DE19913871A1 - Einrichtung zur Erzeugung von Schallwellen mit vorgegebener Schallkeule - Google Patents

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.