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Die
Erfindung betrifft eine Ultraschallwandlervorrichtung, insbesondere
für ein
Parklückenvermessungssystem
bei einem Kraftfahrzeug.
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Aus
dem Stand der Technik, insbesondere aus der
DE 195 12 417 A1 ist ein
piezoelektrischer Ultraschallwandler grundsätzlich bekannt. Der dort offenbarte
Ultraschallwandler umfasst eine Mehrzahl von Lamellen aus piezokeramischem
Material, die beispielsweise als Biegeschwinger ausgebildet sein können. Die
einzelnen Lamellen sind entweder auf einer gemeinsamen Deckplatte
(Membran) oder auf den einzelnen Lamellen individuell zugeordneten Deckplatten
angeordnet. Eine derartige Ausbildung ist besonders zur variablen
und voneinander abweichenden Ansteuerung bezüglich Frequenz, Phasenlage
und/oder Amplitude der einzelnen Lamellen geeignet, wodurch sich
sowohl der Abstrahlwinkel der Schallkeule als auch die Richtung
der Schallausbreitung, also insgesamt die Richtcharakteristik, generell in
weiten Grenzen beeinflussen lassen. Durch Ansteuerung mit beliebig
wählbaren
Impulsmustern in Raum und Zeit ist es prinzipiell möglich, mit
Hilfe des Ultraschallwandlers Körper
in dessen Nachbarschaft im Raum zu ordnen, ihre Entfernung, Größe und Lage
zu bestimmen sowie ihre Bewegung zu verfolgen.
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Weiterhin
ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 38 892 A1 ein Ultraschallwandler
mit einer zu Schwingungen anregbaren Membran bekannt, deren Fläche durch
schwingungsdämpfende
Mittel begrenzt ist. Auf der Membran sind eine Mehrzahl von Piezoelementen
angeordnet, welche mit Hilfe einer Steuereinrichtung angeregt werden können, um
die Membran zum Schwingen zu bringen. Der Ultraschallwandler weist
ein topfförmiges Gehäuse auf,
dessen Topfboden teilweise als Membran ausgebildet ist. Die Membran
wird vorteilhafterweise von den Wänden des topfförmigen Gehäuses umgrenzt;
das heißt,
die Wände
des Gehäuses
bilden die schwingungsunterbindenden Mittel, welche die Membranfläche umgrenzen.
Die Membran und das Gehäuse
können
einstückig
ausgebildet sein. Die Membran kann zum Beispiel mittels Stirnfräsern hergestellt
werden.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, eine
bekannte Ultraschallwandlervorrichtung mit einer Membran und einer
Mehrzahl von auf der Membran angeordneten Piezoelementen derart
weiterzubilden, dass sie möglichst
kostengünstig
die Realisierung einer größeren Palette
von Richtcharakteristiken ihres Gesamtschallfeldes ermöglicht,
ohne dass dafür
ein zusätzlicher
Platzbedarf der Ultraschallwandlervorrichtung erforderlich wäre.
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Diese
Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 beanspruchte Ultraschallwandlervorrichtung
gelöst.
Diese Ultraschallwandlervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die schwingungsdämpfenden
Mittel die Fläche
der Membran kreuzförmig
in Form zweier sich schneidender Längsabschnitte begrenzen.
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Das
Vorsehen eines zweiten Längsabschnittes
zusätzlich
zu dem grundsätzlich
aus dem Stand der Technik bekannten ersten Längsabschnitt und die kreuzförmige Anordnung
dieser beiden Längsabschnitte
in der geometrischen Ausgestaltung der Membranfläche ermöglichen vorteilhafterweise
eine deutlich vergrößerte Palette
beziehungsweise Vielfalt von unterschiedlichen Richtcharakteristiken
bei dem Gesamtschallfeld der Ultraschallwandlervorrichtung gegenüber den
Gesamtschallfeldern von Ultraschallwandlervorrichtungen aus dem
Stand der Technik. Vorteilhaft bei der beanspruchten Ausgestaltung
der Ultraschallwandlervorrichtung, insbesondere bei deren Membran,
ist weiterhin, dass diese erweiterte Palette von Richtcharakteristiken
realisierbar ist, ohne dass dafür
die Gesamtabmessung der Ultraschallwandlervorrichtung vergrößert werden
müsste.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass sich die Vergrößerung der
möglichen
einstellbaren Richtcharakteristiken mit sehr begrenztem zusätzlichen
Kostenaufwand realisieren lässt.
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Der
Bereich des Topfbodens, d.h. die Membran, ist i.d.R. derjenige Teil
des Gehäuses,
der bei einem Einbau der Ultraschallwandlereinrichtung in ein Kraftfahrzeug
jeglichen Umwelteinflüssen
ausgesetzt ist. Eine einstückige
Ausbildung des Gehäuses
und der Membran hat den Vorteil, dass kein Übergang zwischen der Membran
und dem Gehäuse
existiert, sondern, dass das Gehäuse
vielmehr zumindest im Bereich seines Topfbodens, d.h. der Membran
vollständig
geschlossen ist. Insbesondere die darin eingebauten Piezoelemente
sind bei dieser Ausbildung aufgrund des geschlossenen Aufbaus des
Gehäuses gegen
jegliche schädlichen
Umwelteinflüsse
wirksam abgeschirmt.
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Vorteilhafterweise
sind die einzelnen Piezoelemente über den ersten und den zweiten
Längsabschnitt
gleichmäßig verteilt
und können
unabhängig voneinander,
vorzugsweise jedoch längsabschnittsweise
aktiviert beziehungsweise angesteuert werden. Bei einem Einbau der
Ultraschallwandlervorrichtung so, dass die Längsachse des ersten Längsabschnitts
horizontal und die Längsachse
des zweiten Abschnitts vertikal ausgerichtet ist, lassen sich durch geeignete
Ansteuerung zum Beispiel ein horizontal schmales und vertikal breites,
ein horizontal breites und vertikal schmales oder ein horizontal
und vertikal schmales Schallfeld generieren. Diese drei unterschiedlichen
Richtcharakteristiken sind zur Detektion unterschiedlich positionierter
Gegenstände
beziehungsweise Hindernisse in Bezug auf die Position der Ultraschallwandlervorrichtung
unterschiedlich gut geeignet.
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Vorteilhafterweise
ermöglicht
die erfindungsgemäß so ausgebildete
Ultraschallwandlervorrichtung eine genauere Bestimmung der Entfernung
von die Parklücke
begrenzenden Hindernissen und deren Konturen.
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Eine
Kosteneinsparung ohne signifikante Einbußen in dem Detektionsvermögen der
Ultraschallwandlereinrichtung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass im
Bereich eines Kreuzungspunktes der beiden Längsabschnitte kein Piezoelement
angeordnet ist.
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Eine
Anregung der Piezoelemente der beiden Längsabschnitte mit unterschiedlichen
Sendefrequenzen ermöglicht
vorteilhafterweise eine Zuordnung empfangener Echosignale zu den
Piezoelementen als Ultraschallsender in den einzelnen Längsabschnitten
auch bei gleichzeitigem Empfang dieser Echosignale. Diese Unterscheidung
erfolgt dabei durch eine frequenzselektive Filterung der empfangenen
Echosignale.
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Dieselbe
Unterscheidung kann kostengünstiger
auch ohne die angesprochene frequenzselektive Filterung erfolgen,
wenn die Piezoelemente der beiden Längsabschnitte nicht gleichzeitig,
sondern zeitversetzt aktiviert werden. Diese zeitversetzte Aktivierung
der Piezoelemente führt
zwangsläufig
auch zu einem zeitlichen Versatz der zugehörigen empfangenen Echosignale.
Der detektierte Zeitversatz bei den empfangenen Echosignalen ermöglicht dann
einen Rückschluss
auf die Piezoelemente desjenigen Längsabschnittes, welcher für ein jeweils
empfangenes Echosignal angeregt wurde.
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Vorteilhafterweise
sind die Piezoelemente vorzugsweise längsabschnittsweise entweder
als Längsschwinger,
d.h. als Stab oder Stäbchen
aus piezoelektrischem Material, oder als Radialschwinger, d.h. als
flache Scheibe bzw. Zylinder aus piezoelektrischem Material, ausgebildet.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Ultraschallwandlervorrichtung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
Beschreibung sind insgesamt fünf
Figuren beigefügt,
wobei
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1 den
Aufbau der erfindungsgemäßen Ultraschallwandlervorrichtung;
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2 einen
ersten Querschnitt durch die erfindungsgemäß ausgebildete Ultraschallwandlervorrichtung;
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3 einen
zweiten Querschnitt durch die erfindungsgemäß ausgebildete Ultraschallwandlervorrichtung;
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4a die
Richtcharakteristik bei Aktivierung der Piezoelemente eines ersten
Längsabschnitts;
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4b das
Profil der Richtcharakteristik bei Aktivierung der Piezoelemente
gemäß 4a;
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5a die
Richtcharakteristik bei Aktivierung der Piezoelemente eines zweiten
Längsabschnitts;
und
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5b ein
Profil der Richtcharakteristik der Ultraschallwandlervorrichtung,
wie es bei Anregung der Piezoelemente in dem zweiten Längsabschnitt entsteht.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Form von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die genannten Figuren detailliert beschrieben.
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1 zeigt
den Aufbau einer Ultraschallwandlervorrichtung 100 gemäß der Erfindung.
Sie findet insbesondere bei Parklückenvermessungssystemen, eingebaut
in den Seitenbereich eines Kraftfahrzeugs Kfz Anwendung. Die Ultraschallwandlervorrichtung 100 umfasst
ein topfförmiges Gehäuse, wobei
ein Teil von dessen Topfboden als Membran 140 ausgebildet
ist. Die Membran wird durch die Wände 130' des Gehäuses 130 als schwingungsdämpfende
Mittel begrenzt. Das Gehäuse
und die Membran können
einstückig,
vorzugsweise aus Metall, zum Beispiel Aluminium, ausgebildet sein. 1 zeigt
einen Blick in das Innere des topfförmigen Gehäuses 130 auf den Topfboden
und insbesondere die Membran 140. Auf der Membran 140 sind
eine Mehrzahl von Piezoelementen 110-i mit i = 1 ... 5 verteilt angeordnet.
Die Piezoelemente können
sowohl als Biegeschwinger wie auch als Kolbenschwinger ausgebildet
sein.
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Erfindungsgemäß ist die
Fläche
der Membran 140 kreuzförmig
in Form eines ersten und eines zweiten sich schneidenden Längsabschnittes
A-B, C-D ausgebildet. Dementsprechend kann eine erste dem ersten
Längsabschnitt
A-B zugeordnete Gruppe von Piezoelementen 110-4, 110-2 und 110-5 von
einer zweiten, dem zweiten Längsabschnitt
C-D zugeordneten Gruppe von Piezoelementen 110-1, 110-2 und 110-3 unterschieden
werden.
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Bei
der soeben erwähnten
Gruppenaufteilung wurde das Piezoelement 110-2 sowohl dem
ersten wie auch dem zweiten Längsabschnitt
zugeordnet, weil es im Kreuzungsbereich der beiden Längsabschnitte
A-B und C-D liegt. Dieses zentrale Piezoelement 110-2 kann
bei der Ultraschallwandlervorrichtung 100 gemäß der Erfindung
auch entfallen. Dadurch werden Kosten eingespart, ohne dass die Funktionsfähigkeit
der Ultraschallwandlervorrichtung 100 dadurch wesentlich
eingeschränkt
würde.
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Die
Ultraschallwandlervorrichtung 100 umfasst weiterhin eine
Steuereinrichtung 120 zum Aktivieren der Piezoelemente
110-i mit i = 1 ... 5 unabhängig
voneinander. Die Ansteuerung erfolgt dabei jedoch vorzugsweise so,
dass ein aus einer Überlagerung
der Schallfelder der einzelnen Piezoelemente resultierendes Gesamtschallfeld
der Ultraschallwandlervorrichtung 100 eine gewünschte Richtcharakteristik
aufweist. Verschiedene Verfahren für besonders vorteilhafte Ansteuerungen
der Piezoelemente werden weiter unten unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beispielhaft
beschrieben.
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2 zeigt
einen ersten Querschnitt durch die erfindungsgemäß ausgebildete Ultraschallwandlervorrichtung 100 entlang
der Schnittlinie I-I gemäß 1.
Das Gehäuse 130 und
die Membran 140 sind einstückig aus Metall ausgebildet.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Dicke der Membran jedoch auch bei
diesem ersten Querschnitt I-I mit einer Dicke von beispielsweise
nur einigen μm
wesentlich dünner
ist als die die Membran 140 begrenzende Wand 130' des Gehäuses 130.
Die Linien a und b in 2 repräsentieren die erfindungsgemäßen Eckpunkte
der Wandungen 130' gemäß 1.
Weiterhin sind bei diesem ersten Querschnitt I-I der Ultraschallwandlervorrichtung 100 die
auf der Gehäuseinnenseite
auf der Membran 140 angeordneten Piezoelemente 110-4, 110-2 und 110-5 zu
erkennen. Sie alle sind auf derselben Membran 140 angeordnet
und regen diese bei Anregung durch das Steuergerät 120 zu Schwingungen
an. Die Piezoelemente sind vorzugsweise als Biegeschwinger ausgebildet
und werden dann in einem Radialmode betrieben, das heißt sie dehnen sich
in radialer Richtung, das heißt
in Richtung der Membranebene aus. Aufgrund dieser Ausdehnungsrichtung
und ihrer vorausgesetzten festen Verbundenheit mit der Membran 140 wird
die Membran gezwungen, sich bei Anregung der Piezoelemente 110-4, 110-2 und 110-5 durch
das Steuergerät 120 zu verbiegen;
genauer gesagt schwingt die Membran dann in Abstrahlrichtung R.
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3 zeigt
einen zweiten Querschnitt durch die erfindungsgemäß ausgebildete
Wandlervorrichtung 100 entlang des Schnittes II-II in 1.
In dieser Figur ist verdeutlicht, dass die Wände 130' der Ultraschallwandlervorrichtung 130 in
der hier gezeigten Schnittebene wesentlich dicker ausgeprägt sind
als in der Schnittebene gemäß 2.
Entsprechend der in 3 gewählten Schnittebene ist hier
auch lediglich das Piezoelement 110-3 auf der Membran 140 im Inneren
des Gehäuses
der Ultraschallwandlervorrichtung zu erkennen.
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Die
in den 1, 2 und 3 veranschaulichte
konstruktive Ausgestaltung der Membran der Ultraschallwandlervorrichtung 100 hat
den Vorteil, dass sie preisgünstig
zum Beispiel durch Stirnfräser
oder Fließpressen
realisierbar ist.
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Generell
werden die einzelnen Piezoelemente von dem Steuergerät 120 der
Ultraschallwandlervorrichtung 100 unabhängig voneinander gemäß einem
erfindungsgemäßen Verfahren
angesteuert. Auf diese Weise sind unterschiedliche Richtcharakteristiken
des von der Ultraschallwandlervorrichtung 100 abgestrahlten
Gesamtschallfeldes realisierbar. Die unterschiedlichen Richtcharakteristiken
führen zwangsläufig zu
unterschiedlichen empfangenen Echosignalen, weil die Schallwellen
des ausgesandten Schallfeldes dann in unterschiedlicher Weise an Hindernissen
in der Umgebung der Ultraschallwandlervorrichtung 100 reflektiert
werden. Vorzugsweise werden die einzelnen Piezoelemente jedoch nicht beliebig,
sondern gruppenweise entsprechend der oben erwähnten ersten oder zweiten Längsabschnitte
A-B, C-D angesteuert. Insbesondere für die Anwendung der beanspruchten
Ultraschallwandlervorrichtung zur Parklückenvermessung hat sich dies
als vorteilhaft erwiesen.
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Für die nachfolgend
beschriebenen verschiedenen Varianten zur Ansteuerung der oben beschriebenen
Ultraschallwandlervorrichtung ist die Vorrichtung vorzugsweise so
in einem Fahrzeug eingebaut, dass der erste Längsabschnitt A-B mit den Piezoelementen 110-4, 110-2 und 110-5 horizontal und
der zweite Längsabschnitt
C-D mit den Piezoelementen 110-1 und 110-3 vertikal
zur Fahrbahnoberfläche
ausgerichtet ist.
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Bei
dieser Ausrichtung der Piezoelemente ist es gemäß einer ersten Variante des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Erkennung von tief liegenden Hindernissen vorteilhaft, wenn
nur die horizontal ausgerichteten Piezoelemente 110-4, 110-2 und 110-5 des
ersten Längsabschnitts
aktiviert beziehungsweise angeregt werden. Die Ultraschallwandlervorrichtung 100 generiert
dann ein vertikal ausgerichtetes Schallfeld, wie es in 4a durch
die gestrichelte Linie angedeutet ist. Bei geeigneter Anordnung
und Ausrichtung der Ultraschallwandlervorrichtung 100 im Fahrzeug,
das heißt
insbesondere bei geeigneter Neigung, werden zumindest Teile dieses
vertikal ausgerichteten Schallfeldes auch die Straßenoberfläche erreichen
und an den besagten tief liegenden Hindernissen reflektiert werden
können.
Die 4b zeigt das Profil beziehungsweise den Querschnitt
des Schallfeldes gemäß 4a,
wie er zu erkennen ist, wenn die Ultraschallwandlervorrichtung 100 in
den Seitenbereich des Fahrzeugs eingebaut ist und das Schallfeld
in vertikaler Richtung betrachtet wird. Die Keule in 4b ist
in horizontaler Richtung relativ schlank.
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Gemäß einer
zweiten Variante zur Ansteuerung der Ultraschallwandlervorrichtung
werden nicht die Piezoelemente des ersten Längsabschnitts C-D, sondern
die Piezoelemente des zweiten Gruppe, das heißt die Piezoelemente 110-1, 110-2 und 110-3 vorzugsweise
gleichzeitig aktiviert. Die Ultraschallwandlervorrichtung 100 bildet
dann ein Schallfeld aus, wie es in 5a durch
die gestrichelte Linie angedeutet ist. Dieses Schallfeld ist jetzt – im Unterschied
zu dem in 4a gezeigten Schallfeld – horizontal
ausgerichtet, was auch in 5b bei
Betrachtung des Schallfeldes in vertikaler Richtung, das heißt senkrecht
zur Papier- beziehungsweise Fahrbahnebene, erkennbar ist. Ein derartiges
horizontal breit ausgerichtetes Ultraschallfeld ist besonders gut
geeignet zur Erkennung von schmalen Hindernissen oder Hindernissen,
deren Reflexionsflächen
sich in einem ungünstigen
Winkel zu der Ultraschallwandlervorrichtung 100 befinden.
Solche Hindernisse sind insbesondere die Kotflügel eines am Straßenrand
parkenden Kfz, wenn dieses eine Parklücke begrenzt.
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Gemäß einer
dritten Variante des Verfahrens zur Ansteuerung des Ultraschallwandlervorrichtung 100 werden
die Piezoelemente 110-1 ... -5 gleichzeitig angesteuert.
Es ergibt sich dann ein schmales schlankes Schallfeld (nicht gezeigt)
mit einer Abstrahlrichtung senkrecht zur Ebene der Membran 140.
Dieses Schallfeld ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch, das
heißt
weder in vertikaler noch in horizontaler Richtung besonders ausgeprägt. Ein
solches Schallfeld ist besonders gut geeignet zur Erkennung von
Hindernissen, die sich in großer
Entfernung zu der Ultraschallwandlervorrichtung befinden.
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Grundsätzlich sind
auch andere Ansteuervarianten denkbar, welche dann zu anderem Abstrahlverhalten
führen.
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So
ist es insbesondere bei gleichzeitigem Betrieb der Piezoelemente
in dem ersten und dem zweiten Längsabschnitt
A-B, C-D sinnvoll,
die Piezoelemente in den beiden Längsabschnitten mit jeweils unterschiedlichen
Sendefrequenzen zu betreiben. Dies hat den Vorteil, dass die dazugehörigen empfangenen
Echosignale auch diese beiden Frequenzen aufweisen. Mit Hilfe geeigneter
Frequenzfilter kann dann bei einem empfangenen Echosignal aufgrund
dessen Frequenz auf dasjenige Piezoelement beziehungsweise auf denjenigen
Längsabschnitt
zurückgeschlossen
werden, der für
die Generierung des empfangenen Echosignals verantwortlich war.
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Werden
die einzelnen Piezoelemente beziehungsweise die Piezoelemente in
dem ersten und zweiten Längsabschnitt
zeitversetzt aktiviert, so lässt sich
die beschriebene Zuordnung von Piezoelementen und Echosignal auch
ohne die Aktivierung der Piezoelemente mit unterschiedlichen Sendefrequenzen
und ohne die Verwendung der besagten Frequenzfilter realisieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird vorzugsweise in Form eines Computerprogramms für die Steuereinrichtung 120 der
Ultraschallwandlervorrichtung 100 realisiert. Dieses Computerprogramm kann
gegebenenfalls zusammen mit weiteren Computerprogrammen auf einem
Datenträger
abgespeichert sein. Bei dem Datenträger kann es sich um eine Diskette,
eine Compact Disc, einen sogenannten Flash-Memory oder dergleichen
handeln. Das auf dem Datenträger
abgespeicherte Computerprogramm kann dann als Produkt an einen Kunden übertragen
oder verkauft werden. Alternativ zu einer Übertragung per Datenträger kann
das Computerprogramm auch ohne die Zuhilfenahme des Datenträgers zum
Beispiel über
ein elektronisches Kommunikationsnetzwerk, insbesondere das Internet,
an den Kunden übertragen
werden.