes place via cable bushings in which holes are drilled into a wall of a cavity. However, the introduction of holes violates the structural integrity of the closed containers and often requires maintenance. In addition, the weight and size of the bushings and cables can interfere. Furthermore, specific operating conditions in the container, such as high temperatures and high pressure, lead to a high failure rate for cable penetrations.
Alternativ kann auch Energie im Hohlraum mittels einer Batterie gespeichert sein. Allerdings ist die eingebrachte Energiemenge begrenzt und muss für die Prozessdauer oder Lebenszeit der jeweiligen Vorrichtung ausgelegt sein. Zudem wirken sich bestimmte Betriebsbedingungen, wie hohe oder niedrige Temperatur, ungünstig auf die Lebensdauer der Batterie aus. Darüber hinaus können Gewicht und Größe der Batterie und erforderliche Wartungen ungünstig sein.Alternatively, energy can also be stored in the cavity by means of a battery. However, the amount of energy introduced is limited and must be designed for the duration of the process or the service life of the respective device. In addition, certain operating conditions, such as high or low temperatures, have an unfavorable effect on the service life of the battery. In addition, the weight and size of the battery and the maintenance required may be inconvenient.
Alternativ können auch thermoelektrische Elemente eingesetzt werden, die Temperaturunterschiede an den Innenwänden eines Behälters nutzen, um elektrische Leistung zu generieren. Dies setzt jedoch das Vorhandensein von Temperaturunterschieden voraus. Zudem können auch hier Gewicht und Größe der Elemente störend sein. Darüber hinaus ist die Effizienz der Energiegewinnung bei beispielsweise 5 % oftmals nicht ausreichend.Alternatively, thermoelectric elements can also be used that use temperature differences on the inner walls of a container to generate electrical power. However, this assumes the existence of temperature differences. In addition, the weight and size of the elements can also be a nuisance here. In addition, the efficiency of energy generation at, for example, 5% is often insufficient.
Auch radioaktive Substanzen können zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Leistung aus einer sich ergebenden Temperatur-Differenz eingesetzt werden. Allerdings ist die Handhabung derartiger Substanzen risikobehaftet.Radioactive substances can also be used to generate heat and electrical power from a resulting temperature difference. However, the handling of such substances is risky.
Bekannt sind Übertragungsanordnungen, bei denen Wandler zum Senden und Empfangen eines Signals bzw. Energie über einen akustischen Kanal eingesetzt werden. Bei den Wandlern handelt es sich beispielsweise um piezoelektrische Wandler. Der akustische Kanal ist beispielsweise eine metallische Wand eines Behälters.Transmission arrangements are known in which transducers are used for sending and receiving a signal or energy via an acoustic channel. The converters are, for example, piezoelectric converters. The acoustic channel is, for example, a metallic wall of a container.
Derartige Übertragungsanordnungen sind beispielsweise im Übersichtsartikel von
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Übertragungsanordnung aufweisend piezoelektrische Wandler anzugeben.It is an object of the present invention to specify an improved transmission arrangement having piezoelectric transducers.
Es wird eine Übertragungsanordnung angegeben, die einen primären piezoelektrischen Wandler, einen sekundären piezoelektrischen Wandler und ein Medium zur Übertragung eines akustischen Signals zwischen den Wandlern aufweist. Das Medium bildet insbesondere einen akustischen Kanal zur Übertragung des Signals. Das Medium ist zwischen den Wandlern angeordnet.A transmission arrangement is specified which has a primary piezoelectric transducer, a secondary piezoelectric transducer and a medium for transmitting an acoustic signal between the transducers. In particular, the medium forms an acoustic channel for transmitting the signal. The medium is arranged between the transducers.
Einer der Wandler kann dabei zur Umwandlung eines elektrischen Signals in ein akustisches Signal und der andere Wandler zur Umwandlung des akustischen Signals in ein elektrisches Signal dienen. Der Wandler, der das elektrische Signal in ein akustisches Signal umwandelt, kann als Sender und der Wandler, der das akustische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt, als Empfänger dienen. Beispielsweise handelt es sich beim primären piezoelektrischen Wandler um den Sender und beim sekundären piezoelektrischen Wandler um den Empfänger. Es ist auch möglich, dass der primäre piezoelektrische Wandler als Empfänger und der sekundäre piezoelektrische Wandler als Sender fungiert oder die Wandler gleichzeitig oder abwechselnd als Sender und Empfänger fungieren.One of the converters can be used to convert an electrical signal into an acoustic signal and the other converter can be used to convert the acoustic signal into an electrical signal. The converter, which converts the electrical signal into an acoustic signal, can serve as a transmitter and the converter, which converts the acoustic signal into an electrical signal, can serve as a receiver. For example, the primary piezoelectric transducer is the transmitter and the secondary piezoelectric transducer is the receiver. It is also possible that the primary piezoelectric transducer acts as a receiver and the secondary piezoelectric transducer acts as a transmitter, or that the transducers act simultaneously or alternately as transmitter and receiver.
Die Übertragungsanordnung ist insbesondere zur Übertragung von Energie bzw. Signalen im Nahbereich, d.h. über einen geringen Abstand, beispielsweise im Millimeterbereich, geeignet. Die Energie bzw. das Signal wird dabei ohne elektrischen Kontakt zwischen Sender und Empfänger übertragen.The transmission arrangement is particularly suitable for the transmission of energy or signals in the close range, i.e. over a short distance, for example in the millimeter range. The energy or the signal is transmitted between the transmitter and receiver without electrical contact.
Bei dem Medium kann es sich um eine Wand, beispielsweise um eine metallische Wand handeln. Die Wand bildet beispielsweise die Wandung eines geschlossenen Behälters oder einer anderen Hohlraumstruktur. Die Wand weist beispielsweise ein Metall auf oder besteht aus Metall. Die Wand kann insbesondere Aluminium aufweisen oder aus Aluminium bestehen. Die Wand kann auch nicht-metallisch ausgebildet sein. Die Wand kann elektrisch leitfähig oder elektrisch nicht-leitfähig ausgebildet sein.The medium can be a wall, for example a metallic wall. The wall forms, for example, the wall of a closed container or other cavity structure. The wall has a metal or is made of metal, for example. The wall can in particular comprise aluminum or consist of aluminum. The wall can also be made non-metallic. The wall can be designed to be electrically conductive or electrically non-conductive.
Beispielsweise sind der primäre piezoelektrische Wandler in einem Außenraum des Behälters und der sekundäre piezoelektrische Wandler in einem Innenraum des Behälters angeordnet. Es können aber auch der sekundäre Wandler im Außenraum und der primäre Wandler im Innenraum angeordnet sein. Es kann auch keiner der Wandler in einem abgeschlossenen Behälter angeordnet sein.For example, the primary piezoelectric transducer is arranged in an outer space of the container and the secondary piezoelectric transducer is arranged in an inner space of the container. However, the secondary transducer can also be arranged in the outside space and the primary transducer in the inside space. It is also possible for none of the transducers to be arranged in a closed container.
Das Medium kann bei bestimmten Aspekten der Erfindung auch als gasförmiges Medium, wie z.B. Luft, oder als flüssiges Medium ausgebildet sein.In certain aspects of the invention, the medium can also be configured as a gaseous medium, such as, for example, air, or as a liquid medium.
Die piezoelektrischen Wandler weisen beispielsweise jeweils einen Aufbau aus Elektrodenschichten und wenigstens einer dazwischen liegenden piezoelektrischen Schicht auf. Es kann nur eine einzige piezoelektrische Schicht vorhanden sein. Alternativ können auch mehrere piezoelektrische Schichten abwechselnd zu Elektrodenschichten vorhanden sein. Beispielsweise weist wenigstens einer der Wandler einen Vielschicht-Aufbau aus abwechselnd angeordneten Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten auf. Es kann sich bei den piezoelektrischen Schichten insbesondere um Keramikschichten handeln. Die Elektrodenschichten und piezoelektrischen Schichten können gemeinsam gesintert sein.The piezoelectric transducers each have, for example, a structure made up of electrode layers and at least one piezoelectric layer located in between. There can only be a single piezoelectric layer. Alternatively, a plurality of piezoelectric layers can also be present alternating with electrode layers. For example, at least one of the transducers has a multilayer structure made up of alternately arranged electrode layers and piezoelectric layers. The piezoelectric layers can in particular be ceramic layers. The electrode layers and piezoelectric layers can be sintered together.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Übertragungsanordnung eine Wand zur Übertragung eines akustischen Signals zwischen den Wandlern auf. Somit ist das Medium als Wand ausgebildet. Wenigstens einer der Wandler ist abnehmbar an der Wand befestigbar. Insbesondere ist der abnehmbare Wandler dazu ausgebildet, wiederholt abgenommen und wieder an der Wand befestigt zu werden. Beispielsweise ist der abnehmbare Wandler nicht an der Wand angeklebt.According to one aspect of the present invention, the transmission arrangement has a wall for transmitting an acoustic signal between the transducers. The medium is thus designed as a wall. At least one of the transducers can be detachably attached to the wall. In particular, the removable transducer is designed to be repeatedly removed and reattached to the wall. For example, the detachable transducer is not glued to the wall.
Es können beide Wandler abnehmbar an der Wand befestigbar sein. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn keiner der Wandler in einem abgeschlossenen Gehäuse angeordnet ist. Es können auch nur einer der Wandler zur abnehmbaren Befestigung und der andere Wandler zur nicht-abnehmbaren Befestigung ausgebildet sein. Beispielsweise ist der primäre Wandler abnehmbar befestigbar. Beispielsweise ist einer der Wandler in einem Außenraum angeordnet und abnehmbar befestigt, während der andere Wandler in einem Innenraum angeordnet und permanent befestigt ist.Both transducers can be removably attached to the wall. This is advantageous, for example, when none of the transducers is arranged in a closed housing. It is also possible for only one of the transducers to be designed for removable attachment and the other transducer for non-removable attachment. For example, the primary transducer is removably attachable. For example, one of the transducers is arranged and removably attached in an exterior space, while the other transducer is arranged in an interior space and permanently attached.
Gemäß einer Ausführungsform ist der abnehmbare Wandler magnetisch an der Wand befestigbar. Beispielsweise weist die Übertragungsanordnung eine Wandlereinheit auf, die einen der Wandler und einen Magneten aufweist und als Ganzes an der Wand befestigbar und abnehmbar ist. Beispielsweise ist ein Magnet permanent am abnehmbaren Wandler befestigt. Der Magnet kann an den Wandler angeklebt sein. Die Anordnung wird beispielsweise über die Magnetkraft zwischen dem Magneten und einer magnetischen Wand gehalten.According to one embodiment, the detachable transducer is magnetically attachable to the wall. For example, the transmission arrangement has a transducer unit which has one of the transducers and a magnet and can be attached and detached as a whole to the wall. For example, a magnet is permanently attached to the removable transducer. The magnet can be glued to the transducer. The arrangement is held between the magnet and a magnetic wall, for example by means of the magnetic force.
Es können auch beide Wandler magnetisch an der Wand befestigbar sein. Beispielsweise ist bei beiden Wandlern ein Magnet zwischen dem Wandler und der Wand angeordnet.Both transducers can also be magnetically fastened to the wall. For example, a magnet is arranged between the transducer and the wall in both transducers.
Der Magnet kann elektrisch leitfähig sein. Der Magnet kann zusätzlich zur Funktion der Befestigung des Wandlers an der Wand auch die Funktion eines Kontakts zur elektrischen Kontaktierung des Wandlers aufweisen.The magnet can be electrically conductive. In addition to the function of fastening the transducer to the wall, the magnet can also have the function of a contact for making electrical contact with the transducer.
In einer Ausführungsform weist die Übertragungsanordnung wenigstens eine Halterung zur abnehmbaren Befestigung wenigstens eines Wandlers an der Wand auf. Beispielsweise weist die Halterung und/oder der Wandler einen Rastmechanismus zur lösbaren Verrastung mit dem Wandler auf. Es handelt sich somit um eine mechanische Befestigung. Die Halterung ist beispielsweise permanent an der Wand befestigt.In one embodiment, the transmission arrangement has at least one holder for the removable attachment of at least one transducer to the wall. For example, the holder and / or the transducer has a latching mechanism for releasable latching with the transducer. It is therefore a mechanical fastening. For example, the bracket is permanently attached to the wall.
Beispielsweise weist die Halterung eine Unterseite auf, auf die der Wandler aufsetzbar ist, und Seitenteile, die den Wandler seitlich halten. Beispielsweise ist der Wandler von oben in die Halterung einschiebbar. Der Wandler kann auch senkrecht zur Wand hin in die Halterung einschiebbar sein. Wie bei einer magnetischen Halterung können beide Wandler oder nur einer der Wandler in Halterungen abnehmbar befestigbar sein. Es kann auch eine Kombination aus einer magnetischen und mechanischen Befestigung vorhanden sein.For example, the holder has an underside on which the transducer can be placed, and side parts that hold the transducer laterally. For example, the transducer can be pushed into the holder from above. The transducer can also be inserted into the holder perpendicular to the wall. As with a magnetic holder, both transducers or only one of the transducers can be removably attachable in holders. There can also be a combination of magnetic and mechanical fastening.
Die Halterung kann elektrisch leitfähig sein oder einen elektrisch leitfähigen Bereich bzw. ein elektrisch leitfähiges Element aufweisen. Die Halterung kann auch als Kontakt zur elektrischen Kontaktierung des Wandlers ausgebildet sein.The holder can be electrically conductive or have an electrically conductive area or an electrically conductive element. The holder can also be designed as a contact for making electrical contact with the transducer.
In einer Ausführungsform weist die Übertragungsanordnung eine Anpassungsschicht zur Anpassung von Phasenlagen und/oder zur Führung des akustischen Signals auf. Die Anpassungsschicht ist beispielsweise zwischen einem der Wandler und dem akustischen Medium, insbesondere der Wand, angeordnet. Es kann auch zwischen beiden Wandlern und der Wand jeweils eine Anpassungsschicht angeordnet sein. Die Anpassungsschicht kann auch mehrschichtig ausgebildet sein.In one embodiment, the transmission arrangement has an adaptation layer for adapting phase positions and / or for guiding the acoustic signal. The adaptation layer is arranged, for example, between one of the transducers and the acoustic medium, in particular the wall. There can also be an adaptation layer between the two transducers and the wall be arranged. The adaptation layer can also have a multilayer design.
Aufgrund der räumlichen Ausdehnung der Wandler können unterschiedliche Signalanteile des von einem Wandler ausgehenden akustischen Signals und/oder des von einem Wandler empfangenen akustischen Signal unterschiedliche Phasenlagen aufweisen. Die Anpassungsschicht kann derart ausgebildet sein, dass die Phasenlagen der Anteile an einem gewünschten Ort möglichst gleich sind, so dass eine destruktive Interferenz vermieden wird.Due to the spatial extent of the transducers, different signal components of the acoustic signal emanating from a transducer and / or the acoustic signal received by a transducer can have different phase positions. The adaptation layer can be designed in such a way that the phase positions of the components are as identical as possible at a desired location, so that destructive interference is avoided.
Die Anpassungsschicht kann alternativ oder zusätzlich dazu auch zur Führung, insbesondere zur Fokussierung, des Signals dienen. Beispielsweise kann es zu einer kegelförmigen Aufweitung des akustischen Signals von der primären Seite zur sekundären Seite kommen. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der akustische Kanal eine gewisse Länge, entsprechend einer Stärke der Wand, erreicht.As an alternative or in addition to this, the adaptation layer can also serve to guide, in particular to focus, the signal. For example, there can be a conical widening of the acoustic signal from the primary side to the secondary side. This can be the case in particular when the acoustic channel reaches a certain length, corresponding to the thickness of the wall.
Die Anpassungsschicht kann elektrisch leitfähig sein. Die Anpassungsschicht kann zusätzlich zur Funktion der Anpassung von Phasenlagen und/oder zur Führung des akustischen Signals auch die Funktion eines Kontakts zur elektrischen Kontaktierung des Wandlers aufweisen.The adaptation layer can be electrically conductive. In addition to the function of adapting phase positions and / or for guiding the acoustic signal, the adaptation layer can also have the function of a contact for making electrical contact with the transducer.
Beispielsweise weist die Anpassungsschicht eine homogene Dicke auf, insbesondere in einem Bereich direkt zwischen dem Wandler und der Wand. Alternativ kann die Anpassungsschicht eine inhomogene Dicke aufweisen, insbesondere dann, wenn die Wand uneben ausgebildet ist. Die Anpassungsschicht kann in diesem Fall unterschiedliche Laufzeiten aufgrund der Unebenheit kompensieren.For example, the adaptation layer has a homogeneous thickness, in particular in an area directly between the transducer and the wall. Alternatively, the adaptation layer can have an inhomogeneous thickness, in particular if the wall is uneven. In this case, the adaptation layer can compensate for different transit times due to the unevenness.
Die Anpassungsschicht kann eine strukturierte Oberfläche oder ein strukturiertes Volumen aufweisen. Beispielsweise können durch die Strukturierung gezielt Signalanteile, z.B. je nach Herkunft des Signals oder Frequenz, verstärkt, geschwächt oder umgelenkt werden. Die strukturierte Oberfläche ist dabei insbesondere bei einer von der Wand abgewandten Seite ausgebildet.The adaptation layer can have a structured surface or a structured volume. For example, through the structuring, signal components can be specifically amplified, weakened or deflected, e.g. depending on the origin of the signal or frequency. The structured surface is formed in particular on a side facing away from the wall.
Die Anpassungsschicht weist beispielsweise ein akustisches Meta-Material auf. Ein derartiges Meta-Material weist beispielsweise eine wabenartige Struktur auf. Beispielsweise ist das Meta-Material durch 3D-Druck hergestellt. Ein derartiges Meta-Material kann auch als Linse zur Fokussierung des Signals eingesetzt werden.The adaptation layer has, for example, an acoustic meta-material. Such a meta-material has a honeycomb-like structure, for example. For example, the meta-material is made by 3D printing. Such a meta-material can also be used as a lens to focus the signal.
In einer Ausführungsform ist die Anpassungsschicht als Klebeschicht ausgebildet. Beispielsweise ist die Klebeschicht gleichzeitig dazu ausgebildet, einen der Wandler an der Wand zu befestigen. Die Klebeschicht kann auch den Wandler an einem Magneten befestigen.In one embodiment, the adaptation layer is designed as an adhesive layer. For example, the adhesive layer is designed at the same time to attach one of the transducers to the wall. The adhesive layer can also attach the transducer to a magnet.
Die Anpassungsschicht kann auch zusätzlich zu einer Klebeschicht vorhanden sein. Die Anpassungsschicht kann beispielsweise mit dem Wandler verklebt sein. Die Anpassungsschicht kann auch anderweitig am Wandler befestigt sein, beispielsweise durch gemeinsame Sinterung mit den Schichten des Wandlers. Es kann auch nur eine Anpassungsschicht und keine Klebeschicht bei einem Wandler vorhanden sein.The adaptation layer can also be present in addition to an adhesive layer. The adaptation layer can be glued to the transducer, for example. The adaptation layer can also be attached to the transducer in some other way, for example by joint sintering with the layers of the transducer. It is also possible for a transducer to have only an adaptation layer and no adhesive layer.
In einer Ausführungsform kann die Anpassungsschicht gelartig ausgebildet sein. Beispielsweise handelt es sich um ein Ultraschall-Kontaktgel. Auf diese Weise kann die Kopplung vom Wandler zur Wand optimiert werden. Ein derartiges Gel kann beispielsweise gut bei einer mechanischen Halterung des Wandlers oder auch bei einer magnetischen Halterung verwendet werden. Das Gel ist hier beispielsweise nicht als Klebeschicht ausgebildet und kann den Wandler nicht an der Wand befestigten.In one embodiment, the adaptation layer can be designed in the manner of a gel. For example, it is an ultrasonic contact gel. In this way, the coupling from the converter to the wall can be optimized. Such a gel can, for example, be used well for mechanical mounting of the transducer or also for magnetic mounting. For example, the gel is not designed as an adhesive layer and cannot attach the transducer to the wall.
In einer Ausführungsform weist einer der Wandler eine größere Grundfläche auf als der andere Wandler. Beispielsweise weist der Wandler, der das Signal empfängt, eine größere Grundfläche auf als der Wandler, der das Signal aussendet. Der Empfänger ist beispielsweise der sekundäre Wandler. In diesem Fall kann auch bei einer Aufweitung des Signals bei der Übertragung durch das Medium, ein möglichst großer Anteil empfangen werden. Somit wird ein hoher elektrischer Leistungs-Wirkungsgrad, d.h. ein gutes Verhältnis der empfangenen elektrischen Leitung zur zugeführten elektrischen Leistung, erzielt.In one embodiment, one of the transducers has a larger footprint than the other transducer. For example, the transducer that receives the signal has a larger footprint than the transducer that transmits the signal. The receiver is, for example, the secondary converter. In this case, even if the signal is widened during transmission through the medium, the largest possible proportion can be received. A high electrical power efficiency, i.e. a good ratio of the received electrical line to the supplied electrical power, is thus achieved.
In einer Ausführungsform weist wenigstens einer der Wandler eine Geometrie auf, die zur Verringerung unerwünschter Schwingungsmoden ausgebildet ist. Derartige unerwünschte Schwingungsmoden nehmen Energie auf, leiten diese jedoch nicht zur sekundären Seite weiter und führen somit zu Leistungsverlusten. Durch Verringerung unerwünschter Schwingungsmoden wird die Übertragung der akustischen Welle, deren Ausbreitungsvektor normal zur Ebene des Wandlers und senkrecht durch die Wand verläuft, optimiert.In one embodiment, at least one of the transducers has a geometry which is designed to reduce undesired oscillation modes. Such undesired oscillation modes absorb energy, but do not pass it on to the secondary side and thus lead to power losses. By reducing undesired vibration modes, the transmission of the acoustic wave, the propagation vector of which runs normal to the plane of the transducer and perpendicular through the wall, is optimized.
Beispielsweise weist wenigstens einer der Wandler eine Grundfläche in Form eines Polygons auf, wobei das Polygon frei von zueinander parallelen Kanten ist. Durch parallele Kanten wird die Entstehung radial-extensionaler Moden begünstigt. Durch die Vermeidung paralleler Kanten können diese Schwingungsmoden reduziert werden. Beispielsweise weist der primäre Wandler eine derartige Grundfläche auf. Es kann alternativ oder zusätzlich auch der sekundäre Wandler eine derartige Grundfläche aufweisen. Zur weiteren Vermeidung von speziellen Resonanzmoden ist es vorteilhaft, wenn die Kanten auch unterschiedliche Längen aufweisen. Insbesondere weist die Grundfläche die Form eines Polygons auf, das frei von zueinander parallelen Kanten ist und/oder frei von Kanten gleicher Länge ist.For example, at least one of the transducers has a base in the form of a polygon, the polygon being free of mutually parallel edges. The creation of radial-extensional modes is favored by parallel edges. By avoiding parallel edges, these oscillation modes can be reduced. For example, the primary transducer has such a base area. As an alternative or in addition, the secondary converter can also have such a base area. To further avoid special resonance modes, it is advantageous if the edges also have different lengths. In particular, the base area has the shape of a polygon which is free of mutually parallel edges and / or is free of edges of the same length.
Beispielsweise weist wenigstens einer der Wandler unterschiedliche Dicken auf. Die Dicke ist hierbei insbesondere die Dicke des piezoelektrischen Materials. Die Dicke ist insbesondere die Ausdehnung des Wandlers senkrecht zum Medium bzw. einer Wand hin. Beispielsweise weist wenigstens einer der Wandler randseitig eine größere Dicke auf als in einem zentralen Bereich. Beispielsweise weist der Wandler umlaufend am Rand eine Erhebung auf. Auf diese Weise können Oberflächenwellen entlang der Oberfläche der Wand reduziert werden.For example, at least one of the transducers has different thicknesses. The thickness is in particular the thickness of the piezoelectric material. The thickness is in particular the extension of the transducer perpendicular to the medium or a wall. For example, at least one of the transducers has a greater thickness at the edge than in a central area. For example, the transducer has an elevation all around the edge. In this way, surface waves can be reduced along the surface of the wall.
Die Übertragungsanordnung kann weitere Bestandteile, wie beispielsweise eine Steuerelektronik aufweisen. Beispielsweise ist primärseitig eine Steuerelektronik zur Anpassung eines elektrischen Eingangssignals an eine Resonanzfrequenz des primären Wandlers und/oder der Übertragungsanordnung vorhanden. Die Steuerelektronik und weitere Bestandteile können mit dem zugeordneten Wandler in einer Einheit angeordnet sein. Beispielsweise sind die Bestandteile in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Im Fall eines abnehmbaren Wandlers kann beispielsweise die gesamte Einheit abgenommen und angebracht werden.The transmission arrangement can have further components, such as control electronics. For example, on the primary side there is control electronics for adapting an electrical input signal to a resonance frequency of the primary transducer and / or the transmission arrangement. The control electronics and other components can be arranged in one unit with the assigned converter. For example, the components are arranged in a common housing. For example, in the case of a detachable transducer, the entire unit can be detached and attached.
Es wird weiterhin eine Übertragungsanordnung angegeben, aufweisend einen primären piezoelektrischen Wandler, einen sekundären piezoelektrischen Wandler und eine Wand zur Übertragung eines akustischen Signals zwischen den Wandlern, wobei wenigstens einer der Wandler magnetisch oder mechanisch an der Wand befestigt ist. Die Übertragungsanordnung kann alle vorgehend beschriebenen Eigenschaften aufweisen.A transmission arrangement is also specified, comprising a primary piezoelectric transducer, a secondary piezoelectric transducer and a wall for transmitting an acoustic signal between the transducers, at least one of the transducers being magnetically or mechanically attached to the wall. The transmission arrangement can have all of the properties described above.
Auch der Wandler, der sich im Innenraum eines abgeschlossenen Behälters befindet, kann über einen Magneten oder eine mechanische Halterung an der Wand befestigt sein, auch wenn sich der Wandler mangels Zugänglichkeit von außen nicht von der Wand abnehmen lässt. Eine derartige Befestigung kann im Vergleich zu einer Klebebefestigung weniger temperaturempfindlich sein.The transducer, which is located in the interior of a closed container, can also be attached to the wall via a magnet or a mechanical holder, even if the transducer cannot be removed from the wall due to lack of accessibility from the outside. Such an attachment can be less temperature sensitive compared to an adhesive attachment.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Übertragungsanordnung angegeben, die einen primären piezoelektrischen Wandler, einen sekundären piezoelektrischen Wandler und ein Medium zur Übertragung eines akustischen Signals aufweist. Bei dem Medium kann es sich beispielsweise um eine Wand, insbesondere um eine feste Wand, oder um ein gasförmiges oder flüssiges Medium handeln. Die Übertragungsanordnung weist wenigstens eine Anpassungsschicht zur Anpassung der Phasenlagen und/oder zur Führung des akustischen Signals auf. Die Wandler, das Medium und die Anpassungsschicht können ansonsten wie vorgehend beschrieben ausgebildet sein. Im Unterschied zum ersten Aspekt der Erfindung können auch beide Wandler nicht-abnehmbar an einer Wand befestigt sein oder es kann ein anderes Medium als eine Wand vorhanden sein.According to a second aspect of the invention, a transmission arrangement is specified which has a primary piezoelectric transducer, a secondary piezoelectric transducer and a medium for transmitting an acoustic signal. The medium can be, for example, a wall, in particular a solid wall, or a gaseous or liquid medium. The transmission arrangement has at least one adaptation layer for adapting the phase positions and / or for guiding the acoustic signal. The transducers, the medium and the adaptation layer can otherwise be designed as described above. In contrast to the first aspect of the invention, both transducers can also be attached to a wall in a non-removable manner, or a medium other than a wall can be present.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Übertragungsanordnung angegeben, die einen primären piezoelektrischen Wandler, einen sekundären piezoelektrischen Wandler und ein Medium zur Übertragung eines akustischen Signals aufweist. Bei dem Medium kann es sich beispielsweise um eine Wand, insbesondere um eine feste Wand, oder um ein gasförmiges oder flüssiges Medium handeln. Wenigstens einer der Wandler weist eine Geometrie zur Verringerung unerwünschter Schwingungsmoden auf. Die Wandler, das Medium und die spezielle Geometrie können ansonsten wie vorgehend beschrieben ausgebildet sein. Beispielsweise weist der Wandler eine Grundfläche in Form eines Polygons auf, wobei das Polygon frei von zueinander parallelen Kanten ist oder der Wandler weist unterschiedliche Dicken auf. Im Unterschied zum ersten Aspekt der Erfindung können auch beide Wandler nicht-abnehmbar an einer Wand befestigt sein oder es kann ein anderes Medium als eine Wand vorhanden sein.According to a third aspect of the invention, a transmission arrangement is specified which has a primary piezoelectric transducer, a secondary piezoelectric transducer and a medium for transmitting an acoustic signal. The medium can be, for example, a wall, in particular a solid wall, or a gaseous or liquid medium. At least one of the transducers has a geometry for reducing undesired oscillation modes. The transducers, the medium and the special geometry can otherwise be designed as described above. For example, the transducer has a base in the form of a polygon, the polygon being free of mutually parallel edges, or the transducer has different thicknesses. In contrast to the first aspect of the invention, both transducers can also be attached to a wall in a non-removable manner, or a medium other than a wall can be present.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Wandler für eine Übertragungsanordnung zur Übertragung elektrischer Energie über einen akustischen Kanal angegeben, wobei der Wandler eine Geometrie zur Verringerung unerwünschter Schwingungsmoden aufweist. Der Wandler kann ansonsten wie einer der Wandler der vorgehend beschriebenen Übertragungsanordnung ausgebildet sein. Beispielsweise weist der Wandler eine Grundfläche in Form eines Polygons auf, wobei das Polygon frei von zueinander parallelen Kanten ist oder der Wandler weist unterschiedliche Dicken auf. Im Unterschied zum dritten Aspekt der Erfindung muss der Wandler nicht Teil einer Übertragungsanordnung sein, sondern muss lediglich dafür geeignet sein.According to a fourth aspect of the invention, a transducer for a transmission arrangement for transmitting electrical energy via an acoustic channel is specified, the transducer having a geometry for reducing undesired oscillation modes. The converter can otherwise be designed like one of the converters of the transmission arrangement described above. For example, the transducer has a base in the form of a polygon, the polygon being free of mutually parallel edges, or the transducer has different thicknesses. In contrast to the third aspect of the invention, the converter does not have to be part of a transmission arrangement, but only has to be suitable for it.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird eine Übertragungsanordnung angegeben, die einen primären piezoelektrischen Wandler, einen sekundären piezoelektrischen Wandler und ein Medium zur Übertragung des akustischen Signals aufweist. Bei dem Medium kann es sich beispielsweise um eine Wand, insbesondere um eine feste Wand, oder um ein gasförmiges oder flüssiges Medium handeln. Der sekundäre Wandler weist eine größere Grundfläche auf als der primäre Wandler. Die Wandler, das Medium und die Grundfläche können ansonsten wie vorgehend beschrieben ausgebildet sein. Im Unterschied zum ersten Aspekt der Erfindung können auch beide Wandler nicht-abnehmbar an einer Wand befestigt sein oder es kann ein anderes Medium als eine Wand vorhanden sein.According to a fifth aspect of the invention, a transmission arrangement is specified which has a primary piezoelectric transducer, a secondary piezoelectric transducer and a medium for transmitting the acoustic signal. The medium can be, for example, a wall, in particular a solid wall, or a gaseous or liquid medium. The secondary transducer has a larger footprint than the primary transducer. The transducers, the medium and the base area can otherwise be designed as described above. In contrast to the first aspect of the invention, can also both transducers can be attached to a wall in a non-removable manner, or a medium other than a wall can be present.
In der vorliegenden Offenbarung sind mehrere Aspekte einer Erfindung beschrieben. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf eine der Übertragungsanordnungen, einen der Wandler oder ein Verfahren offenbart sind, sind auch entsprechend in Bezug auf den anderen Aspekt offenbart, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext der anderen Aspekte erwähnt wird.Several aspects of an invention are described in the present disclosure. All properties that are disclosed in relation to one of the transmission arrangements, one of the transducers or a method are also disclosed correspondingly in relation to the other aspect, even if the respective property is not explicitly mentioned in the context of the other aspects.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden.The description of the subjects specified here is not restricted to the individual specific embodiments. Rather, the features of the individual embodiments can be combined with one another, insofar as it is technically reasonable.
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert.In the following, the subjects described here are explained in more detail using schematic exemplary embodiments.
Es zeigen:
-
1 eine Übertragungsanordnung in schematischer Ansicht, -
2 ein Diagramm zur Transmission in Abhängigkeit von der Frequenz, -
3 eine Ausführungsform einer Übertragungsanordnung in einer Schnittansicht, -
4 eine weitere Ausführungsform einer Übertragungsanordnung in einer Schnittansicht, -
5 eine weitere Ausführungsform einer Übertragungsanordnung in einer Schnittansicht, -
6 eine Ausführungsform eines Wandlers in Aufsicht auf eine Seitenfläche, -
7 eine Ausführungsform eines Wandlers im Querschnitt, -
8 eine weitere Ausführungsform einer Übertragungsanordnung in schematischer Ansicht, -
9 eine weitere Ausführungsform einer Übertragungsanordnung in schematischer Ansicht.
-
1 a transmission arrangement in a schematic view, -
2 a diagram of the transmission as a function of the frequency, -
3 an embodiment of a transmission arrangement in a sectional view, -
4th a further embodiment of a transmission arrangement in a sectional view, -
5 a further embodiment of a transmission arrangement in a sectional view, -
6th an embodiment of a transducer in a plan view of a side surface, -
7th an embodiment of a transducer in cross section, -
8th a further embodiment of a transmission arrangement in a schematic view, -
9 a further embodiment of a transmission arrangement in a schematic view.
Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche Bezugszeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Ausführungsformen.In the following figures, the same reference symbols preferably refer to functionally or structurally corresponding parts of the various embodiments.
Die Übertragungsanordnung
Zwischen den piezoelektrischen Wandlern
Beispielsweise bildet die Wand
Der primäre Wandler
Die Wandler
Beispielsweise ist die akustische Wellenlänge im Bereich von 100 µm. Beispielsweise weisen die Wandler jeweils einen Durchmesser
Die Wandler
Das Diagramm veranschaulicht die Abhängigkeit der Filtercharakteristika von den Dicken
Insgesamt führt eine Verringerung der Dicke der Anordnung, insbesondere der Wandler
Andererseits beeinflusst die Dicke der piezoelektrischen Wandler
So ergibt sich, abhängig von der Dicke der Wandler
Insgesamt kann eine effiziente Übertragung elektrischer Leistung durch den akustischen Kanal (Wand) erreicht werden, wenn die Übertragungsanordnung
Besonders günstig ist es dabei, wenn der primäre Wandler
Die Klebeschichten
Die Klebeschichten
Der primäre Wandler
Aufgrund der räumlichen Ausdehnung des Wandlers
Allgemein kann im Fall einer konstanten akustischen Laufzeit der Signalanteile eine konstante Schichtdicke der Klebeschicht
Die Klebeschicht
Aufgrund der größeren Grundfläche kann auch bei einer Aufweitung des Signals
Es kann auch einer der Wandler
Die Grundfläche
Die Grundfläche
Auf diese Weise können unerwünschte radial-extensionale Moden vermieden werden. Radial-extensionale Moden halten einen Teil der primärseitig zugeführten Energie innerhalb der Wandler und führen zu Verlusten. Weiterhin können durch die radialextensionalen Moden störende Resonanzstellen im Frequenzbereich erzeugt werden.In this way, undesired radial-extension modes can be avoided. Radial-extensional modes keep part of the energy supplied on the primary side within the converter and lead to losses. Furthermore, the radial extensional modes can generate disruptive resonance points in the frequency range.
Zusätzlich können alle Kanten
Die der Wand
Durch eine derart gestufte Ausbildung können akustische Wellen an der Oberfläche der Wand minimiert werden. Diese Oberflächenwellen führen ebenfalls zu Verlusten in der Übertragungsanordnung.Such a stepped design can minimize acoustic waves on the surface of the wall. These surface waves also lead to losses in the transmission arrangement.
Die Wandler
Die Elemente können primärseitig und/oder sekundärseitig jeweils in einer gemeinsamen Wandlereinheit
Auf der Primärseite
Beispielsweise wird das Eingangssignal automatisch nachgeregelt, in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, wie z.B. Temperatur, oder zum Ausgleich von Toleranzen in der Fertigung und Montage, so dass das Eingangssignal an eine geänderte mechanisch-akustische Resonanzfrequenz angepasst wird.For example, the input signal is automatically readjusted depending on ambient conditions, such as temperature, or to compensate for tolerances in production and assembly, so that the input signal is adapted to a changed mechanical-acoustic resonance frequency.
Zwischen dem primären Wandler
Die primärseitigen Elemente wie primäre Steuerelektronik
An der Sekundärseite
Zudem weist die Sekundärseite
Die sekundärseitigen Elemente wie sekundäre Steuerelektronik
Die Wandler
Somit weist eine primäre Wandlereinheit
Zwischen den Magneten
Es ist auch möglich, nur einen der Wandler
Die Magnete
Der primäre Wandler
Die Halterung
Die Halterung
Die Halterung
Die im Zusammenhang mit den
Darüber hinaus kann bei den in den
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- ÜbertragungsanordnungTransfer arrangement
- 22
- primärer Wandlerprimary converter
- 33
- sekundärer Wandlersecondary converter
- 44th
- Wandwall
- 5, 65, 6
- KlebeschichtAdhesive layer
- 7, 87, 8
- weitere Klebeschichtfurther adhesive layer
- 9, 109, 10
- AnpassungsschichtAdaptation layer
- 1111
- AußenseiteOutside
- 1212th
- Vertiefungdeepening
- 1313th
- ErhebungElevation
- 1414th
- PrimärseitePrimary side
- 1515th
- SekundärseiteSecondary side
- 1616
- primäre Steuerelektronikprimary control electronics
- 1717th
- primäre Impedanz-Anpassungprimary impedance matching
- 1818th
- primäres Gehäuseprimary housing
- 1919th
- sekundäre Impedanz-Anpassungsecondary impedance matching
- 2020th
- sekundäre Steuerelektroniksecondary control electronics
- 2121
- sekundäres Gehäusesecondary housing
- 2222nd
- primärer Magnetprimary magnet
- 2323
- sekundärer Magnetsecondary magnet
- 2424
- primäre Wandlereinheitprimary converter unit
- 2525th
- sekundäre Wandlereinheitsecondary converter unit
- 2626th
- Halterungbracket
- 2727
- RastvorrichtungLocking device
- 2828
- KanteEdge
- 2929
- KontaktContact
- 3030th
- KontaktContact
- 3131
- KontaktContact
- 3232
- KontaktContact
- SS.
- SignalaufweitungSignal expansion
- t_pt_p
- Dicke primärer WandlerThick primary transducers
- t st s
- Dicke sekundärer WandlerSecondary transducer thickness
- t_1t_1
- erste Dickefirst thickness
- t_2t_2
- zweite Dickesecond thickness
- t_Wt_W
- Dicke WandThick wall
- d_pd_p
- Durchmesser primärer WandlerPrimary transducer diameter
- d_sd_s
- Durchmesser sekundärer WandlerSecondary Transducer Diameter
- ΔfΔf
- Abstand zwischen FrequenzspitzenDistance between frequency peaks
- TT
- Transmissiontransmission
- FF.
- Fouriertransformation der ImpulsantwortFourier transform of the impulse response
- ff
- Frequenzfrequency
- V_inV_in
- V_outV_out
- AA.
- GrundflächeFloor space
- QuerschnittsflächeCross sectional area
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
-
Ding-Xin Yang, Zheng Hu, Hong Zhao, Hai-Feng Hu, Yun-Zhe Sun and Bao-Jian Hou: „Through-Metal-Wall Power Delivery and Data Transmission for Enclosed Sensors: A Review“ in Sensors 2015, 15, 31581-31605 [0008]Ding-Xin Yang, Zheng Hu, Hong Zhao, Hai-Feng Hu, Yun-Zhe Sun and Bao-Jian Hou: "Through-Metal-Wall Power Delivery and Data Transmission for Enclosed Sensors: A Review" in
Sensors 2015, 15, 31581-31605 [0008]
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