-
-
Sende- und Empfangswandler für Ultraschall-Strahlung, geeignet
-
für großen Entfernungsbereich.
-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Sende- und Empfangswandler, wie
er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
-
Aus dem Stand der Technik sind Ultraschall-Wandler als Sender bekannt,
in denen ein piezokeranisches Element die elektromechanische Umwandlung bewirkt.
Aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit von Piezokeramik lassen sich mit solchen Wandlern
hohe Schall-Leistungen erzielen, die große Reichweiten ergeben. Piezokeramische
Ultraschall-Yandler lassen sich wie an sich bekannt so ausbilden, daß sie außerdem
auch hohe Richtwirkung haben.
-
Aus dem Stand der Technik sind Wandler mit einem Elektret als elektromechanischer
Wandler bekannt. Solche Elektret-Wandler in der Ausführung eines Mikrofons lassen
sich auch zum Empfang einer Ultraschall-Strahlung verwenden. Zur Verbesserung der
Richtwirkung kann eine Kombination von Elektret-Wandler und Schalltrichter verwendet
werden. Derartige Exponential-Schalltrichter wiederum sind bezüglich ihres Aufbaues
und ihrer Funktion, z.B.
-
auch mit einer Druckkammer, schon lange vom rein akustisch arbeitenden
Trichter-Grammophon und vom Sprachrohr her bekannt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sende- und Empfangswandler
fiIr gerichtete Ultraschall-Strahlung anzugeben, der für eine Entfernungsmeßeinrichtung
geeignet ist, wobei der vorgesehene Entfernungsmeßbereich sowohl kurze Entfernung
als auch große Entfernungen, besoaien auf den Ort des Wandlers' umfassen muß.
-
Ein Sende- und Empfangswandler, der diese Aufgabe löst, weist die
im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale auf und ist erfindungsgemäß
gekennzeichnet, wie dies die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 angeben.
Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprechen
hervor.
-
Die oben angegebene Aufgabenstellung enthält die Probleme, einerseits
genügend Ultraschall-Leistung bereitzustellen, damit auch tatsächlich große Reichweiten
erzielt werden. Andererseits bedingt aber die Forderung; daß auch sehr kurze Reichweiten
miterfaßt werden müssen, daß aus der UltraschallStrahlung auch ein Kurzzeit-Signal
ausgewertet werden kann. Dem steht z.B. die Schwierigkeit gegenüber, bei einem fur
hohe Leistung ausgelegten Ultraschall-Sendewandler eine so kurze Anschwing- und
Abklingdauer zu erreichen, daß so kurze Ultraschall-Sendeimpulse ausgesendet werden
können, daß die Impulsdauer kurz bis höchstens vergleichbar mit der Laufzeit kurzer,
zu erfassender Entfernungen ist.
-
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Lösung auf einem
anderen als dem voranstehend angedeuteten Weg zu finden, nämlich einen solchen Empfangswandler
zu verwenden, der aus dem Ultraschall-Echosignal, das durchaus eine lange Zeitdauer
haben kann, einen Signalanstieg als Kurzzeit-Empfangssignal auswertet.
-
Die auf dem voranstehend dargelegten Mlsungsgedanken beruhende erfindungsgemäße
Lösung des anstehenden Problems besteht in einer Kombination eines leistungsfähigen
piezokeramischen Sendewandlers mit einem an sich bekannten Elektret-Mikrofon mit
daran angepaßtem Schalltrichter. Der Sendewandler und das als Empfänger dienende
Elektret-Mikrofon bzw. dessen Schalltrichter sind auf einander Ubereinstimmende
Schallrichtung ausgerichtet. Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Lösung, bei der eine zueinander konzentrische Anordnung von keramischem Ultraschall-Wandler
und Schalltrichter des Mikrofons erreicht ist.
-
Eine für diese Ausgestaltung besonders vorteilhafte Formgebung
für
den piezokeramischen Wandler ist die eines rohrförmigen geramikkörpers, der als
elektrisch erregter Schwinger mit Amplitude in Radialrichtung des Rohres Schallstrahlung
abgibt.
-
Mit der erfindungsgemäßen Kombination und insbesondere mit ihren speziellen
Ausgestaltungen lassen sich besondere Vorteile für die Anwendung bei einem Luft-Ultraschall-Entfernungsmeßsystem
erreichen, die mit den Jeweiligen Einzelteilen der Kombination (oder mit einer andersartigen
Kombination) gar nicht erreichbar sind.
-
Weitere Erläuterungen zur Erfindung und weitere Vorteile werden anhand
eines nachfolgend mit Hilfe einer Figur beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung dargelegt.
-
In der Figur ist mit 1 die gesamte erfindungsgemäße Kombination bezeichnet.
In einem mit 3 bezeichneten Reflektor mit 900 Gesamtöffnungswinkel befindet sich,
wie insbesondere aus der Figur ersichtlich, angeordnet ein rohrförmiger Ultraschall-Wandler
5 aus Piezokeramik. Als piezokeramisches Material ist z.B. ein Bleizirkonat-Titanat
zu verwenden. Der rohrfdrmige bzw. zylindrische Wandler 5 hat auf der Rohraußenwand
eine Elektrode 6 und auf der Rohrinnenwand eine Elektrode 7, die mit elektrischen
Zuführungsleitungen 16 und 17 mit einem elektrischen Generator für die Anregungswechselspannung
des Wandlers 5 zu verbinden sind. Die Anregungsfrequenz und die Abmessungen desWbffll
5 , wie an sich bekannt, derart aufeinander abgestimmt, daß der rohrförmige Wandler
5 aufgrund radialer Schwingungsbewegung Wellen einer Ultraschall-Strahlung aussendet,
die durch die mit 9 bezeichneten Striche in der Figur angedeutet sind. An der Innenseite
13 des Ultraschall-Reflektors 3 werden diese Schallwellen 9 so reflektiert, daß
eine durch die Striche 10 angedeutete, im wesentlichen ebene Ultraschall-Welle mit
hoher Richtwirkung ausgesandt wird. Die Abmessungen des Reflektors 3 und die auf
der gewählten Anregungsfrequenz des Wandlers 5 beruhende Wellenlänge der Ultraschall-Strahlung
9, 10 werden in en sich bekannter Weise aufeinander zur Erreichung dieser hohen
Richtwirkung abgestimmt. ,,,,,, a
Durch die Striche 12 ist Ultraschall-Echostrahlung,
reflektiert an einem Gegenstand, angedeutet, die in den Trichter 14 des insgesamt
mit 16 bezeichneten Elektret-Mikrofons gelangt. Aufgrund der an sich bekannten Formgebung
des Trichters 14 wird, ggf. zusammen mit einem an sich bekannten und deshalb der
Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Kompressionsraum,eine gute Richtwirkung
für Empfang des Elektret-Elements 18 erreicht.
-
Mit dem ELektret-Element 18 des Mikrofons 16 sind Anschlußleitungen
118 und 218 verbunden, an denen ein elektrisches Empfangssignal abgenommen werden
kann, das auf empfangener Echo-Ultraschall-Strahlung 12 beruht und an ein elektronisches
Auswertegerät weitergegeben werden kann.
-
Aufgrund der wie in der Figur dargestellten Anordnung wird in optimaler
Weise die Ubereinstimmung von ausgesandter Ultraschall-Strahlung und Echo-Ultraschall-Strahlung
erreicht, ohne daß sich die einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Kombination
gegenseitig im Wege stehen. In der Darstellung der Figur sind der Ubersichtlichkeit
halber alle Halterungen für die Einzelteile weggelassen, nachdem diese vom Fachmann
(ausgerüstet mit der vorangehenden Beschreibung) für den Einzelfall dann leicht
ausgewählt werden D nax In bezug auf die Halterungen ist lediglich zu erwähnen,
daß Halterungen nach Möglichkeit sich nicht im Schallstrahl befinden sollen und
insbesondere auch keine akustische Rückkopplung vom Sende- zum Empfangsteil bewirken
sollen.
-
Der Sendeteil des wie erfindungsgemäßen Sende- und Empfangswandlers
wird vorzugsweise impulsmäßig betrieben. Von dem Echoimpuls wertet das Elektret-Mikrofon
zusammen mit der an die Anschlüsse 118 und 218 anzuschließenden Auswerteschaltung
die Anstiegsflanke des Echo-Ultraschall-Signals aus, wobei hier die hohe Empfindlichkeit
des Elektret-Mikrofons auf den Ultraschall-Signalanstieg als wesentlich ausgenutzt
wird.
-
Die Verwendung eines piezokeramischen, rohrförmigen Ultraschall-Wandlers
als Sender läßt eine hohe Ultraschall-Sendeleistung erreichen. Durch die zusätzliche
Verwendung eines außerhalb dieses Wandlers angeordneten Reflektor-Trichters mit
900 Öffnung erreicht man hohe Richtwirkung in sich paralleler Ultraschall-Sende
strahlung. Die Verwendung des Elektret-Wandlers ergibt hohe Empfangsempfindlichkeit,
die Möglichkeit der Austzertung kurzer Anstiegszeigen und damit hoher Meßgenauigkeit
bei kurzen Entfernungen, und auch große Bandbreite, was dann von Bedeutung ist,
wenn eine Doppler-Frequenzverschiebung des Ultraschall-Empfangssignals vorliegt,
weil die Reflektion an einem bewegten Gegenstand erfolgt ist.
-
Sowohl beim Elektret-Mikrofon als auch beim Ultraschall-Sendewandler
bleiben deren Richtwirkung auch während des Anschwingvorgangs erhalten. Das ergibt.
daß die hohe Richtschärfe auch bei in geringer Entfernung befindlichen Gegenständen,
deren Entfernung z.B. zu messen ist. erhalten bleibt.
-
Die konzentrische Anordnung gewährleistet auch bei kurzen Entfernungen
ein genaues Messen, weil anderenfalls durch Parallaxe bedingte Fehler von vornherein
ausgeschlossen sind und nicht etwa erst durch komplizierte Auswerteschaltungen mehr
oder weniger kompensiert werden müssen.
-
Ein weiterer, ebenfalls nicht ohne weiteres vorauszusehender Vorteil
einer konzentrischen Anordnung wie oben beschrieben ist, daß aufgrund der auf jeweils
unterschiedlichem Prinzip arbeitenden richtwirkenden Elemente des Sendeteils und
des Empfangsteils liebenzipfel der Ultraschall-Strahlung unterdriickt werden. Das
bedeutet, daß an sich unvermeidliche Nebenmaxima der ausgestrahlten Ultraschall-Strahlung,
die in unertnschte Winkelbereiche gerichtet sind, beim Empfang nicht mit in Winkelbereichen
von Mebe2zla der Empfangs-Richtungscharakteristik zusammenfallen.
-
Für ein Bemessungsbeispiel seien die folgenden Abmessungen gegeben:
Reflektor 3, größter Innendurchmesser = 100 mm Wandler 5, Außendurchmesser 30 mm
f;tr etwa 40 kHz Länge und Wandstärke = 50 min bzw. 1 nm Trichter 14, Lange = 70
mm maximaler und minimaler Durchmesser = 30 bzw. 11 mm Elektret-Element 18 = CK
40 der Fa. AKG, Milnchen Der Trichter 14 kann auch ein gerader konischer Trichter
sein.
-
Mit einem erfindungsgemäßen Sende- und Empfangswandler mit den oben
genannten Abmessungen läßt sich ein Reichaleitebereich von 0,20 bis 20 m erfassen.
-
5 Patentansprüche 1 Figur
Leerseite