EP0308931B1 - Ultraschallwandler mit astigmatischer Sende-/Empfangscharakteristik - Google Patents

Ultraschallwandler mit astigmatischer Sende-/Empfangscharakteristik Download PDF

Info

Publication number
EP0308931B1
EP0308931B1 EP88115593A EP88115593A EP0308931B1 EP 0308931 B1 EP0308931 B1 EP 0308931B1 EP 88115593 A EP88115593 A EP 88115593A EP 88115593 A EP88115593 A EP 88115593A EP 0308931 B1 EP0308931 B1 EP 0308931B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transducer according
plate
composite material
fibre
membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP88115593A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0308931A2 (de
EP0308931A3 (en
Inventor
Thomas Dipl.-Phys. Möckl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0308931A2 publication Critical patent/EP0308931A2/de
Publication of EP0308931A3 publication Critical patent/EP0308931A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0308931B1 publication Critical patent/EP0308931B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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, similar to the radiation lobe specified above, has the surface normal of the membrane as the center line.
  • 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 an astigmatic radiation characteristic which is as improved as possible and in particular can be predetermined, which is also simple and reproducible to produce and is free from aging effects.
  • damping material to achieve astigmatic characteristics 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.
  • a transducer according to the invention has a membrane, which is preferably a part, namely the bottom, of a pot-shaped transducer.
  • This membrane consists of a (bottom) plate made of non-piezoelectric material and a piezoelectric material plate attached thereto.
  • Such piezoelectric material is preferably piezoceramic, for example one based on the lead zirconate titanate.
  • a transducer according to the invention has anisotropic elastic properties in relation to two mutually perpendicular planes in which the normal to the plane of the membrane lies. Corresponding transition behavior is present in this membrane for the space between these two main levels. Instead of the elasticity, you can also specify the stiffness.
  • the (piezoelectrically inactive) plate of the membrane consists at least in part of a fiber composite material.
  • a fiber composite material is provided here, which has fibers with a preferred direction.
  • the fiber composite material has fibers which are oriented in one direction and run essentially parallel.
  • this plate has considerably different elasticity behavior in the direction parallel to these fibers on the one hand and in the direction transverse to these fibers on the other hand.
  • the fibers can be aligned in two fiber directions oriented at an acute angle to one another.
  • Such an embodiment gives such a plate made of fiber composite material greater strength, without the anisotropic elastic behavior of the plate being significantly changed.
  • main fiber direction In particular, if only one (main) fiber direction is provided, it can be very advantageous to provide one or more additional fiber layers for the purpose of increased strength, which essentially run transversely to this one (main) fiber direction.
  • These fiber layers are selected so that the intended anisotropy is not significantly adversely affected, ie the number of fibers in this direction is significantly lower (and / or the fibers are significantly weaker in this direction), so that the much greater stiffness in Direction parallel to the (main) grain direction remains.
  • the plate consists of a tangled fiber material, but which has a preferred orientation of the fibers resulting in the direction of the (main) fiber direction of great stiffness. Such a preferred orientation can be realized in connection with the production of such material.
  • Carbon fibers, magnesium fibers, aluminum fibers, keflor fibers and the like are preferred as the fiber material.
  • Polyimide is preferably used as the matrix material in which the fibers are embedded.
  • the transducer 1 in Figure 1 has essentially the shape of a pot 7 with the membrane 2 as the bottom thereof.
  • This membrane consists of the plate which forms the actual base in this embodiment and is made of piezoelectrically inactive material.
  • This plate can be made entirely of fiber composite material.
  • a plate made of piezo material, in particular piezoceramic, is fastened on the surface of the plate of the membrane 2 located in the interior of the pot 7.
  • FIG. 2 shows in section the plate 10 made of piezoceramic such as Lead zirconate titanate.
  • the one electrode of the piezoelectric plate 10 is designated.
  • an adhesive layer is designated with which the plate 10 is attached to the piezoelectrically inactive plate 11.
  • This plate 11 and the plate 10 together form the membrane 2.
  • An essential portion 111 of the plate 11 consists of fiber composite material and another other portion 112 can be part of this plate 11.
  • the fiber composite material consists of polyimide as the matrix material, in which fibers of e.g. Coal, magnesium, aluminum, Keflar and the like are located.
  • the portion 112 may e.g. be a plate or layer of pure polyimide.
  • a counter electrode to the electrode 14 must be provided for the plate 10.
  • This counter electrode can e.g. be realized by the electrical conductivity of the adhesive layer 12.
  • the fibers 21 running essentially horizontally and parallel to one another in the illustration in FIG. 3 are indicated by 21. They give the fiber composite material 111 of the membrane 2 a high rigidity or speed of sound in this horizontal main direction 4. In the direction 5 orthogonal thereto, the fiber composite material has correspondingly low rigidity or speed of sound.
  • FIGS. 4 and 5 show the sound transmission / reception diagram for the two mutually orthogonal directions 4 and 5, which are entered in FIG. 3.
  • the broad radiation lobe of FIG. 4, in the plane of which the main direction 4 lies, is the result of the invention selected arrangement of the fibers in essentially the one shown direction 4 of the fibers 21. 22 denotes individual fibers which are additionally present, but are orthogonal to the main direction 4 of the fibers 21.
  • These fibers 22 serve to give the fiber composite material at least that stiffness in the direction 5 which must at least be present. Compared to the large number of fibers 21, however, these fibers 22 cannot significantly impair the asymmetry, ie the astigmatism, of the transducer.
  • Figure 6 shows an embodiment of the arrangement of the fibers 31 and 131.
  • the fibers 31 run at a flat angle (less than about 30 ° to the horizontal) from top right to bottom left.
  • the fibers 131 run from the bottom right to the top left with at least substantially the same flat angle. This acute-angled crossing leads to a stability of the plate 11 made of fiber composite material, without the need for transverse fibers 22. Nevertheless, the arrangement of the fibers 31, 131 has the property of being a decisive preferred direction 4 for the transmission or To effect reception behavior of this converter.
  • FIG. 7 shows a section corresponding to FIGS. 3 and 6, but here that of a tangled tile with a preferred orientation (again in the horizontal direction of the illustration in FIG. 7).
  • An advantageous dimensioning for a transducer according to the invention is selected so that for a given fiber material (e.g. carbon fiber) with anisotropy according to the invention, these resonant frequencies of the transducer are matched to one another in such a way that the suitable or predetermined astigmatic directional characteristic is obtained for one of these frequencies (FIGS. 4 and 5) results.
  • the converter is advantageously operated at this frequency (the harmonic).
  • the neighboring resonances belonging to the harmonics of the vibration mode of the lower speed of sound are at 27 and 53 kHz, i.e. far enough from the 40 kHz operating frequency.
  • Such a transducer according to the invention has stable vibration behavior and a directional characteristic according to FIGS. 4 and 5 with 125 ° for the plane according to FIG. 4 and with 50 ° for the plane according to FIG. 5.
  • the membrane may have an elliptical shape be.
  • the ellipse axes are then chosen to be parallel to directions 4 and 5.
  • Carbon fiber composite material is particularly favorable for transducers according to the invention. This results in particularly favorable impedance matching in air.
  • a transducer of the type according to the invention is particularly suitable as a detection transducer for land and water vehicles, in which broad "illumination" is desired parallel to the roadway level (FIG. 4), but on the other hand, as little sound as possible should be emitted in the height.
  • This is exactly what a converter according to the invention fulfills.
  • a transducer according to the invention can be used both as a transmitter and as a receiver.
  • a preferred application of a converter according to the invention is that as a back-up aid for, in particular, heavy vehicles with a rear view or for vehicles (excavators and the like) which frequently move back and forth.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Biegewandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
  • Aus der EP-A-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.
  • 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 und insbesondere vorgebbar zu wählenden astigmatischen Strahlungscharakteristik anzugeben, der zudem einfach und reproduzierbar herzustellen und frei von Alterungseffekten 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 zur Erzielung astigmatischer Charakteristik 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.
  • Ein erfindungsgemäßer Wandler besitzt eine Membran, die vorzugsweise ein Teil, nämlich der Boden, eines topfförmigen Wandlers ist. Diese Membran besteht aus einer (den Boden bildenden) Platte aus nicht piezoelektrischem Material und einem daran befestigten Plättchen aus piezoelektrischem Material. Solches piezoelektrisches Material ist vorzugsweise Piezokeramik, z.B. ein solches auf der Basis des Bleizirkonats-Titanats.
  • Ein erfindungsgemäßer Wandler hat anisotrope elastische Eigenschaften bezogen auf zwei zueinander senkrechte Ebenen, in denen die Normale der Ebene der Membran liegt. Entsprechendes Übergangsverhalten liegt bei dieser Membran für den Raum zwischen diesen beiden Hauptebenen vor. Statt der Elastizität kann man auch die Steifigkeit angeben.
  • Erfindungsgemäß sind diese anisotropen elastischen Eigenschaften dadurch erzielt, daß wenigstens zu einem Anteil die (piezoelektrisch inaktive) Platte der Membran aus einem Faser-Verbundwerkstoff besteht. Es ist hier ein Faser-Verbundwerkstoff vorgesehen, der Fasern mit Vorzugsrichtung aufweist. Gemäß einer Variante hat der Faser-Verbundwerkstoff nur in einer Richtung ausgerichtete, im wesentlichen parallel verlaufende Fasern. Dadurch hat diese Platte in Richtung parallel zu diesen Fasern einerseits und in Richtung quer zu diesen Fasern andererseits, erheblich unterschiedliches Elastizitätsverhalten. Statt nur eine einzige Richtung für diese Fasern vorzusehen, kann Ausrichtung der Fasern in zwei spitzwinklig zueinander orientierten Faserrichtungen vorliegen. Eine solche Ausführungsform verleiht einer solchen Platte aus Faser-Verbundwerkstoff größere Festigkeit, ohne daß das anisotrope Elastizitätsverhalten der Platte nennenswert geändert ist.
  • Insbesondere bei nur einer vorgesehenen (Haupt-)Faserrichtung kann es sehr von Vorteil sein, zum Zwecke gesteigerter Festigkeit eine oder mehrere zusätzliche Faserlagen vorzusehen, die im wesentlichen quer zu dieser einen (Haupt-)Faserrichtung verlaufen. Diese Faserlagen sind aber so gewählt, daß die vorgesehene Anisotropie nicht wesentlich nachteilig beeinflußt wird, d.h. die Anzahl der Fasern in dieser Richtung ist wesentlich geringer (und/oder es sind in dieser Richtung die Fasern wesentlich schwächer), so daß die wesentlich größere Steifigkeit in Richtung parallel zur (Haupt-)Faserrichtung bleibt.
  • Eine andere Ausführungsform ist die, bei der die Platte aus einem Wirrfaser-Material besteht, das jedoch eine Vorzugsorientierung der Fasern resultierend in Richtung der (Haupt-)Faserrichtung großer Steifigkeit besitzt. Eine solche Vorzugsorientierung kann im Zusammenhang mit der Herstellung solchen Materials realisiert werden.
  • Als Fasermaterial kommen Kohlefasern, Magnesiumfasern, Aluminiumfasern, Keflarfasern und dgl. bevorzugt in Betracht. Als Matrixmaterial, in das die Fasern eingebettet sind, ist vorzugsweise Polyimid zu verwenden.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    die prinzipielle Form eines Topfwandlers als bevorzugte Ausführungsform.
    Figur 2
    eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Wandlers in Topfform mit einem Faser-Verbundwerkstoff mit parallel gerichteten Fasern.
    Figur 3
    eine Aufsicht mit einem Ausschnitt zu einer Ausführungsform nach Figur 2 (der auch einige Fasern als Zusatz in senkrechter Richtung enthält).
    Figur 5 und 5
    zeigen die Richtdiagramme der beiden Hauptebenen des Astigmatismus.
    Figur 6
    eine Ausführungsform mit richtungsmäßiger Anordnung der Fasern in zwei, in spitzem Winkel zueinander laufenden Richtungen und
    Figur 7
    eine Ausführungsform mit Wirrflies mit Vorzugsorientierung.
  • Der Wandler 1 in Figur 1 hat im wesentlichen die Form eines Topfes 7 mit der Membran 2 als Boden desselben. Diese Membran besteht aus der bei dieser Ausführungsform den eigentlichen Boden bildenden Platte aus piezoelektrisch inaktivem Material. Diese Platte kann vollständig aus Faser-Verbundwerkstoff bestehen. Auf der im Inneren des Topfes 7 befindlichen Oberfläche der Platte der Membran 2 ist ein Plättchen aus Piezomaterial, insbesondere Piezokeramik, befestigt.
  • Figur 2 zeigt im Schnitt das Plättchen 10 aus Piezokeramik wie z.B. Bleizirkonattitanat. Mit 14 ist die eine Elektrode des piezoelektrischen Plättchens 10 bezeichnet. Mit 12 ist eine Klebschicht bezeichnet, mit der das Plättchen 10 an der piezoelektrisch inaktiven Platte 11 befestigt ist. Diese Platte 11 und das Plättchen 10 bilden zusammen die Membran 2. Ein wesentlicher Anteil 111 der Platte 11 besteht aus Faser-Verbundwerkstoff und es kann ein weiterer sonstiger Anteil 112 Bestandteil dieser Platte 11 sein.
  • Zum Beispiel besteht der Faser-Verbundwerkstoff aus Polyimid als Matrixmaterial, in dem sich Fasern aus z.B. Kohle, Magnesium, Aluminium, Keflar und dgl. befinden. Der Anteil 112 kann z.B. eine Platte bzw. Schicht aus reinem Polyimid sein.
  • Für das Plättchen 10 ist eine Gegenelektrode zur Elektrode 14 vorzusehen. Diese Gegenelektrode kann z.B. durch die elektrische Leitfähigkeit der Klebstoffschicht 12 realisiert sein.
  • In Figur 2 ist die Lage der Fasern als Schnitt derselben angedeutet. Besser ist diese Orientierung der Fasern der Figur 3 zu entnehmen, und zwar dem Ausschnitt in Bildmitte.
  • Mit 21 sind die in der Darstellung der Figur 3 im wesentlichen horizontal und parallel zueinander verlaufenden Fasern 21 angedeutet. Sie verleihen dem Faser-Verbundwerkstoff 111 der Membran 2 eine hohe Steifigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit in dieser waagerechten Haupt-Richtung 4. In der dazu orthogonalen Richtung 5 weist der Faser-Verbundwerkstoff entsprechend geringe Steifigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit auf. Die Figuren 4 und 5 zeigen das Schallsende-/Empfangsdiagramm für die beiden zueinander orthogonalen Richtungen 4 und 5, die in der Figur 3 eingetragen sind. Die breite Strahlungskeule der Figur 4, in deren Ebene die Haupt-Richtung 4 liegt, ist Folge der erfindungsgemäß gewählten Anordnung der Fasern in im wesentlichen der einen dargestellten Richtung 4 der Fasern 21. Mit 22 sind einzelne Fasern bezeichnet, die zusätzlich vorhanden sind, jedoch orthogonal zur Haupt-Richtung 4 der Fasern 21 verlaufen. Diese Fasern 22 dienen dazu, dem Faser-Verbundwerkstoff wenigstens diejenige Steifigkeit in der Richtung 5 zu verleihen, die mindestens vorliegen muß. Diese Fasern 22 können aber gegenüber der Vielzahl der Fasern 21 keine wesentliche Beeinträchtigung der Asymmetrie, d.h. des Astigmatismus, des Wandlers bewirken.
  • Figur 6 zeigt eine Ausführungsform der Anordnung der Fasern 31 und 131. In der Darstellung der Figur 6 verlaufen die Fasern 31 mit flachem Winkel (kleiner etwa 30° zur Waagerechten) von oben rechts nach links unten. Die Fasern 131 verlaufen dagegen von rechts unten nach links oben mit wenigstens im wesentlichen gleich flachem Winkel. Dieses spitzwinklige Überkreuzen führt zu einer Stabilität der Platte 11 aus Faser-Verbundwerkstoff, ohne daß querlaufende Fasern 22 erforderlich wären. Dennoch hat die Anordnung der Fasern 31, 131 die Eigenschaft, eine entscheidende Vorzugsrichtung 4 für das Sende-bzw. Empfangsverhalten dieses Wandlers zu bewirken.
  • Figur 7 zeigt einen den Figuren 3 und 6 entsprechenden Ausschnitt, jedoch hier denjenigen eines Wirrflieses mit Vorzugsausrichtung (wieder in waagerechter Richtung der Darstellung der Figur 7).
  • Bei einem Wandler mit wie auch bei der Erfindung unterschiedlich großer Steifigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit im Material der Membran in zwei zueinander orthogonalen Richtungen der Ebene dieser Membran ergeben sich charakteristische Schwingungsmoden, und zwar sowohl für die Grundwelle als auch für die Oberwellen. Die Schwingungsmoden sind über das Material der Membran zwangsläufig miteinander gekoppelt.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Wandler tritt jeweils nur eine Grundresonanz auf. Hinsichtlich der Oberwellen ist im wesentlichen paarweises Auftreten von Resonanzen, und zwar bezogen auf die beiden Richtungen 4 und 5, beobachtet worden. Bei der Erfindung liegen die Frequenzen dieser paarweisen Resonanzen vorteilhafterweise so weit auseinander, so daß keine Gefahr besteht, der Wandler könnte im Betrieb vom Schwingungsmode der gewolltermaßen angeregten einen Oberwelle in den Schwingungsmode der anderen Oberwelle überspringen.
  • Eine vorteilhafte Bemessung für einen erfindungsgemäßen Wandler ist so gewählt, daß für einen vorgegebenen Faserwerkstoff (z.B. Kohlefaser) mit Anisotropie entsprechend der Erfindung diese Resonanzfrequenzen des Wandlers so aufeinander abgestimmt sind, daß für eine dieser Frequenzen sich die passende bzw. vorgegebene astigmatische Richtcharakteristik (Figuren 4 und 5) ergibt. Auf dieser Frequenz (der Oberwelle) wird der Wandler vorteilhafterweise betrieben.
  • Bei einem Wandler z.B. nach den Figuren 2 und 3 mit kreisrunder Kohlefaser-Membran mit z.B. 0,4 mm Dicke und etwa 20 mm Durchmesser und mit parallel ausgerichteten Fasern 21 (Fig. 3) liegt ein solcher deutlicher Unterschied der Resonanzfrequenz der ersten Oberwelle (und der zweiten Oberwelle) für die Richtung 4 mit der hohen Schallgeschwindigkeit der Membran gegenüber der Resonanzfrequenz der ersten (und der zweiten) Oberwelle für die Richtung 5 mit niedriger Schallgeschwindigkeit vor. Diese Membran hat vier Lagen mit Fasern 21 in Hauptrichtung 4 und eine Lage Fasern 22 in Richtung 5. Die geeignete Betriebsfrequenz liegt bei 40 kHz, das ist die Frequenz der ersten Oberwelle des Schwingungsmodes der hohen Schallgeschwindigkeit. Die benachbarten Resonanzen, die zu den Oberwellen des Schwingungsmodes der niedrigeren Schallgeschwindigkeit (Richtung 5) gehören, liegen bei 27 und 53 kHz, d.h. weit genug von den 40 kHz Betriebsfrequenz entfernt. Ein solcher erfindungsgemäßer Wandler hat stabiles Schwingungsverhalten und eine Richtcharakteristik entsprechend den Figuren 4 und 5 mit 125° für die Ebene gemäß Figur 4 und mit 50° für die Ebene gemäß der Figur 5.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß durch andere als die beschriebene kreisrunde Membranform weitere Anpassungen erreicht werden können. Zum Beispiel kann elliptische Form der Membran vorgesehen sein. Die Ellipsenachsen sind dann parallel den Richtungen 4 und 5 gewählt.
  • Kohlefaser-Verbundwerkstoff ist für erfindungsgemäße Wandler besonders günstig. Es ergibt sich hierfür besonders günstige Impedanzanpassung an Luft.
  • Die Verwendung eines ausgerichteten Wirrflieses bringt einen weiteren Vorteil. Ein solches Wirrfaser-Flies hat relativ hohe Eigendämpfung, so daß zusätzliche Verwendung von Dämpfungsmaterial, nämlich zum Zwecke ausreichende Bandbreite zu erreichen, sich erübrigt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Verwendung zusätzlich dämpfenden Materials auch bei der Erfindung nichts mit dem Material zu tun hat, das gemäß dem eingangs beschriebenen Stand der Technik dort für den Astigmatismus der Richtcharakteristik vorgesehen ist. Bei der Erfindung zusätzlich verwendetes Dämpfungsmaterial geht nicht in das Richtcharakteristik-Verhalten ein und kann insbesondere das erfindungsgemäß erzielte astigmatische Verhalten durch Alterungseffekte nicht beeinträchtigen.
  • Ein Wandler der erfindungsgemäßen Art ist insbesondere als Detektionswandler für Land- und Wasserfahrzeuge geeignet, bei denen parallel zur Fahrbahnebene (Fig. 4) breite "Ausleuchtung" erwünscht ist, dagegen aber in die Höhe möglichst wenig Schall abgestrahlt werden soll. Genau dies erfüllt ein erfindungsgemäßer Wandler. Ein erfindungsgemäße Wandler kann gleichermaßen als Sender und als Empfänger benutzt werden.
  • Eine bevorzugte Anwendung eines erfindungsgemäßen Wandlers ist die als Rückfahrhilfe für insbesondere schwere Fahrzeuge mit Sichtbehinderung nach rückwärts oder für Fahrzeuge (Bagger und dgl.), die häufig hin- und herrangieren.

Claims (10)

  1. Elektroakustischer Biegewandler (7), vorzugsweise in Topfform, mit einer Membran (2), die ein Verbund aus einer Platte (11) aus piezoelektrisch inaktivem Material und einem Plättchen (10) aus piezoelektrischem Material ist, wobei das Plättchen (10), bezogen auf die Fläche der Platte (11) zentral angeordnet und mit dieser verbunden ist, wobei das piezoelektrische Plättchen (10) mit Elektroden (12, 14) versehen ist und wobei dieser Wandler (7) bezogen auf die Flächennormale der Membran (2) ein unsymmetrisches räumliches Schall-Richtdiagramm besitzt,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß die Platte (11) in wenigstens einer Schicht (111) derselben ein hauptsächlich in einer Richtung (4) (als Hauptrichtung bezeichnet) orientierter Faser-Verbundwerkstoff ist.
  2. Wandler nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß die Platte (11) ganz aus derartigem Faser-Verbundwerkstoff (21; 31, 131; 70) besteht.
  3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß der vorhandene Faser-Verbundwerkstoff so aufgebaut ist, daß er überwiegend Fasern mit Ausrichtung in einer Richtung (4) besitzt.
  4. Wandler nach Anspruch 1 oder 2,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß der Faser-Verbundwerkstoff zwei wenigstens überwiegende Faserrichtungen (31, 131) aufweist, die spitzwinklig mit weniger als 30° zur Hauptrichtung (4) ausgerichtet sind.
  5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß eine zusätzliche Lage von Fasern (22) vorgesehen ist, die im wesentlichen quer zu der Hauptrichtung (4) ist.
  6. Biegewandler nach Anspruch 1 oder 2,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß der Faser-Verbundwerkstoff ein Wirrfaser-Material (70) mit Vorzugs-Orientierung der Fasern in der Hauptrichtung (4) ist.
  7. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß eine oder mehrere Fasernarten der Gruppe Kohlefaser, Magnesiumfaser, Aluminiumfaser, Keflarfaser ist.
  8. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß das Matrixmaterial Polyimid ist.
  9. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß die Platte (11) Bestandteil eines Topfes (7) ist, wobei der Faser-Verbundwerkstoff der Platte im wesentlichen kontinuierlich in die Topf-Seitenwandung übergeht.
  10. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß die Membran (2) elliptische Form hat.
EP88115593A 1987-09-25 1988-09-22 Ultraschallwandler mit astigmatischer Sende-/Empfangscharakteristik Expired - Lifetime EP0308931B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19873732412 DE3732412A1 (de) 1987-09-25 1987-09-25 Ultraschallwandler mit astigmatischer sende-/empfangscharakteristik
DE3732412 1987-09-25

Publications (3)

Publication Number Publication Date
EP0308931A2 EP0308931A2 (de) 1989-03-29
EP0308931A3 EP0308931A3 (en) 1990-03-21
EP0308931B1 true EP0308931B1 (de) 1993-12-08

Family

ID=6336917

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP88115593A Expired - Lifetime EP0308931B1 (de) 1987-09-25 1988-09-22 Ultraschallwandler mit astigmatischer Sende-/Empfangscharakteristik

Country Status (4)

Country Link
US (1) US4907207A (de)
EP (1) EP0308931B1 (de)
JP (1) JPH01119199A (de)
DE (2) DE3732412A1 (de)

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE58906905D1 (de) * 1989-04-20 1994-03-17 Siemens Ag Ultraschall-Detektion mit quer zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs gerichteter Ultraschallstrahlung.
US5343443A (en) * 1990-10-15 1994-08-30 Rowe, Deines Instruments, Inc. Broadband acoustic transducer
US5268610A (en) * 1991-12-30 1993-12-07 Xerox Corporation Acoustic ink printer
US5317305A (en) * 1992-01-30 1994-05-31 Campman James P Personal alarm device with vibrating accelerometer motion detector and planar piezoelectric hi-level sound generator
US5873154A (en) * 1996-10-17 1999-02-23 Nokia Mobile Phones Limited Method for fabricating a resonator having an acoustic mirror
DE19727877A1 (de) * 1997-06-30 1999-01-07 Bosch Gmbh Robert Ultraschallwandler
US6060811A (en) * 1997-07-25 2000-05-09 The United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration Advanced layered composite polylaminate electroactive actuator and sensor
DE19732513C2 (de) * 1997-07-29 2002-04-11 Eurocopter Deutschland Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur
FR2787674B1 (fr) * 1998-12-21 2002-12-06 Marc Charbonneaux Membrane a relief accidente
US6453049B1 (en) * 1999-03-12 2002-09-17 Gti Audio Systems Internation Inc. Acoustic diaphragm
WO2001078450A1 (fr) * 2000-04-07 2001-10-18 Advance Technologie Audio Organisation Sa (Atao) Membrane a relief accidente
DK200101780A (da) * 2001-11-30 2002-11-27 Danfoss As Ultralydstransducer
US7358650B2 (en) 2003-02-27 2008-04-15 Hitachi Medical Corporation Ultrasound probe
JP4319644B2 (ja) * 2004-06-15 2009-08-26 株式会社東芝 音響バッキング組成物、超音波プローブ、及び超音波診断装置
JP4171038B2 (ja) * 2006-10-31 2008-10-22 株式会社東芝 超音波プローブおよび超音波診断装置
DE102012211011A1 (de) * 2012-06-27 2014-01-02 Robert Bosch Gmbh Akustischer Sensor mit einer Membran aus einem Faserverbundwerkstoff
DE102013201575A1 (de) * 2013-01-31 2014-07-31 BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH Haushaltsgerät
WO2015112823A1 (en) * 2014-01-24 2015-07-30 The Johns Hopkins University Pblg based planar microphones
WO2017089609A2 (de) * 2015-11-26 2017-06-01 Elmos Semiconductor Aktiengesellschaft Schwingelement für einen ultraschall-transducer mit mehrfachresonanz
DE102017203042A1 (de) 2017-02-24 2018-08-30 Robert Bosch Gmbh Schallwandler
DE102017205375A1 (de) * 2017-03-30 2018-10-04 Robert Bosch Gmbh Schallwandler

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4045695A (en) * 1974-07-15 1977-08-30 Pioneer Electronic Corporation Piezoelectric electro-acoustic transducer
FR2307276A1 (fr) * 1975-04-11 1976-11-05 France Etat Hydrophone avec reflecteur acoustique
US4308094A (en) * 1977-02-02 1981-12-29 Sanyo Electric Co., Ltd. Diaphragm for speaker and method of producing same
FR2473242A1 (fr) * 1980-01-08 1981-07-10 Thomson Csf Transducteur electroacoustique a dome actif
US4460060A (en) * 1980-03-07 1984-07-17 Toray Industries, Inc. Vibratory diaphragm for loudspeaker
DE3137745A1 (de) * 1981-09-23 1983-04-07 Egon 5000 Köln Gelhard Sensor fuer die durchfuehrung der distanzmessung nach dem ultraschalll-echoprinzip
US4646874A (en) * 1985-10-15 1987-03-03 Baitcher Neal L Loudspeaker diaphragm

Also Published As

Publication number Publication date
EP0308931A2 (de) 1989-03-29
DE3886154D1 (de) 1994-01-20
US4907207A (en) 1990-03-06
JPH01119199A (ja) 1989-05-11
EP0308931A3 (en) 1990-03-21
DE3732412A1 (de) 1989-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0308931B1 (de) Ultraschallwandler mit astigmatischer Sende-/Empfangscharakteristik
DE3611669C2 (de)
DE69120735T2 (de) Fester Ursprung eines zweiflächigen Ultraschallwandlers
DE102007046031B4 (de) Ultraschallsensor
DE3526488A1 (de) Ultraschall-wandler mit piezoelektrischem verbundmaterial
DE102015015900B3 (de) Schwingelement für einen Ultraschall-Transducer mit Mehrfachresonanz
DE2537788C3 (de) Ultraschallwandler
EP0547060B1 (de) Ultraschallwandler für die laufzeitmessung von ultraschall-impulsen in einem gas
DE3602351C1 (de) Schallwandlersystem
EP0308899A2 (de) Ultraschallwandler mit astigmatischer Sende-/Empfangscharakteristik
DE3721209C2 (de) Schall-/Ultraschallmeßgerät
DE2949930A1 (de) Elektro-akustischer wandler fuer akustische abbildungseinrichtungen
DE3812244C1 (de)
DE102007044490A1 (de) Ultraschallsensor zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug
DE10139160B4 (de) Sensorarray und Sende-Empfangs-Gerät
DE4434692A1 (de) Ultraschallsensor
EP0763232B1 (de) Piezoelektrischer ultraschallwandler
DE102015015903B3 (de) Schwingelement für einen Ultraschall-Transducer mit einer auf einer Rotationsperiodizität basierenden Mehrfachresonanz
EP3010653A1 (de) Elektroakustischer wandler
DE69010172T2 (de) Verfahren zur Vermögenserhöhung von elektroakustischen Tieffrequenzwandlern und damit übereinstimmende Wandler.
DE3215242C2 (de)
DE102020129196A1 (de) Ultraschallwandler, Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers, Ultraschalldurchflussmessgerät und Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts
WO2018224325A1 (de) Ultraschallsensor
DE102018006127B4 (de) 1D-Ultraschallwandler-Einheit für die Materialerfassung
DE3401979C2 (de)

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): DE FR GB IT

PUAL Search report despatched

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009013

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): DE FR GB IT

17P Request for examination filed

Effective date: 19900807

17Q First examination report despatched

Effective date: 19920326

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): DE FR GB IT

REF Corresponds to:

Ref document number: 3886154

Country of ref document: DE

Date of ref document: 19940120

ITF It: translation for a ep patent filed

Owner name: STUDIO JAUMANN

GBT Gb: translation of ep patent filed (gb section 77(6)(a)/1977)

Effective date: 19940211

ET Fr: translation filed
PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

26N No opposition filed
REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: 732E

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Payment date: 19980320

Year of fee payment: 10

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Payment date: 19980323

Year of fee payment: 10

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Payment date: 19980402

Year of fee payment: 10

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: TP

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 19980922

GBPC Gb: european patent ceased through non-payment of renewal fee

Effective date: 19980922

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 19990531

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 19990701

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: ST

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES;WARNING: LAPSES OF ITALIAN PATENTS WITH EFFECTIVE DATE BEFORE 2007 MAY HAVE OCCURRED AT ANY TIME BEFORE 2007. THE CORRECT EFFECTIVE DATE MAY BE DIFFERENT FROM THE ONE RECORDED.

Effective date: 20050922