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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Detektieren von Luftschall für automobile Anwendungen, bei denen Luftströmungen zwischen der Vorrichtung und einer Schallquelle des Luftschalls vorhanden sind. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein automatisiert betreibbares Straßenfahrzeug umfassend eine derartige Vorrichtung.
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Die
US 2005 / 0220448 A1 und die
US 2012 / 0195451 A1 offenbaren jeweils eine Digitalkamera umfassend einen Akustiksensor mit einer wasserdichten Abdeckung. Die
DE 212015000188 U1 offenbart eine flüssigkeitsdichte akustische Vorrichtung im Umfang einer Tablet-Rechenvorrichtung, einer Desktop-Rechenvorrichtung, einer Laptop-Rechenvorrichtung, einer mobilen Rechenvorrichtung, einer am Körper tragbaren Rechenvorrichtung, eines Mobiltelefons, eines Smartphones und eines Abspielgerätes für digitale Medien. Die
JP 2004-312156 A offenbart eine Entwässerungsvorrichtung für eine akustische Öffnung. Die
DE 102016116424 A1 offenbart eine Mikrofoneinheit für eine Actionkamera mit einer Mikrofonkapsel. Weiterer Stand der Technik ist in
US 2014 / 0185853 A1 ,
JP 2011-035239 A , US 2013 / 0223656 A1 und
DE 102014223881 A1 offenbart.
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Aus dem Stand der Technik sind Akustiksensoren zur Detektion von externen Geräuschen außerhalb von Fahrzeugen bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2016 006 802 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung zumindest eines von einem Einsatzfahrzeug ausgehenden Sondersignals.
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Eine Herausforderung bei der Entwicklung derartiger Akustiksensoren ist der Schutz gegen Umgebungsbedingungen, beispielsweise gegen externe Einflüsse wie zum Beispiel Regenwasser, und gegen Strömungsbedingungen, die beispielsweise durch Wind, zum Beispiel Fahrtwind, verursacht werden. Dieser Schutz sollte aber zeitgleich eine möglichst minimale Dämpfung des externen akustischen Signals aufweisen. Die Umgebungsbedingungen ergeben sich zum einen aus dem Einsatz Akustiksensoren in automobilen Anwendungen, zum Beispiel im Straßenverkehr. Zum anderen ergeben sich die Umgebungsbedingungen durch Installationsorte der Akustiksensoren, die sich an bewegten und/oder ruhenden, dem Wetter ausgesetzten, sogenannten open air Objekten, beispielsweise an Fahrzeugen, befinden. So sind beispielsweise Wasser, Strahlwasser, Schlammwasser, Schnee, Eis, Staub, Salze, beispielsweise Streusalze, hohe und/oder niedrige Umgebungstemperaturen, hohe oder niedrige Luftfeuchtigkeit und/oder höhere relative Luftanströmungen, die beispielsweise während einer Fahrt mit einem Fahrzeug vorhanden sind, Einwirkungen, unter denen der Akustiksensor zu funktionieren hat.
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Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, Luftschallerfassung und die Wandlung des Luftschalls in prozessierbare Signale unter schwierigen Umwelt- und Strömungsbedingungen zu ermöglichen.
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Die nachfolgenden Definitionen und weiteren Ausführungen gelten für den gesamten Gegenstand der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung detektiert Luftschall für automobile Anwendungen, bei denen Luftströmungen zwischen der Vorrichtung und einer Schallquelle des Luftschalls vorhanden sind. Die Vorrichtung löst die Aufgabe durch Systemeigenschaft aus der gezielten Abstimmung einzelner Komponenten der Vorrichtung aufeinander. Die Vorrichtung umfasst als Komponenten einen Akustiksensor. Ferner umfasst die Vorrichtung ein Schutzgitter zum Absichern der Vorrichtung gegen Eindringen von gröberen Fremdkörpern. Das Schutzgitter umfasst Öffnungen für einen Einlass des Luftschalls in die Vorrichtung. Die Öffnungen sind axial versetzt zu einer Axialachse der Vorrichtung angeordnet. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine akustisch permeable, hydrophobe und/oder lipophobe erste Membran. Die erste Membran ist in Luftströmungsrichtung hinter dem Schutzgitter angeordnet. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung einen Strömungsbypass. Der Strömungsbypass verläuft zwischen dem Schutzgitter und der ersten Membran. Der Strömungsbypass leitet durch die Luftströmung in die Vorrichtung eingetretene Fluide und/oder Fremdkörper von der ersten Membran weg aus der Vorrichtung heraus. Ausgangsöffnungen des Strömungsbypasses sind in eine andere Richtung als eine Schalleintrittsrichtung angeordnet. Die Vorrichtung umfasst auch einen parallel zur Axialachse angeordneten Schallkanal, an dessen einen in Luftströmungsrichtung ersten Ende die erste Membran angeordnet ist und an dessen zweitem Ende der Akustiksensor angeordnet ist. Der Schallkanal ist durch die erste Membran gegen Einwirken von Feuchtigkeit und Fremdkörpern geschützt. Durchmesser, Länge, Volumen, Formgebung und/oder Materialeigenschaften des Schallkanals sind angepasst, um Eigenmoden der Vorrichtung zu dämpfen. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Leiterplatte. Die Leiterplatte umfasst Bauelemente und deren Verbindungen zur Vorverarbeitung von analogen oder digitalen Signalen des Akustiksensors. Die Bauelemente sind ausgeführt zur analogen oder digitalen Signalverarbeitung und/oder zur Realisierung von Filterfunktionen, Funktionen zur Phasenumkehr, Kompressorfunktionen und/oder Verstärkerfunktionen. Ferner umfasst die Leiterplatte auf einer Seite der Leiterplatte den Akustiksensor. Beispielsweise ist der Akustiksensor auf der in Luftströmungsrichtung hinteren Seite der Leiterplatte angeordnet. In diesem Fall hat der Akustiksensor seine Schalleintrittsöffnung auf der Bauteilmontageseite der Leiterplatte und die Leiterplatte umfasst eine Leiterplattenöffnung für den Schalleintritt. Alternativ ist der Akustiksensor auf der in Luftströmungsrichtung vorderen Seite der Leiterplatte angeordnet. In diesem Fall hat der Akustiksensor seine Schalleintrittsöffnung auf der der Bauteilmontageseite der Leiterplatte gegenüberliegender Seite des Akustiksensors.
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Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber bekannten Mikrofonen ist die Funktionstüchtigkeit und Luftschallerfassung und dessen Wandlung unter schwierigen Umwelt- und Strömungsbedingungen, die bei automobilen Anwendungen vorhanden sind. Beispielsweise entsteht mit während der Fahrt eines Straßenfahrzeuges ein von der Geschwindigkeit abhängiger Fahrtwind und damit relative Luftströmungen zwischen einer Schallquelle, beispielsweise einer Sirene eines Einsatzfahrzeuges oder eines Fußgängers, und der Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch die Luftschallerfassung und dessen Wandlung bei relativen Luftströmungen aus. Die oben genannten Umgebungsbedingungen ergeben sich zusätzlich aus dem vorgesehenen Einsatz bei den automobilen Anwendungen auch aus den zuvor beschriebenen Installationsorten der Vorrichtung, an denen relative Luftströmungen entstehen. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist Luftschall erfassbar und wandelbar in elektrische Signale in einem Temperaturbereich von -50°C bis +90°C, beispielsweise -30°C bis +70°C. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die einzelnen Komponenten der Vorrichtung, beispielsweise der Akustiksensor, das Schutzgitter, die Öffnung für den Luftschalleinlass, das heißt die Schalleintrittsöffnung, die erste Membran, der Strömungsbypass und der Schallkanal, unter Berücksichtigung von Luft- und/oder Körperschall, Aeroakustik, Strömungs- und Fluiddynamik, Elektronik und Mechanik aufeinander abgestimmt sind.
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Die Vorrichtung stellt ein Gehäuse für den akustischen Sensor dar. Der Begriff Akustiksensor bezeichnet sowohl den Akustiksensor als Komponente der Vorrichtung als auch die gesamte Vorrichtung.
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Ein Akustiksensor ist ein Sensor, der mechanische Schwingungen, beispielsweise verursacht durch Luftschallwellen, erfasst und in ein prozessierbares Signal, beispielsweise ein elektrisches Signal wie etwa eine elektrische Spannung, umformt. Der Akustiksensor umfasst einen analogen und/oder digitalen Signalausgang. Die Umformung erfolgt in zwei Stufen. In einer ersten akustisch-mechanischen Umformungsstufe wird der Luftschall nach einem bestimmten Empfangsprinzip in die Bewegung eines Objektes umgeformt. In der zweiten mechanisch-elektrischen Umformungsstufe wird die Bewegung des Objektes nach einem bestimmten Wandlerprinzip in das elektrische Signal umgeformt. Beispiele für Akustiksensoren sind eine Anordnung eines Magneten und einer elektrischen Spule, Mikrofone, Beschleunigungsaufnehmer, Piezogeber oder Dehnungsmessstreifen. Ein mikro-elektro-mechanisches System, abgekürzt MEMS, umfassend eine Anordnung von Halbleiterelementen, die Schwingungen aufnehmen, ist auch als Akustiksensor einsetzbar.
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Das Schutzgitter ist ein Gitter mit mechanischer Schutzfunktion. Das Schutzgitter ist so konstruiert, dass gröbere Fremdkörper, das heißt Partikel mit Durchmessern von beispielsweise wenigstens 2 mm, beispielsweise Schmutzpartikel wie etwa Schlammpartikel, Staubpartikel, Rußpartikel, Salzkörner, Steine, Insekten oder andere Partikel, die in der Luft enthalten sind, nicht in die Vorrichtung eindringen können.
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Die Öffnung für den Lufteinlass ist in dem Schutzgitter derart positioniert, dass in axialer Sensorrichtung kein direkter Strahl und/oder Partikelstrom auf die erste Membran einwirkt. Damit ist durch die Anordnung und/oder Geometrie der Öffnung die erste Membran mechanisch geschützt. Nach einem Aspekt der Erfindung sind die Öffnung oder die Öffnungen im Wesentlichen 2 mm breit und im Wesentlichen 5mm lang.
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Die erste Membran ist permeabel für Luftschallwellen. Durch das hydrophobe und/oder lipophobe Verhalten ist der Schallkanal gegen Immission durch beispielsweise Feuchtigkeit und Partikeln geschützt. Die erste Membran ist nach einem weiteren Aspekt der Erfindung eine mikroporöse Membran. Mikroporös ist beispielsweise eine Membran mit 1,3 × 109 Poren/cm2. Eine derartige Membran ist besonders wasserdicht und ermöglicht einen Schutz wenigstens nach IPX4K. Nach einem Aspekt der Erfindung ist die erste Membran ausgeführt, einen Schutz nach IP69K zu ermöglichen. Die Ziffer 6 in IP69K bedeutet völlige Dichtheit und damit den Schutz gegen Eindringen von Festkörpern und Staub. 9K bezeichnet den Schutz gegen Eindringen von Wasser bei Hochdruck-oder Dampfstrahlreinigung. Dies ist besonders vorteilhaft für einen Schutz in automobilen Anwendungen.
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Die Schutzart gibt die Eignung von Bauteilen für verschiedene Umgebungsbedingungen an. Die geschützten Systeme werden in entsprechende Schutzarten, sogenannte International Protection, abgekürzt IP-Codes, eingeteilt. Die Norm ISO 20653:2013 Straßenfahrzeuge - Schutzarten (IP-Code) - Schutz gegen fremde Objekte, Wasser und Kontakt - Elektrische Ausrüstungen beschreibt den Stand für Straßenfahrzeuge. IPX6K bietet Schutz gegen starkes Strahlwasser unter erhöhtem Druck, spezifisch für Straßenfahrzeuge.
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Luftströmungsrichtung bedeutet Luftströmungsrichtung durch die Vorrichtung oder Luftströmungsrichtung relativ zu dem Straßenfahrzeug, an dem die Vorrichtung eingebaut ist. Bezogen auf die Luftströmungsrichtung relativ zu dem Straßenfahrzeug sind bei einem Heckeinbau der Vorrichtung, bei der das Schutzgitter entgegen der Vorwärtsfahrtichtung des Straßenfahrzeuges geöffnet ist, die Rollen des ersten Endes Schallkanals und des zweiten Endes des Schallkanals gegenseitig vertauscht.
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Der Strömungsbypass sorgt dafür, dass durch den Lufteinlass eingetretene Fluide, beispielsweise Wasser, Luft, und kleine Partikel, wie etwa Schmutz und/oder Staub, sich nicht an der akustisch permeablen Membran agglomerieren, sondern durch eine Öffnungen am Ausgang des Strömungsbypasses für einen Luftauslass wieder aus der Vorrichtung heraus befördert werden. In diesem Sinne ist der Strömungsbypass ein selbstreinigender Strömungsbypass. Der Strömungsbypass ist akustisch, strömungsakustisch und strömungsdynamisch derart ausgelegt, dass die durch die Durchströmung generierte aeroakustische Schallentstehung gemindert wird und die wirkenden strömungsdynamischen Kräfte die nachfolgende akustisch permeable Membran nicht negativ beeinflussen, beispielsweise schädigen oder degradieren.
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Der Schallkanal dient der gezielten Schallführung der Luftschallwellen hin zu dem Akustiksensor. Der Schallkanal ist akustisch speziell dimensioniert, so dass sich möglichst keine oder nur wenige und schwache Eigenmoden im nutzbaren Frequenzbereich des Akustiksensors ausbilden. Diese gezielte Dimensionierung basiert im Wesentlichen auf geometrischen Größen, wie zum Beispiel Durchmesser, Länge, Volumen und Formgebung.
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Die Leiterplatte wird auch Platine oder printed circuit board genannt. Die Bauteile der Leiterplatte umfassen beispielsweise Logikbausteine wie etwa ASICS oder FPGAs. Beispielsweise realisiert ein Bauteil einen Hochpassfilter, der Luftschallwellen mit Frequenzen größer als 300 Hz passieren lässt. Mittels Kompressorfunktionen wird ein Dynamikumfang eines Signals eingeschränkt. Die Bauteile sind beispielsweise direkt auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert, beispielsweise gelötet, und werden auch surface mounted devices, abgekürzt SMD, genannt. Die Leiterplattenöffnung entspricht einem Loch oder einer Durchgangsbohrung auf der Leiterplatte für einen Eintritt des Luftschalls in den Akustiksensor, der auf der in Luftströmungsrichtung hinteren Seite der Leiterplatte angeordnet ist. Die in Luftströmungsrichtung hintere Seite der Leiterplatte ist die Oberfläche der Leiterplatte, auf der die Bauteile und der Akustiksensor angeordnet sind. Bezogen auf die Luftströmungsrichtung relativ zu dem Straßenfahrzeug sind bei einem Heckeinbau der Vorrichtung, bei der das Schutzgitter entgegen der Vorwärtsfahrtichtung des Straßenfahrzeuges geöffnet ist, die in Luftströmungsrichtung vordere Seite der Leiterplatte die Oberfläche der Leiterplatte, auf der die Bauteile und der Akustiksensor angeordnet sind.
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Nach einem Aspekt der Erfindung umfasst der Akustiksensor ein Mikrofon. Das Mikrofon umfasst eine Mikrofonkapsel und einen Wandler. In der Mikrofonkapsel erfolgt die akustisch-mechanische Umformung. Die Mikrofonkapsel umfasst beispielsweise eine Membran, die durch Luftschall zu Schwingungen angeregt wird. In dem Wandler erfolgt die mechanisch-elektrische Umwandlung. Der Wandler ist beispielsweise ein elektrodynamischer Wandler, wie etwa bei einem Tauchspulenmikrofon, oder ein elektrostatischer Wandler, wie etwa bei einem Kondensatormikrofon.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Akustiksensor als ein MEMS-Mikrofon realisiert. MEMS-Mikrofone sind miniaturisierte Mikrofone, die beispielsweise in SMD-Technik ausgeführt sind zum direkten Einsatz auf der Leiterplatte. MEMS-Mikrofone besitzen kleine Abmessungen und sind einfach industriell zu verarbeiten, beispielsweise können MEMS-Mikrofone in einem Reflow-Lötprozess bestückt werden. Im Vergleich zu anderen Mikrofonen sind MEMS-Mikrofone unempfindlicher gegenüber hohen Temperaturen und damit für automobile Anwendungen besonders gut geeignet. Alternativ ist der Akustiksensor ein Elektret-Kondensatormikrofon.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind eine Formgebung und/oder Materialeigenschaften des Schutzgitters angepasst, um die erste Membran, den Schallkanal und/oder den Akustiksensor gegen strömungsdynamische und/oder statische Kräfte, die beispielsweise durch Fahrtwind oder Wetter entstehen, zu schützen. Das Schutzgitter und die Öffnungen des Schutzgitters sind beispielsweise rotationssymmetrisch ausgeführt. Das Schutzgitter ist beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigt und ist derart geformt, das heißt besitzt eine derartige Geometrie, um einen Schutzumfang von wenigstens IPX6K zu bieten. Damit wird eine mechanische Schutzwirkung der Vorrichtung erzielt und der Akustiksensor gegen derartige Einwirkungen geschützt.
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Beispielsweise umfasst das Schutzgitter ein offenporiges Material, beispielsweise ein Schaummaterial wie etwa ein offenporiges Polyurethanschaummaterial. Durch skalierbare Größe von Poren in dem Material kann eine Wind- und/oder Wasserabsorption eingestellt werden. Schaummaterialien zeichnen sich durch eine sehr niedrige Dichte und einfache Ver- und Bearbeitung aus. Schaumstoffe lassen sich besonders einfach aus Polyurethan herstellen. Offenporiger Polyurethanschaum wird auch Filterschaum genannt. Filterschaum eignet sich besonders gut für Windabsorption. Filterschaum wird nach Porengröße/Porenanzahl klassifiziert. Als Einheit dient die Anzahl von Poren pro Inch, abgekürzt PPI. Beispielsweise umfasst das Schutzgitter einen Filterschaum im Bereich 10 bis 80 PPI.
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Das Schutzgitter ist nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ein auswechselbares Schutzgitter, um bei gröberer Verschmutzung ersetzt zu werden, ohne die komplette Vorrichtung ersetzen zu müssen.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind eine Formgebung und/oder Materialeigenschaften des Strömungsbypasses angepasst, um die durch die Luftströmung durch den Strömungsbypass erzeugte aeroakustische Schallentstehung zu dämpfen und/oder die erste Membran gegen strömungsdynamische und/oder statische Kräfte zu schützen. Beispielsweise ist der Strömungsbypass derart geformt, dass in dem Strömungsbypass möglichst keine Kanten oder ähnliche Formen vorhanden sind, an denen Strömungsabrisse und/oder Strömungsverwirbelungen auftreten können. Strömungsabrisse und/oder Strömungsverwirbelungen generieren aeroakustische Schallentstehung. Durch gezielte Formgebung wird die Anfälligkeit für Strömungsabrisse und/oder Strömungsverwirbelungen stark gemindert und damit eine aeroakustische Schallentstehung ebenso. Dies ist insbesondere bei relativen Luftströmungen, beispielsweise während Bewegung der Vorrichtung bei Fahrt mit einem Straßenfahrzeug, vorteilhaft.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Schallkanal an einem seiner beiden Enden offen und an dem anderen Ende mit einem Abschlusselement mit einem Reflexionsfaktor abgeschlossen. Offen bedeutet offen für einen Schalleintritt. In diesem Sinne ist der Schallkanal, an dessen Schalleintrittsöffnung eine akustisch permeable Membran angeordnet ist, an dieser Öffnung offen. In Abhängigkeit des Reflexionsfaktors ist eine Strömungsresistenz des Schallkanals einstellbar. Das Abschlusselement ist der Akustiksensor, beispielsweise das Mikrofon, oder die Leiterplatte.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung besitzt der Schallkanal im Wesentlichen die Form eines Zylinders, eines Kegelstumpfes oder eines Hornteils und die erste Membran ist an dem ersten Ende des Schallkanals mit einer größeren ersten Fläche und der Akustiksensor an dem zweiten Ende des Schallkanals mit einer kleineren zweiten Fläche angeordnet. Ein Hornteil oder auch Trichter genannt, wie zum Beispiel in
1 der
DE 38 43 033 C2 offenbart, ist ein robustes System zur hochempfindlichen Detektion von Luftschallwellen. Ein Schallkanal in Form eines Hornteils koppelt den Empfänger akustisch besonders gut an das Schallfeld an, so dass möglichst viel der extern eintretenden Schallenergie am Empfänger ankommt. Damit wird eine minimale akustische Dämpfung des Schallenergieflusses realisiert.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind der Schallkanal und der Strömungsbypass durch ein Anströmbauteil realisiert. Das Anströmbauteil umfasst eine Ausbuchtung. Die Ausbuchtung umfasst einen in Axialachse durchgehenden Hohlraum, durch den der Schallkanal realisiert ist. Das Anströmbauteil ist mit dem Schutzgitter derart zusammengeführt, dass der Strömungsbypass durch einen Freiraum zwischen dem Anströmbauteil und dem Schutzgitter realisiert ist. Das heißt, der Strömungsbypass verläuft zwischen dem Schutzgitter und dem Anströmbauteil. Das Anströmbauteil und dessen Ausbuchtung sind derart geformt, dass die durch die Luftströmung durch den Strömungsbypass erzeugte aeroakustische Schallentstehung gedämpft wird. Beispielsweise umfassen das Anströmbauteil und dessen Ausbuchtung keine Strömungsabrisskanten im Strömungsbypass.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Gehäuse, in dem die Leiterplatte angeordnet ist. Das Gehäuse schützt die Leiterplatte und deren Bauteile vor mechanischen und/oder thermischen Einflüssen. Das Gehäuse umfasst Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben, um das Gehäuse und die Vorrichtung an einem Steuergerät oder an einem Straßenfahrzeug zu befestigen.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Leiterplatte senkrecht oder parallel zu der Axialachse der Vorrichtung angeordnet. Bei der parallelen Anordnung der Leiterplatte ist das zweite Ende des Schallkanals in radialer Verlängerung einer Mantelfläche des Schallkanals angeordnet. Bei senkrechter Anordnung der Leiterplatte ist der Akustiksensor, beispielsweise das Mikrofon und/oder die Mikrofonkapsel, parallel zu der Axialachse der Vorrichtung an den Schallkanal angekoppelt. Bei paralleler Anordnung der Leiterplatte ist der Akustiksensor senkrecht zu der Axialachse der Vorrichtung, das heißt tangential, an den Schallkanal angekoppelt. Mit der parallelen Anordnung werden besonders gute Signale des Akustiksensors erhalten.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Leiterplatte eine Steckeranbindung zum Anschließen der Vorrichtung an ein elektronisches Steuergerät. Das Steuergerät ist ausgeführt, in Abhängigkeit der Signale des Akustiksensors die Schallquelle zu lokalisieren und/oder zu klassifizieren. Das elektronische Steuergerät ist beispielsweise ein Steuergerät, das ausschließlich mit der Vorrichtung in Wirkverbindung steht. Das heißt, das Steuergerät erhält lediglich Signale des Akustiksensors und wertet diese aus. Das Steuergerät führt beispielsweise einen intelligenten Algorithmus, wie etwa ein auf Geräuschlokalisation und/oder -klassifikation trainiertes künstliches neuronales Netzwerk aus. Die ausgewerteten Signale werden nach einem Aspekt der Erfindung über ein Bordnetz eines Straßenfahrzeuges an weitere Steuergeräte des Straßenfahrzeuges, beispielsweise ADAS oder AD Domain ECUs, oder an Aktuatoren des Straßenfahrzeuges, weitergeleitet. Beispielsweise ist die Vorrichtung an einen CAN-Bus oder einen Ethernet-Bus des Straßenfahrzeuges angebunden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein elastisches Dichtungsbauteil zur Ankopplung des Akustiksensors an den Schallkanal und/oder an die Leiterplatte. Das Dichtungsbauteil gleicht geometrische Toleranzen beim Zusammenbau der Vorrichtung aus. Die Elastizität sorgt für eine definierte Entkopplung des Akustiksensors, unter anderem der Mikrofonkapsel, und/oder der Leiterplatte von Körperschall. Ferner sorgt die Elastizität für eine akustisch geschlossene Verbindung des Schallkanals zur Mikrofonkapsel.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Entkopplungsbauteil zur Schwingungsdämpfung und/oder zur Körperschallentkopplung. Das Entkopplungsbauteil ist an einer Kopplungsstelle zwischen der Vorrichtung und einem Bauteil, in das die Vorrichtung einbaubar und/oder von diesem die Vorrichtung mechanisch haltbar ist, angeordnet. Das Entkopplungsbauteil ist aus einem Zweikomponenten-Werkstoff, der einen akustisch und/oder schwingungstechnisch wirkenden Impedanzsprung erzeugt, gefertigt. Der Zweikomponenten-Werkstoff umfasst einen relativ weichen Werkstoff mit relativ kleiner Impedanz und einen relativ harten Werkstoff mit relativ großer Impedanz. Der weiche Werkstoff ist in Luftströmungsrichtung vor dem harten Werkstoff angeordnet. Der Impedanzsprung ist über die gesamte Anlagefläche des Schutzgitters und des Entkopplungsbauteils durchgeführt. Das Entkopplungsbauteil ist beispielsweise ein Formteil. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung bilden das Schutzgitter und das Entkopplungsbauteil ein Bauteil. Beispielsweise sind das Schutzgitter und das Entkopplungsbauteil aus einem Spritzgussteil gebildet. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Entkopplungsbauteil aus vibrationsdämpfenden Materialien unterschiedlicher Dichte gefertigt, beispielsweise aus gemischtzelligen Polyurethan-Schaumstoffen. Das Entkopplungsbauteil besitzt beispielsweise eine hohe mechanische Belastbarkeit und/oder gute Dämmeigenschaften. Mittels des Bauteils ist die Vorrichtung unempfindlich gegen Erschütterungen haltbar und damit besonders gut geeignet für automobile Anwendungen.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine zweite Membran zur Entlüftung der Vorrichtung. Die zweite Membran stellt einen statischen Druckausgleich für die Vorrichtung bereit. Wenn die Vorrichtung bei Verwendung an einer Außenseite eines Straßenfahrzeuges angeordnet ist, übt der bei Fahrt entstehende Fahrtwind einen Druck auf die Vorrichtung, beispielsweise auf den Akustiksensor, aus. Durch die zweite Membran wird der anteilige statische Druck ausgeglichen. Ferner verhindert die zweite Membran eine Kondensatbildung in der Vorrichtung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- • mittels eines erfindungsgemäßen Dichtungsbauteils wird ein erfindungsgemäßer Akustiksensor an eine erfindungsgemäße Leiterplatte angekoppelt,
- • der Akustiksensor wird mittels des Dichtungsbauteils an ein zweites Ende eines erfindungsgemäßen Schallkanals mit einer kleineren zweiten Fläche eines erfindungsgemäßen Anströmbauteils angekoppelt,
- • eine erfindungsgemäße erste Membran wird an ein erstes Ende des Schallkanals mit einer größeren zweiten Fläche angeordnet,
- • ein erfindungsgemäßes Schutzgitter wird in ein erfindungsgemäßes Entkopplungsbauteil eingesetzt,
- • das Anströmbauteil wird mit dem Entkopplungsbauteil zusammengeführt, um einen erfindungsgemäßen Strömungsbypass zu bilden, und
- • das nach den vorausgehenden Verfahrensschritten erhaltene Gehäuse für den Akustiksensor wird in ein erfindungsgemäßes Bauteil, in das das Gehäuse einbaubar und/oder von diesem das Gehäuse mechanisch haltbar ist, eingesetzt.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Akustiksensor auf die in Luftströmungsrichtung hintere Seite der Leiterplatte, das ist die Oberfläche der Leiterplatte, auf der die elektronischen Bauteile angeordnet sind, angekoppelt. Erfindungsgemäß wird die Leiterplatte senkrecht oder parallel zu der Axialachse der Vorrichtung angeordnet. Bei der parallelen Anordnung der Leiterplatte ist das zweite Ende des Schallkanals in radialer Verlängerung der Mantelfläche des Schallkanals angeordnet.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Gehäuse relativ zu einer Vorwärtsfahrrichtung von hinten in eine Frontstoßstange des Straßenfahrzeuges oder von vorne in eine Heckstoßstange montiert.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Schutzgitter und das Entkopplungsbauteil als ein Formteil, beispielsweise als ein Spritzgussteil, hergestellt und bereitgestellt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, das Gehäuse, insbesondere das erfindungsgemäße Gehäuse, bereits bei der Fahrzeugherstellung direkt in/an das Straßenfahrzeug einzubauen. Das Verfahren erlaubt vorteilhafterweise aber auch eine effiziente Nachrüstung eines Bestandfahrzeuges mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse, insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse, in das die Akustiksensoren integriert sind. Damit stellt die Erfindung auch eine Montage von Retrofitlösungen bereit. Hierzu wird das Gehäuse gemäß den Verfahrensschritten vormontiert und als fertiges Gehäuse an dem Straßenfahrzeug angeordnet. Nach einem Aspekt der Erfindung wird das Gehäuse relativ zu einer Vorwärtsfahrrichtung von hinten in eine Frontstoßstange des Straßenfahrzeuges oder von vorne in eine Heckstoßstange eingebaut.
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Das erfindungsgemäßes automatisiert betreibbare Straßenfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung oder eine Anordnung mehrerer derartiger Vorrichtungen oder eine Vorrichtung hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Vorrichtung ist mittels eines erfindungsgemäßen Bauteils, in das die Vorrichtung einbaubar und/oder von diesem die Vorrichtung mechanisch haltbar ist, in eine Außenseite des Straßenfahrzeugs integriert. Ferner ist die Vorrichtung mittels einer erfindungsgemäßen Steckeranbindung mit einer ADAS oder AD Domain ECU des Straßenfahrzeuges signaltechnisch verbunden.
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Beispielsweise sind mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen versetzt zueinander, beispielsweise kreisförmig, rechteckförmig oder linienförmig, angeordnet. Beispielsweise umfasst die Anordnung vier nebeneinander angeordnete Vorrichtungen. Eine derartige Anordnung ist überraschenderweise sehr gut geeignet zur Geräuschaufnahme und relative einfach zu erhalten.
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Das Straßenfahrzeug ist beispielsweise ein Personen- oder Lastkraftwagen oder ein Personentransportsystem, wie etwa ein people mover. Beispielsweise umfasst das Straßenfahrzeug eine technische Ausrüstung für einen selbstfahrenden, das heißt fahrerlosen oder vollautomatisierten, autonomen Fahrbetrieb. Die ADAS, das heißt advanced driver assistance system, oder die AD, das heißt autonomous driving, Domain ECU, das heißt electronic control unit, nimmt mittels Umfelderfassungssensoren ein Fahrzeugumfeld wahr, leitet daraus eine Trajektorienplanung ab und bestimmt entsprechende Steuersignale, die Fahrzeugaktuatoren bereitgestellt werden, um die Längs- und/oder Querführung des Straßenfahrzeuges zu regeln. Der Akustiksensor der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Beispiel für einen Umfelderfassungssensor. Weitere Umfelderfassungssensoren sind beispielsweise optische Sensoren, beispielsweise Kamera oder Lidar, oder Radarsensoren. Nach einem Aspekt der Erfindung werden die Signale des Akustiksensors mit Signalen weiterer Umfelderfassungssensoren fusioniert, um Objekte im Straßenverkehr zu lokalisieren und/oder klassifizieren.
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Das Bauteil umfasst Befestigungsmittel, um die Vorrichtung an das Straßenfahrzeug zu befestigen. Beispielsweise wird die Vorrichtung relativ zu der Vorwärtsfahrrichtung von hinten in die Frontstoßstange des Straßenfahrzeuges oder von vorne in die Heckstoßstange eingebaut. Damit kann die Vorrichtung als Retrofitlösung an Bestandsstraßenfahrzeugen nachgerüstet werden. Alternativ ist die Vorrichtung in der Außenseite des Straßenfahrzeuges, beispielsweise in dessen Karosserie, fest verbaut.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind eine erste Anordnung der Vorrichtungen in einem vorderen linken Bereich des Straßenfahrzeuges, eine zweite Anordnung der Vorrichtungen in einem vorderen rechten Bereich des Straßenfahrzeuges, eine dritte Anordnung der Vorrichtungen in einem hinteren linken Bereich des Straßenfahrzeuges und/oder eine vierte Anordnung der Vorrichtungen in einem hinteren rechten Bereich des Straßenfahrzeuges angeordnet. Die Anordnung entspricht einer bestimmten Positionierung. Diese Anordnung mit vier Anordnungen ermöglicht eine 360° Erfassung von Umgebungsgeräuschen. Beispielsweise umfassen die Anordnungen jeweils vier nebeneinander angeordnete Vorrichtungen.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Vorrichtung mittels des erfindungsgemäßen Bauteils, in das die Vorrichtung einbaubar und/oder von diesem die Vorrichtung mechanisch haltbar ist, in ein statisches Objekt einer Verkehrsinfrastruktur, beispielsweise in einen Ampelmast oder ein Gebäude, integriert.
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Die Erfindung wird beispielhaft in den folgenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine isometrische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2 eine seitliche Schnittansicht des Ausführungsbeispiels aus 1,
- 3 eine Explosionsdarstellung des Ausführungsbeispiels aus 1,
- 4 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 5 eine seitliche Schnittansicht des Ausführungsbeispiels aus 4,
- 6 eine dreidimensionale Ansicht des Ausführungsbeispiels aus 4,
- 7 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 8 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Straßenfahrzeuges und
- 9 ein Ausführungsbeispiel einer Außenseite des Straßenfahrzeuges aus 8.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche oder funktionsähnliche Teile. Übersichtshalber sind in den einzelnen Figuren lediglich die für das jeweilige Verständnis relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
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In den 1, 2 und 3 ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung AKS eine Leiterplatte L senkrecht zu einer Axialachse A der Vorrichtung AKS angeordnet. In den 4, 5 und 6 ist die Leiterplatte parallel zu der Axialachse A der Vorrichtung AKS angeordnet. Bei der parallelen Anordnung der Leiterplatte L ist ein zweites Ende E2 eines Schallkanals 7 in radialer Verlängerung einer Mantelfläche des Schallkanals 7 angeordnet. Die Beschreibungen zu den 1, 2 und 3 gelten, falls nicht anders angegeben, entsprechend für die 4, 5 und 6.
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Die Vorrichtung AKS umfasst ein Bauteil B. Das Bauteil B hält die Vorrichtung AKS in einer Außenseite K eines Straßenfahrzeuges F, siehe 9. Das Bauteil B ist beispielsweise ein Spritzgussformteil oder ein nach einem additiven Verfahren, beispielsweise 3D-Druck-Verfahren, hergestelltes Bauteil. Die Außenseite K des Straßenfahrzeuges F ist beispielsweise ein Teil einer Karosserie des Straßenfahrzeuges F, beispielsweise eine Stoßstange. Die Stoßstange ist eine Frontstoßstange oder eine Heckstoßstange.
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Das Bauteil B umfasst eine kreisförmige Öffnung. Das Bauteil B ist lediglich in den 1, 2 und 3 gezeigt. Die in den 4, 5 und 6 gezeigten Vorrichtungen können auch das Bauteil B umfassen. In diese Öffnung ist ein erfindungsgemäßes Schutzgitter 2 eingesetzt. Das Schutzgitter 2 ist mittels eines erfindungsgemäßen Entkopplungsbauteils 11 mit dem Bauteil B gekoppelt, siehe 1, 2 und 3. Beispielsweise sind das Schutzgitter 2 und das Entkopplungsbauteil 11 aus einem Spritzgussteil gefertigt. In den 1, 2 und 3 umfasst das Schutzgitter 2 vier symmetrisch angeordnete schlitzförmige Öffnungen 3a, 3b, 3c und 3d. Die Öffnungen 3a, 3b, 3c und 3d sind Eintrittsöffnungen für Luftschallwellen in die Vorrichtung AKS, ebenso die Öffnungen 3a, 3b und 3c in 4, 5 und 6. Die Luftschallwellen treten in Luftströmungsrichtung R in die Vorrichtung AKS ein. Die Öffnungen 3a, 3b, 3c und 3d sind axial versetzt zu einer Axialachse A der Vorrichtung AKS angeordnet. Die Explosionsdarstellung in 3 zeigt die Öffnungen 3a, 3b, 3c und 3d, das Schutzgitter 2 und das Entkopplungsbauteil 11 in einem zusammengeführten Zustand.
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In das Entkopplungsbauteil 11 ist ein Anströmbauteil 8 erfindungsgemäß eingesetzt. Das Anströmbauteil 8 umfasst eine rotationssymmetrische Ausbuchtung 9. Das Anströmbauteil 8 ist derart eingesetzt, dass zwischen dem Anströmbauteil 8, dessen Ausbuchtung 9 und dem Schutzgitter 2 ein Freiraum vorhanden bleibt. Der Freiraum bildet einen erfindungsgemäßen Strömungsbypass 6. Der Strömungsbypass 6 umfasst Luftauslässe 6a. Durch die Luftauslässe wird die Luft aus der Vorrichtung AKS ausgelassen.
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Die Ausbuchtung 9 des Anströmbauteils 8 umfasst einen in Axialachse A durchgehenden Hohlraum H. Der Hohlraum H hat die Form eines Hornteils mit einer größeren ersten Fläche an einem ersten Ende E1 des Hohlraums H und einer kleineren zweiten Fläche an einem zweiten Ende E2. Die erste und die zweite Fläche sind jeweils Grund- oder Deckflächen des Hohlraums H und symmetrisch zur Axialachse A. Der Hohlraum H entsteht beispielsweise durch eine Bohrung in die Ausbuchtung.
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Der Hohlraum H bildet einen Schallkanal 7. Die Luftschallwellen werden durch den Schallkanal 7 zu einem Akustiksensor 1 geführt. Der Akustiksensor 1 ist auf der in Luftströmungsrichtung R hinteren Seite der Leiterplatte L, das ist mit den elektronischen Bauteilen bestückte Oberfläche der Leiterplatte L, angeordnet. An dem ersten Ende E1 des Schallkanals 7 ist eine erfindungsgemäße erste Membran 5 angeordnet. In Verlängerung des zweiten Endes E2 des Schallkanals 7 ist der Akustiksensor 1 angeordnet.
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Der Akustiksensor 1 ist ein elektroakustischer Sensor, beispielsweise ein Mikrofon. In den Ausführungsbeispielen ist der Akustiksensor 1 ein MEMS-Mikrofon. Die 1, 2 und 3 zeigen jeweils eine Mikrofonkapsel. Der Akustiksensor 1 ist mittels eines Dichtungsbauteils 10 an den Schallkanal 7 und an eine Leiterplatte 7 angekoppelt.
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Die Leiterplatte L ist in einem Gehäuse G angeordnet. Das Gehäuse G ist ein Elektronikgehäuse. Die Leiterplatte L umfasst Bauteile und deren Verbindungen zur Vorverarbeitung von analogen oder digitalen Signalen des Akustiksensors 1. Ferner umfasst die Leiterplatte L Steckeranbindungen S, um die Leiterplatte L und damit die Vorrichtung AKS mit einem elektronischen Steuergerät signaltechnisch zu verbinden.
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Das Gehäuse G umfasst eine zweite Membran 12 ausgeführt als Entlüftungsmembran zum statischen Druckausgleich des Gehäuses G und zur Verhinderung einer Kondensatbildung in dem Gehäuse G. Das Gehäuse G umfasst auch Befestigungsmittel 13, beispielsweise Schrauben.
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7 zeigt einen Beispielablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine andere Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte, zum Beispiel V6, V5, V4, V3, V2, und V1.
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In einem Verfahrensschritt V1 wird mittels des Dichtungsbauteils 10 der Akustiksensor 1 an die Leiterplatte L angekoppelt. In einem Verfahrensschritt V2 wird der Akustiksensor 1 mittels des Dichtungsbauteils 10 an das zweite Ende E2 des Schallkanals 7 mit einer kleineren zweiten Fläche angekoppelt. In einem Verfahrensschritt V3 wird die erste Membran 5 an das erste Ende E1 des Schallkanals 7 mit einer größeren zweiten Fläche angeordnet. In einem Verfahrensschritt V4 wird das Schutzgitter 2 in das Entkopplungsbauteil 11 eingesetzt. In einem Verfahrensschritt V5 wird das Anströmbauteil 8 mit dem Entkopplungsbauteil 11 zusammengeführt, um den Strömungsbypass 6. In einem Verfahrensschritt V6 wird das so erhaltene Gehäuse für den Akustiksensor 1 in das Bauteil B, in das das Gehäuse einbaubar und/oder von diesem das Gehäuse mechanisch haltbar ist, eingesetzt.
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8 zeigt einen Personenkraftwagen als Beispiel eines Straßenfahrzeuges F. In eine Außenseite K des Straßenfahrzeuges F, beispielsweise in eine Stoßstange, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung AKS integriert. Die Vorrichtung AKS wird mittels des Bauteils B in der Stoßstange gehalten, siehe 9.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Akustiksensor
- 2
- Schutzgitter
- 3a
- Öffnung
- 3b
- Öffnung
- 3c
- Öffnung
- 3d
- Öffnung
- 4
- Leiterplattenloch
- 5
- erste Membran
- 6
- Strömungsbypass
- 6a
- Luftauslass
- 7
- Schallkanal
- 8
- Anströmbauteil
- 9
- Ausbuchtung
- 10
- Dichtungsbauteil
- 11
- Entkopplungsbauteil
- 12
- zweite Membran
- 13
- Befestigungsmittel
- E1
- erstes Ende
- E2
- zweites Ende
- AKS
- Vorrichtung
- A
- Axialachse
- R
- Luftströmungsrichtung
- H
- Hohlraum
- L
- Leiterplatte
- S
- Steckeranbindung
- G
- Gehäuse
- B
- Bauteil
- V1-V6
- Verfahrensschritt
- F
- Straßenfahrzeug
- K
- Außenseite
