DE112016005038B4

DE112016005038B4 - Techniken zur Bereitsstellung einer Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung mit einer Vielzahl von Schmalband-Wandlerarrays und ein Verfahren zur Wildtierabwehr unter Verwendung derselben

Info

Publication number: DE112016005038B4
Application number: DE112016005038.0T
Authority: DE
Inventors: Thomas J. Nostrand; Cody Spiegel; Dale E. Williams; Junda Zhu
Original assignee: NRG Systems Inc
Current assignee: NRG Systems Inc
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2016-11-03
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2036-11-04
Also published as: DE112016005038T5; US20180206477A1; WO2017079435A1; US11399534B2; CN108348158A; WO2017079435A9; CN108348158B

Abstract

Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD), aufweisend:
eine Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6), die mit einem Gehäuseabschnitt (402) verbunden sind, wobei jede der Piezo-Subarrayplatten (409-1,409-2,...,409-6) einer anderen einzigen Nennresonanzfrequenz zugeordnet ist und eine Vielzahl von Öffnungen (310-1,310-2,...,310-5) aufweist, und jede der Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6) eine Vielzahl von piezoelektrischen Wandlerelementen (308-1,308-2,...,308-5), die jeweils mit einer jeweiligen Öffnung der Vielzahl von Öffnungen (310-1,310-2,...,310-5) verbunden sind und jedes der piezoelektrischen Wandlerelemente (308-1,308-2,...,308-8) konfiguriert ist, um Ultraschallenergie bei einer einzigen Nennresonanzfrequenz zu emittieren, die jeder Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,..., 409-6) zugeordnet ist; und
eine Treiberschaltung (106), die elektrisch mit jeder der Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6) verbunden ist, wobei die Treiberschaltung (106) konfiguriert ist, um zu bewirken, dass jede der Vielzahl von Piezo-Subarrays-Platten (409-1,409-2,...,409-6) gleichzeitig Ultraschallenergie bei der einzigen Nennresonanzfrequenz, die jeder Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) zugeordnet ist, emittiert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Ultraschallwandlervorrichtungen und insbesondere auf eine Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung mit mehreren piezoelektrischen Wandler-Subarrays zur Verwendung in Abschreckungsanwendungen.
Hintergrundinformation
Viele Formen erneuerbarer Energien wie Windturbinen gefährden Wildtiere wie Fledermäuse und andere Tiere, die Lebensräume in unmittelbarer Nähe haben. Einige Lösungen zur Abschreckung von Wildtieren umfassen die Verwendung von Ultraschallwandlervorrichtungen (UTDs), die spezifische Frequenzen mit einem ausreichenden Schalldruckpegel (SPL) ausgeben, um Tiere zu veranlassen, gefährliche Bereiche zu meiden. Zum Beispiel kann eine Windturbinenstruktur mehrere UTDs umfassen, die an strategischen Orten angebracht sind, um zu verhindern, dass Fledermäuse durch Turbinenschaufeln getötet oder verletzt werden. Ein solcher Ansatz beinhaltet die Verwendung von elektrostatischen Ultraschallwandlern (ETU). Solche ETU-Wandlergeräte sind oft nicht zuverlässig und unterliegen kurzen MTBFs in Außen- und Industrieumgebungen.
Aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise der US 6 166 996 A und der US 2014 / 0 269 204 A1 , sind unterschiedliche Breitband-Ultraschallwandlervorrichtungen bekannt.
Ausgehend von den Nachteilen im Zusammenhang mit den oben genannten ETU-Wandlergeräten ist es eine Aufgabe der Erfindung, insgesamt zuverlässigere Ultraschallwandlervorrichtungen zur Abschreckung zur Verfügung zu stellen.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale und Vorteile werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen besser verständlich:

1 zeigt eine schematische Ansicht eines beispielhaften Breitband-Ultraschallwandlers (UTD), der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist.
2 zeigt einen Graphen, der den Schalldruckpegel (SPL) gegenüber dem Frequenzverlauf eines elektrostatischen Wandlers mit dem überlagerten Frequenzbereich von sechs (6) schmalbandigen piezoelektrischen Wandlern darstellt.
3A zeigt eine beispielhafte Piezo-Subarray-Platte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3B zeigt eine Querschnittsansicht der Piezo-Subarray-Platte aus 1 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt eine beispielhafte perspektivische Ansicht eines Breitband-UTD-Gehäuses mit einem Array von damit gekoppelten Piezo-Subarray-Platten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt eine andere beispielhafte perspektivische Ansicht des Breitband-UTD-Gehäuses aus 4 mit Abdeckungsabschnitten, die mit jeder jeweiligen Piezo-Subarray-Platte gekoppelt sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt eine andere beispielhafte perspektivische Ansicht einer Rückseite des Breitband-UTD-Gehäuses von 4 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
7 zeigt einen beispielhaften Prozess zum Ansteuern einer Mehrzahl von Piezo-Subarrays, um eine zufällige Resonanzfrequenz zu emittieren, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
8 zeigt ein beispielhaftes Zeitdiagramm für einen Breitband-UTD während der Ausführung des beispielhaften Prozesses von 7.
9 zeigt ein anderes beispielhaftes Verfahren zum Ansteuern einer Mehrzahl von Piezo-Subarrays, um farbiges weißes Rauschen zu emittieren, oder um jede Piezo-Subarray-Platte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit einer einzigen Resonanzfrequenz emittieren zu lassen.
10 zeigt ein beispielhaftes Zeitdiagramm für einen Breitband-UTD während der Ausführung des beispielhaften Prozesses von 9.
11 zeigt einen beispielhaften Prozess zur Frequenzeinstellung durch einen Breitband-UTD gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
12A zeigt eine Polardarstellung, die eine ½ Strahlbreite für ein elektrostatisches Wandlerelement wiedergibt, das in einigen Abschreckeinheiten verwendet wird.
12B zeigt ein dreidimensionales Diagramm für die ½ Strahlbreite für ein elektrostatisches Wandlerelement.
13A zeigt ein Polardiagramm, das eine ½ Strahlbreite für einen UTD darstellt, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist.
13B gibt ein dreidimensionales Diagramm für die ½ Strahlbreite für einen UTD, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist, wieder.
14 zeigt eine beispielhafte perspektivische Ansicht eines Breitband-UTD gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
15 zeigt eine andere beispielhafte perspektivische Ansicht des Breitband-UTD von 14 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
16 zeigt eine Querschnittsansicht des Breitband-UTD von 15 entlang der Linie A-A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
17 zeigt ein flexibles leitfähiges Material, das Piezoelemente elektrisch mit zugehörigen Schaltungen eines Breitband-UTD gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung koppelt.
18 zeigt eine andere Querschnittsansicht des UTD von 14 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
19 zeigt eine beispielhafte Querschnittsansicht eines Piezoelements, das über ein leitfähiges Haftmittel mit einer Piezo-Subarray-Platte gekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG
Wie oben diskutiert, arbeiten Breitband-ETU-Wandler in Umgebungen schlecht, in denen die ETU-Wandler Staub, Feuchtigkeit und anderen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Einige Breitband-ETU-Wandler umfassen zusätzliche Schutzvorrichtungen, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, z.B. sekundär abgedichtete Gehäuse, aber diese zusätzlichen Schutzvorrichtungen erhöhen die Komplexität der Konstruktion und die Kosten. Darüber hinaus umfassen ETU-Wandler eine allgemein begrenzte Strahlbreite, die eine relativ große Anzahl von Vorrichtungen erfordert, um einen ausreichenden Schutzbereich ohne tote Zonen sicherzustellen. Zum Beispiel zeigt 12A ein Polardiagramm für einen beispielhaften Breitband-ETU-Wandler und veranschaulicht ein Strahlwinkel-Strahlungsmuster mit einem Strahlungswinkel von ± 7,5 Grad für einen ½ Strahl. 12B veranschaulicht das gleiche Strahlwinkel-Strahlungsmuster von ± 7,5 Grad für einen ½ Strahl in einer dreidimensionalen Darstellung. Diese Beschränkungen begrenzen die Entwicklung kostengünstiger, robuster und zuverlässiger Vorrichtungen von Abschreckungseinheiten (DU) erheblich.
Somit wird gemäß einer Ausführungsform ein Breitband-Ultraschallwandler (UTD) offenbart, der eine Vielzahl von schmalbandigen piezoelektrischen Elementen verwendet, die in Einfrequenz-Subarrays gruppiert sind, um eine relativ einfache, hochzuverlässige Abschreckungseinheit (DU) bereitzustellen, die in der Lage ist, Ultraschallenergie über ein breites Abdeckungsgebiet bei einem SPL zu emittieren, der andere DU-Ansätze erfüllt oder übertrifft. In einer Ausführungsform umfasst der Breitband-UTD einen Gehäuseabschnitt, der konfiguriert ist, um mit einer Vielzahl von Piezo-Subarrays oder Piezo-Subarray-Platten gekoppelt zu werden. Jede Piezo-Subarray-Platte umfasst eine Vielzahl von maschinell bearbeiteten Taschen oder Hohlräumen, um jeweilige schmalbandige (z.B. 1 kHz bis 3 kHz) piezoelektrische Wandlerelemente mit Eigenschaften, z.B. Geometrien, Materialzusammensetzung, aufzunehmen, die bewirken, dass jede Piezo-Subarray-Platte Ultraschallenergie mit einer nominalen Resonanzfrequenz emittiert. Jede Piezo-Subarray-Platte emittiert daher mit einer Einzelfrequenz, wobei jedes der zugeordneten Piezoelemente in einem allgemeinen Sinne diese Einzelfrequenz verstärkt. Der Gehäuseabschnitt des Breitband-UTD enthält ein Array der Piezo-Subarray-Platten, um Breitbandemissionsfähigkeiten bereitzustellen, was besonders vorteilhaft bei Anwendungen von Abschreckungseinheiten (DU) ist.
Eine solche beispielhafte Bandbreite von Interesse, die besonders gut für die Abschreckung von Wildtieren geeignet ist, liegt bei 20 kHz bis 60 kHz, was der Frequenzbereich ist, der weißes Rauschen kennzeichnet. Weißes Rauschen, wie es hierin allgemein bezeichnet wird, bezieht sich auf ein zufällig erzeugtes Signal mit einer konstanten spektralen Leistungsdichte, die eine endliche Bandbreite enthält. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wurde auch festgestellt, dass ein konstanter Output oder ein Output mit einer einzigen Frequenz die Wildtiere auch bei Nullstellen oder Lücken zwischen Frequenzen ausreichend abschrecken kann. Eine Breitband-UTD, die gemäß der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist, kann ein Steuerschema implementieren, um zu entscheiden, wann jede Piezo-Subarray-Platte zum Ausstrahlen von Ultraschallenergie in einem bestimmten Muster angesteuert wird, um sich beispielsweise weißem Rauschen anzunähern oder um jede Piezo-Subarray-Platte mit einer einzigen Frequenz anzusteuern. Es sei angemerkt, dass ein Breitband-UTD, der gemäß der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist, nicht notwendigerweise auf eine Frequenz im Bereich von 20 kHz und 60 kHz beschränkt ist und abhängig von einer gewünschten Konfiguration zum Ausgeben anderer Frequenzen beispielsweise bis zu und über 100 kHz ausgelegt sein kann.
In dem Fall von weißem Rauschen, der als der Weißrauschmodus bezeichnet werden kann, kann der Breitband-UTD zu einem gegebenen Zeitpunkt eine Anzahl von N Piezo-Subarray-Platten ansteuern, wobei jede Piezo-Subarray-Platte angesteuert wird, um eine zufällig ausgewählte Frequenz für eine relativ kurze Zeitspanne, z.B. eine vorbestimmte Verweilzeit, zu emittieren. Im Fall einer Einzelfrequenz, der als Einzelfrequenzmodus bezeichnet werden kann, kann der Breitband-UTD gleichzeitig jede Piezo-Subarray-Platte für eine kurze Zeitspanne, z.B. eine vorbestimmte Verweilzeit, auf einer zugeordneten Frequenz ansteuern. In diesem Fall führt der Nettoeffekt über einen Zeitraum T zu einem maximalen SPL, der von dem Breitband-UTD emittiert wird, von dem festgestellt wurde, dass er sich im Wesentlichen ähnlich zu dem weißem Rauschen in Abschreckungsanwendungen verhält. In einigen Fällen kann der Breitband-UTD dynamisch zwischen Weißrauschmodi und Einzelfrequenzmodi während des Betriebs wechseln, abhängig von einer gewünschten Konfiguration.
Die Breitband-UTD, die hierin verschiedenartig offenbart ist, bietet zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Ansätzen für DUs, wie zum Beispiel den oben diskutierten ETU-Wandlern. Zum Beispiel verwendet ein Breitband-UTD, der gemäß der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist, vorteilhafterweise mehrere Einzelfrequenz-Piezoplattenarrays, die hier als Piezo-Subarray-Platten bezeichnet werden sollen. Jedes der Piezoelemente der Piezo-Subarray-Platten kann ein Strahlwinkel-Strahlungsmuster eines ½ Strahls von etwa +/- 30 Grad oder mehr ausgeben. Ein solches Beispiel für ein Strahlwinkel-Strahlungsmuster eines ½ Strahls ist in den 13A und 13B gezeigt. Zusammen können die Piezo-Subarrayplatten ein Strahlwinkel-Strahlungsmuster von ungefähr 90 Grad ausgeben. Somit kann eine geringere Anzahl von Breitband-UTD-Vorrichtungen eingesetzt werden, um einen vorgegebenen Bereich im Verhältnis zu anderen Ansätzen zu schützen, die ein relativ schmales Strahlwinkel-Strahlungsmuster haben. Umweltschutzvorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung piezoelektrischer Wandlerelemente vom geschlossenen Typ gebaut werden, was das Design weiter vereinfachen und die Kosten pro Einheit reduzieren kann, während die durchschnittliche Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) für jede Einheit verlängert wird. Darüber hinaus können piezoelektrische Wandlerelemente eine niedrigere Betriebsspannung als andere Ansätze, z.B. ETU-Wandlervorrichtungen, benutzen, was die Verwendung von relativ einfacheren und kostengünstigeren Treiberschaltungen und - komponenten ermöglicht.
Beispiel eines Breitband-Ultraschallwandlers (UTD) und Betrieb
1 zeigt eine beispielhafte Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD) 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Breitband-UTD 100 ist in einer stark vereinfachten Form gezeigt, und andere Ausführungsformen liegen ebenfalls im Umfang dieser Offenbarung. Wie gezeigt, umfasst die Breitband-UTD 100 ein Gehäuse 102. Das Gehäuse 102 weist eine Steuerung 104 bzw. einen Controller, eine Vielzahl von Kanälen, die kollektiv als Kanaltreiber 106 gezeigt sind, und einzeln als Kanaltreiber 106-1 ... 106-N gezeigt sind, eine Anordnung von piezoelektrischen Wandlern 108 und eine Stromversorgungsschaltung 112 auf.
Verschiedene hierin offenbarte Szenarien und Beispiele umfassen die Verwendung der Breitband-UTD 100 in Außenumgebungen oder jeder anderen Umgebung, bei der Staub, Hitze, Feuchtigkeit und anderen Bedingungen beachtet werden müssen. Das Gehäuse 102 kann widerstandsfähig gemacht und abgedichtet sein, um das Eindringen solcher Verunreinigungen zu verhindern. In einigen speziellen beispielhaften Fällen kann das Gehäuse 102 mit Standards für den Schutz vor Eindringen (IP) konform sein und eine IP67-Einstufung für das Gehäuse 102 und zugehörige Kabel und Verbinder (nicht gezeigt) haben, wie in ANSI/IEC 60529 Ed. 2.1b definiert, obwohl andere IPXY-Bewertungen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung liegen, wobei X den Schutz vor Feststoffen und Y den Schutz vor Flüssigkeiten bezeichnen. In einigen Fällen weist das Gehäuse 102 einen Kunststoff, Polycarbonat oder ein anderes geeignetes steifes Material.
Wie unten erörtert, umfasst eine Ausführungsform des Gehäuses 102 ein mehrteiliges Gehäuse mit mindestens einem entfernbaren Abschnitt, z.B. einem oder mehreren Abdeckungsabschnitten, um eine Wartung der Breitband-UTD 100 zu ermöglichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine abnehmbare Abschnitt mit dem Gehäuse 102 gekoppelt und bildet eine vorbeugende Dichtung, z.B. über einen O-Ring oder eine andere geeignete Vorrichtung, um das Eindringen von Verunreinigungen wie Wasser, Schmutz und/oder anderem kontaminierenden Material, das in einer vorgegebenen Betriebsumgebung vorhanden ist, zu verhindern. Einige solcher beispielhafter Abdeckungsabschnitte 504-1 bis 504-6 sind in 5 deutlicher gezeigt.
Während die beispielhafte Ausführungsform von 1 jede Komponente innerhalb des Gehäuses 102 zeigt, ist diese Offenbarung in dieser Hinsicht nicht notwendigerweise beschränkt. Zum Beispiel können sich die Stromversorgungsschaltung 112 und die Steuerung 104 nicht zusammen mit dem Kanaltreiber 106 und der Anordnung bzw. dem Array der piezoelektrischen Wandler 108 in dem Gehäuse 102 befinden, z.B. nebeneinander angeordnet sein. Zahlreiche andere Alternativen und Abwandlungen liegen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung.
Der Controller bzw. die Steuerung 104 umfasst mindestens eine Verarbeitungsvorrichtung/-schaltung, wie beispielsweise einen digitalen Signalprozessor (DSP), ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), einen RISC-Prozessor (Reduced Instruction Set Computer), einen x86-Befehlssatzprozessor, einen Mikrocontroller oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Aspekte des Controllers 104 können zum Beispiel unter Verwendung von Software (z.B. C oder C++, die auf dem Controller/Prozessor 104 ausgeführt wird), Hardware (z.B. hartcodierte Gate-Logik oder speziell gebautes Silizium) oder Firmware (z.B. eingebettete Routinen, die auf einem Mikrocontroller ausgeführt werden) oder irgendeine Kombination davon implementiert werden. In einer Ausführungsform kann der Controller 104 konfiguriert sein, um jeweils die Prozesse 700, 900 bzw. 1100 auszuführen.
Die Stromversorgungsschaltung 112 kann eine beliebige geeignete Anordnung zum Zuführen von Strom zu der Breitband-UTD 100 sein. Die Stromversorgungsschaltung 112 kann zum Empfangen von Strom von einer externen Quelle (z.B. von einer Wechselspannung-Hauptleitung) und/oder über eine oder mehrere Batterien (nicht gezeigt) konfiguriert sein. Obwohl die Stromversorgung 112 elektrisch gekoppelt mit der Steuerung gezeigt ist, kann die Stromversorgung 112 zum Beispiel mit jedem der Kanaltreiber 106 gekoppelt sein, um während des Betriebs der Breitband-UTD 100 Energie bereitzustellen.
Jeder der Kanaltreiber 106 kann eine Verstärkungsschaltung und eine Piezo-Treiberschaltung aufweisen, um zugeordnete piezoelektrische Wandler der Anordnung von Wandlern 108 basierend auf einem Signal, das beispielsweise von der Steuerung 104 empfangen wird, anzutreiben. Jeder der piezoelektrischen Wandler der Anordnung von Wandlern 108 kann als Wandler vom geschlossenen Typ ausgeführt sein, die hermetisch abgedichtet sein können. Eingeschlossene Wandler können für Außenumgebungen besonders vorteilhaft sein, da sie das Eindringen von Verunreinigungen verhindern, und auch für Innenräume, die durch Staub und/oder andere Verunreinigungen gekennzeichnet sind. Jeder der piezoelektrischen Wandler kann ein Metallgehäuse mit einer integralen Metallmembran umfassen. Eine Rückseite jedes piezoelektrischen Wandlers kann vollständig mit einem Harz oder einem anderen geeigneten Dichtungsmittel abgedichtet sein, um das Eindringen von Verunreinigungen in einer gegebenen Umgebung zu verhindern. Andere piezoelektrische Wandlervorrichtungen liegen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung, z.B. nicht eingeschlossene Typen, und diese Offenbarung sollte in dieser Hinsicht nicht als einschränkend ausgelegt werden.
Jedem der Kanaltreiber 106-1 ... 106-N ist eine entsprechende Anzahl piezoelektrischer Wandlervorrichtungen zugeordnet, die auch als Piezowandlerelemente bezeichnet werden können. Aus Gründen der Klarheit und praktischen Anwendbarkeit ist jeder der Kanaltreiber 106-1 ... 106-N mit einer entsprechenden Reihe der Anordnung bzw. des Arrays von Wandlern 108 verbunden, wobei jede Reihe eine Anzahl N von piezoelektrischen Wandlern enthält. In anderen Ausführungsformen ist das Array von Wandlern 108 nicht notwendigerweise in linearen Zeilen und Spalten strukturiert, z.B. als ein M × N-Array. Zum Beispiel, wie in 4 gezeigt, ist die Anordnung von Wandlern 108 in Teil- bzw. Subarray-Platten gruppiert, die im Folgenden ausführlicher besprochen werden.
Obwohl fünf (5) piezoelektrische Wandler in jeder Reihe der Anordnung/des Arrays von Wandlern 108 gezeigt sind, sollte diese Offenbarung in dieser Hinsicht nicht beschränkt sein. Zum Beispiel kann jeder der Kanaltreiber 106-1 ... 106-2 mit 2, 5, 7, 10 oder einer beliebigen Anzahl piezoelektrischer Wandler abhängig von einer gewünschten Konfiguration assoziiert sein. In jedem Fall können jeder Kanaltreiber und die zugehörigen piezoelektrischen Wandler hier gemeinsam als „Kanal“ oder „Ausgangskanal“ bezeichnet werden. Somit können der Kanaltreiber 106-1 und die zugehörigen piezoelektrischen Wandler 109-1 kollektiv als Kanal 1 bezeichnet werden; Kanaltreiber 106-2 und zugehörige piezoelektrische Wandler 109-2 können als Kanal 2 bezeichnet werden, und so weiter.
Jeder piezoelektrische Wandler der Anordnung von Wandlern 108 kann im Wesentlichen gleich konfiguriert sein. Um ein spezifisches, nicht einschränkendes Beispiel zu geben, kann jeder der piezoelektrischen Wandler des Arrays von Wandlern 108 mit einer Mittenfrequenz von 25 kHz +/- 1 kHz, einem minimalen Schalldruckpegel (SPL) von 113 dB und einer Bandbreite von etwa 1 kHz implementiert sein. In anderen Fällen können verschiedene piezoelektrische Wandlervorrichtungen verwendet werden. Wie unten diskutiert, bestimmen die physikalischen Eigenschaften jeder Piezo-Subarray-Platte die Resonanzfrequenz, und daher können die Eigenschaften der Tasche/Kavität, die mit jedem piezoelektrischen Wandler gekoppelt ist, variiert werden, um eine Nennresonanzfrequenz zu erreichen.
Jedem Kanal der UTD 100 kann somit eine Ausgangsfrequenz zugeordnet werden, die bezogen auf die anderen Kanäle basierend auf dem jeweiligen verwendeten Piezo-Wandlerelement und den Eigenschaften des zugehörigen Hohlraums/der zugehörigen Tasche, an den/die ein Piezo-Wandlerelement gekoppelt ist, einzigartig ist. Jeder Kanal der UTD 100 umfasst ferner eine Vielzahl von Ausgangsresonanzfrequenzen basierend auf der Bandbreite eines piezoelektrischen Wandlerelements. Zum Beispiel kann jedes piezoelektrische Wandlerelement eine Bandbreite von ± 6 kHz aufweisen, obwohl andere Bandbreiten innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung liegen. Als Beispiel betrachte man Kanal 1 mit einer Nenn-/Design-Resonanzfrequenz von etwa 25 kHz. In diesem Beispiel können die Werte der oberen Frequenz und der unteren Frequenz, die dieser Nennfrequenz zugeordnet sind, jeweils Frequenzen im Bereich von 28 kHz bis 22 kHz enthalten. Der Kanal 1 kann daher so angesteuert werden, dass er eine Resonanzfrequenz im Bereich von 22 kHz bis 28 kHz emittiert/ausgibt, ohne die Leistung der piezoelektrischen Wandler 109-1 zu gefährden oder anderweitig zu verschlechtern. Der Kanal 2 kann ebenfalls so konfiguriert sein, dass er zum Emittieren/Ausgeben einer Resonanzfrequenz in dem Bereich von 29 kHz bis 35 kHz basierend auf einer Mittenfrequenz von beispielsweise 32 kHz angesteuert wird. Daher kann gemäß einer Ausführungsform jeder Kanal der Breitband-UTD 100 konfiguriert sein, um einen exklusiven, nicht überlappenden Bereich von Resonanzfrequenzen abzudecken. In anderen Fällen kann die Breitband-UTD 100 mit Kanälen konfiguriert sein, die sich überlappende Bereiche oder zumindest teilweise überlappende Bereiche aufweisen, die sich beispielsweise um mindestens 1 kHz überlappen.
Im Betrieb liefert die Steuerung 104 ein Signal, z.B. ein Rechtecksignal, an jeden der Kanaltreiber 106, um zu bewirken, dass eine zugehörige Vielzahl von piezoelektrischen Wandlern bei einer bestimmten Resonanzfrequenz emittiert. Die Kanaltreiber 106 können wiederum das Signal verstärken und das verstärkte Signal an eine jeweilige Vielzahl piezoelektrischer Wandler des Arrays piezoelektrischer Wandlervorrichtungen 108 liefern. Jede jeweilige Vielzahl piezoelektrischer Wandler kann mit einer Piezo-Subarray-Platte gekoppelt sein, die weiter unten unter Bezugnahme auf die 3A erläutert wird.
Die Steuerung 104 kann eine bestimmte Ausgangsfrequenz für einen gegebenen Kanal auswählen, indem sie der zugehörigen Kanaltreiberschaltung ein Signal mit einer proportionalen Frequenz bereitstellt. Ein Arbeitszyklus bzw. eine Einschaltdauer des Signals liefert „Einschaltzeit" (on-time) gegenüber der „Ausschaltzeit“ (off time), das heißt die Zeitspanne, in der piezoelektrische Wandler eine bestimmte Ausgangsfrequenz gegenüber der Zeitperiode ausstrahlen, wenn piezoelektrische Wandler aus sind (oder abgeschaltet sind). Die Kanal-Einschaltzeit kann durch einen Verweilzeit-Parameter bestimmt werden. Das Gesamtverhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit kann ungefähr gleich sein, z.B. um einen Arbeitszyklus von 50% bereitzustellen, obwohl andere Einschaltdauern ebenfalls im Umfang dieser Offenbarung liegen.
Fortfahrend kann der Controller 104 bewirken, dass ein oder mehrere Kanäle gleichzeitig eine jeweilige Frequenz emittieren, wobei die maximale Anzahl simultan ausgesendeter Frequenzen gleich der Gesamtanzahl von Kanälen ist. Zum Beispiel kann in einer Anordnung mit sechs (6) Kanälen, wie sie in 1 gezeigt ist, der Controller 104 bewirken, dass jeder der Kanäle 1 ... 6 gleichzeitig sechs verschiedene Frequenzen emittiert. Um eine bestimmte gewünschte Wellenform zu erhalten, beispielsweise eine Wellenform mit weißem Rauschen oder farbigem Rauschen, kann die Steuerung 104 selektiv einen oder mehrere Kanäle anschalten bzw. ansteuern, während andere in einem zufälligen Muster ausgeschaltet bleiben. Ein spezifisches Beispiel der Farbrauscherzeugung durch die Breitband-UTD 100 wird weiter unten erläutert.
Bezug nehmend auf 2 ist ein SPL-gegenüber-Frequenz-Diagramm eines elektrostatischen Wandlers 202 gezeigt und beinhaltet sechs (6) schmalbandige piezoelektrische Wandler, z.B. piezoelektrische Wandler 206-1 ... 206-6, die zum Zweck des Kontrastes und Vergleichs überlagert sind. Wie gezeigt, erzeugen die piezoelektrischen Wandlervorrichtungen 206-1 ... 206-6 einen relativ großen SPL bis etwa 48 kHz. Im Rahmen dieser Offenbarung wurde erkannt, dass eine Anordnung/ein Array schmalbandiger piezoelektrischer Wandler, z.B. die Anordnung piezoelektrischer Wandler 108, sich ausreichend weißem Rauschen annähern kann, wobei weißes Rauschen als ein allgemein zufälliges Signal mit einer im Wesentlichen konstanten spektralen Leistungsdichte definiert ist, die eine endliche Bandbreite aufweist. Darüber hinaus kann das Array von piezoelektrischen Wandlern 108 eine einzelne Frequenz emittieren, um Ultraschallenergie bei einem maximalen SPL über eine gegebene Zeitperiode abzugeben. Der Prozess 700 und 900 der 7 und 9 stellt jeweils einige nicht einschränkende beispielhafte Prozesse bereit, um einen gewünschten SPL und ein Ausgabemuster für emittierte Ultraschallenergie zu erhalten.
Bezug nehmend auf 3 ist eine beispielhafte Piezo-Subarray-Platte 300 gezeigt, die zur Verwendung innerhalb der Breitband-UTD 100 von 1 geeignet ist, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Breitband-UTD 100 kann eine Anzahl N von Piezo-Subarray-Platten umfassen, wobei jede Piezo-Subarray-Platte einem jeweiligen Kanaltreiber zugeordnet ist, z.B. Kanaltreibern 106-1 ... 106-N. Somit kann die Breitband-UTD 100 eine Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten umfassen, um die Anordnung von piezoelektrischen Wandlerelementen 108 bereitzustellen, die in 4 deutlicher gezeigt ist.
Bezug nehmend auf 3 umfasst die beispielhafte Piezo-Subarray-Platte 300 eine Basis 302 oder einen Basisabschnitt 302, die beispielsweise aus Aluminium oder einem anderen geeigneten Material bestehen können. Die Platte 302 oder der Basisabschnitt 302 weist eine Vielzahl von Öffnungen, z.B. Öffnungen 310-1 ... 310-5, auf. Jede Öffnung 310-1 ... 310-5 kann konfiguriert sein, um eine jeweilige piezoelektrische Wandlervorrichtung aufzunehmen. Die Öffnungen 301-1 ... 310-5 können auch als Hohlräume oder Taschen bezeichnet werden. Die Öffnungen 310-1 ... 310-5 können durch Fräsen oder andere geeignete Ansätze ausgebildet werden. Dementsprechend kann jede Öffnung 310-1 ... 310-5 einen ersten Durchmesser D1 enthalten, der größer ist als ein Durchmesser eines zugehörigen piezoelektrischen Wandlers. Jede Öffnung 310-1 ... 310-5 kann ferner mindestens einen oberen Abschnitt oder Hohlraum mit dem Durchmesser D1 und einen sekundären/unteren Abschnitt mit einem zweiten Durchmesser D2 umfassen. Der zweite Durchmesser D2 kann im Wesentlichen gleich dem Durchmesser eines jeweiligen piezoelektrischen Wandlers sein. Wie gezeigt, ist jeder der piezoelektrischen Wandler 308-1 ... 308-5 in einer entsprechenden Tasche einer zugehörigen Öffnung 310-1 ... 310-5 angeordnet, wobei eine obere Oberfläche jedes piezoelektrischen Wandlers sichtbar ist. In einigen Fällen wird jeder der piezoelektrischen Wandler 308-1 ... 308-5 zum Beispiel in seine jeweilige Tasche unter Verwendung eines Klebstoffs eingeklebt.
Die beispielhafte Piezo-Subarray-Platte 300 kann eine optionale Selbsttest-Piezowandlervorrichtung 309 zum Durchführen von Selbsttestprozessen enthalten. Jede Piezo-Subarray-Platte kann einen zugeordneten Piezowandler aufweisen, um eine Rückmeldung über die Funktionstauglichkeit der Treiber zu liefern. Die Piezo-Subarray-Platten werden periodisch angesteuert und die Schwingungsenergie wird dann durch die Selbsttest-Piezowandlervorrichtung 309 gemessen. Die Steuerung 104 kann die Messung empfangen und dann eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) durchführen, um die Größe und Frequenz der durch die Selbsttest-Piezowandlervorrichtung 309 aufgenommenen Schwingung zu berechnen. Pass/Fail-Kriterien können eingerichtet werden, und wenn ein Fehler auftritt, z.B. ein Wert einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, kann die UTD 100 ein Warnsignal, dass ein Problem existiert, z.B. einen hörbaren Piepston oder ein Signal an eine entfernte Computerstation senden,.
Die beispielhafte Piezo-Subarray-Platte 300 umfasst eine Nut 304, die die Öffnungen 310-1 ... 310-5 umgibt. Ein O-Ring 305 kann in der Nut 304, wie gezeigt, angeordnet sein, um eine Schutzdichtung bereitzustellen, wenn ein Abdeckungsabschnitt mit der beispielhaften Piezoplatte 300 gekoppelt ist, die in 5 deutlicher gezeigt ist.
Bezug nehmend auf 3B, mit zusätzlicher Bezugnahme auf 3A, ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Piezo-Subarray-Platte 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Jede Piezo-Subarray-Platte 300 kann speziell dazu ausgelegt sein, eine bestimmte Resonanzfrequenz basierend auf physikalischen und Materialmerkmalen wie dem Durchmesser einer zugeordneten Öffnung, z.B. Durchmesser D1, der Dicke des Materials neben jedem piezoelektrischen Wandler, z.B. Dicke T1 der Metallfläche 320 oder des Metallbiegeelements 320, und dem Materialelastizitätsmodul (Young-Modul) des Materials benachbart zu jedem piezoelektrischen Wandler zu emittieren. Das Material unmittelbar neben jedem piezoelektrischen Wandler, das heißt das Metallbiegeelement 320, kann aus anderen Materialien gebildet sein und ist nicht notwendigerweise auf ein Metall oder eine Metalllegierung beschränkt. Somit kann die Resonanzfrequenz für jede Piezo-Subarray-Platte basierend auf den folgenden Gleichungen berechnet werden: $R F r e q = α (\frac{h}{r d i s k^{2}})$
$α = 0.412 \sqrt{(\frac{Y}{0.91 ρ})}$
wobei RFreq die Resonanzfrequenz (in kHz) ist, nachdem ein piezoelektrisches Wandlerelement in eine jeweilige Öffnung eingeklebt bzw. mit dieser verbunden ist, α eine Annäherung (z.B. das Poisson-Verhältnis) der Kompressibilität des Materials des Biegeelements ist, h die Dicke des Biegeelements ist, Y das Young-Modul ist, p die Dichte des keramischen Materials ist und rdisk der Radius des Biegeelements ist. Somit enthält jedes piezoelektrische Wandler-Subarray eine Vielzahl von Öffnungen mit Durchmessern und Materialdicken, um eine bestimmte gewünschte Resonanzfrequenz zur Verfügung zu stellen. Jede Platte kann mit im Wesentlichen unterschiedlich große Öffnungen, und insbesondere Öffnungsdurchmesser und Materialdicken, konfiguriert werden, um eine zugeordnete Resonanzfrequenz bereitzustellen, wenn sie angesteuert werden.
Wenn sich Schall durch die Luft bewegt, wird die Größe des Schalldrucks aufgrund sowohl der Absorption (Dämpfung) als auch des Ausbreitungsverlustes reduziert, der durch die sich ausdehnende Oberfläche des ausgesandten Strahls verursacht wird, wenn der Schallimpuls von dem Wandler ausgeht. Der SPL in einer Entfernung R vom Wandler wird angegeben durch: $SPL (R) = SPL (R_{0}) - 20 log (R / R_{0}) - α (f) R$
wobei SPL(R) der Schalldruckpegel in der Entfernung R in dB//1µPa ist, SPL(RO) der Schalldruckpegel in der Entfernung RO in dB//1µPa ist und α(f) der Dämpfungskoeffizient in dB/Einheitsabstand bei Frequenz f ist.
Die ½ Strahlbreite für einen einzelnen piezoelektrischen Wandler ist durch die Gleichung gegeben: $\frac{s i n α}{2} ≅ V a i r / D 0 ƒ$
wobei α die Winkelbreite des Hauptstrahls ist, f die Frequenz ist, Dθ der Durchmesser der strahlenden Fläche ist, und Vair die Schallgeschwindigkeit in Luft (z.B. ~344 Meter/Sekunde) ist.
Wenn sich der Schall bewegt, wird die Amplitude des Schalldrucks aufgrund von Reibungsverlusten in dem Übertragungsmedium verringert. Es ist wichtig, den Wert dieses Absorptionsverlustes oder dieser Dämpfung zu kennen, um den Bereich jeder Piezo-Subarray-Platte zu bestimmen. Die Dämpfung von Schall in Luft nimmt mit der Frequenz zu (z.B. basierend auf dem Stokes-Gesetz der Schalldämpfung), und bei jeder gegebenen Frequenz variiert die Dämpfung als eine Funktion der Feuchtigkeit. Der Wert der Feuchtigkeit, der die maximale Dämpfung erzeugt, ist nicht für alle Frequenzen gleich. Oberhalb von 125 kHz tritt beispielsweise die maximale Dämpfung bei 100% RH auf; bei 40 kHz tritt maximale Dämpfung bei 50% RH auf.
Eine Schätzung für die maximale Dämpfung in Luft bei Raumtemperatur über alle Feuchtigkeiten für Frequenzen bis zu 50 kHz ist gegeben durch: $α (f) = 0.01 f$
wobei α(f) die maximale Dämpfung in dB/ft ist und f die Frequenz des Schalls in kHz ist.
Daher ist zum Beispiel zwischen 50 kHz und 300 kHz die maximale Dämpfung über alle Feuchtigkeiten hinweg: $α (f) = 0.022 f - 0.6$
Bezug nehmend auf 4 ist eine perspektivische Ansicht von einer Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten 409 gezeigt, die mit einem Gehäuseabschnitt 402 gekoppelt sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie gezeigt, umfasst der Gehäuseabschnitt 402 mehrere Piezo-Subarray-Platten, die kollektiv bei 409 gezeigt sind, und einzeln als darauf angebrachte Piezo-Subarray-Platten 409-1 ... 409-6 gezeigt sind. Der Gehäuseabschnitt 402 kann zum Beispiel aus Plexiglas oder irgendeinem anderen geeigneten Material, wie einem Kunststoff oder Polycarbonat, gebildet sein. Jede der Piezo-Subarray-Platten 409-1 ... 409-6 ist über ein Befestigungselement, wie etwa eine oder mehrere Schrauben 403, mit dem Gehäuseabschnitt 402 verbunden. Alle Piezo-Subarray-Platten 409-1 ... 409 -6 können akustisch (z.B. Vibrationen von benachbarten Piezo-Subarray-Platten sind vernachlässigbar oder haben anderweitig keine Wirkung) und elektrisch voneinander isoliert sein. Die Piezo-Subarray-Platten 409-1 ... 409-6 können in einer M × N - Anordnung/ einem M × N - Array angeordnet sein, wie dies gezeigt ist. Wie zuvor erörtert, umfasst jede der Piezo-Subarray-Platten 409-1 ... 409-6 zugeordnete piezoelektrische Wandler mit einer identischen oder im Wesentlichen ähnlichen Nennfrequenz. Die Piezo-Subarray-Platte 409-1 kann dem Kanal 1 zugeordnet sein, z.B. elektrisch mit dem Kanaltreiber 106-1 verbunden sein, die Piezo-Subarray-Platte 409-2 kann dem Kanal 2 zugeordnet sein, z.B. elektrisch mit dem Kanaltreiber 106-2 gekoppelt sein, und so weiter.
Bezug nehmend auf 5 ist eine perspektivische Ansicht des Gehäuseabschnitts 402 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Wie gezeigt, umfasst der Gehäuseabschnitt 402 eine Vielzahl von Abdeckungsabschnitten 504-1 ... 504-6, die mit jeweiligen der piezoelektrischen Subarray-Platten 409-1 ... 409-6 gekoppelt sind (4). Jeder der Abdeckungsabschnitte 504-1 ... 504-6 kann eine Dichtung bilden, z.B. basierend auf einem O-Ring in der Nut 304, mit jeder jeweiligen Piezo-Subarray-Platte. 6 zeigt eine perspektivische Rückansicht des Gehäuseabschnitts 402.
Bezug nehmend auf 14 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Breitband-UDT 10 gezeigt. Die Breitband-UDT 10 kann im Wesentlichen ähnlich zu der Breitband-UDT konfiguriert sein, die oben unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 diskutiert wurde, deren Beschreibung zur Kürze nicht wiederholt wird. Wie gezeigt, umfasst die Breitband-UDT 100 ein längliches rechteckiges Gehäuse 16 mit einer Vielzahl von Piezo-Subarrays, z.B. das Piezo-Subarray 300A, das in 16 deutlicher gezeigt ist, und entsprechend mehrere Subarray-Abdeckungsabschnitte 11. Das Gehäuse 16 kann beispielsweise ein Metall wie etwa Aluminium oder ein anderes geeignet festes Material umfassen.
Bezug nehmend auf 15 ist eine perspektivische Unteransicht der Breitband-UDT 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Wie gezeigt, enthält das Gehäuse 16 eine Vielzahl von Seitenwänden, z.B. Seitenwände 17, die sich von dem Gehäuseabschnitt 19 erstrecken. Der Gehäuseabschnitt 19 ist mit der Anordnung von Piezo-Subarray-Platten, z.B. der Piezo-Subarray-Platte 300A, gekoppelt. Der Gehäuseabschnitt 19 kann eine Platte 13 umfassen, die aus einem Polycarbonatmaterial oder einem anderen geeigneten starren, nicht leitenden Material gebildet ist. Die Platte 13 kann eine Vielzahl von Öffnungen umfassen, die in 16 deutlicher gezeigt sind. Das Gehäuse 16 kann ferner einen Kanal 22 zur Aufnahme einer Dichtung 12 umfassen, wobei sich der Kanal 22 kontinuierlich um einen Umfang des Gehäuses 16 erstreckt. Die Dichtung 12 kann eine Schutzdichtung bilden, um das Eindringen von Verunreinigungen zu verhindern, wenn ein entsprechender entfernbarer Abdeckabschnitt (nicht gezeigt) mit dem Gehäuse 16 gekoppelt ist.
Das Gehäuse 16 definiert ferner einen Hohlraum 18. Der Hohlraum kann ein Substrat 14 umfassen. Das Substrat 14 kann mit der Platte 13 verbunden sein. Das Substrat 14 kann zum Beispiel eine Leiterplatte oder ein anderes geeignetes Substratmaterial zum Anbringen von elektrischen Komponenten umfassen. Das Substrat 14 umfasst eine Vielzahl von Anschlüssen 15, wobei jeder Anschluss eine zugeordnete Piezo-Subarray-Scheibe elektrisch mit der Schaltung des Substrats 14 verbindet. In einer Ausführungsform umfasst das Substrat 14 die Steuerung 104, die Stromversorgungsschaltung 112 und die Kanaltreiberschaltungen 106-1 ... 106-N. Die Vielzahl von Anschlüssen 15 kann daher jede Piezo-Subarray-Platte mit zugehörigen Kanaltreiberschaltungen verbinden.
16, mit zusätzlicher Bezugnahme auf 19, zeigt eine Querschnittsansicht der Breitband-UDT 10 der 14 und 15 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie gezeigt, weist die Platte 13 eine Vielzahl von Öffnungen 21 auf, die mit Öffnungen in jeder Piezo-Subarray-Platte korrespondieren, z.B. die Öffnung 23, die Piezoelemente, z.B. das Piezoelement 20, enthält. Die Piezo-Subarray-Platte 300A kann im Wesentlichen ähnlich zu der Piezo-Subarray-Platte 300 der 3 konfiguriert sein, deren Beschreibung zur Kürze nicht wiederholt wird. Wie weiter gezeigt, kann die Piezo-Subarray-Platte 300A aufgrund des Materials, das diese bildet, einen leitenden Pfad bereitstellen, wobei der leitende Pfad 38 deutlicher in 19 gezeigt ist. Zum Beispiel kann die Piezo-Subarray-Platte 300A ein Metall umfassen, beispielsweise Aluminium, oder ein anderes elektrisch leitendes Material.
Eine Bodenfläche 40 jedes Piezoelements 20 kann einen negativen Anschluss bereitstellen. Daher kann der leitfähige Pfad 38 verwendet werden, um beispielsweise einen negativen Rückpfad zwischen dem Piezoelement 20 und der zugehörigen Schaltung des Substrats 14 bereitzustellen. Eine obere Oberfläche 39 jedes Piezoelements 20 kann einen positiven Anschluss bereitstellen, der mit der zugehörigen Treiberschaltung über ein dehnbares leitfähiges Gewebematerial 41 gekoppelt sein kann, was weiter unten unter Bezugnahme auf 17 erläutert wird. Eine Verbindungsvorrichtung 25 kann eine elektrische Leitfähigkeit bereitstellen, indem sie einen ersten Abschnitt aufweist, der elektrisch mit dem Substrat 14 gekoppelt ist, und einen zweiten Abschnitt, der elektrisch mit der Piezo-Subarray-Platte 300A gekoppelt ist. In einigen Fällen, wie gezeigt, berührt die Verbindungsvorrichtung 25 direkt einen Teil der Subarray-Platte 300A und kontaktiert auch direkt einen Teil des Substrats 14, z.B. eine elektrische Kontaktstelle. Die Piezo-Subarray-Platte 300A kann eine Öffnung 44 aufweisen, um zumindest einen Teil jeder Verbindungsvorrichtung 25 aufzunehmen. Jede Öffnung 44 kann einer Öffnung 45 der Platte 13 entsprechen, damit die Verbindungsvorrichtung 25 durch die Platte 13 in die Öffnung 44 hindurchtreten kann.
Eine Schraube 26 oder ein anderes geeignetes Befestigungselement kann das Substrat 14 elektrisch mit der Verbindungsvorrichtung 25 verbinden und kann das Substrat 14 auch mechanisch sicher innerhalb der Breitband-UDT 10 befestigen. Zu diesem Zweck ist eine Schaltung des Substrats 14, beispielsweise eine Kanaltreiberschaltung, elektrisch mit einer zugeordneten Piezo-Subarray-Platte auf direkte Weise ohne eine Zwischenvorrichtung, z.B. ohne eine flexible gedruckte Leiterplatte (FPC-Platine), gekoppelt, die innerhalb der UDT 10 geführt oder gebogen werden müsste, oder durch eine Lötverbindung, die sich im Laufe der Zeit aufgrund von bspw. mechanischen Vibrationen verschlechtert.
Bezug nehmend auf 17 ist eine Ansicht der Breitband-UDT 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Wie gezeigt, koppelt ein flexibles leitendes Material 41 elektrisch jedes der Piezoelemente 20, beispielsweise über einen elektrischen Anschluss, der durch eine Oberfläche jedes Piezoelements 20, wie vorhergehend erläutert, bereitgestellt wird, mit einem zugeordneten Schaltkreis des Substrats 14, z.B. über die elektrische Kontaktstelle/den Anschluss 27. Das flexible leitfähige Material 41 kann beispielsweise ein mit Silber beschichtetes dehnbares Material umfassen. Das flexible leitfähige Material 41 kann andere Konfigurationen umfassen, z.B. ein anderes Metall oder leitfähiges Material und ist nicht notwendigerweise auf eine Silberbeschichtung beschränkt. Das flexible leitfähige Material 41 kann mit jedem der Piezoelemente beispielsweise über einen Klebstoff oder einen anderen geeigneten Ansatz gekoppelt sein.
In 18 ist eine Querschnittsansicht der Breitband-UTD von 14 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Wie gezeigt, koppeln nicht leitende Befestigungselemente 30 jede Piezo-Subarray-Platte, z.B. die Piezo-Subarray-Platte 300A, und den entsprechenden Abdeckungsabschnitt 11 mit der Platte 13 und dem Gehäuseabschnitt 16. Das nicht leitende Befestigungselement 30 kann beispielsweise eine Plastikschraube aufweisen. Zu diesem Zweck kann jede piezoelektrische Subarray-Platte von dem Gehäuseabschnitt 16 elektrisch isoliert sein.
19 zeigt eine Querschnittsansicht des Piezoelements 20 von 16 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie gezeigt, ist eine Klebeschicht 31 zwischen dem Piezoelement 20 und dem Biegeelement 32 angeordnet. Die Klebeschicht 31 kann zum Beispiel eine Epoxidbindung umfassen, die mit Nickelkugeln gemischt ist, wobei die Nickelkugeln 3 bis 5 Gew.-% ausmachen, obwohl andere Konzentrationen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung liegen. Die Klebeschicht 31 kann vorteilhafterweise eine elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Piezoelement 20 und einer Oberfläche des Biegeelements 32 bereitstellen. Jedoch können andere leitfähige Haftmaterialien verwendet werden und die bereitgestellten Beispiele sollen die vorliegende Offenbarung nicht beschränken.
Beispielmethoden und Architektur
Eine Breitband-UTD gemäß der vorliegenden Offenbarung, z.B. die Breitband-UTD 100, verwendet vorteilhafterweise eine Vielzahl von schmalbandigen piezoelektrischen Wandler-Subarrays, um einen breiten Bereich auswählbarer Ausgangsfrequenzen bereitzustellen. Außerdem bietet eine Breitband-UTD gemäß der vorliegenden Offenbarung signifikante Vorteile gegenüber anderen Ansätzen, da die Breitband-UTD ein relativ einfaches mechanisches Design umfasst, das einen Schutz vor Umweltfaktoren wie Staub, Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen bietet. Eine spezifische beispielhafte Anwendung, die besonders gut für die Breitband-UTD geeignet ist, die hierin verschiedenartig offenbart ist, umfasst die Abschreckung von Wildtieren. Wildtierabschreckungsanwendungen erfordern eine Vorrichtung mit einem Design, das verhindert, dass die oben genannten Verunreinigungen Komponentenfehler und verkürzte Lebensdauern verursachen, z.B. die Durchschnittszeit zwischen Ausfällen (MTBFs).
Ein Abschreckungsprozess für Wildtiere kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden. 7 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Prozess 700 einer Abschreckungseinheit (DU) veranschaulicht, der in Verbindung mit einem System und einem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung nützlich ist. Der DU-Prozess 700 kann ganz oder teilweise durch den Controller 104 oder irgendeinen anderen geeigneten Controller einer Breitband-UTD, die gemäß der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist, durchgeführt werden. Während hier vorgestellte Flussdiagramme verschiedene Operationen gemäß beispielhaften Ausführungsformen veranschaulichen, ist es selbstverständlich, dass nicht alle der dargestellten Operationen für andere Ausführungsformen notwendig sind. In der Tat wird hierin vollständig in Erwägung gezogen, dass in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung die dargestellten Operationen und/oder andere hierin beschriebene Operationen in einer Weise kombiniert werden können, die in keiner der Zeichnungen spezifisch gezeigt ist, aber immer noch vollständig mit der vorliegenden Offenlegung übereinstimmen. Somit werden Ansprüche, die auf Merkmale und/oder Operationen gerichtet sind, die in einer Zeichnung nicht genau gezeigt sind, als innerhalb des Umfangs und des Inhalts der vorliegenden Offenbarung angesehen.

In Schritt 702 lädt der Controller 104 Betriebsparameter aus einem Speicher. Tabelle 1 fasst einige beispielhafte nicht einschränkende Parameter zusammen, die von der Steuerung 104 für eine Sechs-Kanal-Konfiguration geladen werden können. Während der Prozess 700 spezifisch eine Breitband-UTD mit einer 6-Kanal-Konfiguration referenziert, ist diese Offenbarung in dieser Hinsicht nicht notwendigerweise beschränkt, und andere Kanalkonfigurationen mit mehr oder weniger Kanälen liegen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung. Tabelle 1.Beispielhafte Betriebsparameter

Konfigurationsparameter	CH1	CH2	CH3	CH4	CH5	CH6
Nennfrequenz (kHz)	25K	32K	40K	47K	51K	57K
Obere Frequenz (Hz)	28K	35K	43K	49K	54K	60K
Untere Frequenz (Hz)	22K	29K	37K	44K	50K	55K
Verweilzeit (s)	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01	0.01
Einschaltdauer/	50%	50%	50%	50%	50%	50%
Arbeitszyklus

Die Parameter, die in Tabelle 1 angegeben sind, entsprechen nominellen Resonanzfrequenzen für jedes der piezoelektrischen Subarrays für eine UTD-Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist. Anders ausgedrückt enthält jedes piezoelektrische Wandler-Subarray eine Vielzahl von piezoelektrischen Wandlerelementen und entsprechenden Öffnungen mit damit verbundenen Geometrien und Materialeigenschaften, die eine Nennresonanzfrequenz bereitstellen, wie oben diskutiert. Daher ist die Resonanzfrequenz für jeden Kanal, z.B. CH1 ... CH6, bekannt und wird durch einen Wert repräsentiert, der in einem Speicher gespeichert sein kann, der dem Controller 104 zugeordnet ist. Jedem Kanal können auch andere Parameter zugeordnet sein, beispielsweise die oberen und unteren Frequenzen (in kHz), die Verweilzeit (in Millisekunden) und ein Arbeitszyklus.
In Schritt 704 wählt der Controller 104 einen Zufallsfrequenzwert (fr) aus, wobei der Zufallsfrequenzwert zwischen einem minimalen unteren Frequenzwert, z.B. 22 kHz, und einem maximalen oberen Frequenzwert, z.B. 60 kHz, eingegrenzt ist. Unter Berücksichtigung der in Tabelle 1 angegebenen Parameter ist beispielsweise die minimale untere Frequenz mit Kanal 1 bei 22 kHz verbunden und die maximale obere Frequenz ist mit Kanal 6 bei 60 kHz verknüpft. Daher wählt der Controller 104 eine Zufallszahl aus, die eine Frequenz zwischen 22 kHz und 60 kHz darstellt. Die Auflösung der Zufallszahl, die die Frequenz repräsentiert, beträgt ungefähr 100 Hz oder kann abhängig von einer gewünschten Implementierung andere Werte haben.
In Schritt 706 identifiziert der Controller 104 einen Kanaltreiber, z.B. einen der Kanaltreiber 106, der dem ausgewählten Zufallsfrequenzwert (fr) entspricht. Dies kann umfassen, dass der Controller 104 jede obere und untere Frequenz untersucht, um zu bestimmen, welcher Kanal dem ausgewählten Zufallsfrequenzwertwert (fr) entspricht. Wenn zum Beispiel die ausgewählte Zufallszahl einer Frequenz von 52,2 kHz entspricht, dann kann die Steuerung 104 dieselbe mit Parametern im Speicher vergleichen, um den fünften Kanal als einen Bereich von Frequenzen zu identifizieren, der die 52,2 kHz-Frequenz bedienen kann (z.B. 50kHz < 52,2kHz < 54kHz).
In Schritt 708 sendet der Controller 104 ein Signal an den in Schritt 706 identifizierten Kanal, um zu bewirken, dass ein mit ihm verbundenes Piezo-Subarray die ausgewählte Zufallsfrequenz für eine Verweilzeit T_dwell emittiert. Die Verweilzeit kann auf dem zugeordneten Verweilzeitparameter basieren, der dem in Schritt 706 identifizierten Kanal zugeordnet ist. Zum Beispiel und das vorherige Beispiel fortsetzend, kann die Steuerung 104 ein Signal dem fünften Kanal und insbesondere dem Kanaltreiber 106-5 bereitstellen. Als Reaktion darauf kann der Kanaltreiber 106-5 bewirken, dass ein zugehöriges Piezo-Subarray, z.B. das Piezo-Subarray 409-5, die ausgewählte zufällige Frequenz von 52,2 kHz für die Verweilzeit T_dwell emittiert, was in diesem beispielhaften Fall 0,01 Sekunden ist. Der Kanaltreiber 106-5 kann das Signal von der Steuerung 104 in diesem Beispiel verstärken oder das Signal anderweitig in ein proportionales elektrisches Signal für Piezoansteuerungszwecke umwandeln.
Wenn in Schritt 710 die Gesamtmenge an Zeit, in der die Steuerung 104 zugeordnete Kanäle angesteuert hat, größer als eine definierte Einschaltdauer, z.B. 50% ist, fährt der Prozess 700 mit Schritt 718 fort. Ansonsten macht der Prozess 700 mit Schritt 712 weiter. Beispielsweise kann die Steuerung 104 für alle 10 Sekunden des Betriebs die Kanäle für 5 Sekunden „ein“ und für die anderen 5 Sekunden basierend auf einem Arbeitszyklus von 50% „aus“ schalten, obwohl dieser beispielhafte Arbeitszyklus nicht als einschränkend ausgelegt werden sollte. Der Controller 104 kann einen Hardware- und/oder Software-Timer verwenden, um den Arbeitszyklus zu messen.
In Vorgang 712 bestimmt der Controller 104, ob die Zeitdauer, während der ein bestimmter Kanal „eingeschaltet“ ist, eine zugehörige Verweilzeit überschreitet. Zum Beispiel liefert in dem vorherigen Beispiel der Controller 104 ein Signal an den Kanaltreiber 106-5, um zu bewirken, dass er ein zugeordnetes Piezo-Subarray für 0,01 Sekunden (z.B. die Verweilzeit T_dwell, die dem Kanal 5 zugeordnet ist) bei 52,2 kHz antreibt. Die Steuerung 104 kann einen Zeitgeber initiieren, um zu bestimmen, ob die Verweilzeit T_dwell verstrichen ist. Wenn die Verweilzeit T_dwell überschritten wurde/verstrichen ist, fährt der Prozess 700 mit einem Schritt 718 fort. Andernfalls fährt der Prozess mit einem Schritt 716 fort. In einem Schritt 716 wartet der Controller 104 für eine vorbestimmte Zeitdauer, beispielsweise einige Mikrosekunden, bevor er zum Schritt 712 zurückkehrt.
In Schritt 718 sperrt der Controller 104 die Ausgabe des im Schritt 706 identifizierten Kanaltreibers, um zu verhindern, dass er weiterhin die in Schritt 708 ausgewählte Zufallsfrequenz aussendet. In Schritt 720 pausiert der Controller 104 für eine Zeitspanne basierend auf der Einschaltdauer, bevor zu Schritt 704 zurückgekehrt wird und ein neuer Zufallsfrequenzwert ausgewählt wird. Wie oben diskutiert, kann der Controller 104 versuchen, die Kanäle mit einem Arbeitszyklus von 50% zu betreiben. Daher kann die Zeitspanne, die von der Steuerung 104 zum wirksamen Ausschalten der Kanäle gewählt wird, gleich der Gesamteinschaltdauer sein. Wenn beispielsweise die Einschaltdauer 5 Sekunden beträgt, wird eine entsprechende Auszeit ungefähr gleich sein, unter der Annahme eines Arbeitszyklus von 50%. Andere Arbeitszyklen liegen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung und die bereitgestellten Beispiele sollen nicht einschränkend sein.
Bezug nehmend auf 8 ist ein beispielhaftes Zeitdiagramm in Übereinstimmung mit dem Controller 104 gezeigt, der den Prozess 700 von 7 ausführt. Wie gezeigt, wählte die Steuerung 104 während einer ersten mit „Ein“-Zeit bezeichneten Zeit eine erste Zufallsfrequenz (F1), die dem Kanal 1 entspricht. Die Steuerung 104 stellt daher dem, dem Kanal 1 zugeordneten Kanaltreiber 106-1 ein Signal bereit, das für die erste Zufallsfrequenz F1 repräsentativ ist. Der Kanaltreiber 106-1 kann seinerseits das Signal verstärken und das verstärkte Signal verwenden, um ein zugeordnetes Piezo-Subarray für eine vorbestimmte Verweilzeit anzusteuern. Die Steuerung wiederholt diese Operation N-mal während der „Ein“ - Zeitperiode. Während der „Aus“-Zeitperiode deaktiviert die Steuerung 104 die Ausgabe basierend auf einem vorbestimmten Arbeitszyklus, z.B. von 50%. Nach der „Aus“-Zeitperiode führt die Steuerung 104 fortlaufend die Schritte 702 - 720 aus, bis sie andernfalls unterbrochen wird, z.B. durch ein Abschaltsignal oder einen Leistungsabfall.
Bezug nehmend auf 9 ist ein weiterer beispielhafter DU-Prozess 900 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Prozess 900 kann auch das Laden von Betriebsparametern aus einem Speicher umfassen, ähnlich dem Vorgang 702 aus 7, aber deren Beschreibung wird aus Gründen der Kürze nicht wiederholt.
In Schritt 902 wählt der Controller 104 eine Frequenz (fr) für jeden Kanal aus. In einigen Fällen arbeitet die Steuerung 104 in einem Einzelfrequenzmodus (oder einem ersten Modus) und wählt einfach den Nennfrequenzwert für jeden der Kanäle aus. Zum Beispiel kann der Controller 104 25 kHz für den Kanal 1 auswählen, 32 kHz für Kanal 2, 40 kHz für Kanal 3 und so weiter. In anderen Fällen arbeitet die Steuerung 104 in einem Zufallsmodus (oder einem zweiten Modus), um farbiges weißes Rauschen zu erzeugen. In dem Zufallsmodus wählt der Controller 104 für jeden Kanal eine Zufallsfrequenz innerhalb des jeweiligen oberen und unteren Frequenzbereichs jedes Kanals aus.
In Schritt 904 sendet der Controller 104 ein Signal an jeden Kanal, beispielsweise über die Kanaltreiberschaltung 106-1 ... 106-2, wobei jedes entsprechende Signal proportional zu der für einen gegebenen Kanal ausgewählten Frequenz ist. Zum Beispiel kann der Controller 104 in dem Einzelfrequenzmodus (oder dem ersten Modus) ein erstes Signal an den Kanal 1, beispielsweise den Kanaltreiber 106-1, senden, um zu bewirken, dass dieser bei 25 kHz emittiert, ein zweites Signal an Kanal 2, z.B. den Kanaltreiber 106-2-2, um zu bewirken, dass dieser bei 32 kHz emittiert, und so weiter. Im Modus mit gefärbtem weißem Rauschen (oder im zweiten Modus) sendet der Controller 104 ein Signal mit einer ausgewählten Zufallsfrequenz an jeden Kanal. In jedem Fall kann die Steuerung 104 die Signale an jeden Kanal im Wesentlichen zur gleichen Zeit senden, um zu bewirken, dass jeder Kanal gleichzeitig zu emittieren beginnt. Als Reaktion darauf kann jeder Kanaltreiber, z.B. die Kanaltreiberschaltung 106-1 ... 106-6, bewirken, dass ein zugehöriges Piezo-Subarray die ausgewählte Frequenz für die Verweilzeit T_dwell emittiert. Wie vorhergehend diskutiert, kann die Kanaltreiberschaltung 106-1 ... 106-6 eine Verstärkungs-/Konditionierungsschaltung umfassen, um das Signal von der Steuerung 104 in ein proportionales elektrisches Signal für Ansteuerungszwecke umzuwandeln.
Wenn in Schritt 906 die Gesamtmenge an Zeit, in der die Steuerung 104 zugeordnete Kanäle angesteuert hat, größer ist als eine definierte Einschaltdauer, z.B. 50%, fährt der Prozess 900 mit Schritt 912 fort. Ansonsten setzt sich der Prozess 900 mit Schritt 908 fort. Beispielsweise kann die Steuerung 104 für alle 10 Sekunden des Betriebs die Kanäle für 5 Sekunden „ein“ und für die anderen 5 Sekunden basierend auf einem Arbeitszyklus von 50% „aus“ schalten, obwohl dieser beispielhafte Arbeitszyklus nicht als einschränkend ausgelegt werden sollte. Die Steuerung 104 kann einen Hardware- oder Software-Timer verwenden, um die Ein-/Aus-Zeit zu messen.
In Schritt 908 bestimmt der Controller 104, ob die Zeitdauer, während der die Kanäle „an“ sind, eine zugehörige Verweilzeit überschreitet. Die Steuerung 104 kann einen Zeitgeber initiieren, um zu bestimmen, ob die Verweilzeit T_dwell verstrichen ist. Wenn die Verweilzeit T_dwell überschritten wurde/verstrichen ist, dann geht der Prozess 900 weiter mit Vorgang 912. Andernfalls fährt der Prozess mit Schritt 910 fort. In Vorgang 910 wartet der Controller 104 für eine vorbestimmte Zeitdauer, z.B. einige Millisekunden, bevor er zum Schritt 908 zurückkehrt.
In Schritt 912 sperrt der Controller 104 die Ausgabe von jedem Kanal, z.B. durch Aussetzen des in Schritt 904 bereitgestellten Signals. In Schritt 914 pausiert der Controller 104 für eine Zeitspanne basierend auf der Einschaltdauer, bevor er zum Schritt 902 zurückkehrt und einen neuen Zufallsfrequenzwert auswählt. Wie oben besprochen,
kann die Steuerung 104 versuchen, die Kanäle mit einer Einschaltdauer von 50% zu betreiben. Daher kann die Zeitspanne, die von der Steuerung 104 zum wirksamen „Ausschalten“ der Kanäle gewählt wird, gleich der „Gesamteinschaltdauer“ sein. Wenn beispielsweise die Einschaltdauer 5 Sekunden beträgt, wird eine entsprechende Auszeit ungefähr gleich sein unter der Annahme einer Einschaltdauer von 50%. Andere Einschaltdauern liegen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung und die bereitgestellten Beispiele sollen nicht einschränkend sein.
In 10 ist ein beispielhaftes Zeitdiagramm 950 in Übereinstimmung mit dem Controller 104 gezeigt, der den Prozess 900 von 9 ausführt. Wie gezeigt, führt der Controller 104 den Prozess 900 in dem Zufallsmodus durch, wobei jeder Kanal angesteuert wird, um eine Zufallsfrequenz zu emittieren. Während der „Ein“ -Zeit liefert der Controller 104 ein Signal an jeden zugeordneten Kanal, um zu bewirken, dass dieser bei einer ausgewählten Zufallsfrequenz emittiert. Während der „Aus-Zeit“ sperrt die Steuerung 104 die Ausgabe für eine Zeitspanne, die auf einem zugeordneten Arbeitszyklus basieren kann, wie zuvor diskutiert. Die Steuerung 104 wiederholt dieses Muster N-mal in einer kontinuierlichen Weise, um eine zufällige Wellenformausgabe zu erzeugen, die sich im Wesentlichen einem farbigen weißen Rauschen annähert.
Eine Breitband-UTD-Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist, kann einen Frequenzeinstellungsprozess implementieren, um sicherzustellen, dass jedes Piezo-Subarray eine gewünschte Resonanzfrequenz emittiert. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wurde festgestellt, dass ein Piezo-Subarray die höchste Strommenge, z.B. einen maximalen Strom, zieht, wenn dieses einen nominalen Resonanzfrequenzwert emittiert. Während des Einzelfrequenzmodus, wie zuvor unter Bezugnahme auf 9 diskutiert, kann die Breitband-UTD 100 versuchen, mit einer konstanten Einzelfrequenz von jedem Piezo-Subarray zu emittieren, um sicherzustellen, dass ein maximaler SPL erreicht wird. Zu diesem Zweck kann eine Breitband-UTD-Vorrichtung, die gemäß der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist, einen Frequenzeinstellungsprozess implementieren, der einen Strom für jedes Piezo-Subarray misst und die Ausgangsfrequenz für denselben erhöht, bis ein aktueller Messungsabfall detektiert wird. Als Antwort auf das Erfassen des aktuellen Messungsabfalls identifiziert die Breitband-UTD-Vorrichtung vorteilhafterweise, wenn ein Piezo-Subarray eine maximale Resonanzfrequenz ausgibt.
Ein solcher beispielhafter Frequenzeinstellungsvorgang 1100 ist in 11 gezeigt. Der beispielhafte Prozess 1100 kann durch einen Controller, z.B. den Controller 104, oder irgendeine andere geeignete Komponente der Breitband-UTD 100 implementiert werden.
In Schritt 1102 empfängt der Controller 104 eine Basislinienstrommessung (BCM) für ein Piezo-Subarray, wie das Piezo-Subarray 409-1, während das Piezo-Subarray eine bestimmte Frequenz emittiert. Die Steuerung 104 kann das BCM beispielsweise von dem Stromsensor 105 von 1 empfangen. In einigen Fällen kann der Controller 104 eine Anzahl von Strommessungen (z.B. 5, 10 oder 20 Messungen) für ein gegebenes Piezo-Subarray mitteln, um das BCM zu erstellen. Diese Mittelung kann Rauschen reduzieren und die Konsistenz der Messung erhöhen.
In Schritt 1104 bewirkt der Controller 104 eine Erhöhung der Frequenz des Piezo-Subarrays um einen ersten Wertzuwachs X. Der erste Wertzuwachs X kann beispielsweise eine Auflösung von 200 Hz umfassen, obwohl andere Wertzuwächse innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung liegen. Zum Beispiel kann die Steuerung 104 ein Ansteuersignal erhöhen, das an die Treiberschaltung 106-1 geliefert wird, um zu bewirken, dass diese eine von dem Piezo-Subarray 409-1 emittierte Frequenz proportional zu dem ersten Wertzuwachs X (z.B. 52 kHz + 200 Hz = 52,2 kHz) erhöht.
In Schritt 1106 empfängt der Controller 104 eine Strommessung (CM) für das Piezo-Subarray nach dem Erhöhen der Frequenz in Schritt 1104. In einigen Fällen empfängt der Controller 104 mehrere Strommesswerte CM₀ ... CM_n, die dem Piezo-Subarray zugeordnet sind und mittelt diese, ähnlich der Mittelung der BCM, wie oben erläutert, um die CM zu etablieren. In jedem Fall und in Schritt 1108 vergleicht der Controller 104 die in Schritt 1102 empfangene BCM mit der in Schritt 1106 empfangenen CM. Wenn die BCM im Wesentlichen gleich der CM ist, z.B. innerhalb von +/- 1%, fährt der Prozess 1100 mit Schritt 1110 fort. Andernfalls setzt der Prozess 1100 die Aktion 1112 fort. Während die folgenden Beispiele einen 1% -Schwellenwert referenzieren, können andere Schwellenwerte (z.B. 2%, 5%, 10% usw.) verwendet werden und ebenfalls innerhalb des Bereichs dieser Offenbarung liegen.
Wenn in Schritt 1112 die CM größer als die BCM ist, z.B. CM die BCM um mindestens 1% oder mehr überschreitet, fährt der Prozess mit Schritt 1114 fort. Andernfalls, wenn die CM um mehr als 1% kleiner als die BCM ist, fährt der Prozess 1100 mit dem Schritt 1116 fort. In Schritt 1114 bewirkt der Controller 104 eine Erhöhung der Frequenz des Piezo-Subarrays um einen zweiten Wertzuwachs Y. Der zweite Wertzuwachs Y kann z.B. eine Auflösung von 100 Hz enthalten, obwohl andere Wertzuwächse innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung liegen. Zum Beispiel kann der Controller 104 ein Treibersignal erhöhen, das an die Treiberschaltung 106-1 geliefert wird, um zu bewirken, dass diese eine von dem Piezo-Subarray 409-1 emittierte Frequenz proportional zu dem zweiten Wertzuwachs Y (z.B. 52,2 kHz + 100Hz = 52,3 kHz) erhöht. In Schritt 1114 ersetzt der Controller 104 auch die BCM durch die CM und die neue BCM wird in einem Speicher gespeichert. In Vorgang 1110 ersetzt der Controller 104 die BCM durch die CM, um zu bewirken, dass die CM die neue BCM wird. Die Steuerung 104 kann beispielsweise die neue BCM in einem Speicher ablegen.
Somit ermöglicht es der Prozess 1100 der Steuerung 104, eine Grobkornfrequenzeinstellung durchzuführen, beispielsweise unter Verwendung des ersten Wertzuwachses X, und anschließende Messungen durchzuführen. Wenn sich der gemessene Strom (CM) nach einer solchen Grobkorneinstellung um einen bestimmten Prozentsatz von der Basislinie (BCM) erhöht, fährt die Steuerung 104 fort, die Frequenz feinkörnig zu erhöhen, indem der zweite Wertzuwachs Y verwendet wird, wobei der Wert Y kleiner als der Wertzuwachs X ist. Jedes Mal, wenn sich eine nachfolgende Strommessung von einer Messung vor einer Einstellung erhöht, bewirkt die Steuerung 104 in einem allgemeinen Sinn eine „Verschiebung“ näher an die Nennresonanzfrequenz. Dieser feinkörnige Anstieg der Frequenz dauert N-mal, bis ein Stromabfall festgestellt wird. In dem Fall, dass ein Stromabfall detektiert wird, identifiziert der Controller 104, dass die Nennresonanzfrequenz überschritten wurde, und führt eine Korrektur durch Verringern der Frequenz um den Wertzuwachs X durch.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Breitband-Ultraschall-Wandlervorrichtung (UTD) offenbart. Die Breitband-UTD umfasst eine Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten, die mit einem Basisabschnitt verbunden sind, wobei jede der Piezo-Subarray-Platten einer Nennresonanzfrequenz zugeordnet ist und eine Vielzahl von Öffnungen zum Aufnehmen eines piezoelektrischen Wandlerelements und mehrere piezoelektrische Wandlerelemente aufweist, die jeweils mit einer jeweiligen Öffnung der Vielzahl von Öffnungen gekoppelt sind, wobei die Treiberschaltung elektrisch mit jeder der Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten verbunden ist, wobei die Treiberschaltung so konfiguriert ist, um zu bewirken, dass jede der Piezo-Subarray-Platten Ultraschallenergie emittiert basierend auf der Nennresonanzfrequenz, die jeder Piezo-Subarray-Platte zugeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD) offenbart. Die Breitband-UTD umfasst eine Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten, die mit einem Basisabschnitt gekoppelt sind, wobei jede der Piezo-Subarray-Platten einer nominalen Resonanzfrequenz zugeordnet ist und eine Vielzahl von Öffnungen, um ein piezoelektrisches Wandlerelement aufzunehmen, eine Vielzahl von piezoelektrische Wandlerelementen, die jeweils mit einer jeweiligen Öffnung der Vielzahl von Öffnungen gekoppelt sind, wobei jedes piezoelektrische Wandlerelement eine Schmalbandwandlervorrichtung ist, eine Treiberschaltung, die elektrisch an jede der Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten gekoppelt ist, wobei die Treiberschaltung konfiguriert ist, um jede der Piezo-Subarray-Platten dazu zu veranlassen, Ultraschallenergie basierend auf der Nennresonanzfrequenz, die jeder Piezo-Subarray-Platte zugeordnet ist, zu emittieren, und eine Steuerung umfasst, die elektrisch mit der Treiberschaltung verbunden und so konfiguriert ist, dass die Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten ein Muster von Ultraschallenergie zumindest teilweise basierend auf einem Steuerschema emittieren.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Ansteuern einer Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten zum Emittieren eines Musters von Ultraschallenergie offenbart. Das Verfahren umfasst das Auswählen einer ersten Frequenz für mindestens eine erste Piezo-Subarray-Platte durch eine Steuerung, wobei die erste Piezo-Subarray-Platte eine Vielzahl von Öffnungen und eine Mehrzahl von schmalbandigen piezoelektrischen Wandlerelementen aufweist, die mit einer jeweiligen Öffnung der Vielzahl von Öffnungen gekoppelt sind, wobei die erste Piezo-Subarray-Platte einer ersten nominellen Resonanzfrequenz zugeordnet ist zumindest teilweise basierend auf der Vielzahl von Öffnungen, und das Bereitstellten durch die Steuerung eines ersten Signals, das die ausgewählte erste Frequenz darstellt, an eine Kanaltreiberschaltung, die der ersten Piezo-Subarray-Platte zugeordnet ist, wobei das erste Signal so konfiguriert ist, dass es die Kanaltreiberschaltung veranlasst, die erste Piezo-Subarray-Platte bei der ausgewählten ersten Frequenz anzusteuern.
Ausführungsformen der hierin beschriebenen Verfahren können unter Verwendung eines Prozessors und/oder einer anderen programmierbaren Vorrichtung implementiert werden. Zu diesem Zweck können die hierin beschriebenen Verfahren auf einem greifbaren computerlesbaren Medium implementiert werden, auf dem Befehle gespeichert sind, die, wenn sie von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, die Verfahren ausführen. Somit kann der Controller 104 zum Beispiel ein Speichermedium (nicht gezeigt) zum Speichern von Anweisungen (beispielsweise in Firmware oder Software) enthalten, um die hierin beschriebenen Operationen durchzuführen. Das Speichermedium kann jede Art eines greifbaren Mediums umfassen, beispielsweise jede Art von Diskette, einschließlich Disketten, optische Disketten, CD-ROMs, CD-RWs und magnetooptische Platten, Halbleitervorrichtungen wie Nur-LeseSpeicher (ROMs), Direktzugriffsspeicher (RAMs) wie dynamische und statische RAMs, löschbare programmierbare Nur-LeseSpeicher (EPROMs), elektrisch löschbare programmierbare Nur-Lese-Speicher (EEPROMs), Flash-Speicher, magnetische oder optische Karten, oder jede Art von Medien, die zum Speichern elektronischer Anweisungen geeignet sind.
Elemente, Komponenten, Module und/oder Teile davon, die beschrieben und/oder anderweitig durch die Figuren dargestellt werden, um mit etwas anderem zu kommunizieren, damit verbunden zu sein und/oder sich auf etwas stützen, können so verstanden werden, dass sie in direktem und indirektem Zusammenhang stehen und/oder darauf basieren, sofern nicht anderes hierin festgelegt wurde.
In der Gesamtheit der vorliegenden Offenbarung kann die Verwendung der Artikel „ein“ und/oder „eine“ und/oder „der/die“, um ein Substantiv zu modifizieren, so verstanden werden, dass es der Einfachheit halber verwendet wird und eines oder mehr als eines des modifizierten Substantivs enthält, sofern nicht anderes angegeben ist. Die Begriffe „aufweisen“, „umfassen“ und „mit“ sollen inklusiv verstanden werden und bedeuten, dass es neben den aufgeführten Elementen noch weitere Elemente geben kann. Wie hierin verwendet, bedeutet die Verwendung des Ausdrucks „Nenn-" oder „nominell“, wenn auf eine Menge, eine bestimmte oder theoretische Menge, die von der tatsächlichen Menge abweichen kann, Bezug genommen wird.
Die Begriffe und Ausdrücke, die hierin verwendet wurden, werden als Ausdrücke der Beschreibung und nicht als Einschränkung verwendet, und es besteht keine Absicht, bei der Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke irgendwelche Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale (oder Teile davon) auszuschließen, und es ist anerkannt, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Umfangs der Ansprüche möglich sind. Auch Merkmale einer hierin beschriebenen Ausführungsform können kombiniert oder ersetzt werden durch Merkmale einer anderen hier beschriebenen Ausführungsform.
Während die Prinzipien der Offenbarung hierin beschrieben wurden, ist es für Fachleute auf dem Gebiet zu verstehen, dass diese Beschreibung nur als Beispiel und nicht als eine Beschränkung hinsichtlich des Umfangs der Offenbarung gemacht wird. Andere Ausführungsformen sind innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung zusätzlich zu den hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen. Modifikationen und Ersetzungen durch einen Durchschnittsfachmann werden als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung liegend angesehen, der durch die folgenden Ansprüche nicht beschränkt werden soll.

Claims

Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD), aufweisend: eine Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6), die mit einem Gehäuseabschnitt (402) verbunden sind, wobei jede der Piezo-Subarrayplatten (409-1,409-2,...,409-6) einer anderen einzigen Nennresonanzfrequenz zugeordnet ist und eine Vielzahl von Öffnungen (310-1,310-2,...,310-5) aufweist, und jede der Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6) eine Vielzahl von piezoelektrischen Wandlerelementen (308-1,308-2,...,308-5), die jeweils mit einer jeweiligen Öffnung der Vielzahl von Öffnungen (310-1,310-2,...,310-5) verbunden sind und jedes der piezoelektrischen Wandlerelemente (308-1,308-2,...,308-8) konfiguriert ist, um Ultraschallenergie bei einer einzigen Nennresonanzfrequenz zu emittieren, die jeder Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,..., 409-6) zugeordnet ist; und eine Treiberschaltung (106), die elektrisch mit jeder der Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6) verbunden ist, wobei die Treiberschaltung (106) konfiguriert ist, um zu bewirken, dass jede der Vielzahl von Piezo-Subarrays-Platten (409-1,409-2,...,409-6) gleichzeitig Ultraschallenergie bei der einzigen Nennresonanzfrequenz, die jeder Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) zugeordnet ist, emittiert.
Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD) nach Anspruch 1, bei dem jedes der mehreren piezoelektrischen Wandlerelemente (308-1,308-2,...,308-5) Wandlerelemente vom geschlossenen Typ aufweist.
Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD) nach Anspruch 1, bei dem jede der Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6) einer Resonanzfrequenz zugeordnet ist, die zwischen 20 kHz und 100 kHz liegt.
Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD) nach Anspruch 1, bei dem jedes piezoelektrische Wandlerelement (308-1,308-2,308-5) mit einer entsprechenden Öffnung (310-1,310-2,...,310-5) zumindest teilweise auf Basis eines Klebstoffs verbunden ist.
Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD) nach Anspruch 4, bei dem jede Öffnung der mehreren Öffnungen (310-1,310-2,...,310-5) einen ersten Durchmesser (D1) aufweist, wobei der erste Durchmesser (D1) größer ist als ein Durchmesser jedes der piezoelektrischen Wandlerelemente (308-1,308-2,...,308-5).
Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD) nach Anspruch 4, bei dem jedes der mehreren piezoelektrischen Wandlerelemente (308-1,308-2,...,308-5) einen Durchmesser aufweist, und bei dem jede Öffnung der Vielzahl von Öffnungen (310-1,310-2,...,310-5) einen Durchmesser (D2) aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Durchmesser von jedem der mehreren piezoelektrischen Wandlerelemente (308-1,308-2,...,308-5) ist, um ein jeweiliges piezoelektrisches Wandlerelement (308-1,308-2,..., 308-5) aufzunehmen.
Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD) nach Anspruch 1, bei dem jede Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) ein elektrisch leitendes Material aufweist, und bei dem jedes piezoelektrische Wandlerelement (308-1,308-2,...,308-5) einer jeweiligen Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) in elektrischer Verbindung mit der zugehörigen Treiberschaltung (106) zumindest teilweise auf der Basis des elektrisch leitenden Materials steht.
Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD) nach Anspruch 1, bei dem jedes piezoelektrische Wandlerelement (308-1,308-2,...,308-5) über ein flexibles leitfähiges Gewebe mit der zugehörigen Treiberschaltung (106) elektrisch gekoppelt ist.
Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD) nach Anspruch 8, bei dem jedes flexible leitfähige Gewebe über einen Klebstoff mit einem zugehörigen piezoelektrischen Wandlerelement (308-1,308-2,...,308-5) gekoppelt ist.
Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD) nach Anspruch 1, bei dem jedes piezoelektrische Wandlerelement (308-1,308-2,...,308-5) ausgestaltet ist, ein Strahlwinkel-Strahlungsmuster von etwa 30 Grad zu emittieren, und bei dem die Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6) ausgestaltet ist, kollektiv ein Strahlwinkel-Strahlungsmuster von bis zu etwa 90 Grad zu emittieren.
Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD), aufweisend: eine Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6), die mit einem Gehäuseabschnitt (402) verbunden sind, wobei jede der Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6) einer anderen einzigen Nennresonanzfrequenz zugeordnet ist, und eine Vielzahl von Öffnungen (310-1,310-2,...,310-5), und jede der Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6) mehrere piezoelektrische Wandlerelemente (308-1,308-2,...,308-5) aufweist, die jeweils mit einer jeweilige Öffnung der mehreren Öffnungen (310-1,310-2,...,310-5) verbunden sind und jedes der piezoelektrischen Wandlerelemente (308-1,308-2,...,308-8) konfiguriert ist, um Ultraschallenergie bei einer einzigen Nennresonanzfrequenz zu emittieren, die jeder Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) zugeordnet ist, wobei jedes piezoelektrische Wandlerelement (308-1,308-2,...,308-5) eine Schmalband-Wandlervorrichtung ist; eine Treiberschaltung (106), die elektrisch mit jeder der Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6) verbunden ist, wobei die Treiberschaltung (106) konfiguriert ist, um zu bewirken, dass jede der Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6) gleichzeitig Ultraschallenergie bei der einzigen Nennresonanzfrequenz, die jeder Piezo-Subarray-Platte 409-1,409-2,...,409-6) zugeordnet ist, emittiert; und eine Steuerung, die elektrisch mit der Treiberschaltung (106) verbunden ist und konfiguriert ist, um zu bewirken, dass die Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten 409-1,409-2,...,409-6) ein Muster von Ultraschallenergie zumindest teilweise basierend auf einem Kontrollschema emittiert.
Breitband-Ultraschallwandlervorrichtung (UTD) nach Anspruch 11, bei dem das Muster der Ultraschallenergie weißem Rauschen angenähert ist.
Verfahren zum Ansteuern einer Vielzahl von Piezo-Subarray-Platten (409-1,409-2,...,409-6), um ein Muster von Ultraschallenergie zu emittieren, wobei das Verfahren aufweist: Auswählen, durch eine Steuerung, einer ersten Frequenz für mindestens eine erste Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6), wobei die erste Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) eine Vielzahl von Öffnungen (310-1,310-2,...,310-5) und eine Vielzahl von schmalbandigen piezoelektrischen Wandlerelementen (308-1,308-2,...,308-5) aufweist, die mit einer jeweiligen Öffnung der Vielzahl von Öffnungen (310-1,310-2,...,310-5) gekoppelt sind, wobei die erste Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) einer einzigen ersten Nennresonanzfrequenz zugeordnet ist; und Bereitstellen, durch die Steuerung, eines ersten Signals, das die ausgewählte erste Frequenz darstellt, an eine Kanaltreiberschaltung (106), die der ersten Piezo-Subarray-Platte zugeordnet ist, wobei das erste Signal so konfiguriert ist, um zu bewirken, dass die Kanaltreiberschaltung (106) die Vielzahl von schmalbandigen piezoelektrischen Wandlerelementen (308-1,308-2,...,308-5) der ersten Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) mit der einzigen ersten Nennresonanzfrequenz antreibt; Auswählen, durch die Steuerung, einer zweiten Frequenz für mindestens eine zweite Piezo-Subarray-Platte, wobei die zweite Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) eine Vielzahl von Öffnungen (310-1,310-2,...,310-5) und eine Vielzahl von zweiten schmalbandigen piezoelektrischen Wandlerelementen (308-1,308-2,...,308-5) aufweist, die mit einer jeweiligen Öffnung der Vielzahl von Öffnungen (310-1,310-2,...,310-5) gekoppelt sind, wobei die zweite Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) einer zweiten Nennresonanzfrequenz zugeordnet ist; und Bereitstellen, durch die Steuerung, eines zweiten Signals, das die ausgewählte zweite Frequenz repräsentiert, an die Kanaltreiberschaltung (106), die der zweiten Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) zugeordnet ist, wobei das zweite Signal so konfiguriert ist, um zu bewirken, dass die Kanaltreiberschaltung (106) die Vielzahl von zweiten schmalbandigen piezoelektrischen Wandlerelementen (308-1,308-2,...,308-5) der zweiten Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) mit der einzigen zweiten Nennresonanzfrequenz antreibt; wobei die Steuerung das erste und das zweite Signal an die Kanaltreiberschaltung (106), die der ersten bzw. zweiten Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) zugeordnet ist, gleichzeitig bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 13, des Weiteren aufweisend Empfangen einer Strommessung für das erste Piezo-Subarray (409-1,409-2,...,409-6), und bei dem das Bereitstellen des ersten Signals an die mit der ersten Piezo-Subarray-Platte (409-1,409-2,...,409-6) assoziierte Kanaltreiberschaltung (106) des Weiteren ein Einstellen des ersten Signals zumindest teilweise auf Basis der aktuelle Messung aufweist.