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Die Erfindung betrifft eine Ultraschallbewegungssensorvorrichtung, vorzugsweise zur Deckenmontage zur Beleuchtungssteuerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Beleuchtungssystem gemäß Anspruch 12.
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Ultraschallsensorvorrichtungen zur Beleuchtungssteuerung in Gebäuden sind bekannt. Diese umfassen getaktet betriebene Ultraschallwandler zum Aussenden von Ultraschallwellen in einen ersten Takt und zum Empfangen von reflektierten Ultraschallwellen in einen zweiten Takt. Dem Ultraschallwandler ist eine Steuereinrichtung zugeordnet, die bei Erkennen einer Frequenzverschiebung eine Bewegung detektiert und als Reaktion hierauf eine Leuchte aktiviert oder deaktiviert. Bekannte Ultraschallbewegungsmelder haben das Problem, dass sich die Ultraschallwellen auch in Bereiche, beispielsweise durch offene Türen in Nachbarräume hinein ausbreiten, so dass auch dort Bewegungen detektiert werden. Dies ist insbesondere problematisch bei langgestreckten Räumen, z.B. Fluren, wie Schulfluren, wo zum einen aufgrund der großen Längenerstreckung eine Vielzahl von Ultraschallsensoren zur Abdeckung des gesamten Raumes benötigt werden und darüber hinaus im Regelfall eine Vielzahl von Türen in den langgestreckten Raum münden, beispielsweise so dass im Fall einer geöffneten Tür unerwünschter Weise Bewegungen in den angrenzenden Räumen zu einer Aktivierung der Flurbeleuchtung führen.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen vorzugsweise zur Deckenmontage geeigneten und bestimmten Ultraschallbewegungsmelder zur Beleuchtungssteuerung anzugeben, der zum Einsatz in langgestreckten Räumen, insbesondere Fluren konzipiert ist und eine große Reichweite (Detektionsweite) erzielt, wobei die Ultraschallbewegungssensorvorrichtung derart ausgebildet sein soll, dass eine Ausbreitung der Ultraschallwellen in Nachbarräume zumindest weitgehend vermieden wird. Gleichzeitig ist es bevorzugt, wenn der Ultraschallbewegungssensor einen einfachen, vorzugsweise modulartigen Aufbau aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit einer Ultraschallbewegungssensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Ultraschallsensorvorrichtung zur Beleuchtungssteuerung derart auszubilden, dass diese eine vergleichsweise gerichtete Abstrahl- und/oder Empfangscharakteristik aufweist, um somit einen langgestreckten und im Verhältnis dazu schmalen Erfassungsbereich zu generieren, wodurch zum einen erreicht wird, dass langgestreckte Räume, insbesondere Flure, mit einer geringen Anzahl an derartigen Ultraschallbewegungssensorvorrichtungen überwacht werden können und zum anderen gleichzeitig vermieden wird, dass sich Ultraschallwellen in Bereiche, insbesondere in senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung angrenzende Räume, ausbreiten, wodurch Fehlauslösungen der Beleuchtung vermieden werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass dem mindestens einen Ultraschallwandler, insbesondere einem Piezowandler oder noch weiter bevorzugt ein Quarzwandler, ein Horn (also ein trichter- oder trompetenförmiger Auslass zugeordnet ist), wobei dieses Horn erfindungsgemäß nicht unmittelbar an den Ultraschallwandler angrenzt, sondern über einen Resonatorraum (Reflexraum) zur Optimierung der Richtcharakteristik und Filterung der Ultraschallwellen beabstandet ist.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich die maximale, senkrecht zur Abstandsrichtung zwischen Horn und Ultraschallwandler orientierte, Querschnittsfläche des Resonatorraums größer ist als die bevorzugt parallel dazu orientierte Querschnittsfläche einer vorzugsweise kreisförmigen Impedanz-Öffnung, die die Ultraschallwellen auf ihrem Weg zwischen Ultraschallwandler und dem äußeren Ende des, vorzugsweise als Tractrix-Horn ausgebildeten Horns passieren müssen. Aus der Kombination aus Horn und Resonatorraum resultiert eine effiziente Ankopplung des Ultraschallwandlers an das Übertragungsmedium Luft, so dass eine optimale Richtwirkung/-Charakteristik erzielt wird.
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Hieraus ergibt sich zudem ein hoher Wirkungsgrad und damit eine hohe Reichweite, da durch die vorgenannte Kombination eine Bündelung der Ultraschallwellen erreicht wird, was zu einer hohen Reichweite des Ultraschalls führt und gleichzeitig eine Fehlausbreitung senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung minimiert. Die erfindungsgemäße Ultraschallbewegungssensorvorrichtung eignet sich insbesondere zum Einsatz in schmalen, langen Räumen, wie Gängen und Fluren und/oder zur Detektion von temporär anwesenden festen Objekten, beispielsweise Autos in Parklücken von Parkhäusern.
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Wie erwähnt verhindert die gebündelte und gerichtete Ultraschallwelle die Erfassung in angrenzenden Bereichen, insbesondere Räumen, Parklücken oder dergleichen und gewährleistet somit eine gezielte Erfassung von Objekten oder Bewegungen.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn sich die vorgenannte maximale Querschnittsfläche nicht nur in einen axial kurzen Abschnitt des Resonatorraums realisiert ist, sondern wenn sich ein die maximale Querschnittsfläche durchgehend aufweisender Axialabschnitt über den Großteil seiner Längserstreckung erstreckt, wobei es noch weiter bevorzugt ist, wenn die maximale Querschnittsfläche eine Kreisform aufweist, also von einem zylindrischen Abschnitt des Resonatorraums gebildet ist.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Querschnittsflächenverhältnis zwischen der Querschnittsfläche der Impedanz-Öffnung und der maximalen Querschnittsfläche des Resonatorraums aus einem Wertebereich zwischen etwa 0,2 und etwa 0,3 vorzugsweise zwischen etwa 0,22 und etwa 0,26 gewählt ist und bevorzugt etwa 0,24 beträgt. Idealerweise beträgt die ausgesendete Ultraschallfrequenz des Ultraschallwandlers bei vorstehendem Querschnittsflächenverhältnis zwischen etwa 35 kHz und 45 kHz und besonders bevorzugt zumindest näherungsweise 40 kHz. Bevorzugt wird hierzu als Ultraschallwandler ein Quarz-Ultraschall-Schwinger eingesetzt. Im Falle kreisförmiger Querschnittsflächen beträgt das Durchmesserverhältnis bevorzugt 1:2.
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Um einen konstruktiv möglichst einfach aufgebauten und einfach zu montierenden Bewegungsmelder zu erhalten, ist in Weiterbildung der Erfindung mit Vorteil vorgesehen, dass dem mindestens einen Ultraschallwandler eine Halterung zugeordnet ist, die auf einer Leiterplatte der Steuereinrichtung fixiert ist. Besonders zweckmäßig ist es, wenn es sich bei der Halterung um ein Kunststoffspritzgussteil handelt, welches noch weiter bevorzugt auf die Leiterplatte aufklipsbar ausgestaltet ist.
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Zur Ausbildung des Resonatorraums hat es sich im Hinblick auf einen einfachen Aufbau der Vorrichtung als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn dieser zumindest abschnittsweise von einem, bevorzugt als Kunststoffspritzgussteil ausgebildeten Adapterstück begrenzt ist. Bevorzugt ist das Adapterstück hülsenförmig ausgeformt und zwischen dem, vorzugsweise von einem Gehäuseabschnitt gebildeten Horn und dem Ultraschallwandler angeordnet. Bevorzugt ist der Adapter im montierten Zustand formschlüssig mit der Halterung für den Ultraschallwandler und/oder dem Horn verbunden, wobei es besonders zweckmäßig ist, wenn der Adapter im Hinblick auf eine erleichterte Montage auf einen entsprechenden Vorsprung, insbesondere Ringkranz, des Halters für den Ultraschallwandler aufsetzbar ist.
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Auch ist es bevorzugt, wenn das Horn axial ein Stück weit in den Adapter hineinragt.
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Wie zuvor bereits angedeutet, ist es im Hinblick auf eine erleichterte Montage besonders bevorzugt, wenn das mindestens eine Horn in einer aus Kunststoff ausgebildeten Gehäuseschale ausgebildet ist. Anders ausgedrückt wird das Horn bevorzugt von dem Gehäuse der Vorrichtung gebildet, wobei die Gehäuseschale, in die das Horn eingeformt ist, bevorzugt als Kunststoffspitzgussteil ausgebildet ist.
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Grundsätzlich ist es möglich, den Ultraschallwandler getaktet zu betreiben, also sowohl als Sender als auch als Empfänger, der in einem ersten Takt ein elektrisches Signal in Ultraschallwellen und in einem zweiten Akt empfangene Ultraschallwellen in ein elektrisches Signal wandelt.
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Da die Taktzeiten aufgrund der Wellenlänge der Ultraschallwellen vergleichsweise groß gewählt werden müssten, würde eine solche Ausbildung zu vergleichsweise großen Totzeiten führen, in denen keine Bewegungsdetektion möglich ist. Um dies zu vermeiden, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, mindestens ein Paar von Ultraschallwandlern mit jeweils einem Resonatorraum und jeweils einem Horn vorzusehen, wobei die Hörner zumindest näherungsweise in eine gemeinsame Richtung orientiert sind. Bevorzugt sind die Hörner hierzu parallel angeordnet bzw. ausgerichtet, wobei es besonders zweckmäßig ist, wenn die Hörner eines Hornpaares von einer gemeinsamen Gehäuseschale gebildet sind, wobei noch weiter bevorzugt jeder Resonatorraum zumindest abschnittsweise von einem Adapterstück begrenzt ist, welches zwischen dem jeweiligen Horn und dem zugehörigen Ultraschallwandler angeordnet ist. Ein Ultraschallwandler des Paares dient dabei als Sender und der weitere Ultraschallwandler als Empfänger.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die beiden Resonanzräume sowie die beiden Hörner eines Paares identische Abmessungen aufweisen.
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Um Bewegungen in zwei unterschiedlichen, vorzugsweise näherungsweise voneinander abgewandten Richtungen detektieren zu können, ist in Weiterbildung der Erfindung mit Vorteil vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung zwei Paare von Ultraschallwandlern aufweist, also insgesamt vier Ultraschallwandler mit zugeordneten Resonanzräumen und Hörnern, wobei es ganz besonders bevorzugt ist, wenn jeweils ein Paar von Hörnern von einer gemeinsamen Gehäuseschale gebildet ist. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die mindestens eine, mindestens ein Horn bildende Gehäuseschale, mittels einer weiteren Gehäuseschale fixierbar ist, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn insgesamt zwei, jeweils zwei Hörner aufweisende Gehäuseschalen auf voneinander abgewandten Seiten des Gehäuses angeordnet sind und über eine mittlere, weitere Gehäuseschale gehalten sind. Vorzugsweise sind sämtliche vorgenannten Gehäuseschalen verrastbar gestaltet, um diese erleichtert montieren zu können, insbesondere an der Leiterplatte und/oder an einem umlaufenden Rahmengehäusestück.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Ultraschallbewegungssensorvorrichtung von außen,
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2 ein Detail der Vorrichtung gemäß 1, umfassend eine Leiterplatte sowie ein Paar von Ultraschallwandlern mit zugeordneten Resonatorräumen und Hörnern,
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3 in einer Schnittansicht den Aufbau einer Kombination aus Ultraschallwandler, Adapter und Horn, und
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4 eine perspektivische Ansicht einer geöffneten Ultraschallsensorvorrichtung, bei der zur Verdeutlichung des Aufbaus Bauteile weggelassen sind.
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In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein entgegen der Montagerichtung an eine Decke um 180° gedreht dargestellte Bewegungssensorvorrichtung 1 gezeigt. Diese umfasst ein aus mehreren Kunststoffspritzgussteilen zusammengesetztes Gehäuse 2, in welchem insgesamt vier Hörner ausgebildet sind, wobei in der Darstellung nur ein Paar von Hörnern 3a, 3b gezeigt ist.
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Das Gehäuse 2 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei voneinander abgewandt angeordnete, seitliche Gehäuseschalen 4, 5, die als Kunststoffspritzgussteile ausgebildet sind und die mit einer Grundfläche der Vorrichtung 1 und damit mit einer in 2 gezeigten Leiterplatte 6 einen Winkel einschließen, so dass die Hornpaare bezogen auf eine Montageposition schräg nach untern gerichtet sind, wobei die Hornpaare in unterschiedliche Richtungen angeordnet sind.
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Die Gehäuseschalen 4, 5 bilden gleichzeitig die Hörner, die in diese eingeformt sind, wobei jede Gehäuseschale 4, 5 ein Paar von Hörnern 3a, 3b ausbildet. Die Gehäuseschalen 4, 5 werden übergriffen von einer mittleren Gehäuseschale 7, die gleichzeitig als Fixierung für die seitlichen Gehäuseschalen 4, 5 dient. In einem unteren Bereich werden sämtliche Gehäuseschalen 4, 5, 7 von einem umlaufenden Rahmen 8 umgriffen.
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Die mittlere Gehäuseschale 7 ist mit dem umlaufenden Rahmen 8 verrastet und wird als eine Einheit über die gesamte Baugruppe, bestehend aus Leiterplatte 6, Horn 3a, 3b, Adapter 12, Halterung 10a, 10b und Ultraschallwandler 11, 14, gestülpt. Der umlaufende Rahmen 8 verrastet mit einer nicht dargestellten Bodenplatte, die sich parallel zur Leiterplatte 6 erstreckt.
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Aus 2 ist ausschnittsweise das „Innenleben“ der Vorrichtung 1 gezeigt. Zu erkennen ist die vorerwähnte Leiterplatte 6, auf welcher eine ansonsten nicht weiter dargestellte Steuereinrichtung 9 ausgebildet ist, die zur Ansteuerung und Auswertung von Ultraschallwandlern dient und über die als Reaktion auf ein Auswerteergebnis in an sich bekannter Weise eine nicht dargestellte Beleuchtung eines Beleuchtungssystems ansteuerbar, insbesondere an- und ausschaltbar ist.
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Die parallel zu einer Grundfläche der Vorrichtung 1 orientierte Leiterplatte 6 ist gleichzeitig Träger für insgesamt vier Halterungen, von denen nur ein Paar von Halterungen 10a, 10b gezeigt ist. Die Halterungen 10a, 10b sind auf der Leiterplatte 6 fixiert und bilden jeweils eine Kavität zur Aufnahme jeweils eines in 4 gezeigten Ultraschallwandlers 11 (Ultraschallkapsel bzw. Ultraschallschwinger). Die Ultraschallwandler 11 können in an sich bekannter Weise als Sender oder Empfänger von Ultraschallwellen über die Steuereinrichtung 9 angesteuert werden.
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Die Ultraschallwandler 11 sind so orientiert, dass eine Hauptabstrahlrichtung und eine Hauptempfangsrichtung von Ultraschallwellen winklig, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel unter einem Winkel von etwa 30° zur Flächenerstreckung der Leiterplatte 6 verläuft.
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Wie erwähnt, sind in den Halterungen 10a, 10b Ultraschallwandler 11 aufgenommen. Auf den Halterungen 10a, 10b, die als separate Spritzgussteile oder als gemeinsames Spritzgussteil aus Kunststoff ausgebildet sein können, sitzt jeweils ein hülsenförmiger Adapter 12, welcher in mit seinem Innenumfang einen Resonatorraum begrenzt.
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Auf der von dem zugehörigen Ultraschallwandler 11 abgewandten Seite grenzt an jeden Adapter 12 ein Horn 3a, 3b an. Bei der in 2 gezeigten Konfiguration ist einer der Ultraschallwandler 11 als Ultraschallsender und der benachbarte Ultraschallwandler 11 als Empfänger konfiguriert bzw. über die Steuereinrichtung 9 angesteuert. Das heißt einer der beiden Ultraschallwandler 11 sendet ein Ultraschallwellensignal aus, wobei die Reflektionen von dem jeweils anderen Ultraschallwandler empfangen werden. Der mechanische Aufbau, bzw. die Geometrien der beiden Resonanzräume und Hörner 3a, 3b sind identisch.
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In 2 ist zudem eine der beiden seitlichen Gehäuseschalen 4 zu erkennen, die die Hörner 3a, 3b eines ersten Hörnerpaares bilden.
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In 3 ist in einer schematischen Schnittansicht der Aufbau eines Ultraschallsenders gezeigt, wobei geometrische Konfiguration von Sender und Empfänger identisch ist. Zu erkennen ist die Leiterplatte 6 mit dem daran festgelegten Halter 10a, der im Inneren eine Kavität 13 für einen Ultraschallwandler 14 ausbildet, der zur Montage von der Öffnungsseite her einsteckbar ist. Der Ultraschallwandler 14 ragt mit elektrischen Anschlüssen 15 hinten in Richtung Leiterplatte 6 hinaus und ist dort (nicht gezeigt) elektrisch kontaktiert.
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Die Halterung 10a erstreckt sich axial in Abstrahlrichtung über den Ultraschallwandler 14 mit einem Ringfortsatz 16 hinaus. Dieser wird axial übergriffen von einem hülsenförmigen Adapter 12, welcher zusammen mit dem Ringfortsatz 16 den Resonatorraum 17 begrenzt. Dieser ist axial durchgängig zylindrisch konturiert, und weist eine maximale Querschnittsfläche von etwa 327 mm2 auf. Die maximale Querschnittserstreckung entspricht in diesem Ausführungsbeispiel auch der mittleren Querschnittserstreckung.
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Zu erkennen ist, dass die maximale Querschnittsfläche des Resonatorraums 17, die sich senkrecht zur Hauptabstrahlungsrichtung erstreckt, größer ist als die maximale Querschnittsfläche des Ultraschallwandlers 11.
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Auf der dem Ultraschallwandler 11 gegenüberliegenden Seite des Resonatorraums 12 ist dieser begrenzt von dem in der seitlichen Gehäuseschale 4 ausgebildeten Horn 3a, welches sich trompetenförmig nach außen öffnet. Das Horn 3a ragt axial in den Adapter 12 ein und begrenzt im Übergangsbereich zwischen Resonatorraum 17 und Horn 3a eine Impedanz-Querschnittsfläche 18, die geringer ist als die maximale Querschnittsfläche des Resonatorraums 17 und auch geringer ist als die maximale Querschnittsfläche des Ultraschallwandlers 14.
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Aus 4 wird der konstruktive Aufbau der Vorrichtung 1 deutlich. Zu erkennen ist die von dem Gehäuserahmen 8 umgebene Leiterplatte 6 mit der darauf ausgebildeten Steuereinrichtung 9. Auf der Leiterplatte 6 sind die Halterungen 10a bis 10d für die Ultraschallwandler 11 fixiert, wobei die Ultraschallwandler 11 jeweils von dem Ringfortsatz 16 des zugehörigen Halters 11 überragt werden. Die Ringfortsätze 16 werden axial übergriffen von hülsenförmigen Adaptern 12, in die die Hörner 3a und 3b eingreifen. Zu erkennen ist in 4 eine Rastlasche 19 zur Fixierung der seitlichen Gehäuseschale 5 an der in 4 nicht dargestellten mittleren Gehäuseschale 7. Zusätzlich greifen die Gehäuseschalen 4, 5 in an den Halterungen 10a bis 10d ausgebildeten Haltehülsen 20 ein.
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Aus 4 sind gut zwei Paare von Ultraschallwandlern 11 zu erkennen, mit jeweils zugeordnetem Resonatorraum sowie Horn. Dabei sind sämtliche Resonatorräume und Hörner geometrisch gleich bemessen, wobei jeweils ein Ultraschallwandler eines Paares als Sender und der jeweils andere als Empfänger von reflektierten Ultraschallwellen dient.
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In 4 ist exemplarisch ein Durchmesser D1, von hier etwa 20,4 mm im Bereich der maximalen Querschnittsfläche Q1 eines Resonatorraums 17 eingezeichnet.
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Im Vergleich dazu ergibt sich aus 2 ein Durchmesser D2, von hier etwa 10,0 mm der zugehörigen Impedanzöffnung 21, deren Querschnittsfläche etwa 78,5 mm2 beträgt und damit geringer ist als die maximale Querschnittsfläche von etwa 327 mm2 des Resonatorraums 17. Das Verhältnis der Querschnittsfläche beträgt 0,24.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ultraschallbewegungssensorvorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3a, 3b, 3c, 3d
- Hörner
- 4
- seitliche Gehäuseschale
- 5
- seitliche Gehäuseschale
- 6
- Leiterplatte
- 7
- mittlere Gehäuseschale
- 8
- Rahmen
- 9
- Steuereinrichtung
- 10a, 10b, 10c, 10d
- Halterungen für jeweils einen Ultraschallwandler
- 11
- Ultraschallwandler
- 12
- Adapter
- 13
- Kavität
- 14
- Ultraschallwandler
- 15
- elektrischer Anschluss
- 16
- Ringfortsatz
- 17
- Resonatorraum
- 18
- Querschnittsfläche der Impedanzöffnung
- 19
- Rastlasche
- 20
- Haltehülse
- 21
- Impedanzöffnung
