EP0308899A2 - Ultraschallwandler mit astigmatischer Sende-/Empfangscharakteristik - Google Patents

Ultraschallwandler mit astigmatischer Sende-/Empfangscharakteristik Download PDF

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EP0308899A2
EP0308899A2 EP88115485A EP88115485A EP0308899A2 EP 0308899 A2 EP0308899 A2 EP 0308899A2 EP 88115485 A EP88115485 A EP 88115485A EP 88115485 A EP88115485 A EP 88115485A EP 0308899 A2 EP0308899 A2 EP 0308899A2
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EP
European Patent Office
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membrane
grooves
transducer according
bending transducer
plate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP88115485A
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English (en)
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Inventor
Valentin Dipl.-Phys. Magori
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP0308899A2 publication Critical patent/EP0308899A2/de
Publication of EP0308899A3 publication Critical patent/EP0308899A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/32—Sound-focusing or directing, e.g. scanning characterised by the shape of the source
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K13/00—Cones, diaphragms, or the like, for emitting or receiving sound in general

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic bending transducer, as specified in the preamble of claim 1.
  • a sensor for carrying out a distance measurement according to the ultrasound echo principle is known.
  • This sensor is intended to determine and display proximity distances between a vehicle and nearby obstacles.
  • It is a pot converter with a piezoceramic oscillator arranged in it.
  • damping material is provided on the inside of the diaphragm of this pot converter on two horizontal, opposite circular sections to prevent high-energy ultrasound or signal output.
  • the damping material is e.g. Soft rubber.
  • it is provided to arrange the pot converter in a horn.
  • the membrane of the pot converter is the bottom of the pot. Because the damping material is distributed asymmetrically to the normal to the membrane or the pot bottom, this converter has a correspondingly asymmetrical transmission and reception characteristic or transmission and reception lobe.
  • this pot converter one can imagine a connecting line between the portions of the damping material asymmetrically attached inside the pot converter. This connecting line runs perpendicular to the surface normal of the membrane (pot bottom). This connecting line and the surface normal mentioned form a plane. The sound propagation or the sound reception characteristic in this plane is essentially a single radiation lobe with the normal mentioned as the center line.
  • the radiation characteristic has a plurality of radiation lobes, of which the central radiation lobe, like the radiation lobe specified above, has the surface normal of the membrane as the center line.
  • the central radiation lobe like the radiation lobe specified above, has the surface normal of the membrane as the center line.
  • this vertical plane in addition to this center lobe, there is another radiation lobe on each side in the manner of secondary maxima.
  • the size of such a secondary maximum is essentially the same size as the central radiation lobe.
  • such a pot converter has a broad radiation field for transmission and / or reception in one plane (namely the vertical plane mentioned above). In the plane perpendicular to this, this transducer has a relatively narrow characteristic, so that an astigmatic sound characteristic results overall.
  • the object of the present invention is to provide a structure for a transducer with the most improved astigmatic radiation characteristic, which is easier and more reproducible to manufacture and which is free from aging.
  • damping material as is known, has the disadvantage that there is considerable scatter in the large series of the characteristic values of such transducers and / or adequate aging resistance cannot be achieved.
  • the invention is therefore based on the idea of giving the actual pot converter those characteristic properties which always ensure reproducible and / or reliably maintained predetermined characteristic values.
  • the membrane is designed to achieve the anisotropy of the sound radiation in such a way that it has anisotropic elastic properties in mutually perpendicular (main) directions lying in the plane of the membrane. Corresponding transition behavior is present in this membrane for the directions between these two main planes.
  • these anisotropic elastic properties are achieved in that the values of the speed of sound in the material of this membrane are substantially different from one another in these two main directions.
  • the pot converter can still have the round shape that is technically easy to manufacture.
  • these different sound velocities are brought about by mechanical changes in the surface of the membrane thereof. For example, the membrane is changed into the surface of the membrane by scoring, embossing, sawing or milling grooves and the like, the direction of these operations being in each case parallel to one another and parallel to the one main direction.
  • Damping materials can also be used for damping, without this being a contradiction to the above statements regarding the prior art.
  • material changes in the damping material have a far less serious and in particular practically no effect on the astigmatic radiation or reception property.
  • FIG. 1 shows a top view of the membrane of a pot transducer according to the invention, which has an astigmatic sound lobe for transmission and reception.
  • the membrane of the converter 1 is designated 2.
  • This membrane consists of e.g. a pan bottom, plate 11, made of piezoelectrically inactive material, preferably made of metal, and a plate 10 made of piezo material, such as e.g. Piezoceramic.
  • 3 denotes grooves or cracks (as one of the relevant configurations) which are located in the outer surface of the membrane 2 of the pot converter 1.
  • N denotes the normal direction of the membrane 2, which is also the central axis of the sound lobe.
  • Figure 2 shows a side view of the transducer 1, namely this view in section. With 7 the edge of this pot converter is designated.
  • the grooves or cracks 3, for example embossed, sawn or milled into the surface of the membrane 2, can be clearly seen.
  • the disc 10 for example glued on, on the inside of the pot converter 1 on the surface of the membrane 2 and made of polarized piezoceramic, for example a lead zirconate titanate is the piezoelectric vibrator.
  • 14 is an electrode and 12 is an adhesive.
  • FIG. 3 shows an image corresponding to FIG. 2 with grooves or cracks 13 provided on the inside of the pot converter 101 in the surface of the membrane 2. These grooves or cracks 13 can be used instead of the grooves or cracks 3 or together with such grooves or Cracks 3 may be provided. In any case, grooves 3 and 13 are at least substantially parallel.
  • the disk of piezoceramic belonging to the membrane 2 is designated by 110. The associated electrode is not shown.
  • the grooves, crevices 3, 13 can be distributed uniformly equidistantly over the surface. They can preferably be arranged symmetrically to the center line (parallel to direction 4), distributed over direction 5, as shown in FIG. 1. Analogously, this distribution can also be non-uniformly dense, as can be seen from FIG. 1.
  • These grooves or cracks 3, 13 preferably extend from edge to edge of the plate 11 and / or the plate 10. However, they can also begin or end at a distance from such an edge. They can also have interruptions in their longitudinal direction.
  • a transducer according to the invention the coupling of the vibration modes of the two directions 4 and 5 is so large that a mode spectrum can essentially be observed for the round pot transducer that has a fundamental frequency and harmonics that occur in pairs. These harmonics can be clearly distinguished from one another in a converter according to the invention.
  • a transducer according to the invention can be operated reliably on one of the paired harmonics without the risk that the transducer could jump into the vibration of the other harmonic.
  • FIG. 4 shows the basic distribution of the sound lobe in the middle plane, which is perpendicular to the representation plane of FIG. 1 and parallel to direction 4.
  • FIG. 5 shows the sound lobe in the central plane perpendicular to the drawing plane and the direction 4. It can be clearly seen that the radiation lobe of FIG. 4 is considerably wider than that of FIG. 5, i.e. the transducer according to FIGS. 1, 2 and 3 covers a wide field in a plane containing the direction 4, whereas in the direction perpendicular thereto the transducer has such a narrow lobe that locations further away from its axis direction are no longer detected by the astigmatic radiation lobe .
  • a transducer of the type according to the invention is particularly suitable as a detection transducer for land and watercraft, in which broad “illumination” is desired parallel to the driving level, but on the other hand, as little sound as possible is to be emitted (and received back as an echo)
  • Such a transducer can be used equally as a transmitter and receiver.
  • Another advantage of a transducer according to the invention is that the choice, the distribution and the dimensioning of the grooves or cracks 3 in the surface of the membrane 2 make a relative This means that for a transducer according to the invention, blind directions within the overall beam lobe can be minimized, in the direction of which the transducer has a very narrow obstacle, for example a lamppost , could not detect.
  • a preferred application of a converter according to the invention is that as a reversing aid, in particular for heavy vehicles with a rearward view or for vehicles (excavators and the like) that frequently move back and forth.
  • the membrane or possibly also the pot will preferably have a circular shape.
  • a rectangular or preferably oval shape can also be provided, namely depending on which vibration behavior of the membrane is preferred.
  • the oval shape can be an elliptical shape. But it can also take the form of an ancient Egyptian cartridge, i.e. a circle that is elongated in one direction.
  • the membrane can be dimensioned so large in relation to the desired oscillation frequency that (as already mentioned above) the resonance frequency of its (a) first harmonic is used.
  • the ceramic plate so large that it, when attached to the plate of the membrane, only reaches from the center up to the vibration node line (e.g. vibration node circle) of this first harmonic. It is therefore unnecessary to design the plate or the arrangement and shape of the electrodes on the plate in such a way that corresponding portions of the same (as a transmitter) are excited piezoelectrically in the required manner in antiphase.
  • this converter has e.g. a pot with a diameter of 25 mm and a thickness of 0.4 mm of the plate 11 of the membrane 2.
  • the ceramic plate 10 has a thickness of 0.25 or 0.4 mm and a diameter of approximately 9 mm (diameter of the oscillation node circle). Without grooves, this converter has a natural frequency at 40 kHz. With grooves 3 according to the invention with a depth of 0.2 mm and a width of about 0.2 mm at a distance of 1 mm, a natural frequency of 36 to 33 kHz results.
  • angles of the radiation in directions 4 and 5, that is the extent of the astigmatism, are 120 to 140 ° to 60 to 65 ° in such a transducer.

Landscapes

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Abstract

Ultraschallwandler (1), dessen astigmatische Sende-/Empfangs­charakteristik auf Rillen bzw. Ritzen (3, 13) beruht, die in der Membran (2) in einer Richtung (4) parallel ausgerichtet sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-­Biegewandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 an­gegeben ist.
  • Aus der EP-B-0 075 302 ist ein Sensor für die Durchführung einer Distanzmessung nach dem Ultraschall-Echoprinzip bekannt. Dieser Sensor soll der Ermittlung und Anzeige von Annäherungs­abständen zwischen einem Fahrzeug und Hindernissen im Nahbe­reich dienen. Es handelt sich dabei um einen Topfwandler mit darin angeordnetem piezokeramischem Schwinger. Auf der Innen­seite der Membran dieses Topfwandlers ist an zwei horizon­talen, gegenüberliegenden Kreisabschnitten Dämpfungsmaterial zur Verhinderung einer energiereichen Ultraschallabgabe oder Signalabgabe vorgesehen. Das Dämpfungsmaterial ist z.B. Weich­gummi. Für die oben angegebene Anwendung ist vorgesehen, den Topfwandler in einem Hornstrahler anzuordnen.
  • Die Membran des Topfwandlers ist der Topfboden desselben. Auf­grund des asymmetrisch zur Normalen der Membran bzw. des Topf­bodens verteilt angebrachten Dämpfungsmaterials hat dieser Wandler eine entsprechend asymmetrische Sende- und Empfangs­charakteristik bzw. Sende- und Empfangskeule. Für diesen Topfwandler kann man sich eine Verbindungslinie zwischen dem asymmetrisch im Inneren des Topfwandlers angebrachten Anteilen des Dämpfungsmaterials denken. Diese Verbindungslinie verläuft senkrecht zur Flächennormalen der Membran (Topfboden). Diese Verbindungslinie und die erwähnte Flächennormale bilden eine Ebene. Die Schallausbreitung bzw. die Schall-Empfangscharak­teristik in dieser Ebene ist im wesentlichen eine einzige Strahlungskeule mit der erwähnten Normalen als Mittellinie.
  • In der zu dieser genannten Ebene senkrechten Ebene weist die Strahlungscharakteristik mehrere Strahlungskeulen auf, von denen die mittlere Strahlungskeule ähnlich der voranstehend angegebenen Strahlungskeule die Flächennormale der Membran als Mittellinie hat. In dieser senkrechten Ebene treten neben dieser Mittelkeule auf jeder Seite je eine weitere Strahlungs­keule nach Art von Nebenmaxima auf. Dabei ist aber die Größe eines solchen Nebenmaximums im wesentlichen gleich groß wie die mittlere Strahlungskeule.
  • Ein solcher Topfwandler hat also im Prinzip in der einen Ebene (nämlich der oben erwähnten senkrechten Ebene) ein breites Strahlungsfeld für Aussendung und/oder Empfang. In der dazu senkrechten Ebene hat dieser Wandler eine relativ schmale Charakteristik, so daß sich insgesamt eine astigmatische Schallcharakteristik ergibt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aufbau für einen Wandler mit einer möglichst verbesserten astigmatischen Strahlungscharakteristik anzugeben, der einfacher und zuver­lässig reproduzierbar herzustellen und der frei von Alterung ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Ultraschall-Biegewandler mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausge­staltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Eine wie bekannte Verwendung von Dämpfungsmaterial hat den Nachteil, daß sich in der Großserie erhebliche Streuungen der charakteristischen Werte solcher Wandler ergeben und/oder keine ausreichende Alterungsbeständigkeit zu erreichen ist. Die Erfindung beruht daher auf dem Gedanken, bereits dem eigentlichen Topfwandler solche charakteristischen Eigen­schaften zu geben, die stets reproduzierbare und/oder zuver­lässig eingehaltene vorgegebene charakteristische Werte ge­währleisten.
  • Für die Erfindung ist wiederum von einem Verbund zwischen einem Piezoelement und einer Platte, z.B. eines topfförmigen, nicht­piezoelektrischen Körpers, ausgegangen worden. Erfindungsgemäß ist die Membran zur Erzielung der Anisotropie der Schallabstrah­lung so ausgebildet, daß sie anisotrope elastische Eigenschaften in zueinander senkrechten in der Ebene der Membran liegenden (Haupt-)Richtungen besitzt. Entsprechendes Übergangsverhalten liegt bei dieser Membran für die Richtungen zwischen diesen beiden Hauptebenen vor.
  • Erfindungsgemäß sind diese anisotropen elastischen Eigenschaften dadurch erzielt, daß die Werte der Schallgeschwindigkeit im Material dieser Membran in diesen beiden Hauptrichtungen wesent­lich voneinander verschieden sind. Dabei kann der Topfwandler nach wie vor die technisch einfach herzustellende runde Form haben. Diese unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten sind bei einem erfindungsgemäßen Topfwandler durch mechanische Veränderun­gen in der Oberfläche der Membran derselben herbeigeführt. Zum Beispiel ist die Membran durch Ritzen, Prägen, Sägen oder Fräsen von Nuten und dergleichen in die Oberfläche der Membran ver­ändert, wobei die Richtung dieser Bearbeitungen jeweils parallel zueinander und parallel zu der einen Hauptrichtung ist. Durch jeweilige Wahl der Anzahl des Abstandes und/oder der Breite der in der Oberfläche der Membran erzeugten Ritzen, Rillen und dgl., können in weiten Grenzen unterschiedliche Verhältniswerte der Anisotropie erreicht werden. Eine einfache Lösung ist, diese Rillen, Ritzen und dgl. auf derjenigen Seite der Wandlermembran anzubringen, die die Außenseite des Topfwandlers ist. Die Rillen, Ritzen und dgl. können aber auch auf der Innenseite des Topf­wandlers auf der Membran aufgebracht sein. Es kann sogar der piezoelektrische Keramikanteil des Topfwandlers mit derartigen Rillen, Ritzen und dgl. versehen sein.
  • Außer der einfachen runden Form des Topfwandlers kann auch quadratische Formen desselben vorgesehen sein. Auch rechteckige und elliptische Formen können sinnvoll sein. Im Falle eines quadratischen Wandlers wird durch Anregungen von mehr als einem Schwingungsmode Breitbandigkeit erzielt. Elliptische und recht­ eckige Ausführung ermöglichen durch Anpassung der Stützstellen an die Knotenlinien der Membran einen effizienten Monomodenbetrieb.
  • In jeweiligen Anwendungsfällen ist es von Vorteil, an sich bekannte Maßnahmen zur Apodisierung der Membranschnelle und zur zusätzlichen Dämpfung der Wandlergüte mit der Erfindung zu kombinieren. Zur Dämpfung können zusätzlich Dämpfungsmaterialien verwendet werden, ohne daß das ein Widerspruch zu den obigen Aus­führungen zum Stand der Technik ist. Im Falle einer solchen Wandlerdämpfung wirken sich Materialveränderungen des Dämpfungs­materials weit weniger gravierend und insbesondere praktisch gar nicht auf die astigmatische Strahlungs- bzw. Empfangseigen­schaft aus.
  • Die Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf die Membran eines erfindungs­gemäßen Topfwandlers, der eine astigmatische Schallkeule für Senden und Empfang hat. Die Membran des Wandlers 1 ist mit 2 bezeichnet. Diese Membran besteht aus einer, z.B. einen Topf­boden bildenden, Platte 11, aus piezoelektrisch inaktivem Material, vorzugsweise aus Metall, und aus einem daran be­festigten Plättchen 10 aus Piezomaterial, wie z.B. Piezokeramik. Mit 3 sind Rillen bzw. Ritzen (als eine der diesbezüglichen Ausgestaltungen) bezeichnet, die sich in der Außenoberfläche der Membran 2 des Topfwandlers 1 befinden. Diese Rillen oder Ritzen 3 bewirken, daß die Membran 2 und damit auch der Topfwandler in der einen Hauptrichtung 5 erheblich geringere Steifigkeit bzw. niedrigere Schallgeschwindigkeit hat, als dies für die dazu senkrechte Hauptrichtung 4 gilt. Mit N ist die Normalenrichtung der Membran 2 bezeichnet, die auch die Mittelachse der Schallkeule ist.
  • Figur 2 zeigt eine Seitenansicht des Wandlers 1, und zwar diese Ansicht im Schnitt. Mit 7 ist der Rand dieses Topfwandlers be­zeichnet. Deutlich sind die in der Oberfläche der Membran 2 z.B. eingeprägten, eingesägten oder eingefrästen Rillen bzw. Ritzen 3 zu erkennen. Die auf der Innenseite des Topfwandlers 1 auf der Oberfläche der Membran 2 angebrachte, z.B. aufgeklebte, Scheibe 10 aus polarisierter Piezokeramik, z.B. einem Blei­ zirkonat-Titanat, ist der piezoelektrische Schwinger. Mit 14 ist eine Elektrode und mit 12 ist Klebstoff bezeichnet.
  • Figur 3 zeigt ein der Figur 2 entsprechendes Bild mit auf der Innenseite des Topfwandlers 101 in der Oberfläche der Membran 2 angebrachten Rillen bzw. Ritzen 13. Diese Rillen bzw. Ritzen 13 können anstelle der Rillen bzw. Ritzen 3 oder zusammen mit solchen Rillen bzw. Ritzen 3 vorgesehen sein. Auf jeden Fall sind Rillen bzw. Ritzen 3 und 13 wenigstens im wesentlichen parallel ausgerichtet. Mit 110 ist die zur Membran 2 gehörige Scheibe aus Piezokeramik bezeichnet. Die zugehörige Elektrode ist nicht dargestellt.
  • Die Rillen, Ritzen 3, 13 können gleichmäßig äquidistant über die Oberfläche verteilt sein. Sie können vorzugsweise symmetrisch zur (zur Richtung 4 parallelen) Mittellinie, über die Richtung 5 verteilt angeordnet sein, wie dies die Figur 1 zeigt. Sinn­gemäß kann diese Verteilung auch ungleichmäßig dicht sein, wie aus Figur 1 zu entnehmen.
  • Diese Rillen bzw. Ritzen 3, 13 reichen vorzugsweise von Rand zu Rand der Platte 11 und/oder des Plättchens 10. Sie können aber auch in einem Abstand von einem solchen Rand beginnen oder enden. Auch können sie in ihrer Längsrichtung Unterbrechungen aufweisen.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Wandler ist die Kopplung der Schwingungsmoden der beiden Richtungen 4 und 5 so groß, daß für den runden Topfwandler im wesentlichen ein Modenspektrum zu beobachten ist, daß eine Grundfrequenz und dazu paarweise auf­tretende Oberwellen hat. Diese Oberwellen sind bei einem er­findungsgemäßen Wandler deutlich voneinander unterscheidbar. Man kann einen erfindungsgemäßen Wandler zuverlässig auf einer der paarweisen Oberwellen betreiben, ohne daß Gefahr besteht, der Wandler könnte in die Schwingung der anderen Oberwelle über­springen.
  • Dieses vorteilhafte Verhalten erweitert die Anwendungsmöglich­keiten eines erfindungsgemäßen Wandlers.
  • Figur 4 zeigt die prinzipielle Verteilung die Schallkeule in der Mittelebene, die senkrecht auf der Darstellungsebene der Figur 1 und parallel zur Richtung 4 ist. Die Figur 5 zeigt die Schall­keule in der zur Zeichenebene und zur Richtung 4 senkrechten Mittelebene. Deutlich ist zu erkennen, daß die Strahlungskeule der Figur 4 wesentlich breiter ist als diejenige der Figur 5, d.h. der Wandler nach den Figuren 1, 2 und 3 in einer die Richtung 4 enthaltenden Ebene ein breites Feld erfaßt, wohingegen in dazu senkrechter Richtung der Wandler eine so schmale Keule hat, daß gegenüber seiner Achsenrichtung weiter entfernte Orte von der astigmatischen Strahlungskeule nicht mehr erfaßt werden.
  • Ein Wandler der erfindungsgemäßen Art ist insbesondere als Detektionswandler für Land und Wasserfahrzeuge geeignet, bei denen parallel zur Fahrebene breite "Ausleuchtung˝ erwünscht ist, dagegen aber in die Höhe möglichst wenig Schall abgestrahlt (und als Echo zurückerhalten) werden soll. Genau dasjenige gilt für die Empfangscharakteristik eines solchen erfindungsgemäßen Wandlers. Ein solcher Wandler kann gleichermaßen als Sender und Empfänger benutzt werden. Ein weiterer Vorteil eines erfindungs­gemäßen Wandlers ist, daß durch die Wahl, die Verteilung und die Bemessung der Rillen bzw. Ritzen 3 in der Oberfläche der Membran 2 eine relativ weitgehende Überdeckung des Hauptmaximums der Ab­strahlung (und Empfangsempfindlichkeit) mit den zugehörigen Nebenzipfeln zu erzielen ist. Das bedeutet, daß für einen erfindungsgemäßen Wandler blinde Richtungen innerhalb der Ge­samtstrahlkeule minimiert werden können, in deren Richtung der Wandler ein sehr schmales Hindernis, z.B. einen Laternenpfosten, nicht detektieren könnte.
  • Eine bevorzugte Anwendung eines erfindungsgemäßen Wandlers ist die als Rückfahrhilfe insbesondere für schwere Fahrzeuge mit Sichtbehinderung nach rückwärts oder für Fahrzeuge (Bagger und dgl.) die häufig hin- und herrangieren.
  • Es hat sich gezeigt, daß für jeweilige Anwendungsfälle speziell bevorzugte Ausführungsformen und/oder Formen sowie Bemessungen ausgewählt werden können. Bevorzugt ist die Realisierung eines erfindungsgemäßen Biegewandlers als Topfwandler, wie dies im übrigen auch im Stand der Technik vorgesehen ist. Die Membran und der diese Membran zu einem Topf ergänzende Teil sind vorzugsweise einstückig miteinander verbunden.
  • Die Membran bzw. gegebenenfalls auch der Topf werden bevorzugt kreisrunde Form haben. Es kann auch rechteckige oder bevorzugt ovale Form vorgesehen sein, nämlich je nachdem welches Schwingungsverhalten der Membran bevorzugt ist. Die ovale Form kann eine elliptische Form sein. Sie kann aber auch die Form einer altägyptischen Kartusche, d.h. eines in einer Richtung in die Länge gezogenen Kreises, haben.
  • Hinsichtlich solcher Ausgestaltungen von Formen des Topfes zu einer erfindungsgemäß mit Rillen bzw. Ritzen versehenen Membran sei auch auf den Stand der Technik (EP-B-00 75 302) hingewiesen.
  • Die Membran kann bezogen auf die gewünschte Schwingungsfrequenz so groß bemessen sein, daß (worauf oben bereits hingewiesen ist) die Resonanzfrequenz ihrer (einen) ersten Oberwelle benutzt wird. Dazu empfiehlt es sich, das Plättchen aus Keramikmaterial nur so groß zu bemessen, daß es, auf der Platte der Membran angebracht, vom Zentrum aus nur höchstens bis an die Schwingungsknotenlinie (z.B. Schwingungsknotenkreis), dieser ersten Oberwelle heranreicht. Damit erübrigt es sich, das Plättchen bzw. die Anordnung und Form der Elektroden auf dem Plättchen so auszugestalten, daß entsprechende Anteile desselben (als Sender) in der erforderli­chen Weise gegenphasig piezoelektrisch erregt werden.
  • Sinngemäß entsprechendes gilt jeweils auch für das Empfangs­verhalten eines erfindungsgemäßen Wandlers.
  • Hinsichtlich der Tiefe der Rillen bzw. Ritzen ist zu empfehlen, diese auf mehr als 50% der Dicke der Platte bzw. des Plätt­chens zu bemessen. Es ist jedoch darauf zu achten, daß die Tiefe der Rillen nicht so groß ist, daß die Stabilitätsgrenze über­schritten wird, die für die Membran 2 zu fordern ist. Grund­sätzlich ist zu sagen, daß je tiefer die Rillen bzw. Ritzen be­messen sind, um so stärker die gewünschte Asymmetrie der Ab­ strahlung bzw. der Empfangs-Richtcharakteristik (Fig. 4, Fig. 5) ist. Entsprechendes gilt für die jeweilige Länge dieser Ritzen bzw. Rillen, nämlich bezogen auf die jeweilige Abmessung der Membran. Wie die Figuren zeigen, müssen diese Ritzen bzw. Rillen nicht in jedem Falle bereits am Rande der Membran beginnen und enden.
  • Erfindungsgemäße Wandler nach Fig. 1 und 2 haben z.B. einen Topf mit 25 mm Durchmesser und eine Dicke 0,4 mm der Platte 11 der Membran 2. Das Keramikplättchen 10 hat 0,25 bzw. 0,4 mm Dicke und etwa 9 mm Durchmesser (Durchmesser des Schwingungsknoten­kreises). Ohne Rillen hat dieser Wandler eine Eigenfrequenz bei 40 kHz. Mit erfindungsgemäßen Rillen 3 mit 0,2 mm Tiefe und etwa 0,2 mm Breite bei 1 mm Abstand ergibt sich eine Eigen­frequenz von 36 bis 33 kHz.
  • Die Winkel der Abstrahlung in den Richtungen 4 und 5, das ist das Ausmaß des Astigmatismus, betragen bei einem solchen Wandler 120 bis 140° zu 60 bis 65°.

Claims (18)

1. Elektroakustischer Biegewandler, vorzugsweise in Topfform, mit einer Membran, die ein Verbund aus einer Platte aus piezo­elektrisch inaktivem Material und einem Plättchen aus piezo­elektrischem Material ist, wobei das Plättchen, bezogen auf die Fläche der Platte, zentral angeordnet und mit dieser verbunden ist, wobei das piezoelektrische Plättchen mit Elektroden ver­sehen ist und
wobei dieser Wandler bezogen auf die Flächennormale der Membran ein unsymmetrisches räumliches Schall-Richtdiagramm (Fig. 4, 5) besitzt,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran (2) in wenigstens einer ihrer Oberflächen solche Rillen (3, 13) aufweist, die im wesentlichen zueinander parallel ausgerichtet sind.
2. Biegewandler nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch,
daß sich solche Rillen in der Oberfläche der Platte (11) der Membran (2) befinden.
3. Biegewandler nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß sich solche Rillen (13) in der Oberfläche des Plättchens (12) der Membran (2) befinden.
4. Biegewandler nach Anspruch 1, 2 oder 3,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Tiefe der Rillen mehr als 50% der Dicke der Platte (11) bzw. des Plättchens (12) beträgt, wobei die maximale Tiefe der­artiger Rillen durch die Stabilitätsgrenze der Membran ge­geben ist.
5. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen (3, 13) über die ganze Fläche der Membran (2) verteilt sind.
6. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen (3, 13) in der jeweiligen Oberfläche der Membran (2) unsymmetrisch verteilt sind.
7. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen (3, 13) im wesentlichen in wenigstens einer je­weiligen Zone nahe dem Rande der Membran (2) vorhanden sind.
8. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Abstände zwischen den einzelnen Rillen (3, 13) nicht äquidistant sind.
9. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran (2) einstückig mit einem Rand verbunden ist, so daß ein topfförmiger Wandler (1) vorliegt.
10. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen in das jeweilige Material der Membran (2) ein­geprägt sind.
11. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen in das Material der Membran (2) eingesägt sind.
12. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Rillen (13) auf wenigstens derjenigen Oberfläche der Membran (2) vorgesehen sind, die eine Innenseite des Wandlers (1) ist.
13. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
gekennzeichnet dadurch,
daß auf einer beidseitig mit Rillen versehenen Membran (2) die Rillen (3, 13) auf der Innenseite und der Außenseite der Membran (2) in im wesentlichen gleicher Richtung verlaufen.
14. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
gekennzeichnet dadurch,
daß wenigstens die Membran ovale Form aufweist.
15. Biegewandler nach Anspruch 14,
gekennzeichnet dadurch,
daß es eine elliptische Form ist.
16. Biegewandler nach Anspruch 14,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran die Form einer altägyptischen Kartusche hat.
17. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran (2) die Form eines Rechtecks hat.
18. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
gekennzeichnet dadurch,
daß sich das Plättchen aus piezoelektrischem Material im wesentlichen nur in derjenigen zentralen Schwingungszone der Membran befindet, die innerhalb der Knotenlinie der Schwingung der ersten Oberwelle der an ihrem Rande eingespannten Membran befindet.
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