EP4709531A1 - Ultraschallwandler, verfahren zum betreiben eines ultraschallwandlers und verfahren zur distanzmessung - Google Patents

Ultraschallwandler, verfahren zum betreiben eines ultraschallwandlers und verfahren zur distanzmessung

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EP4709531A1
EP4709531A1 EP24720091.8A EP24720091A EP4709531A1 EP 4709531 A1 EP4709531 A1 EP 4709531A1 EP 24720091 A EP24720091 A EP 24720091A EP 4709531 A1 EP4709531 A1 EP 4709531A1
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EP
European Patent Office
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damping
signal
membrane
oscillation
ultrasonic transducer
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Application number
EP24720091.8A
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English (en)
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Inventor
Johannes KOFLER
Amira HEDHILI
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TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
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Publication date
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Abstract

Der Ultraschallwandler (1) umfasst eine Membran (4) in einem Gehäuse (11), ein Anregungsmittel (21) und ein Dämpfungsmittel (22). Das Anregungsmittel (21) ist dazu eingerichtet, die Membran (4) zu einer Schwingung mit einer Sendemode (12) zum Aussenden einer Ultraschallwelle (7) anzuregen. Das Dämpfungsmittel (22) ist dazu eingerichtet, eine nach erfolgter Anregung auftretende Nachschwingung der Membran (4) zu dämpfen. Das Dämpfungsmittel (22) ist ferner dazu eingerichtet, zumindest eine Dämpfungsmode (55) anzuregen, die von der Sendemode (12) verschieden ist. Mindestens eine Seitenwand (14) des Gehäuses (11) weist mindestens eine Dicke (15) auf, sodass die Sendemode (12) und die Dämpfungsmode (55) stabil anregbar sind.

Description

Beschreibung
Ultraschallwandler, Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers und Verfahren zur Distanzmessung
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers und ein Verfahren zur Distanzmessung.
Piezoelektrische Ultraschallwandler werden sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Ultraschallsignalen eingesetzt und finden beispielsweise als Abstandssensoren in Kraftfahrzeugen Anwendung. Derartige Ultraschallwandler senden allerdings herkömmlicherweise weiterhin Ultraschall aus, selbst nachdem sämtliche Anregungen der Aussendung von Ultraschallsignalen beendet wurden. Grund dafür ist insbesondere ein Nachschwingen einer Membran des Ultraschallwandlers, mittels derer die Ultraschallsignale erzeugt werden. Dieses Nachschwingen wird im Englischen auch als „ringing" bezeichnet und erschwert die Erfassung eines Ultraschallsignals mit derselben Membran.
Aus den Druckschriften US 4,580,251, US 6,731,596 B2, GB 2593477 A, sowie Lio et al. „Reducing ring-down time of pMUTs with phase shift of driving Waveform". Sensors and Actuators A 281 (2018) 100 - 107, und Wu et al. „A Novel Transfer Function Based Ring-Down Suppression System for PMUTs". Sensors 2021, 21, 6414 sind Ultraschallwandler und Verfahren zum Betrieb von Ultraschallwandlern bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe ist es, einen verbesserten Ultraschallwandler und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers anzugeben. Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand mit den
Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19 gelöst .
Es wird ein Ultraschallwandler vorgeschlagen, der eine Membran in einem Gehäuse , ein Anregungsmittel und ein Dämpfungsmittel umfasst . Das Anregungsmittel ist dazu eingerichtet , die Membran zu einer Schwingung mit einer Sendemode zum Aussenden einer Ultraschallwelle anzuregen . Das Dämpfungsmittel ist dazu eingerichtet , eine nach erfolgter Anregung auf tretende Nachschwingung der Membran zu dämpfen . Das Dämpfungsmittel ist ferner dazu eingerichtet , zumindest eine Dämpfungsmode anzuregen, die von der Sendemode verschieden ist . Mindestens eine Seitenwand des Gehäuses weist mindestens eine Dicke auf , dass die Sendemode und die Dämpfungsmode stabil anregbar sind .
Zum Beispiel weist die Sendemode eine Sendefrequenz auf . Die Dämpfungsmode weist zum Beispiel eine Dämpfungs frequenz auf . Die Sendefrequenz und die Dämpfungs frequenz unterscheiden sich bevorzugt . Die Dämpfungsmode und die Sendemode können Eigenmoden der Membran beziehungsweise des Ultraschallwandlers sein . Die Membran umfasst beispielsweise Aluminium oder ist daraus gebildet .
Die Sendemode und die Dämpfungsmode können sich in der Sendefrequenz und der Dämpfungs frequenz unterscheiden . Insbesondere ist die Dämpfungs frequenz höher als die Sendefrequenz . Darüber hinaus können sich die Sendemode und die Dämpfungsmode beispielsweise in der Anordnung von Extremstellen und Schwingungsknoten unterscheiden . Das Anregungsmittel ist insbesondere dazu eingerichtet , die Membran zur Aussendung einer Ultraschallwelle anzuregen, die zur Abstandsmessung eingesetzt werden kann . Dabei regt das Anregungsmittel die Sendemode an . Dadurch wird die Membran in Schwingung versetzt und die Ultraschallwelle erzeugt . Dabei schwingt die Membran bevorzugt in Resonanz , wodurch sich die Ultraschallwelle besonders ef fi zient erzeugen lässt . Ferner weist die Sendemode vorzugsweise eine verhältnismäßig geringe oder eine möglichst geringe Dissipation auf , um ein ef fektives Aussenden der Ultraschallwelle zu erreichen .
Während des Betriebs des Ultraschallwandlers wird die ausgesendete Ultraschallwelle von einem Obj ekt , zu dem ein Abstand bestimmt werden soll , reflektiert . Die reflektierte Ultraschallwelle wird dann vorzugsweise registriert , indem die Membran in Schwingung versetzt wird . Das heißt , die reflektierte Welle regt die Membran zu einer Schwingung an . Da die reflektierte Welle aus der mittels der Sendemode erzeugten und ausgesandten Ultraschallwelle resultiert , regt die reflektierte Welle insbesondere die Sendemode oder eine der Sendemode ähnliche Mode an . Da eine Intensität der Anregung durch die reflektierte Welle geringer ist als die Anregung durch das Anregungsmittel , hat die Sendemode vorzugsweise eine vergleichsweise geringe Dissipation oder Dämpfung, damit diese von der reflektierten Welle stabil anregbar ist . Ferner ist die Nachschwingung der Membran nach dem Aussenden der Ultraschallwelle vorzugsweise abgeklungen oder im Wesentlichen abgeklungen, damit eine Änderung in der Membranschwingung aufgrund der reflektierten Welle nachweisbar ist . Mit anderen Worten ist die Membran beziehungsweise der Ultraschallwandler nach der Dämpfung sensitiv für die reflektierte Welle . Das Dämpfungsmittel ist insbesondere dazu eingerichtet , die Nachschwingung der Membran durch Anregen der Dämpfungsmode oder Dämpfungsmoden zu dämpfen . Das Nachschwingen tritt insbesondere auf , da im Betrieb die Membran durch das Anregungsmittel zu einer Resonanzschwingung angeregt wurde , die eine vergleichsweise geringe Dissipation aufweist . Daher klingt die Membranschwingung nur verhältnismäßig langsam ab und es bedarf einer verbesserten, zum Beispiel einer aktiven Dämpfung .
Die zur Dämpfung angeregte Dämpfungsmode oder Dämpfungsmoden ist/ sind insbesondere eine stabile Mode , die eine verhältnismäßig hohe Dissipation aufweist . Das heißt , schwingt die Membran mit der Dämpfungsmode oder den Dämpfungsmoden, wird Energie dissipiert und die Schwingung klingt ab . Insbesondere weist/weisen die Dämpfungsmode oder Dämpfungsmoden eine höhere Dämpfung beziehungsweise Dissipation auf als die Sendemode . Dadurch kann durch gezieltes Anregen der zumindest einen Dämpfungsmode eine aktive und ef fektive Dämpfung der Nachschwingung erreicht werden .
Wird im Folgenden ein Merkmal im Zusammenhang mit der Dämpfungsmode of fenbart , so ist dieses ebenfalls entsprechend für mehrere Dämpfungsmoden of fenbart , sofern nichts anderes angegeben ist .
Das Gehäuse ist bevorzugt so gestaltet , dass die Sendemode und die Dämpfungsmode stabil anregbar sind . Insbesondere weist eine Seitenwand des Gehäuses mindestens eine Dicke auf , sodass die Sendemode und die Dämpfungsmode stabil anregbar sind . Das Gehäuse kann zum Beispiel mehrere Dicken aufweisen, beispielsweise in mehreren Bereichen . Es ist ebenso möglich, dass die Seitenwand lediglich eine Dicke aufweist . Mit „weist mindestens eine Dicke auf" ist insbesondere gemeint , dass eine dieser Dicken oder alle diese Dicken so angepasst oder gewählt sind, dass die Sendemode und die Dämpfungsmode stabil anregbar sind . Das heißt , das Gehäuse weist beispielsweise in bestimmten Bereichen oder an gewissen Stellen eine Wanddicke auf , die das stabile Anregen der Sendemode und Dämpfungsmode ermöglicht .
Unter einer „stabilen Mode" wird dabei hier und im Folgenden eine Mode verstanden, die über eine gewisse Zeit stabil ist . Zum Beispiel ist die Dämpfungsmode stabil , um eine andauernde Dämpfung und damit ein ef fektives Abklingen der Nachschwingung zu erreichen . Die Sendemode ist bevorzugt stabil , um ein ef fektives Aussenden der Ultraschallwelle zu erreichen .
Das Gehäuse weist insbesondere eine oder mehrere Seitenwände auf , die sich quer oder senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Membran erstrecken .
Das Gehäuse ist bevorzugt rotationssymmetrisch . Beispielsweise weist das Gehäuse eine zentrale Symmetrieachse auf . Die Symmetrieachse kann eine Mittelachse des Gehäuses sein . Das Gehäuse ist vorzugsweise ein Topfgehäuse .
Die Membran ist beispielsweise in einem Bodenbereich des Gehäuses angeordnet . Das heißt insbesondere , dass die Seitenwand sich ausgehend von der Membran in eine Richtung quer oder senkrecht zur Membran erstreckt .
Das Gehäuse umfasst beispielsweise ein Metall und ist einstückig ausgebildet . Die Membran umfasst bevorzugt ebenfalls ein Metall . Das Gehäuse und/oder die Membran umfassen beispielsweise Aluminium .
Die Seitenwand weist bevorzugt mindestens einen ersten Bereich und mindestens einen zweiten Bereich auf . Im ersten Bereich weist die Seitenwand zum Beispiel eine Dicke auf , die größer ist als eine Dicke der Seitenwand im zweiten Bereich . Der erste Bereich der Seitenwand grenzt bevorzugt direkt an die Membran .
Es ist auch möglich, dass die Seitenwand mehr als zwei Bereiche aufweist . Bevorzugt weist die Seitenwand in j edem der Bereiche eine unterschiedliche Dicke auf .
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Seitenwand in einem Bereich oder über ihre gesamte Ausdehnung einen Dickengradienten aufweist . Damit ist insbesondere gemeint , dass die Dicke der Seitenwand sich in einer Richtung weg von der Membran, die insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Membran sein kann, kontinuierlich ändert . Beispielsweise nimmt die Dicke der Seitenwand in dieser Richtung kontinuierlich ab .
Die Membran zusammen mit dem Gehäuse bilden insbesondere ein Os zillationssystem . Bevorzugt ist das Os zillationssystem derart gestaltet , dass die Dämpfungsmode und die Sendemode stabil anregbar sind und bevorzugt Eigenmoden des Os zillationssystems sind . Das heißt , die Membran und das Gehäuse sind bevorzugt derart aufeinander abgestimmt , dass die Sendemode und Dämpfungsmode stabil anregbar sind . Insbesondere ist mindestens eine Dicke der Seitenwand des Gehäuses derart angepasst , dass die Sendemode und die Dämpfungsmode stabil anregbar sind . Bei Anregung der Dämpfungsmode und/oder Sendemode kann das Os zillationssystem zumindest teilweise in Bewegung beziehungsweise Schwingung versetzt werden . Insbesondere bei Anregung der Dämpfungsmode und/oder Sendemode kann das Gehäuse zumindest teilweise in Bewegung beziehungsweise Schwingung versetzt werden .
Das Design des Gehäuses ist vorzugsweise so gewählt , dass zusätzlich zur Sendemode auch die Dämpfungsmode stabil ist . Das kann beispielsweise erreicht werden, indem das Gehäuse , als Teil des Os zillationssystems , eine Seitenwand mit mehreren Bereichen unterschiedlicher Dicken aufweist . Mit anderen Worten, durch Ausbilden des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs der Seitenwand des Gehäuses kann erreicht werden, dass die Sendemode und die Dämpfungsmode stabil anregbar sind .
Die Dicken der Seitenwand in dem ersten und dem zweiten Bereich sind beispielsweise so gewählt , dass es möglich ist , sowohl die Sendemode stabil anzuregen, ohne eine Ultraschallwelle über einen Randbereich der Membran beziehungsweise Seitenwände des Gehäuses abzustrahlen, als auch eine stabile Dämpfungsmode anzuregen . Im Fall der Dämpfungsmode werden vorzugsweise sowohl ein Randbereich der Membran und/oder der zweite Bereich der Seitenwand angeregt . Das heißt , der zweite Bereich der Seitenwand, in dem die Seitenwand eine geringere Dicke aufweist , kann bei Anregung der Dämpfungsmode in Bewegung oder Schwingung versetzt werden .
Der Randbereich der Membran umgibt einen Zentralbereich der
Membran vorzugsweise vollständig . In Draufsicht auf die Membran bildet der Randbereich beispielsweise einen ringförmigen oder rahmenförmigen, den Zentralbereich umlaufenden Bereich . Im Randbereich kann die Membran in direktem oder indirektem Kontakt mit dem Gehäuse beziehungsweise der Seitenwand des Gehäuses stehen .
Der Ultraschallwandler kann ferner zumindest ein piezoelektrisches Element umfassen . Zum Beispiel umfassen das Anregungsmittel und das Dämpfungsmittel das piezoelektrische Element zur Anregung der Sendemode beziehungsweise der Dämpfungsmode . Das piezoelektrische Element wandelt insbesondere ein elektrisches Signal in mechanische Bewegung um, mittels derer die Sendemode und die Dämpfungsmode anregbar sind . Das piezoelektrische Element kann eine piezoelektrische Scheibe sein . Das piezoelektrische Element kann insbesondere Teil des Os zillationssystems sein . In diesem Fall kann das piezoelektrische Element mit den übrigen Bestandteilen des Os zillationssystems so abgestimmt sein, dass die Dämpfungsmode und die Sendemode stabil anregbar ist .
Zur Anregung der Sendemode wird im Betrieb des Ultraschallwandlers die Membran beispielsweise mit der Sendefrequenz angeregt , insbesondere durch das piezoelektrische Element . Die Sendefrequenz beträgt zum Beispiel zwischen 50 kHz und 100 kHz , beispielsweise etwa 75 kHz . Dazu kann das piezoelektrische Element ein Anregungssignal erhalten . Mit anderen Worten, das Anregungsmittel ist insbesondere dazu eingerichtet , die Membran mit der Sendefrequenz anzuregen .
Zur Anregung der Dämpfungsmode wird im Betrieb des Ultraschallwandlers die Membran beispielsweise mit der Dämpfungs frequenz angeregt , insbesondere durch das piezoelektrische Element . Die Dämpfungs frequenz beträgt zum Beispiel zwischen 200 kHz und 400 kHz , beispielsweise etwa 300 kHz . Dazu kann das piezoelektrische Element ein Dämpfungssignal erhalten . Mit anderen Worten, das Anregungsmittel ist insbesondere dazu eingerichtet , die Membran mit der Dämpfungs frequenz anzuregen .
Es ist möglich, dass der Ultraschallwandler und bevorzugt zumindest eines der Mittel aus Anregungsmittel und Dämpfungsmittel eine Steuerungselektronik umfassen . Die Steuerungselektronik stellt zum Beispiel ein Signal für das piezoelektrische Element zur Verfügung .
Es ist möglich, dass das piezoelektrische Element mit der Steuerungselektronik des Ultraschallwandlers verbunden ist . Beispielsweise umfasst die Steuerungselektronik mindestens eines der folgenden elektronischen Bauelemente : einen Mikrokontroller, eine anwendungsspezi fische integrierte Schaltung, aus dem Englischen auch als „application-speci fic integrated circuit" , kurz „AS IC" , bekannt , ein feldprogrammierbares Gate Array, aus dem Englischen auch als „Field Programmable Gate Array" , kurz „FPGA" , bekannt .
Das elektronische Bauelement der Steuerungselektronik kann auf einem Träger wie etwa einer Leiterplatte angeordnet sein . Der Träger oder die Leiterplatte können ebenfalls Teil des Os zillationssystems sein . In diesem Fall kann die Steuerungselektronik mit den übrigen Bestandteilen des Os zillationssystems so abgestimmt sein, dass die Dämpfungsmode und die Sendemode stabil anregbar ist . Die Steuerungselektronik kann damit bei der Dämpfung der Nachschwingung der Membran mitwirken . Vorzugsweise weist die Sendemode ein Maximum in dem Zentralbereich der Membran auf . Insbesondere weist die Sendemode in dem Randbereich der Membran und/oder bevorzugt an definierten Bereichen der Seitenwände des Gehäuses einen Schwingungsknoten auf . Das heißt insbesondere , in dem Zentralbereich können sich Maxima und Minima während der Membranschwingung abwechseln, so dass die Membran im Zentralbereich während einer Anregung durch das Anregungsmittel in Bewegung ist . In dem Randbereich ist die Membran und/oder bevorzugt an den definierten Bereichen der Seitenwände des Gehäuses ist das Os zillationssystem während der Anregung der Sendemode dagegen vorzugsweise in Ruhe während der Anregung der Sendemode . Damit können Dämpfungen der Sendemode , die beispielsweise im Randbereich und/oder an der Seitenwand des Gehäuses aufgrund von Randef fekten beziehungsweise Reibung oder einer Bewegung des Gehäuses auf treten können, reduziert werden . Damit kann die Sendemode mit einer vergleichsweise geringen Dämpfung angeregt werden .
Weiter bevorzugt weist die Dämpfungsmode ein Maximum in einem Randbereich der Membran auf . Damit ist die Membran im Randbereich, das heißt am Rand, während der Dämpfung der Nachschwingung in Bewegung . Damit kann eine vergleichsweise hohe Dissipation beziehungsweise Dämpfung für die Dämpfungsmode beziehungsweise Nachschwingung erreicht werden .
Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass die Dämpfungsmode ein Maximum in einem Bereich der Seitenwände des Gehäuses aufweist . Der Bereich der Seitenwände , in dem die Dämpfungsmode ein Maximum aufweist , ist beispielsweise der zweite Bereich oder grenzt an den zweiten Bereich . Damit sind die Seitenwände des Gehäuses in gewissen Bereichen während der Dämpfung der Nachschwingung in Bewegung . Dadurch kann eine vergleichsweise hohe Dissipation beziehungsweise Dämpfung für die Dämpfungsmode beziehungsweise Nachschwingung erreicht werden .
Bevorzugt beträgt ein Verhältnis einer Dicke der Seitenwand in einem an die Membran grenzenden Bereich zu einer Membrandicke zwischen 2 und 4 oder bevorzugt zwischen 2 , 5 und 3 , 5 oder weiter bevorzugt 3 oder in etwa 3 . Der an die Membran grenzende Bereich der Seitenwand ist zum Beispiel der erste Bereich . Durch dieses Verhältnis der Dicke der Seitenwand zu der Membrandicke kann eine unerwünschte seitliche Abstrahlung einer Ultraschallwelle durch ein Schwingen eines Randbereichs der Membran im Bereich der Seitenwand unterdrückt oder vermieden werden .
Die Membran des Ultraschallwandlers kann eine frei schwingende Oberfläche von mindestens einem Quadratmillimeter aufweisen . Damit ist die Membran robuster und der Ultraschallwandler kann unter ungünstigeren äußeren Bedingungen eingesetzt werden als beispielsweise ein piezoelektrischer mikromechanischer Ultraschallwandler, der eine Membran mit einer Oberfläche von kleiner als einem Quadratmillimeter aufweist .
Das Gehäuse kann mindestens ein Dämpfungselement umfassen, das bevorzugt in mindestens einem Bereich angeordnet ist , in dem die Dämpfungsmode ein Maximum aufweist . Insbesondere ist das mindestens eine Dämpfungselement in einem Bereich angeordnet , in dem eine Bewegung des Os zillationssystems ein Maximum aufweist , beispielsweise während einer Anregung der Dämpfungsmode . Das Dämpfungselement kann beispielsweise ein mechanischer Dämpfer wie ein Schaum, etwa ein Polymerschaum oder ein Silikonschaum oder dergleichen, sein . Das Dämpfungselement kann alternativ oder zusätzlich ein Silikon oder ein Polymer als Vollmaterial aufweisen .
Insbesondere ist das Dämpfungselement dazu eingerichtet , Energie der Membranschwingung auf zunehmen und abzuleiten . Das Dämpfungselement ist daher ein dissipatives Element . Das Dämpfungselement kann beispielsweise an einer Aufhängung der Membran in dem Gehäuse angeordnet sein . Weiter kann das Dämpfungselement in einem Bereich angeordnet sein, den die Membran bei einer Schwingung mit der Dämpfungsmode berührt , bei einer Schwingung mit der Sendemode j edoch nicht . Alternativ oder zusätzlich kann ein Innenraum des Gehäuses mit dem Dämpfungselement gefüllt sein .
Das Dämpfungselement kann insbesondere Teil des Os zillationssystems sein . Damit ist ein Material oder eine Anordnung oder eine geometrische Form des Dämpfungselements vorzugsweise so gewählt , dass die Sendemode und die Dämpfungsmode stabil anregbar sind und bevorzugt Eigenmoden des Os zillationssystems sind .
Das Gehäuse kann insbesondere mindestens zwei Dämpfungselemente aufweisen . Ein erstes der Dämpfungselemente kann an den ersten Bereich der Seitenwand grenzen und ein zweites Dämpfungselement kann an den zweiten Bereich der Seitenwand grenzen . Das erste Dämpfungselement und das zweite Dämpfungselement weisen bevorzugt unterschiedliche Dämpfungskoef fi zienten auf . Zum Beispiel weist das erste Dämpfungselement einen niedrigeren Dämpfungskoef fi zienten auf als das zweite Dämpfungselement . Das erste Dämpfungselement kann einen ersten Teil des Innenraums des Gehäuses aus füllen . Der erste Teil des Innenraums kann in einer Richtung, beispielsweise einer lateralen Richtung von dem ersten Bereich der Seitenwand begrenzt werden . Die laterale Richtung ist insbesondere eine Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene der Membran . In einer Richtung senkrecht zur lateralen Richtung kann das erste Dämpfungselement von der Membran und dem zweiten Dämpfungselement begrenzt sein . Das erste Dämpfungselement grenzt in diesem Fall beispielsweise an die Membran . Das erste Dämpfungselement umfasst beispielsweise ein auf geschäumtes Polymer oder einen Silikonschaum .
Das zweite Dämpfungselement kann einen zweiten Teil des Innenraums des Gehäuses aus füllen . Der zweite Teil des Innenraums kann in der lateralen Richtung von dem zweiten Bereich der Seitenwand begrenzt werden . In Richtung senkrecht zur lateralen Richtung kann das zweite Dämpfungselement von dem ersten Dämpfungselement und einem Raum außerhalb des Gehäuses begrenzt werden . Das zweite Dämpfungselement umfasst beispielsweise ein Polymer oder ein stark vernetztes Polymer oder Silikon als Vollmaterial .
Insbesondere können das erste und zweite Dämpfungselement das gleiche Grundmaterial umfassen . Das Grundmaterial ist beispielsweise Silikon . Beispielsweise ist im Falle des ersten Dämpfungselements das Grundmaterial aufgeschäumt und im Fall des zweiten Dämpfungselements liegt das Grundmaterial als Vollmaterial vor .
Bevorzugt ist das zweite Dämpfungselement in einem Bereich des Gehäuses beziehungsweise der Seitenwand oder des Os zillationssystems angeordnet , der bei Anregung der Dämpfungsmode in Bewegung ist . Dadurch kann Energie dieser Bewegung ef fektiv dissipiert werden und die Nachschwingung der Membran kann ef fektiv gedämpft werden .
In einer bevorzugten Aus führungs form des Ultraschallwandlers ist das Dämpfungsmittel dazu eingerichtet , die Membran mit einem Dämpfungssignal anzuregen . Das Dämpfungssignal weist bevorzugt einen fixen Anteil und einen variablen Anteil auf . Das Dämpfungsmittel ist ferner dazu eingerichtet , den fixen Anteil nach dem Anregen der Membran mit dem Anregungsmittel anzuregen und den variablen Anteil nach dem fixen Anteil anzuregen . Beispielsweise folgt der fixe Anteil dem Anregungssignal direkt nach, und der variable Anteil folgt dem fixen Anteil direkt nach .
Mittels der Steuerungselektronik wird beispielsweise das Dämpfungssignal dem Dämpfungsmittel bereitgestellt . Beispielsweise ist das Dämpfungsmittel mit der Steuerungselektronik elektrisch leitfähig verbunden .
Insbesondere ist das Anregungsmittel dazu eingerichtet , die Membran mittels eines Anregungssignals anzuregen . Das Anregungssignal ist beispielsweise von der Steuerungselektronik bereitgestellt . Das Anregungssignal bestimmt bevorzugt im Wesentlichen die Ultraschallwelle , die von der Membran und damit von dem Ultraschallwandler ausgesendet wird . Durch Festlegen des Anregungssignals können somit zum Beispiel Form, Länge , Frequenzen und so weiter der Ultraschallwelle festgelegt werden .
Das Dämpfungssignal , insbesondere der fixe Anteil des
Dämpfungssignals , kann um 180 ° phasenverschoben zu dem Anregungssignal sein . Durch die Phasenverschiebung des
Dämpfungssignals ist eine ef fi ziente Dämpfung möglich .
Das Anregungssignal und das Dämpfungssignal , insbesondere der fixe Anteil des Dämpfungssignals , können die gleiche Amplitude aufweisen . Damit ist ein besonders einfacher Betrieb des Ultraschallwandlers möglich, da das Anregungssignal und das Dämpfungssignal im Wesentlichen auf dieselbe Art und Weise erzeugt werden können .
Das Dämpfungsmittel ist bevorzugt dazu eingerichtet , mittels des variablen Anteils des Dämpfungssignals die Dämpfungsmode anzuregen . Beispielsweise wird im Betrieb des Ultraschallwandlers durch den fixen Anteil des Dämpfungssignals die Nachschwingung in ihrer Amplitude so weit gedämpft , dass die Dämpfungsmode mittels des variablen Anteils anregbar ist . Das heißt insbesondere , dass mittels des variablen Anteils die Membran mit der Dämpfungs frequenz angeregt wird . Dies erlaubt ein ef fektives Dämpfen der Nachschwingungen der Membran durch eine Aufteilung des Dämpfungssignals in einen fixen Anteil und einen variablen Anteil .
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form oder gemäß einer der anderen oben beschriebenen Aus führungs formen umfasst der Ultraschallwandler ein Erfassungsmittel und ein Anpassungsmittel . Das Erfassungsmittel ist insbesondere dazu eingerichtet , zumindest einen Schwingungsparameter der Nachschwingung während der Anregung des fixen Anteils des Dämpfungssignals zu erfassen . Das Anpassungsmittel ist dann insbesondere dazu eingerichtet , den variablen Anteil des Dämpfungssignals während der Anregung des fixen Anteils anhand des erfassten Schwingungsparameters festzulegen . Der Schwingungsparameter kann eine Amplitude der Nachschwingung der Membran oder eine Amplitude einer bestimmten Frequenzkomponente der Nachschwingung sein .
Insbesondere wird der variable Anteil während des Betriebs des Ultraschallwandlers festgelegt beziehungsweise eingestellt . Beispielsweise wird der variable Anteil hinsichtlich des erfassten Schwingungsparameters optimiert . Beispielsweise erfolgt die Optimierung mit einem Optimierungsalgorithmus wie beispielsweise einem Populationsalgorithmus oder anhand der Methode kleinster Quadrate . Es ist auch möglich, dass die Optimierung des variablen Anteils mit einer Kl-Methode durchgeführt wird . Die Optimierung wird vorzugsweise auf der Steuerungselektronik durchgeführt . Das heißt , die Steuerungselektronik ist dazu eingerichtet , die Optimierung durchzuführen .
Das Anpassungsmittel und das Erfassungsmittel können Teil der Steuerungselektronik und in dieser integriert sein .
Das Anpassungsmittel kann weiter dazu eingerichtet sein, den fixen Anteil des Dämpfungssignals vor der Anregung der Membran durch das Anregungsmittel festzulegen . Beispielsweise wird der fixe Anteil festgelegt , bevor eine Distanzmessung mittels des Ultraschallwandlers ausgeführt wird . Es ist auch möglich, dass der fixe Anteil für mehrere Distanzmessungen einmalig festgelegt wird . Damit kann während des Betriebs des Ultraschallwandlers Rechenzeit gespart werden, und eine ef fektive Optimierung des Dämpfungssignals bezüglich der Nachschwingung ist möglich . Der fixe Anteil kann in einer Speichereinheit der Steuerelektronik hinterlegt und während des Betriebs des Ultraschallwandlers von dem Anpassungsmittel abgerufen werden . Das Anregungsmittel ist insbesondere dazu eingerichtet , den fixen Anteil des Dämpfungssignals mittels eines Populationsalgorithmus festzulegen . Alternativ kann der fixe Anteil auch über eine Kl-Methode festgelegt werden . Für den Populationsalgorithmus wird beispielsweise eine Amplitude der Nachschwingung, insbesondere zu einem festen Zeitpunkt während der Nachschwingung, als Fitnessparameter verwendet . Alternativ kann die Amplitude einer bestimmten Frequenzkomponente der Nachschwingung als Fitnessparameter gewählt werden . Der Populationsalgorithmus wird insbesondere auf der Steuerungselektronik ausgeführt . Das heißt , die Steuerungselektronik ist dazu eingerichtet , den Populationsalgorithmus aus zu führ en .
Insbesondere wird bei einem Populationsalgorithmus wie in der vorliegenden Aus führungs form eine Population mit einer Viel zahl von Individuen zufällig oder pseudozufällig erzeugt , wobei j edes Individuum einem Dämpfungssignal beziehungsweise einem fixen Anteil des Dämpfungssignals entspricht . Ein Anpassungsgrad oder eine Fitness der einzelnen Individuen wird dann ermittelt , indem mit j edem Dämpfungssignal eine Nachschwingung gedämpft wird und die Amplitude dieser Nachschwingung mit dem Fitnessparameter verglichen wird . Bevorzugt werden nachfolgend alle Individuen gelöscht , deren Fitness nicht einen vordefinierten Wert erreicht . Zum Beispiel werden alle Individuen gelöscht , die eine Abweichung von dem Fitnessparameter von mehr als 10 % erreichen .
In einem weiteren Zufallsschritt wird aus den verbleibenden Individuen eine neue Generation von Individuen erzeugt , die sich zu der Vorgängergeneration in einigen Parametern zufällig in einem festen Intervall von zum Beispiel 10 % unterscheiden dürfen . Diese Generation von Individuen wird anschließend auf ihre Fitness wie oben beschrieben getestet . Durch Wiederholung der Schritte aus Erzeugung einer neuen Generation, Ermittlung der Fitness der neuen Generation und anschließender Selektion kann ein optimiertes Dämpfungssignal beziehungsweise ein optimierter fixer oder variabler Anteil erhalten werden .
Es ist möglich, dass das Dämpfungssignal mindestens einen Dämpfungspuls umfasst . Das Anpassungsmittel ist insbesondere dazu eingerichtet , eine Mehrzahl der folgenden Parameter für den fixen Anteil des Dämpfungssignals und genau einen der folgenden Parameter für den variablen Anteil des Dämpfungssignals festzulegen : Anzahl der Dämpfungspulse , Breite des mindestens einen Dämpfungspulses , Abfolge des mindestens einen Dämpfungspulses , Amplitude des Dämpfungspulses .
Zum Beispiel ist das Anpassungsmittel dazu eingerichtet , die Anzahl der Dämpfungspulse , Abfolge der Dämpfungspulse und Breite der Dämpfungspulse festzulegen, insbesondere für den fixen Anteil . Weiter ist das Anpassungsmittel in diesem Beispiel dazu eingerichtet , die Abfolge beziehungsweise zeitliche Position der Dämpfungspulse für den variablen Anteil des Dämpfungssignals festzulegen und zu optimieren . Dabei werden für den variablen Anteil vorzugsweise die für den fixen Anteil festgelegten Parameter übernommen .
Sollen alle oben genannten Parameter für das Dämpfungssignal optimiert werden, ergibt sich ein verhältnismäßig großer Parameterraum, in dem die optimalen Parameter gefunden werden müssen . Dies kann, j e nach Parameter und verwendeter Optimierungsmethode , rechenaufwendig sein und bis zu Minuten dauern . Durch die Aufteilung des Dämpfungssignals in einen fixen und einen variablen Anteil kann der fixe Anteil in dem verhältnismäßig großen Parameterraum vor einem Messbetrieb des Ultraschallwandlers optimiert werden .
Der variable Anteil kann dann während des Messbetriebs des Ultraschallwandlers anhand eines einzigen Parameters dynamisch optimiert werden . Diese Optimierung weist vorteilhafterweise einen wesentlich kleineren Parameterraum auf und kann daher wesentlich schneller durchgeführt werden . Insbesondere ist es möglich, dass der variable Anteil während des Bereitstellens des fixen Anteils des Dämpfungssignals festgelegt und optimiert wird . Daher kann die Dämpfung der Nachschwingung ef fektiv erfolgen und während des Betriebs des Ultraschallwandlers optimiert werden .
Eine Breite des mindestens einen Dämpfungspulses wird insbesondere anhand der Zeit bestimmt , in der das Dämpfungssignal den Dämpfungspuls aufweist . Beispielsweise sind die Dämpfungspulse Rechteckspulse . Das heißt , während der Zeit , in der das Dämpfungssignal den Dämpfungspuls zeigt , weist das Dämpfungssignal eine vorgegebene Spannung ungleich Null auf . Die Zeitspanne , in der das Dämpfungssignal diese Spannung aufweist , bestimmt insbesondere die Breite des Dämpfungspulses .
Weist beispielsweise das Dämpfungssignal nur einen Dämpfungspuls auf , so kann die Abfolge des einen Dämpfungspulses angeben, nach welcher Zeitspanne nach Beendigung der Anregung der Membran mit dem Anregungsmittel der Dämpfungspuls auftritt . In dem Fall , dass das Dämpfungssignal mehrere Dämpfungspulse umfasst , gibt die Abfolge beispielsweise alternativ oder zusätzlich an, in welcher zeitlichen Abfolge die Dämpfungspulse in dem
Damp fungs signal auf einander folgen .
Eine Breite des mindestens einen Dämpfungspulses kann zum Beispiel zwischen einschließlich 0 , 002 Millisekunden und einschließlich 0 , 1 Millisekunden betragen .
Das Dämpfungssignal umfasst beispielsweise zwischen einschließlich zwei und einschließlich 20 Dämpfungspulse .
Beispielsweise beträgt ein zeitlicher Abstand zwischen zwei Dämpfungspulsen zwischen einschließlich 0 , 002 Millisekunden und einschließlich 0 , 1 Millisekunden . In diesem Fall weist das Dämpfungssignal insbesondere mindestens zwei Dämpfungspulse auf .
Eine Wartezeit zwischen einem Ende der Anregung der Membran mit dem Anregungsmittel und einem ersten Dämpfungspuls des Dämpfungssignals kann zwischen einschließlich 0 , 002 Millisekunden und einschließlich 0 , 1 Millisekunden betragen . Die Wartezeit bemisst sich also zum Beispiel aus einer Zeit zwischen dem Ende des Anregungssignals und dem ersten Auftreten eines Dämpfungspulses des Dämpfungssignals . Durch die Wartezeit und den zeitlichen Abstand zwischen den Dämpfungspulsen ist insbesondere die Abfolge der Dämpfungspulse festgelegt .
In dem Fall , dass das Dämpfungssignal mindestens zwei Dämpfungspulse umfasst , weisen die Dämpfungspulse des Dämpfungssignals bevorzugt eine gleiche Amplitude auf . Beispielsweise werden die Dämpfungspulse mittels Ein- und Ausschaltens einer Dämpfungsspannung erzeugt . Die Dämpfungsspannung ist dabei konstant und variiert zum Beispiel lediglich im Vorzeichen . Damit ist das Dämpfungssignal besonders einfach und damit kostengünstig zu erzeugen, da keine Anpassung der Amplitude notwendig ist .
Alternativ oder zusätzlich weisen die Dämpfungspulse eine gleiche Puls form auf . Zum Beispiel handelt es sich bei den Dämpfungspulsen um Rechteckspulse . Die Dämpfungspulse unterscheiden sich untereinander bevorzugt lediglich in ihrer Breite und in ihrem Vorzeichen .
In einer weiteren Aus führungs form oder gemäß einer der oben beschriebenen Aus führungs formen weist der Ultraschallwandler mindestens einen Umgebungssensor auf . Der Umgebungssensor ist zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters eingerichtet . Der Umgebungsparameter kann eine Umgebungstemperatur der Umgebung des Ultraschallwandlers oder eine relative Feuchte oder dergleichen sein . Insbesondere sind solche Umgebungsparameter von Interesse , die eine Funktions fähigkeit oder Funktionsweise des Ultraschallwandlers beeinflussen können . Der Umgebungssensor kann beispielsweise ein Temperatursensor und/oder ein Feuchtigkeitssensor sein .
Der Umgebungssensor ist vorzugsweise mit der Steuerungselektronik verbunden oder kann in der Steuerungselektronik integriert sein . Zum Beispiel kann der Umgebungsparameter oder können die Umgebungsparameter in einer Speichereinheit der Steuerungselektronik hinterlegt werden .
Das Anpassungsmittel kann ferner dazu eingerichtet sein, den fixen Anteil des Dämpfungssignals unter Berücksichtigung des Umgebungsparameters festzulegen . Zum Beispiel kann der fixe Anteil neu festgelegt werden, wenn sich die Temperatur und/oder die Feuchte einer Umgebung des Ultraschallwandlers ändert .
Es ist auch möglich, dass der fixe Anteil vor dem Messbetrieb des Ultraschallwandlers für eine Mehrzahl von Umgebungsparametern festgelegt wird und in der Speichereinheit der Steuerungselektronik als Funktion des Umgebungsparameters abgelegt wird . Dann kann vorteilhafterweise der fixe Anteil bei Änderung des Umgebungsparameters schnell angepasst werden . In diesem Fall umfasst der Ultraschallwandler vorzugsweise eine Steuerungselektronik mit einer Speichereinheit .
Die Speichereinheit kann in dieser und in allen anderen Aus führungs formen mehrere Register aufweisen . Zum Beispiel ist die Speichereinheit dazu eingerichtet , in einem Register einen Umgebungsparameter und in einem anderen Register den fixen Anteil des Dämpfungssignals abzuspeichern . In einem weiteren Register kann auch der variable Anteil des Dämpfungssignals abgespeichert werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form oder einer der oben beschriebenen Aus führungs formen ist das Anpassungsmittel dazu eingerichtet , den flexiblen Anteil eines ersten Dämpfungssignals in einem zweiten Register der Speichereinheit zu hinterlegen . Das Erfassungsmittel ist bevorzugt dazu eingerichtet , einen zweiten Schwingungsparameter der Nachschwingung während des Anlegens eines fixen Anteils eines zweiten Dämpfungssignals zu erfassen . Das Anpassungsmittel ist ferner insbesondere dazu eingerichtet , einen variablen Anteil des zweiten Dämpfungssignals , das dem ersten Dämpfungssignal nachfolgt , anhand des gespeicherten variablen Anteils des ersten Dämpfungssignals und des erfassten zweiten Schwingungsparameters festzulegen . Das Dämpfungsmittel ist bevorzugt ferner dazu eingerichtet , das zweite Dämpfungssignal an die Membran anzulegen . Dabei weist ein Nachschwingen der Membran, das mit dem ersten Dämpfungssignal gedämpft ist , gegenüber einem Nachschwingen der Membran, das mit dem zweiten Dämpfungssignal gedämpft ist , eine Phasenverschiebung von beispielsweise 180 ° auf .
Das erste Dämpfungssignal folgt dem zweiten Dämpfungssignal bevorzugt direkt nach . Zum Beispiel wird die Membran zur Aussendung einer ersten Ultraschallwelle angeregt . Die Nachschwingung dieser Anregung wird mittels des ersten Dämpfungssignals gedämpft . Anschließend wird eine erste reflektierte Welle zur Distanzmessung detektiert . Nachfolgend wird die Membran zur Aussendung einer zweiten Ultraschallwelle angeregt , wobei die Nachschwingung dieser Anregung mittels des zweiten Dämpfungssignals gedämpft wird . Anschließend wird eine zweite reflektierte Welle zur Distanzmessung detektiert . Dabei bezieht sich hier und im Folgenden „erste" und „zweite" nicht auf die absolut erste Anregung beziehungsweise Dämpfung im Gesamtbetrieb des Ultraschallwandlers , sondern soll lediglich zwei Anregungsund Dämpfungsvorgänge in Beziehung zueinander setzen .
Trotz der Dämpfung der Nachschwingung der Membran kann im Betrieb des Ultraschallwandlers bei der Detektion einer reflektierten Welle die Membran eine leichte Schwingung zeigen, die sich mit der reflektierten Welle überlagert . Je nach Phasenbeziehung der Nachschwingung und der reflektierten Welle können die Nachschwingung und die reflektierte Welle sich konstruktiv oder negativ überlagern . Im ersten Fall steigt eine Schwingungsamplitude der Membran und im zweiten Fall sinkt eine Schwingungsamplitude der Membran, beispielsweise auf Null . In beiden Fällen kann die Ankunft der reflektierten Welle durch eine Änderung der Amplitude erfasst werden .
Es ist allerdings auch möglich, dass die Phasenbeziehung der Nachschwingung und der reflektierten Welle so ist , dass sich die Amplitude der Membran nicht ändert . Zum Beispiel weisen dann die Nachschwingung und die Amplitude eine Phasenverschiebung von 2 / 3 n oder 120 ° auf . In diesem Fall kann die Ankunft der reflektierten Welle nicht ermittelt werden, da keine Änderung in der Amplitude feststellbar ist .
Um diesen Fall aus zuschließen, kann das zweite Dämpfungssignal so angepasst werden, dass die Nachschwingung nach der ersten Anregung und die Nachschwingung nach der zweiten Anregung um n oder 180 ° phasenverschoben sind .
In vielen Anwendungen des Ultraschallwandlers , zum Beispiel im Kf z-Bereich, sind die Abstände zwischen zwei Mess zyklen aus Aussenden einer Ultraschallwelle und Detektieren der reflektierten Welle so gering, dass in guter Näherung davon ausgegangen werden kann, dass die erste reflektierte Welle und die zweite reflektierte Welle identische Phasen aufweisen . Das heißt , in dem Fall , dass die erste oder zweite Nachschwingung sich mit den reflektierten Wellen so überlagert , dass keine Amplitudenänderung feststellbar ist , kann die Amplitudenänderung aus der Überlagerung mit der j eweils anderen reflektierten Welle ermittelt werden . In dem Fall , dass aus beiden Mess zyklen Messergebnisse ermittelbar sind, können diese gemittelt werden, um eine Genauigkeit der Messergebnisse zu erhöhen . Ein Phasenversatz von 180 ° zwischen der ersten Nachschwingung und der zweiten Nachschwingung wird dabei insbesondere dadurch erreicht , dass der flexible Anteil des ersten Dämpfungssignals in der Speichereinheit gespeichert wird . Der flexible Anteil des ersten Dämpfungssignals wird beispielsweise anhand einer Amplitude der Dämpfungsmode als erster Schwingungsparameter festgelegt .
Nachfolgend wird während des fixen Anteils des zweiten Dämpfungssignals ein zweiter Schwingungsparameter, beispielsweise eine Amplitude , erfasst . Der erste und zweite Schwingungsparameter kann verschieden voneinander sein . Der erste und zweite Schwingungsparameter kann beispielsweise eine Amplitude der Membranschwingung zu einem festen Zeitpunkt oder eine Amplitude einer bestimmten Frequenzkomponente der Membranschwingung sein .
Der variable Anteil des zweiten Dämpfungssignals wird anhand des gespeicherten variablen Anteils des ersten Dämpfungssignals und des erfassten zweiten Schwingungsparameters festgelegt . Beispielsweise wird zur Festlegung des variablen Anteils des zweiten Dämpfungssignals die Amplitude der Membran mit dem variablen Anteil des ersten Dämpfungssignals überlagert . Durch diese Methode kann eine Phasenverschiebung von 180 ° zwischen der ersten Nachschwingung und der zweiten Nachschwingung erreicht werden .
Vorzugsweise weisen dabei das erste Dämpfungssignal und das zweite Dämpfungssignal einen gemeinsamen fixen Anteil auf . Der fixe Anteil ist zum Beispiel in einem ersten Register der Speichereinheit hinterlegt . Es wird des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers angegeben . Der hier beschriebene Ultraschallwandler lässt sich insbesondere mit dem Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers betreiben . Das heißt , sämtliche für den Ultraschallwandler of fenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren of fenbart und umgekehrt .
Das Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers umfassend eine Membran in einem Gehäuse umfasst die folgenden Schritte :
- Anregen der Membran zum Aussenden einer Ultraschallwelle , wobei eine Membranschwingung umfassend eine stabile Sendemode mit einer Sendefrequenz angeregt wird,
- Dämpfen einer nach erfolgter Anregung auftretenden Nachschwingung, wobei eine Membranschwingung umfassend eine stabile Dämpfungsmode mit einer Dämpfungs frequenz angeregt wird, wobei die Dämpfungs frequenz und die Sendefrequenz verschieden sind .
Diese Schritte werden insbesondere in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt . Bevorzugt werden diese Schritte mehrfach hintereinander ausgeführt .
Insbesondere werden mit dem Verfahren die oben in Zusammenhang mit den Aus führungs formen des Ultraschallwandlers erläuterten Vorteile und Ef fekte erreicht .
In einer Aus führungs form des Verfahrens erfolgt die Dämpfung der Nachschwingung durch Anlegen eines Dämpfungssignals , wobei das Dämpfungssignal einen fixen Anteil und einen variablen Anteil umfasst . Der variable Anteil folgt dabei dem fixen Anteil zeitlich nach . Der fixe Anteil wird insbesondere vor der Anregung der Sendemode festgelegt . Der variable Anteil wird bevorzugt anhand mindestens eines Parameters der Nachschwingung dynamisch festgelegt , der während eines Anlegens des fixen Anteils ermittelt wird . Wie oben beschrieben, kann durch eine Aufteilung des Dämpfungssignals in einen fixen Anteil und einen variablen Anteil eine Rechenzeit zur Optimierung des Dämpfungssignals verringert werden, und eine ef fektive Dämpfung wird ermöglicht .
In einer weiteren Aus führungs form des Verfahrens oder einer der oben beschriebenen Aus führungs formen wird die Membran mehrfach zum Aussenden einer Ultraschallwelle angeregt , wobei zwischen zwei Anregungen eine Dämpfung mittels des Dämpfungssignals erfolgt . Der fixe Anteil des Dämpfungssignals wird dabei vor dem mehrmaligen Anregen der Membran festgelegt . Der variable Anteil des Dämpfungssignals wird während des Dämpfens der Nachschwingungen anhand zumindest eines Schwingungsparameters der Nachschwingung festgelegt .
Das heißt , der variable Anteil wird während des Betriebs des Ultraschallwandlers laufend optimiert und angepasst . Zur Anpassung des variablen Anteils werden beispielsweise weniger Parameter, insbesondere lediglich ein Parameter, des Dämpfungssignals optimiert . Damit sinkt ein Parameterraum, der während des Betriebs des Ultraschallwandlers optimiert werden muss , im Vergleich zu einer Optimierung des gesamten Dämpfungssignals . Daher wird eine Optimierung des Dämpfungssignals während des Betriebs des Ultraschallwandlers ermöglicht . In einer weiteren Aus führungs form des Verfahrens oder einer der oben beschriebenen Aus führungs formen wird während eines Dämpfens einer ersten Nachschwingung mit einem ersten Dämpfungssignal der variable Anteil des ersten Dämpfungssignals in einem zweiten Register einer Speichereinheit hinterlegt . Während eines nachfolgenden Dämpfens einer zweiten Nachschwingung mit einem zweiten Dämpfungssignal wird ein zweiter Schwingungsparameter einer zweiten Nachschwingung erfasst und der variable Anteil des zweiten Dämpfungssignals anhand des erfassten zweiten Schwingungsparameters und des gespeicherten variablen Anteils des ersten Dämpfungssignals festgelegt , sodass die erste Nachschwingung gegenüber der zweiten Nachschwingung um 180 ° phasenverschoben ist .
Mit diesem Verfahren ist es möglich, wie oben beschrieben, unabhängig von der Phasenbeziehung zwischen der ersten Nachschwingung der Membran und der reflektierten Welle ein Messsignal zu erhalten, in dem Fall , dass die Nachschwingung nach der Dämpfung nicht vollkommen abgeklungen ist . Grund dafür ist , dass , selbst wenn aufgrund der Phasenbeziehung zwischen der ersten Nachschwingung und der reflektierten Welle keine Änderungen in einer Amplitude der Membranschwingung feststellbar sind, die reflektierte Welle mit der zweiten Nachschwingung zu einer Amplitudenänderung führt , da die erste und zweite Nachschwingung eine feste Phasenbeziehung zueinander haben . Die Phasenbeziehung zwischen der ersten und zweiten Nachschwingung wird vorzugsweise wie oben beschrieben erreicht .
Es wird des Weiteren ein Verfahren zur Distanzmessung angegeben . Bei dem Verfahren zur Distanzmessung wird ein hier beschriebener Ultraschallwandler verwendet , der insbesondere mit einem hier beschriebenen Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers betrieben wird . Das heißt , sämtliche für das Verfahren zum Betrieb des Ultraschallwandlers of fenbarten Merkmale und für den Ultraschallwandler of fenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren zur Distanzmessung of fenbart und umgekehrt .
Bevorzugt wird bei dem Verfahren zur Distanzmessung genau ein Ultraschallwandler eingesetzt . Das heißt , der Ultraschallwandler dient sowohl als Sendeelement für eine Ultraschallwelle als auch als Detektionselement für ein von dem zu messenden Obj ekt reflektiertes Ultraschallsignal .
In einem Sendebetrieb wird bei dem Verfahren zur Distanzmessung beispielsweise ein Ultraschallsignal , beispielsweise als Ultraschallwelle , als Puls vom Ultraschallwandler ausgesandt . Nachdem der Puls auf ein Obj ekt tri f ft , wird dieser zumindest teilweise wieder zurückreflektiert . In einem Empfangsbetrieb wird dieser zurückreflektierte Puls detektiert , wodurch eine Lauf zeit ermittelt werden kann . Da Ultraschallsignale sich in Luft aber auch in Wasser mit bekannten Schallgeschwindigkeiten ausbreiten, kann mit Hil fe der Lauf zeit die Distanz zu dem zu messenden Ziel berechnet werden .
I st die Entfernung zu dem Obj ekt kurz , beispielsweise unter 10 cm, so ist bei herkömmlichen Ultraschallwandlern eine Nachschwingung der Membran nach Aussenden des Pulses typischerweise noch nicht abgeklungen, weshalb derartige Ultraschallwandler häufig nicht gleichzeitig als Sendeelement und als Empfangselement eingesetzt werden können . Bei dem hier beschriebenen Ultraschallwandler ist es möglich, auch besonders kurze Lauf zeiten des Pulses , das heißt besonders kurze Entfernungen, mit nur einem einzigen Ultraschallwandler zu messen, da eine ef fektive Dämpfung der Nachschwingung der Membran erreicht wird .
Insbesondere können mit dem Verfahren zur Distanzmessung Obj ekte in einer Entfernung von zwischen einschließlich 4 cm und einschließlich 2 m gemessen werden . Insbesondere werden Entfernungen von kleiner als 10 cm gemessen .
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens zum Betreiben eines Ultraschallwandlers und des Ultraschallwandlers ergeben sich aus den im Folgenden im Zusammenhang mit schematischen Zeichnungen dargestellten Aus führungsbeispielen . Gleiche , gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugs zeichen versehen . Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht grundsätzlich als maßstäblich zu betrachten . Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für ein besseres Verständnis übertrieben groß dargestellt sein .
Es zeigen :
Figuren 1 bis 3 einen hier beschriebenen Ultraschallwandler gemäß einem Aus führungsbeispiel ,
Figur 4 eine I llustration einer Sendemode ,
Figur 5 eine I llustration einer Dämpfungsmode , Figur 6 eine grafische Darstellung einer Impedanz eines hier beschriebenen Ultraschallwandlers gemäß dem Aus führungsbeispiel ,
Figuren 7 bis 11 Schnittansichten eines hier beschriebenen Ultraschallwandlers gemäß mehrerer Aus führungsbeispiele ,
Figur 12 ein Beispiel eines Anregungssignals und eines Dämpfungssignals , wie es in dem hier beschriebenen Verfahren Verwendung findet ,
Figur 13 Möglichkeiten der Anpassung eines Dämpfungssignals , wie es in dem hier beschriebenen Verfahren Verwendung findet ,
Figur 14 eine schematische Darstellung eines hier beschriebenen Verfahrens zum Betrieb eines Ultraschallwandlers gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel ,
Figur 15 eine grafische Darstellung einer Nachschwingung einer Membran, die mit einem hier beschriebenen Dämpfungssignal gedämpft wird, im Vergleich zu einer Membran ohne Dämpfungssignal ,
Figur 16 eine grafische Darstellung einer Frequenzanalyse einer Nachschwingung einer Membran, die mit einem hier beschriebenen Dämpfungssignal gedämpft wird, im Vergleich zu einer Membran ohne Dämpfungssignal ,
Figur 17 eine grafische Darstellung eines Signals einer gedämpften Membranbewegung,
Figuren 18 und 19 grafische Darstellungen von Signalen einer reflektierten Welle , die von einem zu messenden Obj ekt reflektiert wurde und von dem Ultraschallwandler empfangen wird,
Figur 20 eine schematische Darstellung eines hier beschriebenen Verfahrens zum Betrieb eines Ultraschallwandlers gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel ,
Figuren 21 bis 25 I llustrationen einer Überlagerung von reflektierten Wellen und einer Nachschwingung .
Der Ultraschallwandler 1 gemäß Figuren 1 bis 3 weist ein Anregungsmittel 21 , ein Dämpfungsmittel 22 , ein Erfassungsmittel 23 und ein Anpassungsmittel 24 auf . Das Anregungsmittel 21 , das Dämpfungsmittel 22 und das Erfassungsmittel 23 umfassen ein piezoelektrisches Element 2 . Das Anpassungsmittel 24 ist umfasst eine Steuerungselektronik 3 . Die Steuerungselektronik 3 ist dazu eingerichtet , eine mit dem piezoelektrischen Element 2 gekoppelte Membran 4 anzuregen . Aufgrund einer Anregung kann die Membran 4 eine Bewegung 60 aus führen . Das piezoelektrische Element 2 und die Membran 4 sind in einem Gehäuse 11 angeordnet . Es ist möglich, dass auch die Steuerungselektronik 3 in dem Gehäuse 11 angeordnet ist . Die Steuerungselektronik 3 umfasst zum Beispiel eine anwendungsspezi fische integrierte Schaltung (AS IC ) oder ist in einer anwendungsspezi fischen integrierten Schaltung integriert .
Das Anregungsmittel 21 kann die Membran 4 mit einem Anregungssignal 6 anregen, sodass eine Ultraschallwelle 7 ausgesendet wird . Nach dem Aussenden der Ultraschallwelle 7 schwingt die Membran 4 typischerweise nach, führt also weiterhin eine Nachschwingung 40 aus . Bei einer Anregung zum Aussenden der Ultraschallwelle 7 wird die Membran 4 in Schwingung mit einer Sendemode 12 angeregt . Die Sendemode 12 ist eine Eigenmode des Ultraschallwandlers 1 und weist ein Maximum in einem Zentralbereich der Membran 4 auf (vergleiche Figuren 2 und 4 ) . Schwingungsknoten der Sendemode 12 sind vorzugsweise in einem Randbereich beziehungsweise am Rand der Membran angeordnet . Dadurch weist die Sendemode 12 bevorzugt eine geringe Dämpfung auf .
Zur Dämpfung der Nachschwingung 40 regt das Dämpfungsmittel 22 die Membran 4 zu einer Schwingung mit einer Dämpfungsmode 55 an . Die Dämpfungsmode 55 weist eine wesentlich höhere Dämpfung als die Schwingungsmode 12 auf . Die Dämpfungsmode 55 weist insbesondere ein Maximum in einem Randbereich beziehungsweise am Rand der Membran 4 auf (vergleiche Figuren 3 und 5 ) , womit die Dämpfungsmode 55 eine hohe Dissipation beziehungsweise Dämpfung aufweist .
Das Gehäuse 11 des Ultraschallwandlers 1 ist ein rotationssymmetrisches Topfgehäuse und bildet , beispielsweise zusammen mit der Membran 4 , dem piezoelektrischen Element 2 und dem Dämpfungselement 10 , ein Os zillationssystem . Das Gehäuse 11 und/oder andere Elemente des Os zillationssystems sind derart angepasst , dass die Sendemode 12 und die Dämpfungsmode 55 stabil anregbar sind und bevorzugt Eigenmoden des Ultraschallwandlers 1 sind . Dazu weist beispielsweise das Gehäuse 11 eine Seitenwand 14 mit einer Dicke 15 auf .
Durch eine stabile Dämpfungsmode 55 kann Energie der Nachschwingung 40 ef fektiv abgeleitet werden, und die Nachschwingung 40 kann ef fektiv gedämpft werden . Insbesondere schwingt bei einer angeregten Dämpfungsmode 55 ein Teil des Gehäuses 11 mit . Das heißt , das Os zillationssystem ist teilweise in Bewegung . Das Os zillationssystem zeigt insbesondere an der Seitenwand 14 eine Gehäusebewegung 58 . Durch die Gehäusebewegung 58 kann die Nachschwingung 40 weiter gedämpft werden .
Figur 6 illustriert eine Impedanz des Ultraschallwandlers 1 gemäß dem vorliegenden Aus führungsbeispiel . In Figur 6 sind sowohl der Realteil der Impedanz 106 als auch der Imaginärteil der Impedanz 107 als Funktion einer Frequenz 104 in kHz aufgetragen . Die Frequenz 104 ist eine Schwingungs frequenz der Membran 4 . Sowohl im Realteil 106 als auch im Imaginärteil 107 sind die Sendemode 12 und die Dämpfungsmode 55 als Resonanzmoden oder Eigenmoden der Membran 4 zu erkennen . Die Sendemode 12 weist eine Sendefrequenz 13 von etwa 75 kHz auf . Die Dämpfungsmode 55 weist eine Dämpfungs frequenz 56 von etwa 300 kHz auf .
Figuren 7 bis 11 zeigen Schnittansichten eines hier beschriebenen Ultraschallwandlers 1 gemäß mehrerer Aus führungsbeispiele . Eine Schnittebene verläuft dabei j eweils senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene einer Membran 4 des j eweiligen Ultraschallwandlers 1 . Den Ultraschallwandlern 1 gemäß der Figuren 7 bis 11 liegen insbesondere die gleichen Funktionsprinzipien und Ef fekte wie dem Ultraschallwandler 1 gemäß der Figur 1 zu Grunde . Daher umfassen die Ultraschallwandler 1 insbesondere gemäß der Figuren 7 bis 11 ebenfalls Anregungsmittel 21 , Dämpfungsmittel 22 , Erfassungsmittel 23 und Anpassungsmittel 24 sowie eine Steuerungselektronik 3 und ein piezoelektrisches Element 2 . Im Folgenden werden zur Vereinfachung der Beschreibung lediglich Unterschiede und Besonderheiten der Ultraschallwandler der Figuren 7 bis 11 gegenüber dem Ultraschallwandler der Figur 1 erläutert .
Der Ultraschallwandler 1 gemäß Figur 7 umfasst eine Membran 4 und ein Gehäuse 11 . Das Gehäuse 11 weist eine Seitenwand 14 auf , die sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Membran 4 erstreckt . Das Gehäuse ist rotationssymmetrisch .
Die Seitenwand 14 weist einen ersten Bereich 14a mit einer Dicke 15a auf . Ferner weist die Seitenwand 14 einen zweiten Bereich 14b mit einer Dicke 15b auf . Die Dicke 15a der Seitenwand 14 im ersten Bereich 14a ist größer als die Dicke 15b der Seitenwand 14 im zweiten Bereich 14b .
Die Dicken 15a, 15b der Seitenwand 14 sind insbesondere derart gewählt , dass die Sendemode 12 und die Dämpfungsmode 55 stabil anregbar sind .
Das Gehäuse 11 mit der Seitenwand 14 ist insbesondere Teil eines Os zillationssystems , dem auch die Membran 4 angehört . Bei Anregung der Dämpfungsmode 55 kann ein Teil des Os zillationssystems in Bewegung oder Schwingung versetzt werden . Insbesondere der zweite Bereich 14b der Seitenwand 14 kann eine Gehäusebewegung 58 durchführen .
Ein Innenraum des Gehäuses 11 ist mit einem ersten Dämpfungselement 10a und einem zweiten Dämpfungselement 10b gefüllt . Das erste Dämpfungselement 10a grenzt an die Membran 4 und an den ersten Bereich 14a der Seitenwand 14 . Das zweite Dämpfungselement 10b grenzt an das erste Dämpfungselement 10a und den zweiten Bereich 14a der Seitenwand 14 . Das erste Dämpfungselement 10a ist ein Silikonschaum, zum Beispiel ein auf geschäumtes Silikon . Das zweite Dämpfungselement 10b ist ein Silikon als Vollmaterial . Damit weist das zweite Dämpfungselement 10b einen höheren Dämpfungskoef fi zienten auf als das erste Dämpfungselement 10a .
Das zweite Dämpfungselement 10b ist vorteilhafterweise an den zweiten Bereich 14b angrenzend angeordnet . In diesem Bereich 14b erfolgt bei Anregung der Dämpfungsmode 55 eine Anregung der Gehäusebewegung 58 . Damit kann Energie der Dämpfungsmode 55 ef fektiv dissipiert werden .
Figur 7 illustriert weiter, dass die Membran 4 eine Membrandicke 41 aufweist . Ein Verhältnis der Dicke 15a der Seitenwand 14 im ersten Bereich 14a zu der Membrandicke 41 ist bevorzugt 3 . Durch dieses Verhältnis der Dicke 15a der Seitenwand 14 zu der Membrandicke 41 kann eine unerwünschte seitliche Abstrahlung einer Ultraschallwelle durch ein Schwingen eines Randbereichs der Membran 4 im Bereich der Seitenwand 14 unterdrückt werden .
Im Unterschied zur Figur 7 weist die Steuerungselektronik 3 des Ultraschallwandlers 1 gemäß Figur 8 eine Leiterplatte 34 auf , auf der ein integrierter Schaltkreis 33 angeordnet ist . Der integrierte Schaltkreis 33 ist insbesondere ein AS IC . Die Steuerungselektronik 3 kann im Betrieb mittels einer Leitung 35 elektrisch kontaktiert und angesteuert werden .
Die Leiterplatte 34 und der integrierte Schaltkreis 33 sind zumindest teilweise im Innenraum des Gehäuses 11 angeordnet . Zum Beispiel ist die Leiterplatte 34 im zweiten Bereich 14b der Seitenwand 14 aufgehängt . Damit sind die Leiterplatte 34 und der integrierte Schaltkreis 33 Teil des Os zillationssystems . Damit kann die Leiterplatte 34 und der integrierte Schaltkreis 33 bei Anregung der Dämpfungsmode 55 in Bewegung versetzt werden und zur Dämpfung der Nachschwingung 40 der Membran 4 beitragen . Ferner ist vorzugsweise die Leiterplatte 34 und der integrierte Schaltkreis 33 derart angepasst , dass die Dämpfungsmode 55 und die Sendemode 12 stabil anregbar sind .
Im Vergleich zu der Figur 7 weist der erste Bereich 14a der Seitenwand 14 das Gehäuse 11 des Ultraschallwandlers 1 der Figur 9 eine höhere Dicke 15a auf . Die Dicke 15a ist insbesondere derart , dass die Seitenwand 14 eine gerade Außenseite aufweist . Die Außenseite der Seitenwand 14 ist eine Seite der Seitenwand 14 , die von dem Innenraum des Gehäuse 11 abgewandt ist und von extern zugänglich ist . Das heißt , die Außenseite weist keine Stufe auf .
Im Unterschied zu Figur 8 weist der Ultraschallwandler 1 der Figur 10 lediglich ein Dämpfungselement 10 auf . Das Dämpfungselement 10 ist ein Silikonschaum .
Ferner weist die Seitenwand 14 einen Dickengradient auf . Damit ist insbesondere gemeint , dass die Dicke 15 der Seitenwand 14 in einer Richtung weg von der Membran 4 kontinuierlich abnimmt . Der Dickengradient ist insbesondere so gewählt , dass die Dämpfungsmode 55 und die Sendemode 12 stabil anregbar sind .
Im Gegensatz zu Figur 10 weist der Ultraschallwandler 1 der Figur 11 keinen Dickengradienten auf . Die Seitenwand 14 hat eine einheitliche Dicke 14 . Die Dicke 14 ist insbesondere derart angepasst , dass die Dämpfungsmode 55 und die Sendemode 12 stabil anregbar sind . Bei den Ultraschallwandlern 1 der Figuren 10 und 11 regt die Dämpfungsmode 55 bevorzugt keine oder nur eine unwesentliche Gehäusebewegung an . Die Dämpfung der Nachschwingung 40 erfolgt insbesondere durch eine Bewegung der Membran 4 im Randbereich der Membran 4 . Damit erfolgt die Dämpfung insbesondere durch Reibung am Rand der Membran 4 .
Zur Dämpfung der Nachschwingung 40 der Membran 4 kann an den Ultraschallwandler 1 nach einem der obigen Aus führungsbeispiele ein Dämpfungssignal 5 angelegt werden, das dem Anregungssignal 6 zur Anregung der Sendemode 12 nachfolgt , wie in Figur 12 illustriert . Das Anregungssignal 6 umfasst Rechteckspulse , die in zeitlicher Abfolge 102 mit einer Spannung 101 angelegt werden . Die Spannung 101 weist eine feste Amplitude auf , wobei ein Vorzeichen nach j edem Rechteckspuls wechselt .
Um die Nachschwingung 40 der Membran 4 zu dämpfen, wird mittels der Steuerungselektronik 3 das Dämpfungssignal 5 für das Dämpfungsmittel 22 bereitgestellt . Das Dämpfungssignal 5 umfasst mindestens einen Dämpfungspuls 50 . Die Steuerungselektronik 3 ist dazu eingerichtet , mindestens einen Parameter des Dämpfungssignals aus den folgenden Parametern festzulegen : Anzahl 51 der Dämpfungspulse , Breite 52 der Dämpfungspulse 50 sowie Sequenz 53 der Dämpfungspulse 50 . Das Dämpfungssignal 5 folgt insbesondere unmittelbar auf das Anregungssignal 6 . Das heißt , zwischen dem Anregungssignal 6 und dem Dämpfungssignal 5 ist keine Wartezeit .
Das Dämpfungssignal 5 weist einen fixen Anteil 5a und einen variablen Anteil 5b auf , der auf den fixen Anteil 5a folgt . Zur Festlegung des fixen Anteils 5a werden zum Beispiel mehrere der oben erwähnten Parameter des Dämpfungssignals 5 festgelegt . Die Festlegung des fixen Anteils 5a erfolgt bevorzugt , bevor das Anregungssignal 6 bereitgestellt wird, anhand eines Schwingungsparameters 8 der Nachschwingung 40 . Der Schwingungsparameter 8 ist zum Beispiel eine Amplitude der Nachschwingung 40 zu einem festgelegten Zeitpunkt . Durch Festlegen einer Mehrzahl von Parametern ist der Parameterraum, der optimiert werden muss , verhältnismäßig groß und die Festlegung des fixen Anteils 5a ist zeitaufwendig . Durch Festlegung des fixen Anteils 5a vor Bereitstellen des Anregungssignals 6 kann auf eine zeitaufwendige Optimierung nach der Anregung der Membran verzichtet werden .
Der fixe Anteil 5a des Dämpfungssignals 5 ist insbesondere dazu eingerichtet , eine Amplitude der Nachschwingung 40 zu vermindern . Der variable Anteil 5b wird insbesondere bereitgestellt , um die Dämpfungsmode 55 anzuregen .
Für den variablen Anteil 5b wird lediglich einer der oben genannten Parameter festgelegt und optimiert , während die anderen Parameter von dem fixen Anteil 5a übernommen werden . Damit ist der zu optimierende Parameterraum viel kleiner, und eine Optimierung des variablen Anteils 5b kann während der Bereitstellung des fixen Anteils 5b erfolgen .
Figur 13 illustriert Möglichkeiten zur Anpassung des Dämpfungssignals 5 , wie es bei dem hier beschriebenen Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers 1 verwendet wird . Dabei kann sowohl der fixe Anteil 5a als auch der variable Anteil 5b des Dämpfungssignals 5 entsprechend der in Figur 13 gezeigten Möglichkeiten angepasst werden, wobei für den variablen Anteil 5b vorzugsweise nur eine Möglichkeit zur Anpassung ausgewählt wird . Das Dämpfungssignal 5 umfasst eine Viel zahl von Dämpfungspulsen 50 , die alle eine gleiche Amplitude aufweisen . Vorzeichen der Dämpfungspulse 50 können variieren und werden beispielsweise durch die Steuerungselektronik 3 festgelegt .
Durch die Steuerungselektronik 3 wird beispielsweise die Breite 52 der Dämpfungspulse 50 festgelegt . Die Breite 52 ergibt sich aus der Zeit 102 , in der die Spannung 101 anliegt .
Ferner wird zum Beispiel die Anzahl 51 der Dämpfungspulse 50 durch die Steuerungselektronik festgelegt sowie eine Abfolge 53 der Dämpfungspulse 50 . Die Abfolge 53 der Dämpfungspulse 50 gibt an, in welcher zeitlichen Abfolge die Dämpfungspunkte 50 in dem Dämpfungssignal 5 auftreten . Ferner gibt die Abfolge 53 an, nach welcher Wartezeit 54 ein erster Dämpfungspuls 50 im Dämpfungssignal 5 auf tritt .
Für den variablen Anteil 5b wird beispielsweise die Abfolge 53 optimiert .
Figur 14 illustriert ein hier beschriebenes Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel . Das Verfahren kann auf der Steuerungselektronik 3 ausgeführt werden . Das Verfahren umfasst das Bestimmen des fixen Anteils 5a des Dämpfungssignals 5 mittels des Anpassungsmittels 24 . Der fixe Anteil 5a wird zum Beispiel mittels eines Optimierungsalgorithmus wie eines Populationsalgorithmus festgelegt . Der fixe Anteil 5a wird in einer Speichereinheit 30 der Steuerungselektronik 3 hinterlegt . Zum Beispiel wird der fixe Anteil 5a in einem ersten Register 30a der Speichereinheit 30 hinterlegt .
Optional wird der fixe Anteil 5a zusätzlich anhand eines Umgebungsparameters 32 bestimmt . Der Umgebungsparameter 32 ist beispielsweise eine Umgebungstemperatur und wird mit einem Umgebungssensor 31 , zum Beispiel einem Temperatursensor, bestimmt . Der Umgebungsparameter 32 kann in der Speichereinheit 30 hinterlegt werden .
Im Betrieb des Ultraschallwandlers wird die Membran 4 mittels des Anregungsmittels 21 und dem Anregungssignal 6 angeregt . Nach Aussenden der Ultraschallwelle 7 wird die Nachschwingung 40 mittels dem Dämpfungsmittel 22 und dem fixen Anteil 5a des Dämpfungssignals 5 gedämpft , um eine Amplitude der Nachschwingung 40 zu verringern . Dabei wird ein Schwingungsparameter 8 , zum Beispiel eine Amplitude der Nachschwingung 40 , von dem Erfassungsmittel 23 erfasst und mittels des Anpassungsmittels 24 der variable Anteil 5b des Dämpfungssignals 5 bestimmt . Dazu kann ein Parameter des Dämpfungssignals 5 während des Bereitstellens des fixen Anteils 5a optimiert werden .
Nachfolgend wird der variable Anteil 5b bereitgestellt und die Nachschwingung 40 weiter mittels des Dämpfungsmittels 22 gedämpft . Dabei wird insbesondere die Dämpfungsmode 55 angeregt und die Nachschwingung 40 ef fektiv gedämpft .
Anschließend wird durch das Erfassungsmittel 23 eine reflektierte Welle erfasst . Aus dem zeitlichen Abstand zwischen Aussenden der Ultraschallwelle 7 und Detektion der reflektierten Welle kann eine Entfernung 105 zu einem Obj ekt berechnet werden und als Ergebnis einer Distanzmessung ausgegeben werden .
Anschließend kann erneut ein Aussenden einer Ultraschallwelle 7 angeregt werden und eine neue Entfernung 105 ermittelt werden . Dabei wird das eben beschriebene Verfahren wiederholt , wobei der fixe Anteil 5a des Dämpfungssignals 5 nicht bei j eder Wiederholung berechnet wird, sondern von dem Dämpfungsmittel 22 aus dem ersten Register 30a abgerufen wird .
Figur 15 zeigt das Signal einer Membranbewegung 62 einer Membran 4 , die mit einem hier beschriebenen Verfahren gedämpft wird, im Vergleich zu einem Vergleichsbeispiel eines Membranbewegungs-Signals 63 , das nicht gedämpft wird . Die Membranbewegungen lassen sich über den piezoelektrischen Ef fekt in eine Spannung 101 ( angegeben in V) umwandeln, die in Figur 4 als Funktion der Zeit 102 ( angegeben in ms ) auf getragen ist . Während der Anregung mit dem Anregungsmittel 21 beträgt eine mit beiden Membranbewegungen 60 , 61 assoziierte Spannung 101 über 10 V . Das Anregungssignal 6 liegt etwa 0 , 1 ms an .
Unmittelbar auf das Anregungssignal 6 folgt im Fall der Membranbewegung 60 das Dämpfungssignal 5 . Das Dämpfungssignal 5 liegt etwa 0 , 1 ms an . Ein Vergleich des Verlaufs der Spannungen 101 der gedämpften Membranbewegung 60 und der ungedämpften Membranbewegung des Vergleichsbeispiels zeigt , dass die Spannung 101 der gedämpften Membranbewegung 60 ab etwa 0 , 4 ms um circa zwei Größenordnungen geringer ist als die Spannung 101 des Vergleichsbeispiels . Durch das Dämpfungssignal 5 wird also die Membranbewegung 60 ef fektiv gedämpft . Gestrichelte vertikale Linien in Figur 10 illustrieren Zeiten, an denen nach Aussenden einer Ultraschallwelle 7 von dem Ultraschallwandler 1 zu einem 5 cm oder 10 cm entfernten Obj ekt eine von dem Obj ekt reflektierte Welle den Ultraschallwandler 1 wieder erreicht . Ein Zusammenhang zwischen Entfernung 105 und Zeit ergibt sich aus der Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle 7 . Sowohl bei einem Obj ekt in 5 cm Entfernung als auch bei einem Obj ekt in 10 cm Entfernung ist die mit der gedämpften Membranbewegung 60 assoziierte Spannung 101 um etwa zwei Größenordnungen kleiner als die mit der ungedämpften Membranbewegung 61 assoziierte Spannung 101 . Damit kann die Entfernung zu diesen Obj ekten mit einer gedämpften Membranbewegung 60 mittels des Ultraschallwandlers ef fektiv bestimmt werden .
Figur 16 illustriert , welche Frequenzanteile in der Nachschwingung 40 der Membran 4 bei Anlegen des Dämpfungssignals 5 und bei einem Vergleichsbeispiel , in dem kein Dämpfungssignal 5 angelegt wird, vorhanden sind . Dabei ist eine Amplitude 103 eines Schwingungssignals , das insbesondere aus den Membranbewegungen 60 , 61 erhalten wird, als Funktion der Frequenz 104 ( angegeben in kHz ) dargestellt . Bei Dämpfung der Nachschwingung 40 (vergleiche Kurve 70 ) wird eine Dämpfungsmode 55 angeregt . Die Dämpfungsmode 55 ist in dem Vergleichsbeispiel nicht vorhanden . Durch die Dämpfungsmode 55 wird die gedämpfte Membranbewegung 60 ef fektiv gedämpft .
Figur 17 zeigt ein Signal 80 einer gedämpften Membranbewegung 60 als Spannung 101 angegeben in mV als Funktion der Zeit 102 angegeben in ms . Das Signal 80 ist beispielsweise nach der Dämpfung mit dem Dämpfungsmittel 22 durch das Erfassungsmittel 23 erfasst . Ferner illustriert Figur 17 , dass in dem Signal 80 eine Frequenz 81 des Anregungssignals 6 und der Dämpfungsmode 55 enthalten ist . Dazu wurde das Signal 80 mit einem schmalbandigen Bandpass filter um die Frequenz 81 des Anregungssignals 6 und der Dämpfungsmode 55 gefiltert .
Wie in Figur 17 zu erkennen ist , sind in dem Signal 80 sowohl das Anregungssignal 6 als auch die Dämpfungsmode 55 enthalten .
Figur 18 zeigt ein Signal 90 eines Ultraschallsignals , das von einem zu messenden Obj ekt reflektiert wurde und von dem Ultraschallwandler 1 empfangen wird . Das reflektierte Ultraschallsignal erzeugt eine Membranbewegung 60 , die über den piezoelektrischen Ef fekt als Spannung 101 in mV darstellbar ist . Das Signal 90 enthält j e ein Signal mit der Frequenz 91 des Anregungssignals 6 und der Dämpfungsmode 55 , die analog zu Figur 17 aus dem Signal 90 darstellbar sind .
Wie in Figur 18 zu erkennen ist , hat die Dämpfungsmode 55 in dem Signal 90 nur einen geringen Anteil . Somit beeinflusst die Dämpfungsmode 55 ein Ergebnis einer Distanzmessung nur unwesentlich . Des Weiteren ist ein Maximum einer Einhüllenden des Signals 90 erkennbar, womit eine Entfernung des Obj ekts ermittelt werden kann . In dem vorliegenden Beispiel beträgt die Entfernung des Obj ekts von dem Ultraschallwandler 15 cm .
Figur 19 zeigt im Unterschied zu Figur 18 ein Vergleichssignal 95 eines von dem zu messenden Obj ekt reflektierten Ultraschallsignals , ohne dass eine Dämpfung der Nachschwingung 40 der Membran 4 erfolgt ist . Wie in Figur 19 zu erkennen ist , ist das Vergleichssignal 95 im Wesentlichen durch eine Frequenz 96 des Anregungssignals 6 bestimmt und eine Einhüllende des Vergleichssignals 95 nimmt kontinuierlich ab . Damit lässt sich die Entfernung des Obj ekts zu dem Ultraschallwandler nicht ermitteln .
Ferner zeigt sich aus dem Vergleich mit Figur 18 , dass das Vergleichssignal 95 eine um eine Größenordnung höhere Amplitude aufweist als das Signal 90 . Das heißt , sämtliche Informationen des Vergleichssignals 95 , aus denen sich eine Entfernung des Obj ekts bestimmen lassen könnte , werden durch die Nachschwingung 40 der Membran 4 überdeckt , sodass sich die Entfernung des Obj ekts nicht ermitteln lässt .
Figur 20 illustriert ein hier beschriebenes Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers gemäß einem zweiten Aus führungsbeispiel . Wie bei dem ersten Aus führungsbeispiel der Figur 9 wird der fixe Anteil 5a des Dämpfungssignals 5 vor der Anregung der Membran 4 mit dem Anregungsmittel 21 festgelegt und in dem ersten Register 30a der Speichereinheit 30 hinterlegt . Dabei kann eine Berücksichtigung des Umgebungsparameters 32 stattfinden .
Wie in dem Aus führungsbeispiel der Figur 9 wird in einem ersten Mess zyklus 200 die Entfernung 105 bestimmt , wobei zusätzlich der erste variable Anteil 5b des ersten Dämpfungssignals 5 des ersten Mess zyklus 200 in einem zweiten Register 30b der Speichereinheit hinterlegt wird .
Nachfolgend auf den ersten Mess zyklus 200 folgt ein zweiter Mess zyklus 201 , bei dem die Membran 4 mit dem Anregungssignal 6 zum Aussenden einer zweiten Ultraschallwelle 7 angeregt wird . Nachfolgend wird die zweite Nachschwingung 40 der Membran 4 mittels des Dämpfungsmittels 22 durch Bereitstellen des zweiten fixen Anteils 5aa des zweiten Dämpfungssignals 57 gedämpft . Der zweite fixe Anteil 5aa ist insbesondere identisch mit dem ersten fixen Anteil 5a und wird aus dem ersten Register 30a abgerufen .
Während der fixe Anteil 5aa bereitgestellt wird, erfasst das Erfassungsmittel einen zweiten Schwingungsparameter 9 . Das Anpassungsmittel 24 ermittelt aus dem zweiten Schwingungsparameter 9 und dem ersten variablen Anteil 5b des ersten Dämpfungssignals 5 einen zweiten variablen Anteil 5bb des zweiten Dämpfungssignals 57 .
Nachfolgend wird der zweite variable Anteil 5bb dem Dämpfungsmittel 22 bereitgestellt , um das zweite Nachschwingen weiter zu dämpfen .
Anschließend erfasst das Erfassungsmittel 23 eine zweite reflektierte Welle , woraus eine Entfernung bestimmbar ist . Aus der Entfernung des ersten Mess zyklus 200 und der Entfernung des zweiten Mess zyklus 201 wird schließlich die Entfernung 105 als Ergebnis erhalten . Anschließend können die Mess zyklen 200 , 201 wiederholt werden .
Das Verfahren gemäß dem zweiten Aus führungsbeispiel kann insbesondere dann ausgeführt werden, wenn trotz des ef fektiven Dämpfens mit dem Dämpfungsmittel 22 die Nachschwingung nicht vollständig unterdrückt wird .
In diesem Fall ist es möglich, dass sich eine reflektierte Ultraschallwelle mit der Nachschwingung überlagert . Das Ergebnis der Überlagerung hängt von der Phasenbeziehung der reflektierten Welle und der nicht vollständig abgeklungenen Nachschwingung ab . Wie in Figur 21A bis 21BC illustriert , ergibt eine Überlagerung der reflektierten Welle ( illustriert durch das Signal 90 ) und der nicht vollständig abgeklungenen Nachschwingung ( illustriert durch das Signal 92 ) eine Amplitude der Membranschwingung von im Wesentlichen Null ( illustriert durch das Signal 94 ) . Die Phasenverschiebung zwischen der reflektierten Welle und der Nachschwingung beträgt in diesem Beispiel n oder 180 ° .
Wie in Figur 22A bis 22C illustriert , ergibt in einem anderen Beispiel eine Überlagerung der reflektierten Welle ( illustriert durch das Signal 90 ) und der nicht vollständig abgeklungenen Nachschwingung ( illustriert durch das Signal 92 ) eine erhöhte Amplitude der Membranschwingung ( illustriert durch das Signal 94 ) . Die Phasenverschiebung zwischen der reflektierten Welle und der Nachschwingung beträgt in diesem Beispiel n/2 oder 90 ° .
In einem weiteren Beispiel ergibt eine Überlagerung der reflektierten Welle ( illustriert durch das Signal 90 ) und der nicht vollständig abgeklungenen Nachschwingung ( illustriert durch das Signal 92 ) eine im Wesentlichen unveränderte Amplitude der Membranschwingung ( illustriert durch das Signal 94 ) , wie in den Figuren 23A bis 23C veranschaulicht . Die Phasenverschiebung zwischen der reflektierten Welle und der Nachschwingung beträgt in diesem Beispiel 2 / 3 n oder 120 ° .
Im Beispiel der Figuren 23A bis 23C ist somit keine Messung der Entfernung möglich, da die reflektierte Welle zu keiner Änderung der Amplitude der Membranschwingung führt und damit der Zeitpunkt der Ankunft der reflektierten Welle nicht ermittelbar ist . In diesem Fall kann mittels des Verfahrens der Figur 20 eine zweite Ultraschallwelle 7 in dem zweiten Mess zyklus 201 ausgesendet werden . Da die Mess zyklen 200 , 201 direkt auf einanderf olgen und die Dauer eines Mess zyklus 200 , 201 verhältnismäßig gering ist , kann in vielen Anwendungen davon ausgegangen werden, dass sich die Entfernung 105 und damit die reflektierte Welle nicht oder nur unwesentlich ändert zwischen den Mess zyklen 200 , 201 .
Durch das Verfahren der Figur 20 wird die zweite Nachschwingung derart gedämpft , dass eine nicht vollständig abgeklungene zweite Nachschwingung ( illustriert durch das Signal 93 in Figur 24 ) um n oder 180 ° phasenverschoben zu der ersten Nachschwingung ( illustriert durch das Signal 92 in Figur 24 ) ist . Dadurch haben die zweite Nachschwingung und die reflektierte Welle eine Phasenbeziehung zueinander, bei der sich bei Überlagerung eine Amplitude der Membranschwingung ändert ( illustriert durch das Signal 94 in Figur 25 ) . Damit lässt sich bei einer Überlagerung der zweiten Nachschwingung mit der reflektierten Welle eine Änderung in der Amplitude ermitteln und die Entfernung 105 bestimmen .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele auf diese beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung j edes neue Merkmal sowie j ede Kombination von Merkmalen, was insbesondere j ede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet , auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht expli zit in den Patentansprüchen oder Aus führungsbeispielen angegeben ist . Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen
Patentanmeldung 102023111922.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Be zugs Zeichen
1 Ultraschallwandler piezoelektrisches Element
Steuerungselektronik
Membran
5 Dämpfungssignal
5a, 5aa fixer Anteil des Dämpfungssignals
5b, 5bb variabler Anteil des Dämpfungssignals
6 Anregungssignal
7 Ultraschallwelle
8 , 9 erster, zweiter Schwingungsparameter
10 Dämpfungselement
10a, 10b erster, zweites Dämpfungselement
11 Gehäuse
12 Sendemode
13 Sendefrequenz
14 Seitenwand des Gehäuses
14a, 14b erster, zweiter Bereich der Seitenwand
15 , 15a, 15b Dicke der Seitenwand
21 Anregungsmittel
22 Dämpfungsmittel
23 Erfassungsmittel
24 Anpassungsmittel
30 Speichereinheit
30a, 30b erstes , zweites Register der Speichereinheit
31 Umgebungssensor
32 Umgebungsparameter
33 integrierter Schaltkreis
34 Leiterplatte
35 Leitung
40 Nachschwingung der Membran
41 Membrandicke Dämpfungspuls
Anzahl von Dämpfungspulsen
Breite des Dämpfungspulses
Abfolge von Dämpfungspulsen
Wartezeit
Dämpfungsmode
Dämpfungs f requenz zweites Dämpfungssignal
Gehäusebewegung
Membranbewegung
Signal einer Membranbewegung
Frequenz der Membranbewegung
Frequenz des Vergleichsbeispiels
Signal der gedämpften Membranbewegung, 91 , 96 Frequenz des Anregungssignals
Signal der von einem zu messenden Obj ekt reflektierten Ultraschallwelle
Signal der Nachschwingung
Signal der zweiten Nachschwingung
Überlagertes Signal
Vergleichs signal 1 Spannung 2 Zeit 3 Amplitude 4 Frequenz 5 Entfernung 6 Realteil der Impedanz 7 Imaginärteil der Impedanz 0 , 201 erster, zweiter Mess zyklus

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschallwandler (1) umfassend eine Membran (4) in einem Gehäuse (11) , ein Anregungsmittel (21) und ein Dämpfungsmittel (22) , wobei
- das Anregungsmittel (21) dazu eingerichtet ist, die Membran
(4) zu einer Schwingung mit einer Sendemode (12) zum Aussenden einer Ultraschallwelle (7) anzuregen,
- das Dämpfungsmittel (22) dazu eingerichtet ist, eine nach erfolgter Anregung auf tretende Nachschwingung der Membran (4) zu dämpfen,
- das Dämpfungsmittel (22) ferner dazu eingerichtet ist, zumindest eine Dämpfungsmode (55) anzuregen, die von der Sendemode (12) verschieden ist, und
- mindestens eine Seitenwand (14) des Gehäuses (11) mindestens eine Dicke (15) aufweist, sodass die Sendemode
(12) und die Dämpfungsmode (55) stabil anregbar sind.
2. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 1, wobei eine Seitenwand (14) des Gehäuses (11) mindestens einen ersten Bereich (14a) und einen zweiten Bereich aufweist
(14b) , und in dem ersten Bereich (14a) die Seitenwand (14) eine Dicke (15a) aufweist, die größer ist als eine Dicke (15b) der Seitenwand (14) in dem zweiten Bereich (14b) .
3. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sendemode (12) ein Maximum in einem Zentralbereich der Membran (4) aufweist. 4. Ultraschallwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungsmode (55) ein Maximum in einem Randbereich der Membran (4) aufweist.
5. Ultraschallwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dämpfungsmode ein Maximum in einem Bereich der Seitenwände des Gehäuses aufweist.
6. Ultraschallwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis einer Dicke (15) der Seitenwand (14) in einem an die Membran (4) grenzenden Bereich zu einer Membrandicke (41) 3 beträgt.
7. Ultraschallwandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (11) mindestens ein Dämpfungselement (10) umfasst, das in mindestens einem Bereich angeordnet ist, in dem die Dämpfungsmode (55) ein Maximum aufweist.
8. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 7 in Rückbezug auf mindestens Anspruch 2, wobei ein erstes Dämpfungselement (10a) an den ersten Bereich (14a) der Seitenwand (14) grenzt und ein zweites Dämpfungselement (10b) an den zweiten Bereich (14b) der Seitenwand (14) angrenzt, und das erste Dämpfungselement (10a) und das zweite Dämpfungselement (14b) unterschiedliche Dämpfungskoeffizienten aufweisen .
9. Ultraschallwandler (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das Dämpfungsmittel (22) dazu eingerichtet ist:
- die Membran mit einem Dämpfungssignal (5) anzuregen, wobei das Dämpfungssignal (5) einen fixen Anteil (5a) und einen variablen Anteil (5b) aufweist,
- den fixen Anteil (5a) nach dem Anregen der Membran (4) mit dem Anregungsmittel (21) anzuregen und
- den variablen Anteil (5b) nach dem fixen Anteil (5a) anzuregen .
10. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 9, wobei das Dämpfungsmittel (22) dazu eingerichtet ist, mittels des variablen Anteils (5b) des Dämpfungssignals (5) die Dämpfungsmode (55) anzuregen.
11. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 9 oder 10, weiter umfassend ein Erfassungsmittel (23) und ein Anpassungsmittel (24) , wobei
- das Erfassungsmittel (23) dazu eingerichtet ist, zumindest einen Schwingungsparameter (8) der Nachschwingung während der Anregung des fixen Anteils (5a) des Dämpfungssignals (5) zu erfassen, und
- das Anpassungsmittel (24) dazu eingerichtet ist, den variablen Anteil (5b) des Dämpfungssignals (5) während der Anregung des fixen Anteils (5a) des Dämpfungssignals (5) anhand des erfassten Schwingungsparameters (8) festzulegen.
12. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 11, wobei das Anpassungsmittel (24) dazu eingerichtet ist, den fixen Anteil (5a) des Dämpfungssignals (5) vor der Anregung der Membran (4) durch das Anregungsmittel (21) festzulegen.
13. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 12, wobei das Anpassungsmittel (24) dazu eingerichtet ist, den fixen Anteil (5a) mittels eines Populationsalgorithmus festzulegen, wobei eine Amplitude der Nachschwingung als Fitnessparameter verwendet wird.
14. Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 11 bis
13, wobei das Dämpfungssignal (5) mindestens einen Dämpfungspuls (50) umfasst und das Anpassungsmittel (24) dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl der folgenden Parameter für den fixen Anteil (5a) des Dämpfungssignals (5) und genau einen der folgenden Parameter für den variablen Anteil (5b) des Dämpfungssignals (5) festzulegen: Anzahl (51) der Dämpfungspulse (50) , Breite (52) des mindestens einen Dämpfungspulses (50) , Abfolge (53) des mindestens einen Dämpfungspulses (50) .
15. Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 11 bis
14, ferner umfassend mindestens einen Umgebungssensor (31) zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters (32) , wobei das Anpassungsmittel (24) dazu eingerichtet ist, den fixen Anteil (5a) des Dämpfungssignals (5) unter Berücksichtigung des Umgebungsparameters (32) festzulegen.
16. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 15, ferner umfassend eine Steuerungselektronik (3) mit einer Speichereinheit (30) , wobei das Anpassungsmittel (24) dazu eingerichtet ist, den fixen Anteil (5a) in Abhängigkeit von dem Umgebungsparameter (32) in der Speichereinheit (30) zu hinterlegen . 17. Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 11 bis
16, wobei
- das Anpassungsmittel (24) dazu eingerichtet ist, den flexiblen Anteil (5b) eines ersten Dämpfungssignals (5) in einem zweiten Register (30b) einer Speichereinheit (30) zu hinterlegen,
- das Erfassungsmittel (23) dazu eingerichtet ist, einen zweiten Schwingungsparameter (9) der Nachschwingung während des Anlegens eines fixen Anteils (5aa) eines zweiten Dämpfungssignals (57) zu erfassen,
- das Anpassungsmittel (24) dazu eingerichtet ist, einen variablen Anteil (5bb) eines zweiten Dämpfungssignals (57) , das dem ersten Dämpfungssignals (5) nachfolgt, anhand des gespeicherten variablen Anteils (5b) des ersten Dämpfungssignals (5) und des erfassten zweiten Schwingungsparameters (9) festzulegen,
- das Dämpfungsmittel (22) ferner dazu eingerichtet ist, das zweite Dämpfungssignal (57) an die Membran (4) anzulegen, und wobei
- ein Nachschwingen der Membran (4) , das mit dem ersten Dämpfungssignal (5) gedämpft ist, gegenüber einem Nachschwingen der Membran (4) , das mit dem zweiten Dämpfungssignal (57) gedämpft ist, eine Phasenverschiebung von 180° aufweist.
18. Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 17, wobei das erste Dämpfungssignal (5) und das zweite Dämpfungssignal (57) einen gemeinsamen fixen Anteil (5a) aufweisen .
19. Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers (1) umfassend eine Membran (4) in einem Gehäuse (11) mit den folgenden Schritten: - Anregen der Membran (4) zum Aussenden einer Ultraschallwelle (7) , wobei eine Membranschwingung umfassend eine stabile Sendemode (12) mit einer Sendefrequenz (13) angeregt wird,
- Dämpfen einer nach erfolgter Anregung auftretenden Nachschwingung, wobei eine Membranschwingung umfassend eine stabile Dämpfungsmode (55) mit einer Dämpfungsfrequenz (56) angeregt wird, wobei die Dämpfungsfrequenz (56) und die Sendefrequenz (13) verschieden sind.
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem
- die Dämpfung der Nachschwingung durch Anlegen eines Dämpfungssignals (5) erfolgt, wobei das Dämpfungssignal einen fixen Anteil (5a) und einen variablen Anteil (5b) umfasst,
- der variable Anteil (5b) dem fixen Anteil (5a) zeitlich nachfolgt,
- der fixe Anteil (5a) des Dämpfungssignals (5) vor der Anregung der Sendemode (12) festgelegt wird und
- der variable Anteil (5b) anhand zumindest eines Schwingungsparameters der Nachschwingung festgelegt wird, der während eines Anlegens des fixen Anteils (5a) ermittelt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem
- die Membran (4) mehrfach zum Aussenden einer Ultraschallwelle (7) angeregt wird und zwischen zwei Anregungen eine Dämpfung mittels des Dämpfungssignals (5) erfolgt,
- der fixe Anteil (5a) des Dämpfungssignals (5) vor dem mehrmaligen Anregen der Membran (4) festgelegt wird und
- der variable Anteil (5b) des Dämpfungssignals (5) während jedes Dämpfens der Nachschwingung anhand zumindest eines Schwingungsparameters der Nachschwingung festgelegt wird. 22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem
- während eines Dämpfens einer ersten Nachschwingung mit einem ersten Dämpfungssignal (5) der variable Anteil (5b) des ersten Dämpfungssignals (5) in einem zweiten Register (30b) einer Speichereinheit (30) hinterlegt wird,
- während eines nachfolgenden Dämpfens einer zweiten Nachschwingung mit einem zweiten Dämpfungssignal (57) ein zweiter Schwingungsparameter (9) einer zweiten Nachschwingung erfasst wird und
- der variable Anteil (5bb) des zweiten Dämpfungssignals (57) anhand des erfassten zweiten Schwingungsparameters (9) und des gespeicherten variablen Anteils (5b) des ersten Dämpfungssignals (5) festgelegt wird, sodass die erste Nachschwingung gegenüber der zweiten Nachschwingung um 180° phasenverschoben ist.
23. Verfahren zur Distanzmessung, bei dem genau ein Ultraschallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 verwendet wird und ein zu messendes Objekt in einer Entfernung von zwischen einschließlich 4 cm und einschließlich 2 m gemessen wird.
EP24720091.8A 2023-05-08 2024-04-15 Ultraschallwandler, verfahren zum betreiben eines ultraschallwandlers und verfahren zur distanzmessung Pending EP4709531A1 (de)

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PCT/EP2024/060168 WO2024231044A1 (de) 2023-05-08 2024-04-15 Ultraschallwandler, verfahren zum betreiben eines ultraschallwandlers und verfahren zur distanzmessung

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