DE102022128997A1 - Adapted control for ultrasonic transducers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verwendung von nichtlinear-frequenzmodulierten Anregungssignalen (I) für einen Ultraschallwandler (100), wobei Luft als Übertragungsmedium für den Betrieb des Ultraschallwandlers (100) dient. Der Ultraschallwandler (100) umfasst einen Sender (101), und einen Empfänger (102). Der Sender (101) ist dazu eingerichtet das nichtlinear-frequenzmodulierte Anregungssignal (I) zu empfangen und entsprechend des Anregungssignals (I) ein Sendesignal (II) zu senden, wobei das Sendesignal (II) ein Burst-Signal mit einer bestimmten zeitlichen Burst-Länge ist, und wobei das Sendesignal (II) eine mittlere Frequenz aufweist, welche mittlere Frequenz in einem Frequenzbereich zwischen 20kHz und 200kHz liegt, insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen 30kHz und 60kHz liegt. Ein Frequenzgang des von dem Sender (101) gesendeten Sendesignals (II) entspricht einem Frequenzgang des Ultraschallwandlers (100).Weiter betrifft die Erfindung Verfahren zur Anpassung eines nichtlinear-frequenzmoduliertes Anregungssignals (I) zur Verwendung für einen Betrieb des Ultraschallwandlers (100) in Abhängigkeit einer Temperatur eines Übertragungsmediums des Ultraschallwandlers, wobei das Anregungssignal (I) entsprechend einer temperaturabhängigen Übertragungsfunktion H(f,T) des Ultraschallwandlers (100) generiert wird.The invention relates to a use of non-linear frequency-modulated excitation signals (I) for an ultrasonic transducer (100), wherein air serves as a transmission medium for the operation of the ultrasonic transducer (100). The ultrasonic transducer (100) comprises a transmitter (101) and a receiver (102). The transmitter (101) is designed to receive the non-linear frequency-modulated excitation signal (I) and to transmit a transmission signal (II) in accordance with the excitation signal (I), wherein the transmission signal (II) is a burst signal with a specific temporal burst length, and wherein the transmission signal (II) has a mean frequency, which mean frequency lies in a frequency range between 20 kHz and 200 kHz, in particular in a frequency range between 30 kHz and 60 kHz. A frequency response of the transmission signal (II) sent by the transmitter (101) corresponds to a frequency response of the ultrasonic transducer (100). The invention further relates to methods for adapting a non-linear frequency-modulated excitation signal (I) for use in operating the ultrasonic transducer (100) as a function of a temperature of a transmission medium of the ultrasonic transducer, wherein the excitation signal (I) is generated in accordance with a temperature-dependent transfer function H(f,T) of the ultrasonic transducer (100).
Description
Die Erfindung betrifft eine Verwendung von nichtlinear-frequenzmodulierten Anregungssignalen (I) für einen Ultraschallwandler.The invention relates to a use of non-linear frequency-modulated excitation signals (I) for an ultrasonic transducer.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anpassung eines nichtlinear-frequenzmoduliertes Anregungssignals zur Verwendung für einen Betrieb eines Ultraschallwandlers in Abhängigkeit einer Temperatur eines Übertragungsmediums des Ultraschallwandlers.The invention further relates to a method for adapting a non-linear frequency-modulated excitation signal for use in operating an ultrasonic transducer as a function of a temperature of a transmission medium of the ultrasonic transducer.
Ultraschallsysteme für Ortungsverfahren, insbesondere zur Abstandsmessung im Automotive-Bereich, bei denen Luft als Übertragungsmedium dient, werden Chirp-Signale als Übertragungssignale verwendet.Chirp signals are used as transmission signals in ultrasonic systems for location methods, especially for distance measurement in the automotive sector, where air serves as the transmission medium.
Als Chirp-Signal wird ein Signal bezeichnet, dessen Frequenz sich zeitlich verändert.A chirp signal is a signal whose frequency changes over time.
Um Echosignale weit entfernter reflektierender Objekte aus dem Rauschen des Empfangssignals herauszufiltern, muss eine gewisse Mindestenergie empfangen werden. Für genaue Entfernungsmessungen benötigt man aber möglichst kurze Sendeimpulse, da bei einem 1 ms kurzen Sendeimpuls ein korrespondierendes Wellenpaket bereits ca. 30 cm lang ist. Eine Erhöhung der Sendeamplitude ist mit den üblichen Ultraschallwandlern kaum zu realisieren.In order to filter out echo signals from distant reflecting objects from the noise of the received signal, a certain minimum energy must be received. However, for precise distance measurements, the shortest possible transmission pulses are required, since with a 1 ms transmission pulse a corresponding wave packet is already about 30 cm long. Increasing the transmission amplitude is hardly possible with conventional ultrasonic transducers.
Eine Lösung dieses Problems bietet das Pulskompressionsverfahren. Hierbei wird ein linearfrequenzmodulierter Chirp-Impuls längerer Gesamtdauer gesendet.A solution to this problem is the pulse compression method. In this method, a linear frequency modulated chirp pulse with a longer total duration is sent.
Ein lineares Chirp-Signal weist eine konstante Amplitude auf. Die Frequenz des linearen Chirp-Signals dagegen steigt oder sinkt zeitlich linear mit einer Konstanten an.A linear chirp signal has a constant amplitude. The frequency of the linear chirp signal, on the other hand, increases or decreases linearly with time at a constant.
Beim Empfang des reflektierten Signals (Echo-Signal) wird dieses durch spezielle Filter (matched Filter) oder mathematische Verfahren zu einem erheblich kürzeren Impuls komprimiert. Durch die längere zeitliche Anregung des ausgesendeten Signals, kann die Amplitude des Echo-Signals nach einer Verarbeitung durch einen matched Filter gesteigert werden. Das empfangene Signal kann somit gut detektiert werden.When the reflected signal (echo signal) is received, it is compressed into a considerably shorter pulse using special filters (matched filters) or mathematical methods. Due to the longer temporal excitation of the transmitted signal, the amplitude of the echo signal can be increased after processing by a matched filter. The received signal can therefore be easily detected.
Damit wird auch eine maximal erreichbare Reichweite erhöht.This also increases the maximum achievable range.
In Ultraschallsystemen zur Ortung von Objekten, bei denen Luft als Übertragungsmedium dient, werden lineare Chirp-Signale in einem Frequenzbereich von etwa 30 kHz bis 60 kHz verwendet.In ultrasonic systems for locating objects where air serves as the transmission medium, linear chirp signals in a frequency range of approximately 30 kHz to 60 kHz are used.
Ultraschallwandler weisen ein Bandpassverhalten auf. Wird ein Ultraschallwandler durch ein Breitband-Signal (Kurzpuls, Chirp-Signal) angeregt, so ist die Effizienz aufgrund des nichtübereinstimmenden Spektrums des Signals mit der Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers reduziert.Ultrasonic transducers have a bandpass behavior. If an ultrasonic transducer is excited by a broadband signal (short pulse, chirp signal), the efficiency is reduced due to the spectrum of the signal not matching the transfer function of the ultrasonic transducer.
Insbesondere im Straßenverkehr ist jedoch aus Sicherheitsgründen eine hohe Effizienz von Ultraschallwandlern, die eine Entfernung eines Objekts zu einem sich bewegenden Fahrzeugs ermitteln von Relevanz.However, especially in road traffic, a high efficiency of ultrasonic transducers that determine the distance of an object from a moving vehicle is relevant for safety reasons.
Aufgabe ist es somit ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis für ein Ortungsverfahren mittels einem Ultraschallwandler unter Nutzung von Luft als Übertragungsmittel zu erzielen.The task is therefore to achieve an improved signal-to-noise ratio for a location method using an ultrasonic transducer using air as a transmission medium.
Im Bereich der zerstörungsfreien Prüfverfahren zum Zweck der Materialprüfung offenbarten
In der Materialprüfung kommen unter anderem Ultraschallsysteme zum Einsatz, um Materialeigenschaften zu ermitteln ohne dabei das zu prüfende Material zu beschädigen.
Das zerstörungsfreie Prüfverfahren mittels Ultraschallkontrolle wird genormt nach Richtlinien durchgeführt. Dabei wird auf der Oberfläche des zu prüfenden Materials ein Koppelmittel (z.B. Kleister, Gel, Wasser oder Öl) aufgetragen. Mittels eines Prüfkopfs, welcher Ultraschall mit einer Frequenz von 0,02MHz bis 50MHz aussendet und empfängt, wird die zu prüfende Oberfläche abgefahren.In material testing, ultrasound systems are used, among other things, to determine material properties without damaging the material being tested.
The non-destructive testing method using ultrasound control is carried out in accordance with standardized guidelines. A coupling agent (e.g. paste, gel, water or oil) is applied to the surface of the material to be tested. The surface to be tested is scanned using a test head that emits and receives ultrasound at a frequency of 0.02 MHz to 50 MHz.
Nichtlinear-frequenzmodulierte Chirp-Signale sind sensitiv für Frequenzverschiebung.
Wie in Pollakowski et. al offenbart, ist es bei dem Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung von Vorteil, dass sich das zu prüfende Material relativ zum Ultraschallwandler nicht bewegt, sodass bei der Verwendung von nichtlinear-frequenzmodulierten Chirp-Signalen kein Dopplereffekt auftritt, welcher zu einer Frequenzverschiebung führt.Nonlinear frequency modulated chirp signals are sensitive to frequency shift.
As disclosed in Pollakowski et al., it is advantageous in the ultrasonic method for non-destructive material testing that the material to be tested does not move relative to the ultrasonic transducer, so that when using nonlinear frequency-modulated chirp signals, no Doppler effect occurs, which leads to a frequency shift.
Überaschenderweise wurde festgestellt, dass die von Pollakowski et. al offenbarte Verwendung von nichtlinear-frequenzmodulierten Chirp-Signalen bei der Materialprüfung mittels Ultraschall von sich nicht relativ zum Ultraschallsystem bewegenden Materialoberflächen bei Ultraschallfrequenzen im MHz-Bereich unter Verwendung von in der Materialprüfung üblichen Koppelmitteln (z.B. Gel, Wasser oder Öl) auf ein Ultraschall-System anwendbar ist, wobei Luft als Übertragungsmittel dient und Frequenzen im kHz-Bereich verwendet werden. Insbesondere wurde festgestellt, dass die Verwendung von nichtlinear-frequenzmodulierten Chirp-Signalen in derartigen Ultraschall-Systemen auch dann zu einer erhöhten Effizienz führen, wenn eine Relativbewegung von dem zu detektierenden Objekt bezüglich dem Ultraschallwandler vorliegt.Surprisingly, it was found that the use of nonlinear frequency modulated chirp signals disclosed by Pollakowski et al. nals in material testing using ultrasound of material surfaces that are not moving relative to the ultrasound system at ultrasound frequencies in the MHz range using coupling agents commonly used in material testing (e.g. gel, water or oil) to an ultrasound system, with air serving as the transmission medium and frequencies in the kHz range being used. In particular, it was found that the use of non-linear frequency-modulated chirp signals in such ultrasound systems leads to increased efficiency even when there is a relative movement of the object to be detected with respect to the ultrasound transducer.
Die Echo-Signale y(t) eines Übertragungssystems lassen sich in Bezug auf ein bestimmtes Kriterium (z.B. Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) oder Bandweite) filtern.
Das „matched filtering“ stellt eine Methode zur Detektion eines bekannten Signals dar, welches durch ein Rauschen gestört ist. Wenn ein Empfangssignal y(t)+n(t), welches sich aus einem Echo-Signal y(t) und einem zusätzlichen Rausch-Signal n(t) zusammensetzt mittels einem matched Filter Fm(f) gefiltert wird, ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis SNR
Die Filterfunktion des matched Filters Fm(f) ist durch die Konjugation des komplexen Signalspektrums (X(f)H(f)) gegeben, wobei H(f) die Sende-Empfangs-Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers ist.The echo signals y(t) of a transmission system can be filtered with respect to a specific criterion (e.g. signal-to-noise ratio (SNR) or bandwidth).
Matched filtering is a method for detecting a known signal that is disturbed by noise. If a received signal y(t)+n(t), which consists of an echo signal y(t) and an additional noise signal n(t), is filtered using a matched filter F m (f), the signal-to-noise ratio SNR is
The filter function of the matched filter F m (f) is given by the conjugation of the complex signal spectrum (X(f)H(f)), where H(f) is the transmit-receive transfer function of the ultrasonic transducer.
Eine derartige Anpassung (matching) des Übertragungssignals auf die Übertragungsfunktion kann mit Hilfe von nichtlinearer Frequenzmodulation von Chirp-Signalen erfolgen.
Nichtlineare Frequenzmodulation bietet den Vorteil, dass ein Spektrum eines Übertragungssignals durch eine geeignete Modulation in vorgegebener Weise geformt werden kann. Auf diese Weise lassen sich die für einen Ultraschallwandler geeigneten Chirp-Signale, sogenannte angepasste nichtlineare Modulationstechnik-Signale (matched nonlinear modulation technique-Signale (MNLFM-Signale)), generieren.Such matching of the transmission signal to the transfer function can be achieved by means of nonlinear frequency modulation of chirp signals.
Nonlinear frequency modulation offers the advantage that a spectrum of a transmission signal can be shaped in a predetermined manner by means of a suitable modulation. In this way, chirp signals suitable for an ultrasonic transducer, so-called matched nonlinear modulation technique signals (MNLFM signals), can be generated.
Aufgrund dessen, dass der Puls-Kompressionsfilter ein Allpass-Filter ist, d.h. |F(f)|=1, ist die notwendige Form des Übertragungssignalspektrums X(f) gegeben durch |X(f) | = | H(f) |, wobei H(f) der frequenzabhängigen Sende-Empfangsübertragungsfunktion des Ultraschallwandlers entspricht. Ein nichtlinear-frequenzmoduliertes Chirp-Signal x(t), welches dieses Spektrum approximiert, lässt sich entsprechend durch
Da die Amplitude von Chirp-Signalen kontant ist, kann ein solches Anregungssignal mit einer einfachen Treiberschaltung realisiert werden. Hierbei wird zwischen einer positiven und negativen Spannung hin und her geschaltet.Since the amplitude of chirp signals is constant, such an excitation signal can be realized with a simple driver circuit. This switches back and forth between a positive and negative voltage.
In der vorliegenden Erfindung wird ein derart generiertes nichtlinear-frequenzmodulierte Anregungssignal für einen Ultraschallwandler verwendet, wobei Luft als Übertragungsmedium für den Betrieb des Ultraschallwandlers dient.In the present invention, a nonlinear frequency-modulated excitation signal generated in this way is used for an ultrasonic transducer, with air serving as a transmission medium for the operation of the ultrasonic transducer.
Insbesondere umfasst der Ultraschallwandler einen Sender und einen Empfänger.In particular, the ultrasonic transducer comprises a transmitter and a receiver.
Insbesondere ist der Sender dazu eingerichtet das nichtlinear-frequenzmodulierte Anregungssignal zu empfangen und entsprechend des Anregungssignals ein Sendesignal zu senden.In particular, the transmitter is configured to receive the non-linear frequency-modulated excitation signal and to transmit a transmission signal corresponding to the excitation signal.
Insbesondere gibt das Anregungssignal eine Spannung vor, mit der der Sender das Sendesignal generiert.In particular, the excitation signal specifies a voltage with which the transmitter generates the transmission signal.
Insbesondere ist das Sendesignal ein Burst-Signal, mit einer bestimmten zeitlichen Burst-Länge. Insbesondere weist das Sendesignal eine mittlere Frequenz auf. Insbesondere liegt die mittlere Frequenz des Sendesignals in einem Frequenzbereich zwischen 20kHz und 200kHz. Insbesondere liegt die mittlere Frequenz des Sendesignals in einem Frequenzbereich zwischen 30kHz und 60kHz. Insbesondere ein Frequenzgang des von dem Sender gesendeten Sendesignals einem Frequenzgang des Ultraschallwandlers.In particular, the transmission signal is a burst signal with a specific temporal burst length. In particular, the transmission signal has a mean frequency. In particular, the mean frequency of the transmission signal is in a frequency range between 20 kHz and 200 kHz. In particular, the mean frequency of the transmission signal is in a frequency range between 30 kHz and 60 kHz. In particular, a frequency response of the transmission signal sent by the transmitter corresponds to a frequency response of the ultrasonic transducer.
Insbesondere weist das als Burst-Signal gesendete Sendesignal die Form eines Chirp-Signals auf.In particular, the transmission signal sent as a burst signal has the form of a chirp signal.
In einer Verwendung ist der Empfänger des Ultraschallwandlers dazu eingerichtet ein Echo-Signal zu empfangen. Insbesondere ist das Echo-Signal ein von einem Objekt reflektiertes Sendesignal. Insbesondere ist der Empfänger dazu eingerichtet das empfangene Echo-Signal zu verstärken, insbesondere analog zu verstärken.
Insbesondere ist der Empfänger dazu eingerichtet das empfangene Echo-Signal abzutasten. Insbesondere ist der Empfänger dazu eingerichtet das empfangene Echo-Signal zu demodulieren.In one use, the receiver of the ultrasonic transducer is configured to receive an echo signal. In particular, the echo signal is a transmission signal reflected from an object. In particular, the receiver is configured to amplify the received echo signal, in particular to amplify it in analog form.
In particular, the receiver is configured to sample the received echo signal. In particular, the receiver is configured to demodulate the received echo signal.
In einer Verwendung ist der Empfänger dazu eingerichtet ein Empfangssignal an einen Filter zu senden. Insbesondere umfasst das Empfangssignal das von dem Empfänger verstärktem Echo-Signal. Insbesondere entspricht das Empfangssignal dem von dem Empfänger verstärkten Echo-Signal. Insbesondere umfasst das vom Empfänger an den Filter gesendete Empfangssignal ein durch die Elektronik des Empfängers bedingtes Rauschen n(t).
Insbesondere ist der Filter in dem Ultraschallwandler integriert. In one use, the receiver is configured to send a received signal to a filter. In particular, the received signal comprises the echo signal amplified by the receiver. In particular, the received signal corresponds to the echo signal amplified by the receiver. In particular, the received signal sent by the receiver to the filter comprises noise n(t) caused by the electronics of the receiver.
In particular, the filter is integrated into the ultrasonic transducer.
Insbesondere ist der Filter außerhalb des Ultraschallwandlers angeordnet.In particular, the filter is located outside the ultrasonic transducer.
In einer Verwendung ist der Filter dazu eingerichtet das Empfangssignal zu empfangen und zu filtern. Insbesondere ist der Filter dazu eingerichtet einen Phasengang des Ultraschallwandlers zu berücksichtigen.
Insbesondere ist der Filter dazu eingerichtet das Rauschen n(t) aus dem Empfangssignal herauszufiltern.In one use, the filter is designed to receive and filter the received signal. In particular, the filter is designed to take into account a phase response of the ultrasonic transducer.
In particular, the filter is designed to filter out the noise n(t) from the received signal.
In einer Verwendung ist der Filter dazu eingerichtet ein Filter-Ausgangssignal zu senden. Insbesondere umfasst das Filter-Ausgangssignal das gefilterte Empfangssignal. Insbesondere entspricht das Filter-Ausgangssignal dem gefilterten Empfangssignal.In one use, the filter is configured to send a filter output signal. In particular, the filter output signal comprises the filtered received signal. In particular, the filter output signal corresponds to the filtered received signal.
In einer Verwendung wird der Ultraschallwandler mit einer Impulsantwort des Ultraschallwandlers angeregt.In one use, the ultrasonic transducer is excited with an impulse response of the ultrasonic transducer.
In einer Verwendung weist das Anregungssignal beliebige Spannungswerte auf. Insbesondere weist das Anregungssignal nur zwei Spannungspegel auf. Insbesondere ist das Anregungssignal ein rechteckwellenförmiges Signal.In one use, the excitation signal has arbitrary voltage values. In particular, the excitation signal has only two voltage levels. In particular, the excitation signal is a square wave signal.
In einer Verwendung wird eine Übertragungsfunktion H(f) des Ultraschallwandlers gemessen. Insbesondere wird das Anregungssignal in Korrelation der Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers nichtlinear frequenzmoduliert.In one use, a transfer function H(f) of the ultrasonic transducer is measured. In particular, the excitation signal is non-linearly frequency modulated in correlation with the transfer function of the ultrasonic transducer.
In einer Verwendung lässt sich das Anregungssignal mit der Übertragungsfunktion H(f) des Ultraschallwandlers zu
In einer Verwendung lässt sich eine Filterfunktion F(f) des Filters durch die komplexe Konjugation
Messungen mittels Ultraschallsystemen in der Werkstoffprüfung finden zum Teil noch während des Herstellungsprozess des zu untersuchenden Materials in einer Werkhalle bei nahezu konstanten Temperaturen statt.
Für Ultraschallsysteme, die nicht bei konstanten Temperaturen betrieben werden, insbesondere in Ultraschallsystemen, bei denen Luft als Übertragungsmedium dient, kann sich die Sende-Empfangsübertragungsfunktion H(f) in Abhängigkeit der Temperatur verändern, sodass diese entsprechend der Umgebungstemperatur, insbesondere der Temperatur des Übertragungsmediums korrigiert werden sollte, um eine hohe Effizienz zu erzielen.Measurements using ultrasound systems in material testing sometimes take place during the manufacturing process of the material to be tested in a factory hall at almost constant temperatures.
For ultrasonic systems that are not operated at constant temperatures, especially in ultrasonic systems where air is used as the transmission medium, the transmit-receive transfer function H(f) may vary depending on the temperature, so it should be corrected according to the ambient temperature, especially the temperature of the transmission medium, in order to achieve high efficiency.
Somit stellt sich weiter die Aufgabe einer temperaturabhängigen Anpassung der Übertragungsfunktion eines Ultraschallwandlers.This raises the further task of temperature-dependent adaptation of the transfer function of an ultrasonic transducer.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Anpassung eines nichtlinear-frequenzmodulierten Anregungssignals zur Verwendung für einen Ultraschallwandler in Abhängigkeit einer Temperatur eines Übertragungsmediums des Ultraschallwandlers.The object is achieved by a method for adapting a non-linear frequency-modulated excitation signal for use in an ultrasonic transducer as a function of a temperature of a transmission medium of the ultrasonic transducer.
Insbesondere wird das Anregungssignal entsprechend einer temperaturabhängigen Übertragungsfunktion H(f, T) des Ultraschallwandlers generiert.In particular, the excitation signal is generated according to a temperature-dependent transfer function H(f, T) of the ultrasonic transducer.
Insbesondere ist das Übertragungsmedium Luft.In particular, the transmission medium is air.
Insbesondere wird die temperaturabhängige Übertragungsfunktion H(f,T) durch eine Kalibrationsmessung empirisch ermittelt.In particular, the temperature-dependent transfer function H(f,T) is determined empirically by a calibration measurement.
Insbesondere wird während des Betriebs unter Verwendung eines bekannten Temperaturwerts ein an die temperaturabhängige Übertragungsfunktion H(f,T) angepasstes Anregungssignal gewählt. Insbesondere ist der bekannte Temperaturwert ein gemessener Temperaturwert.In particular, during operation, an excitation signal adapted to the temperature-dependent transfer function H(f,T) is selected using a known temperature value. In particular, the known temperature value is a measured temperature value.
Insbesondere wird der bekannte Temperaturwert von dem Ultraschallsensor ermittelt. Insbesondere wird der bekannte Temperaturwert durch ein externes Steuergerät bereitgestellt. Insbesondere ist der bekannte Temperaturwert ein in einer Datenbank gespeicherter Temperaturwert.In particular, the known temperature value is determined by the ultrasonic sensor. In particular, the known temperature value is provided by an external control device. In particular, the known temperature value is a temperature value stored in a database.
In einer Ausgestaltung wird das Anregungssignal in Korrelation zu einem mittels eines Temperatursensors gemessenen Temperaturwerts generiert.In one embodiment, the excitation signal is generated in correlation to a temperature value measured by a temperature sensor.
Insbesondere ist der Temperatursensor in dem Ultraschallwandler integriert.In particular, the temperature sensor is integrated into the ultrasonic transducer.
Insbesondere ist der Temperatursensor außerhalb des Ultraschallwandlers angeordnet.In particular, the temperature sensor is located outside the ultrasonic transducer.
In einer Ausgestaltung wird das Anregungssignal in Korrelation zu einem in einer Datenbank gespeicherten Temperaturwert generiert.In one embodiment, the excitation signal is generated in correlation to a temperature value stored in a database.
Insbesondere ist die Datenbank in dem Ultraschallwandler integriert.In particular, the database is integrated into the ultrasound transducer.
Insbesondere ist die Datenbank außerhalb des Ultraschallwandlers angeordnet.In particular, the database is located outside the ultrasound transducer.
Insbesondere entspricht der in der Datenbank gespeicherte Temperaturwert einem Temperaturwert entsprechend einer Wettervorhersage für einen aktuellen Zeitpunkt an einem aktuellen geographischen Standort.In particular, the temperature value stored in the database corresponds to a temperature value according to a weather forecast for a current point in time at a current geographical location.
Insbesondere entspricht der in der Datenbank gespeicherte Temperaturwert einem von einer Wetterstation gemessenen Temperaturwert, insbesondere für den aktuellen geographischen Standort und den aktuellen Zeitpunkt.In particular, the temperature value stored in the database corresponds to a temperature value measured by a weather station, in particular for the current geographical location and the current time.
Insbesondere entspricht der in der Datenbank gespeicherte Temperaturwert einem über einen bestimmten Zeitraum gemittelten Temperaturwert statistisch ermittelter Temperaturwerte für ein bestimmtes Datum, welches einem aktuellem Datum entspricht, für den aktuellen geographischen Standort.In particular, the temperature value stored in the database corresponds to a temperature value averaged over a certain period of time from statistically determined temperature values for a specific date, which corresponds to a current date, for the current geographical location.
Insbesondere umfasst der Ultraschallwandler eine Vorrichtung, welche dazu eingerichtet ist den aktuellen geographischen Standort des Ultraschallwandlers zu ermitteln.In particular, the ultrasonic transducer comprises a device which is designed to determine the current geographical location of the ultrasonic transducer.
Die Verwendung von NLFM-Anregungssignalen für einen Ultraschallwandler bietet den Vorteil, dass das NLFM-Anregungssignal entsprechend der Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers angepasst werden kann. Auf diese Weise ergibt sich ein durch ein Objekt reflektiertes Echo-Signal, welches eine deutlich größere Amplitude aufweist, als bei einem Echo-Signal unter Verwendung eines LFM-Anregungssignals.The use of NLFM excitation signals for an ultrasonic transducer offers the advantage that the NLFM excitation signal can be adapted according to the transfer function of the ultrasonic transducer. This results in an echo signal reflected by an object that has a significantly larger amplitude than an echo signal using an LFM excitation signal.
Aufgrund der erhöhten Amplitude des Echo-Signals ergibt sich nach einem Herausfiltern eines durch elektronische Bauteile verursachten Rauschens ein deutlich verbessertes Filterausgangssignal mit höherer Amplitude, sodass eine Ortung des das Sendesignal reflektierende Objekts sehr viel genauer stattfinden kann.Due to the increased amplitude of the echo signal, after filtering out noise caused by electronic components, a significantly improved filter output signal with a higher amplitude is obtained, so that the object reflecting the transmitted signal can be located much more precisely.
Dies ist vor allem im Straßenverkehr von großem Vorteil, wobei ein Objekt mittels eines Ultraschallwandlers, der Anregungssignale im kHz-Bereich verwendet und Luft als Übertragungsmedium verwendet, geortet und ggf. identifiziert wird.This is particularly advantageous in road traffic, where an object is located and, if necessary, identified by means of an ultrasonic transducer that uses excitation signals in the kHz range and uses air as a transmission medium.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Funktionen der Erfindung sind in Zusammenhang mit den in den Figuren gezeigten Beispielen erklärt.Further advantageous embodiments, features and functions of the invention are explained in connection with the examples shown in the figures.
Hierbei zeigt:
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1 schematische Darstellung einer Verwendung NLFM-Anregungssignale für einen Ultraschallwandler; -
2 Signalformen für LFM-Signale und NLFM-Signale in einem Betrieb eines Ultraschallwandlers für eine Bandweite von 4kHz- A) Anregungssignale im Vergleich zur Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers;
- B) zeitliche Frequenz-Änderung der Anregungssignale;
- C) Filter-Ausgangssignale für ein LFM-Anregungssignal und ein NLFM-Anregungssignal im Vergleich
-
3 Signalformen für LFM-Signale und NLFM-Signale in einem Betrieb eines Ultraschallwandlers für eine Bandweite von 12kHz- A) Anregungssignale im Vergleich zur Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers;
- B) zeitliche Frequenz-Änderung der Anregungssignale;
- C) Filter-Ausgangssignale für ein LFM-Anregungssignal und ein NLFM-Anregungssignal im Vergleich
-
4 schematische Darstellung einer temperaturabhängigen Anpassung von NLFM-Anregungssignalen zur Verwendung für einen Ultraschallwandler; -
5 Übertragungsfunktionen und Signalformen für NLFM-Signale in einem Betrieb eines Ultraschallwandlers für verschiedenen Temperaturen des Übertragungsmediums- A) NLFM-Anregungssignale im Vergleich zur Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers;
- B) zeitliche Frequenz-Änderung der NLFM-Anregungssignale;
- C) Filter-Ausgangssignale für die jeweiligen NLFM-Anregungssignale im Vergleich
-
1 schematic representation of a use of NLFM excitation signals for an ultrasonic transducer; -
2 Waveforms for LFM signals and NLFM signals in an ultrasonic transducer operation for a bandwidth of 4kHz- A) Excitation signals compared to the transfer function of the ultrasonic transducer;
- B) temporal frequency change of the excitation signals;
- C) Filter output signals for an LFM excitation signal and an NLFM excitation signal in comparison
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3 Waveforms for LFM signals and NLFM signals in an ultrasonic transducer operation for a bandwidth of 12kHz- A) Excitation signals compared to the transfer function of the ultrasonic transducer;
- B) temporal frequency change of the excitation signals;
- C) Filter output signals for an LFM excitation signal and an NLFM excitation signal in comparison
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4 schematic representation of a temperature-dependent adaptation of NLFM excitation signals for use in an ultrasonic transducer; -
5 Transfer functions and waveforms for NLFM signals in an ultrasonic transducer operation for different temperatures of the transmission medium- A) NLFM excitation signals compared to the transfer function of the ultrasonic transducer;
- B) temporal frequency change of the NLFM excitation signals;
- C) Filter output signals for the respective NLFM excitation signals in comparison
Das NLFM Anregungssignal I gibt dem Sender 101 des Ultraschallwandlers 100 eine Spannung vor, entsprechend der der Sender 101 ein Sendesignal II aussendet. Bei dem von dem Sender 101 gesendeten Sendesignal II handelt es sich um ein NLFM-Chirp-Signal.The NLFM excitation signal I provides the
Das als Sendesignal II gesendete Chirp-Signal ist insbesondere ein Burst-Signal. Ein Burst-Signal ist ein Signal einer bestimmten zeitlich vorgegebenen Länge, auch Burst-Länge genannt.The chirp signal sent as transmission signal II is in particular a burst signal. A burst signal is a signal of a certain temporally predetermined length, also called burst length.
Das Sendesignal II ist somit ein NLFM-Chirp-Signal mit einer bestimmten vorgegebenen Burst-Länge.The transmission signal II is thus an NLFM chirp signal with a certain predetermined burst length.
Das Sendesignal II wird durch ein Objekt 200 reflektiert.The transmitted signal II is reflected by an
Ein Empfänger 102 des Ultraschallwandlers 100 empfängt das von dem Objekt 200 reflektierte Echo-Signal III.A
Der Empfänger 102 verstärkt das empfangene Echo-Signal III insbesondere analog.The
Zudem tastet der Empfänger 102 das empfangene Echo-Signal III ab. Weiter demoduliert der Empfänger 102 das empfangene Echo-Signal III.In addition, the
Anschließend sendet der Empfänger 102 das bearbeitete Echo-Signal III als Empfangssignal IV an einen Filter 103.The
Das Empfangssignal IV enthält ein durch die Elektronik des Empfängers 102 verursachtes Rauschen. Dieses Rauschen ist somit gerätespezifisch und folgt einer bekannten zeitabhängigen Funktion, sodass der Filter 103 das Rauschen auf Grundlage dieser bekannten Funktion aus dem Empfangssignal IV herausfiltern kann.The received signal IV contains noise caused by the electronics of the
Nach dem Filtern dient das Filterausgangssignal V des Filters 103 der weiteren Verarbeitung zur Ortung des Objekts 200 und ggf. zur Erkennung der Art des Objekts 200.After filtering, the filter output signal V of the
In dem in
In
In
Der Maximalwert der glockenförmigen Übertragungsfunktion liegt in beiden Beispielen bei einer Frequenz von 40kHz.In both examples, the maximum value of the bell-shaped transfer function is at a frequency of 40kHz.
In
Das LFM-Anregungssignal weist eine steile aufsteigende Flanke bei einer Frequenz von etwa 35kHz bis 37,5kHz auf, wobei die Amplitude des LFM-Anregungssignals in diesem Frequenzbereich einen höheren Wert aufweist, als die Amplitude der Übertragungsfunktion.The LFM excitation signal has a steep rising edge at a frequency of approximately 35kHz to 37.5kHz, whereby the amplitude of the LFM excitation signal in this frequency range has a higher value than the amplitude of the transfer function.
Die glockenförmige Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers weist eine steil abfallende Flanke von ihrem Maximum bei 40kHz bis zu einer Frequenz von etwa 45kHz auf.The bell-shaped transfer function of the ultrasonic transducer has a steeply falling edge from its maximum at 40kHz to a frequency of about 45kHz.
Das LFM-Anregungssignal weist eine steil absteigende Flanke bei einer Frequenz von etwa 42,5kHz bis 45kHz auf, wobei auch hier die Amplitude des LFM-Anregungssignals in diesem Frequenzbereich einen höheren Wert aufweist, als die Amplitude der Übertragungsfunktion.The LFM excitation signal has a steeply falling edge at a frequency of approximately 42.5 kHz to 45 kHz, whereby the amplitude of the LFM excitation signal in this frequency range also has a higher value than the amplitude of the transfer function.
In einem mittleren Frequenzbereich von 37,5kHz bis 42,5kHz, in dem die Übertragungsfunktion ihr Maximum aufweist, weist das LFM-Anregungssignal eine mittlere Amplitude auf, welche weit niedriger ist, als die Amplitude der Übertragungsfunktion.In a middle frequency range of 37.5kHz to 42.5kHz, where the transfer function has its maximum, the LFM excitation signal has a mean amplitude which is much lower than the amplitude of the transfer function.
Somit ist der Anteil des LFM-Anregungssignals, der mit der Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers überlappt, viel kleiner als das LFM-Anregungssignal.Thus, the portion of the LFM excitation signal that overlaps with the transfer function of the ultrasonic transducer is much smaller than the LFM excitation signal.
Eine Anregung des Ultraschallwandlers mit dem LFM-Anregungssignal ist somit nicht sehr effektiv, insbesondere, da die Amplitude des LFM-Anregungssignals im Maximalbereich der Übertragungsfunktion deutlich geringer ist, als die Amplitude der Übertragungsfunktion.Excitation of the ultrasonic transducer with the LFM excitation signal is therefore not very effective, especially since the amplitude of the LFM excitation signal in the maximum range of the transfer function is significantly lower than the amplitude of the transfer function.
Das NLFM-Anregungssignal ist schmaler als das LFM-Anregungssignal und weist gegenüber dem LFM-Anregungssignal eine deutlich höhere Maximalamplitude auf.
Bei der Betrachtung des angepassten NLFM-Anregungssignals lässt sich erkennen, dass das NLFM-Anregungssignal gut mit der Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers übereinstimmt. So liegen die ansteigenden und abfallenden Flanken, sowie die Maxima des NLFM-Anregungssignals und der Übertragungsfunktion in einem Frequenzbereich von etwa 37kHz bis 43kHz nahezu übereinander, sodass es bei einer Anregung des Ultraschallwandlers mittels des angepassten NLFM-Anregungssignals zu vernachlässigbar geringen Verlusten kommt.The NLFM excitation signal is narrower than the LFM excitation signal and has a significantly higher maximum amplitude than the LFM excitation signal.
When looking at the adjusted NLFM excitation signal, it can be seen that the NLFM excitation signal matches the transfer function of the ultrasonic transducer well. The rising and falling edges, as well as the maxima of the NLFM excitation signal and the transfer function, are almost on top of each other in a frequency range of about 37 kHz to 43 kHz, so that when the ultrasonic transducer is excited using the adjusted NLFM excitation signal, there are negligible losses.
Diese Unterschiede zwischen dem LFM-Anregungssignal und dem NLFM-Anregungssignal gegenüber der Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers lassen sich in
Die Frequenz des LFM-Anregungssignals nimmt mit der Zeit konstant linear zu.The frequency of the LFM excitation signal increases linearly over time.
Auch die Frequenz des NLFM-Anregungssignals nimmt mit der Zeit zu, jedoch nicht konstant linear, wie das LFM-Anregungssignal.The frequency of the NLFM excitation signal also increases over time, but not in a constant linear manner like the LFM excitation signal.
Dabei stellt die gepunktete Linie das korrespondierende Filterausgangssignal zu dem NLFM-Anregungssignal dar. Die gestrichelte Linie stellt das korrespondierende Filterausgangssignal zu dem LFM-Anregungssignal dar.The dotted line represents the corresponding filter output signal to the NLFM excitation signal. The dashed line represents the corresponding filter output signal to the LFM excitation signal.
Das zu dem NLFM-Anregungssignal korrespondierende Filterausgangssignal (gepunktete Linie) weist eine deutlich höhere Amplitude auf, als das zu dem LFM-Anregungssignal korrespondierende Filterausgangssignal (gestrichelte Linie).The filter output signal corresponding to the NLFM excitation signal (dotted line) has a significantly higher amplitude than the filter output signal corresponding to the LFM excitation signal (dashed line).
Die deutlich höhere Amplitude des zum NLFM-Anregungssignal korrespondierenden Filterausgangssignals ermöglicht eine genauere Ortung und/oder Erkennung von Objekten, an denen ein vom Ultraschallwandler gesendetes Sendesignal reflektiert wird.The significantly higher amplitude of the filter output signal corresponding to the NLFM excitation signal enables more precise location and/or detection of objects at which a transmission signal sent by the ultrasonic transducer is reflected.
Eine Nutzung von NLFM-Anregungssignalen zur Anregung eines Ultraschallwandlers ist also gegenüber einer Nutzung von LFM-Anregungssignalen zur Anregung des Ultraschallwandlers deutlich effektiver.Using NLFM excitation signals to excite an ultrasonic transducer is therefore significantly more effective than using LFM excitation signals to excite the ultrasonic transducer.
Das NLFM-Anregungssignal kann ein sinusförmiges NLFM-Chirp-Signal oder ein rechteckwellenförmiges NLFM-Chirp-Signal sein.The NLFM excitation signal can be a sinusoidal NLFM chirp signal or a square wave NLFM chirp signal.
Da die Amplitude eines Chirp-Signals keine Informationen trägt, sondern nur die sich zeitlich ändernde Phase, ergibt sich kein informeller Unterschied, ob das NLFM-Anregungssignal ein sinusförmiges NLFM-Chirp-Signal oder ein rechteckwellenförmiges NLFM-Chirp-Signal ist, dessen Phase sich auf gleiche Weise zeitlich ändert.Since the amplitude of a chirp signal does not carry any information, but only the time-varying phase, there is no informal difference whether the NLFM excitation signal is a sinusoidal NLFM chirp signal or a square-wave NLFM chirp signal whose phase changes in the same way over time.
Die Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers 100 ändert sich mit der Temperatur der als Übertragungsmedium dienenden Luft.The transfer function of the
Somit kann es passieren, dass ein an eine Übertragungsfunktion bei Raumtemperatur (ca. 20°C) angepasstes NLFM-Chirp-Anregungssignal zu einem qualitativ minderen Filterausgangssignal führt, wenn die Temperatur der als Übertragungsmedium dienenden Luft von einer der Raumtemperatur entsprechenden Temperatur abweicht.Thus, it may happen that an NLFM chirp excitation signal adapted to a transfer function at room temperature (approx. 20°C) leads to a filter output signal of inferior quality if the temperature of the air serving as the transmission medium deviates from a temperature corresponding to room temperature.
Die temperaturabhängige Anpassung des NLFM-Anregungssignals I erfolgt mit Hilfe eines Temperatursensors 104 und/oder mit Hilfe einer Datenbank 105.The temperature-dependent adaptation of the NLFM excitation signal I is carried out with the aid of a
Der Temperatursensor 104 ist dazu eingerichtet einen Temperaturwert für die Luft, die als Übertragungsmittel des Ultraschallwandlers 100 dient, zu erfassen.The
Mittels dem vom Temperatursensor 104 ermittelten Temperaturwert wird die Übertragungsfunktion H(f,T) des Ultraschallwandlers berechnet.The transfer function H(f,T) of the ultrasonic transducer is calculated using the temperature value determined by the
Das NLFM-Anregungssignal I wird dann entsprechend der für die gemessene Temperatur berechneten Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers 100 angepasst.The NLFM excitation signal I is then adjusted according to the transfer function of the
Alternativ kann die Temperaturanpassung des NLFM-Anregungssignals I mit Hilfe eines in der Datenbank 105 gespeicherten Temperaturwerts erfolgen.Alternatively, the temperature adjustment of the NLFM excitation signal I can be carried out using a temperature value stored in the
Bei diesem gespeicherten Temperaturwert kann es sich um einen Temperaturwert gemäß einer aktuellen Wettervorhersage für den aktuellen Standort des Ultraschallwandlers handeln.This stored temperature value may be a temperature value according to a current weather forecast for the current location of the ultrasonic transducer.
Alternativ kann es sich bei dem gespeicherten Temperaturwert um einen statistischen Temperaturwert handeln, welcher einem Mittelwert, insbesondere einem arithmetischen Mittelwert, für eine Lufttemperatur in Korrelation mit einem Zeitpunkt und einem Standort entspricht, wobei der Zeitpunkt und der Standort dem aktuellen Zeitpunkt und dem aktuellen Standort des Ultraschallwandlers entspricht.Alternatively, the stored temperature value may be a statistical temperature value corresponding to an average value, in particular an arithmetic mean value, for an air temperature in correlation with a time and a location, wherein the time and the location correspond to the current time and the current location of the ultrasonic transducer.
Wird der Ultraschallwandler beispielsweise an einem 01. Januar verwendet, so bildet die Datenbank 105 einen Mittelwert aller für einen 01. Januar gespeicherten Temperaturwerte für den aktuellen Standort.For example, if the ultrasonic transducer is used on January 1st, the
Insbesondere ist die Datenbank 105 mit dem Temperatursensor 104 verbunden. Insbesondere wird ein von dem Temperatursensor 104 gemessener aktueller Temperaturwert zusammen mit dem dazugehörigen Standort und dem dazugehörigen Datum und insbesondere mit der dazugehörigen Uhrzeit in der Datenbank 105 gespeichert.In particular, the
Insbesondere werden zur Erkennung des aktuellen Standorts des Ultraschallwandlers GPS-Koordinaten des Aufenthaltsorts des Ultraschallwandlers ermittelt.In particular, GPS coordinates of the location of the ultrasonic transducer are determined to detect the current location of the ultrasonic transducer.
Die Form und Amplitude der Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers ist je nach Temperatur der als Übertragungsmedium dienenden Luft sehr unterschiedlich.The shape and amplitude of the transfer function of the ultrasonic transducer varies greatly depending on the temperature of the air serving as the transmission medium.
Je höher die Temperatur der Umgebungsluft des Ultraschallwandlers, desto niedriger ist die Amplitude und breiter die Bandbreite der Übertragungsfunktion des Ultraschallwandlers.The higher the temperature of the ambient air of the ultrasonic transducer, the lower the amplitude and wider the bandwidth of the transfer function of the ultrasonic transducer.
Entsprechend muss das NLFM-Anregungssignal an die durch die Umgebungstemperatur geänderte Übertragungsfunktion angepasst werden, um große Verluste der Effektivität zu vermeiden.Accordingly, the NLFM excitation signal must be adapted to the transfer function changed by the ambient temperature in order to avoid large losses in effectiveness.
Je höher die Temperatur der Umgebungsluft des Ultraschallwandlers, umso stärker muss die Modulationsfrequenz mit der Zeit zunehmen, damit das entsprechende NLFM-Anregungssignal ideal an die Übertragungsfunktion für die entsprechende Temperatur angepasst ist.
The higher the temperature of the ambient air of the ultrasonic transducer, the more the modulation frequency must increase over time so that the corresponding NLFM excitation signal is ideally adapted to the transfer function for the corresponding temperature.
Wie auch die Amplituden der NLFM-Anregungssignale, nimmt auch die Amplitude des zugehörigen Filterausgangssignals mit zunehmender Temperatur ab.Like the amplitudes of the NLFM excitation signals, the amplitude of the corresponding filter output signal also decreases with increasing temperature.
Während jedoch die Breite der Signalspektren der NLFM-Anregungssignale mit zunehmender LuftTemperatur zunimmt, nimmt die Breite des zugehörigen Filterausgangssignals mit zunehmender LuftTemperatur ab.However, while the width of the signal spectra of the NLFM excitation signals increases with increasing air temperature, the width of the corresponding filter output signal decreases with increasing air temperature.
Somit ergibt sich für jede Temperatur der Umgebungsluft des Ultraschallwandlers ein deutliches Filterausgangssignal, welches gut aus einem Rauschsignal herausgefiltert werden kann.This results in a clear filter output signal for each temperature of the ambient air of the ultrasonic transducer, which can be easily filtered out from a noise signal.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- UltraschallwandlerUltrasonic transducer
- 101101
- SenderChannel
- 102102
- EmpfängerRecipient
- 103103
- Filterfilter
- 104104
- TemperatursensorTemperature sensor
- 105105
- Datenbank Database
- 200200
- Objekt Object
- II
- AnregungssignalExcitation signal
- IIII
- SendesignalTransmission signal
- IIIIII
- Echo-SignalEcho signal
- IVIV
- EmpfangssignalReception signal
- VV
- Filter-AusgangssignalFilter output signal
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Pollakowski et. al (IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, Vol.41, No.5, Sep. 1994 [0014]Pollakovsky et al. al (IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, Vol.41, No.5, Sep. 1994 [0014]
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2023
- 2023-11-01 CN CN202311444373.3A patent/CN117983519A/en active Pending
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Pollakowski et. al (IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, Vol.41, No.5, Sep. 1994 |
Also Published As
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