DE19913871A1 - Einrichtung zur Erzeugung von Schallwellen mit vorgegebener Schallkeule - Google Patents
Einrichtung zur Erzeugung von Schallwellen mit vorgegebener SchallkeuleInfo
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Abstract
Erfindungsgemäß werden Schallwellen mit vorgegebener Schallkeule erzeugt, indem mittels eines richtscharfen Ultraschallwandlers (W) Schallwellen mit rotationssymmetrischer Schallkeule erzeugt werden und in der Schallausbreitungsrichtung innerhalb der Fresnel-Zone ein Streukörper (4, 7, 10, 11, 17, 18) positioniert wird. Hierzu ist eine entsprechende Einrichtung, z. B. gemäß FIG. 1 vorgesehen. Die Streukörper sind unterschiedlich ausgeführt, um astigmatische Schallkeulen oder rotationssymmetrische, aufgeweitete Schallkeulen zu erzeugen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Ein
richtung zur Erzeugung von Schallwellen mit vorgegebener
Schallkeule.
Ultraschall-Näherungsschalter werden in der Automatisierungs
technik hauptsächlich zur berührungslosen Erfassung der Anwe
senheit oder des Abstandes von Objekten eingesetzt. Je nach
Meßaufgabe finden das Schranken- oder Echolaufzeitverfahren
Verwendung. Beim Schrankenverfahren sendet ein Ultrschallsen
der Signale aus, die auf direktem Weg zu einem Ultraschall
empfänger gelangen. Der zu erfassende Gegenstand unterbricht
den Schallweg und wird damit detektiert. Beim Echolaufzeit
verfahren wird dagegen das vom zu erfassenden Gegenstand re
flektierte Ultraschallecho empfangen und aus der Signallauf
zeit zwischen Aussendung und Empfang die Entfernung des Ge
genstands ermittelt.
Schlüsselbauelemente für beide Verfahren sind die Ultra
schall-Wandler. Sie werden im Sendefall zur Umsetzung elek
trischer Signale in Schallwellen und im Empfangsfall zur Um
setzung von Schallwellen in elektrische Signale benutzt. Bei
Geräten nach dem Echolaufzeitverfahren wird oft ein und der
selbe Wandler abwechselnd für Sendung und Empfang verwendet.
Damit wird der gerätetechnische Aufwand verringert, aber auch
ein Mindestabstand festgelegt, unterhalb dem wegen der unver
meidlichen Ausschwingvorgänge des Wandlers nach dem Sendezy
klus keine Messungen möglich sind.
Ultraschallwandler gibt es in unterschiedlichen technischen
Ausgestaltungen. Aus der DE 25 41 492 B2 ist ein richtschar
fer Wandler bekannt, der durch seine schmale, weitgehend ro
tationssymmetrische Schallkeule eine gute Unterscheidung des
zu erfassenden Gegenstandes von seitlich benachbarten Objek
ten erlaubt. Insbesondere für Überwachungsaufgaben werden
aber auch Wandler mit breiterer Schallkeule benötigt, um Ob
jekte zu erfassen, bei denen der Ort des Erscheinens nicht
zwangsläufig vorgegeben ist. Neben der rotationssymmetrischen
Schallkeule größerer Breite sind dabei besonders astigmati
sche Schallkeulenformen interessant, die z. B. in der horizon
talen Ebene eine breite, in der vertikalen Ebene dagegen eine
schmale Ausdehnung haben. Ihr typischer Einsatz liegt in der
Erfassung von Personen, die in den Gefährdungsbereich von Ro
botern oder selbstfahrenden Transportfahrzeugen eindringen.
Für diese Aufgaben wurden spezielle Wandler gemäß
EP 0 425 716 A1 entwickelt.
Astigmatische Wandler werden im industriellen Bereich gegen
über richtscharfen Wandlern in deutlich geringeren Stückzah
len benötigt; außerdem erfordert ihre Fertigung meist höheren
Material- und Technologieaufwand. Astigmatische Wandler sind
damit gegenüber richtscharfen Wandlern wesentlich teurer.
Für bestimmte Anwendungsfälle besteht außerdem ein Bedarf zur
Erzeugung von Schallwellen mit rotationssymmetrischer Schall
keule mit vorgegebener Breite.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches
und kostengünstig realisierbares Verfahren zur Erzeugung von
Schallwellen mit vorgegebener Schallkeule anzugeben. Die wei
tere Aufgabe besteht in der Schaffung einer entsprechenden
Einrichtung zur Erzeugung von Schallwellen mit vorgegebener
Schallkeule.
Die erstgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mittels ei
nes Ultraschallwandlers Schallwellen mit rotationssymmetri
scher Schallkeule erzeugt werden und in der Schallausbrei
tungsrichtung innerhalb der Fresnel-Zone des Ultraschallwand
lers mindestens ein Streukörper positioniert wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht, wenn der Streukörper
in länglicher Form ausgeführt ist und senkrecht zur Schall
ausbreitungsrichtung positioniert wird, da hierdurch auf ein
fache Weise Schallwellen mit astigmatischer Schallkeule er
zeugt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung besteht, wenn der Streu
körper in rotationssymmetrischer Form ausgeführt ist und sein
Symmetriezentrum auf der Symmetrieachse des Ultraschallwand
lers positioniert wird. Auf diese Weise lassen sich sehr ein
fach annähernd rotationssymmetrische aufgeweitete Schallkeu
len erreichen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung von Schallwel
len mit vorgegebener Schallkeule wird erreicht mit einem Ul
traschallwandler, der Schallwellen mit schmaler, rotations
symmetrischer Schallkeule erzeugt, und mit mindestens einem
Streukörper, der in der Schallausbreitungsrichtung innerhalb
der Fresnel-Zone des Ultraschallwandlers positioniert ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Einrichtung zur Erzeugung
von Schallwellen mit astigmatischer Schallkeule oder mit auf
geweiteter rotationssymmetrischer Schallkeule sind den Unter
ansprüchen zu entnehmen.
Außerdem nehmen die Unteransprüche Bezug auf vorteilhafte
Ausführungsformen zur Befestigung des Streukörpers mit dem
Wandlergehäuse.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit einem richt
scharfen Ultraschallwandler und einem stabförmigen
Streukörper zur Erzielung einer astigmatischen
Schallkeule,
Fig. 2 eine für einen richtscharfen Ultraschallwandler gemäß
Fig. 1 typische Schallkeule ohne Verwendung eines
Streukörpers,
Fig. 3 eine Schallkeule der erfindungsgemäßen Einrichtung
gemäß Fig. 1 senkrecht zur Ausrichtung des stabförmi
gen Körpers,
Fig. 4 die Schallkeule der Einrichtung von Fig. 1 in Schall
ausbreitungsrichtung parallel zur Ausrichtung des
stabförmigen Körpers,
Fig. 5 eine vorteilhafte Ausgestaltung der Einrichtung von
Fig. 1 mit einem Drahtbügel als Streukörper vor der
Wandleroberfläche,
Fig. 6 eine vorteilhafte Ausgestaltung der Einrichtung von
Fig. 5 mit mehreren parallel ausgerichteten Drahtbü
geln als Streukörper vor der Wandleroberfläche,
Fig. 7 eine vorteilhafte Ausgestaltung der Einrichtung von
Fig. 1 mit einem stabförmigen Trapezoid als Streukör
per,
Fig. 8 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit einem richt
scharfen Ultraschallwandler und einem kugelförmigen
Streukörper zur Erzielung einer breiteren annähernd
rotationssymmetrischen Schallkeule,
Fig. 9 eine vorteilhafte Ausgestaltung der Einrichtung von
Fig. 8 mit einem über eine Haltestange am Ultraschall
wandler gehalterten kugelförmigen Streukörper,
Fig. 10 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit einem richt
scharfen Ultraschallwandler und einem rotationssymme
trischen sternförmigen Streukörper zur Erzielung ei
ner breiteren, annähernd rotationssymmetrischen
Schallkeule,
Fig. 11 eine vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemä
ßen Einrichtung betreffend die Halterung eines draht
bügelartigen Streukörpers,
Fig. 12 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit einem richt
scharfen Ultraschallwandler und mit einem Kegelstumpf
als Streukörper und
Fig. 13 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit einem richt
scharfen Ultraschallwandler und mit einem Zylinder
als Streukörper.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung
von Schallwellen mit astigmatischer Schallkeule dargestellt,
die bekanntermaßen in der horizontalen Ebene eine breite und
in der vertikalen Ebene eine schmale Ausdehnung hat. Sie be
steht aus einem richtscharfen Ultraschallwandler mit der
Wandleroberfläche 1, der in einem Wandlergehäuse 2 gehaltert
ist. Im Abstand 3 befindet sich bevorzugt mittig und parallel
zur Wandleroberfläche 1, d. h. senkrecht zur Schallausbrei
tungsrichtung, eine stabförmiger Streukörper 4. Der Abstand 3
liegt vorteilhaft innerhalb der Fresnel-Zone des Ultraschall
wandlers W und beträgt insbesondere weniger als fünf Schall
wellenlängen.
Fig. 2 zeigt als Bezug die gemessene Schallkeule eines richt
scharfen Ultraschallwandlers in Polarkoordinaten, ohne daß
ein Streukörper eingesetzt wird. Die Schallkeule kann räum
lich als annähernd rotationssymmetrisch angenommen werden.
Eine Erfassung von Objekten ist näherungsweise nur im Winkel
bereich der stark ausgeprägten Hauptkeule 5 möglich.
Den Einfluß eines Streukörpers 4 auf die Schallkeule in der
Ebene senkrecht zu seiner Längsausdehnung zeigt Fig. 3. Außer
halb der Hauptkeule 5 existieren Nebenkeulen 6, die eine Er
fassung von Objekten auch in diesen Winkelbereichen erlauben.
Die Einbringung eines Streukörpers 4 parallel zu seiner
Längsausdehnung hat auf die Schallkeule kaum einen Einfluß
(siehe Fig. 4). In dieser Ebene bleibt die richtscharfe
Schallkeulenform weitgehend erhalten. Durch Positionieren des
stabförmigen Streukörpers 4 im obengenannten Abstand 3 von
der Wandoberfläche 1 wird also die ursprünglich rotationssym
metrische Schallkeule in eine astigmatische Schallkeule ge
wandelt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der obenbeschriebenen
Einrichtung nach Fig. 1 wird der Streukörper als Drahtbügel 7
realisiert (siehe Fig. 5). Er wird durch seine Seitenschenkel
9 in Aufnahmetaschen 8 des Wandlergehäuses 2 bevorzugt mittig
und parallel zur Wandleroberfläche 1 gehaltert. Die ge
wünschte räumliche Lage der astigmatischen Schallkeule ist
durch Verdrehen des Wandlergehäuses 2 in der Ebene parallel
zur Wandleroberfläche 1 einstellbar. Form und Verteilung der
Nebenkeulen werden durch die Länge der Seitenschenkel 9 des
Drahtbügels 7 und dessen Querschnitt beeinflußt.
In Fig. 6 ist eine vorteilhafte Variante der Ausgestaltung
dargestellt, bei der als Streukörper mehrere parallel ange
ordnete Drahtbügel 7 verwendet werden, die in entsprechend
vorgesehenen Aufnahmetaschen 8 des Wandlergehäuses 2 gehal
tert werden. Mit dieser Anordnung sind Form und Verteilung
der Nebenkeulen noch stärker beeinflußbar als bei dem voran
gehend beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5.
Fig. 7 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zur Er
zeugung astigmatischer Schallkeulen, bei der der Streukörper
als stabförmiges Trapezoid 10 - im Grenzfall auch als Quader
gestaltet ist, das am Wandlergehäuse 2 befestigt ist oder
auch integraler Bestandteil der Wandleroberfläche 1 sein
kann. Form und Verteilung der Nebenkeulen werden durch die
Querschnitts- und Längenabmessungen des Trapezoids 10 beein
flußt.
In Fig. 8 ist eine erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung
annähernd rotationssymmetrischer Schallkeulen dargestellt.
Sie besteht aus einem richtscharfen Ultraschallwandler W mit
der Wandleroberfläche 1, der in einem Wandlergehäuse 2 gehal
tert ist. Im Abstand 3 befindet sich mittig zur Wandlerober
fläche 1 ein kugelförmiger Streukörper 11. Der Abstand liegt
vorteilhaft innerhalb der Fresnel-Zone des Ultraschallwand
lers und beträgt insbesondere weniger als fünf Schallwellen
längen. Der Streukörper 11 bewirkt eine rotationssymmetrische
Aufweitung der richtscharfen Schallkeule des Ultraschallwand
lers. Form und Verteilung der Nebenkeulen werden durch den
Querschnitt des kugelförmigen Streukörpers 11 und seinen Ab
stand 3 zur Wandleroberfläche 1 beeinflußt.
Fig. 9 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Einrichtung
nach Fig. 8, bei der der kugelförmige Streukörper 11 mit einer
Haltestange 12 auf der Wandleroberfläche 1 gehaltert ist, wo
bei die Haltestange 12 parallel zur Schallausbreitungsrich
tung verläuft. Zur akustischen Entkopplung gegenüber der
Wandleroberfläche 1 ist es vorteilhaft, wenn die Anordnung
aus Haltestange 12 und Streukörper 11 am Anbindungspunkt 13
eine hohe akustische Impedanz aufweist. Dies ist dann der
Fall, wenn sich auf dieser Anordnung unter Berücksichtigung
der Material- und Massenverhältnisse gerade ein ganzzahliges
Vielfaches der halben Schallwellenlänge ausbildet.
In Fig. 10 ist eine weitere erfindungsgemäße Einrichtung zur
Erzeugung annähernd rotationssymmetrischer aufgeweiteter
Schallkeulen dargestellt. Dabei wird ein rotationssymmetri
scher Streukörper aus mehreren Drahtbügeln 7 realisiert, de
ren Seitenschenkel 9 in der aus Fig. 5 und 6 bekannten Weise
in Aufnahmetaschen 8 des Wandlergehäuses 2 gehaltert sind.
Die Drahtbügel 7 verlaufen parallel zur Wandleroberfläche 1
und schneiden sich in einer gemeinsamen Ebene im Punkt 14
mittig zur Wandleroberfläche 1. Form und Verteilung der Ne
benkeulen werden durch Zahl und Querschnitt der Drahtbügel 7
sowie ihren Abstand 3 von der Wandleroberfläche 1 beeinflußt.
Bei den Anordnungen gemäß Fig. 5, 6, 10 lassen sich die Draht
bügel 7 vorteilhaft auch nachträglich am Wandlergehäuse 2 an
bringen, wenn mit ein und derselben Grundausführung von Ul
traschallwandlern sowohl Gerätevarianten mit richtscharfen
als auch mit aufgeweiteten Schallkeulen realisierbar sein
sollen. Hierzu sind lediglich alle Wandlergehäuse mit einer
entsprechenden Zahl von Aufnahmetaschen und -bohrungen zu
versehen, in die im Bedarfsfall die Seitenschenkel 9 der
Drahtbügel eingesetzt werden. Alternativ können gemäß Fig. 11
die Seitenschenkel der Drahtbügel 7 vorteilhaft auch mit
Formteilen 15 versehen werden, die an ihrer Innenseite einen
an das Wandlergehäuse angepaßten Radius 16 aufweisen. Diese
Formteile 15 sind z. B. durch Klebung mit dem Wandlergehäuse 2
verbunden. Durch gegenüber der Darstellung von Fig. 11 ver
drehte Anbringung der Formteile 15 auf den Seitenschenkeln 9
und Anpassung der Länge der Drahtbügel 7 können diese ent
sprechend Fig. 6 auch außermittig am Wandlergehäuse 2 ange
bracht werden.
In Fig. 12, 13 sind weitere erfindungsgemäße Einrichtungen zur
Erzeugung annähernd rotationssymmetrischer aufgeweiteter
Schallkeulen dargestellt, wobei der rotationssymmetrische
Streukörper die Form eines Kegelstumpfes 17 bzw. Zylinders 18
hat und mittig auf der Wandleroberfläche 1 des richtscharfen
Ultraschallwandlers befestigt ist oder auch integraler Be
standteil der Wandleroberfläche 1 ist. Form und Verteilung
der Nebenkeulen sind durch die Querschnitts- und Längenabmes
sungen des Kegelstumpfes 17 bzw. Zylinders 18 beeinflußbar.
Die Zeichnungen stellen lediglich typische Ausgestaltungen
erfindungsgemäße Anordnungen dar. Die Lehre der Erfindung ist
auch mit anderen Ausgestaltungen nutzbar, soweit diese auf
den offengelegten Patentansprüchen beruhen.
Claims (16)
1. Verfahren zur Erzeugung von Schallwellen mit vorgegebener
Schallkeule, dadurch gekennzeichnet, daß
- - mittels eines Ultraschallwandlers (W) Schallwellen mit ro tationssymmetrischer Schallkeule erzeugt werden und
- - in der Schallausbreitungsrichtung innerhalb der Fresnel- Zone des Ultraschallwandlers (W) mindestens ein Streukör per (4, 7, 10,11, 17, 18) positioniert wird.
2. Verfahren nach Anspruch .1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Streukörper (4, 7) in länglicher Form
ausgeführt ist und senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung
positioniert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Streukörper (11, 17, 18) in rotations
symmetrischer Form ausgeführt ist und im Symmetriezentrum auf
der Symmetrieachse des Ultraschallwandlers (W) positioniert
wird.
4. Einrichtung zur Erzeugung von Schallwellen mit vorgegebe
ner Schallkeule mit einem Ultraschallwandler (W), der Schall
wellen mit schmaler, rotationssymmetrischer Schallkeule er
zeugt, und mit mindestens einem Streukörper
(4, 7, 10,11, 17, 18), der in der Schallausbreitungsrichtung in
nerhalb der Fresnel-Zone des Ultraschallwandlers (W) positio
niert ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Streukörper (4, 7) stabförmig ausge
führt und senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung positio
niert ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Streukörper als Drahtbügel (7)
ausgeführt ist, der am Gehäuse (2) des Ultraschallwandlers
(W) befestigt ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Streukörper als stabförmiges Trape
zoid (10) - im Grenzfall auch als Quader - ausgeführt ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Streukörper (11) kugelförmig ausge
führt ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Streukörper als Kegelstumpf (17) aus
geführt ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Streukörper als Zylinder (18) ausge
führt ist.
11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Streukörper (11)
mit einer Haltestange (12) am Ultraschallwandler (W) gehal
tert ist, wobei die Haltestange (12) parallel zur Schallaus
breitungsrichtung verläuft.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Haltestange (12) und der Streukörper
(11) bei einem ganzzahligen Vielfachen der halben Schallwel
lenlänge in Resonanz sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Streukörper mehrere rotations
symmetrisch angeordnete Drahtbügel (7) aufweist, die parallel
zur Wandleroberfläche (1) verlaufen und sich in einer gemein
samen Ebene in einem Punkt (14) mittig zur Wandleroberfläche
(1) schneiden, wobei der Streukörper (7) am Wandlergehäuse
(2) befestigt ist.
14. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlergehäuse
(2) angeformte Aufnahmetaschen (8) mit Bohrungen (19) auf
weist, in denen der Streukörper (7) gehaltert ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß mehrere parallel ausgerichtete Drahtbügel
(7) als Streukörper senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung
innerhalb der Fresnel-Zone des Ultraschallwandlers (W) posi
tioniert sind.
16. Enrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenschenkel
(9) der Drahtbügel (7) Formteile (15) tragen, die mit dem
Wandlergehäuse (2) kraftschlüssig verbunden sind.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1999113871 DE19913871A1 (de) | 1999-03-26 | 1999-03-26 | Einrichtung zur Erzeugung von Schallwellen mit vorgegebener Schallkeule |
EP00105222A EP1039445A3 (de) | 1999-03-26 | 2000-03-13 | Einrichtung zur Erzeugung von Schallwellen mit vorgegebener Schallkeule |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1039445A3 (de) |
DE (1) | DE19913871A1 (de) |
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