IT201900003613A1 - Procedimento di funzionamento di trasduttori elettro-acustici, circuito e dispositivo corrispondenti - Google Patents

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Marco Passoni
Niccolo' Petrini
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St Microelectronics Srl
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Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:
"Procedimento di funzionamento di trasduttori elettroacustici, circuito e dispositivo corrispondenti"
DESCRIZIONE
Campo tecnico
La descrizione si riferisce alle tecniche che prevedono l'impiego di trasduttori elettro-acustici, cioè componenti in grado di convertire segnali elettrici in segnali acustici e/o convertire segnali acustici in segnali elettrici.
I trasduttori a ultrasuoni sono esemplificativi di tali trasduttori.
Sfondo tecnologico
I trasduttori a ultrasuoni possono essere considerati per l'impiego in varie applicazioni come i procedimenti di localizzazione acustica, in cui onde (ultra)soniche possono essere utilizzate per determinare la distanza e/o la direzione di una sorgente o riflettore.
Tecniche basate sull'effetto Doppler e/o la misura del tempo di volo (TOF, "Time Of Flight") di onde acustiche sono esemplificative di altre aree in cui tali trasduttori possono essere impiegati.
Il rilevamento (mono-, bi-, tri-dimensionale) di ostacoli, misurazione di volume, riconoscimento di gesti e misurazione di flusso (basata sull'effetto Doppler) sono esemplificativi di possibili campi di applicazione.
I trasduttori a ultrasuoni a cui attualmente si fa riferimento come i PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, ossia trasduttori ultrasonici piezoelettrici micro-lavorat,) sono trasduttori piezoelettrici basati su MEMS (dove MEMS è un acronimo per Micro Electro-Mechanical System, ossia sistemi micro elettro-meccanici) che, diversamente dai trasduttori piezoelettrici "bulk", si basano sul movimento nel senso dello spessore, cioè sfruttano il movimento di flessione di una membrana sottile accoppiata con una pellicola piezoelettrica sottile.
In confronto ai trasduttori bulk, i PMUT possono presentare:
- una larghezza di banda più stretta,
- possibili differenze nelle frequenze di risonanza di ciascuna singola membrana, a causa di tolleranze di fabbricazione,
- variabilità ("wandering") della frequenza di risonanza nel tempo,
- effetti non lineari (simili al comportamento di irrigidimento /allentamento di una molla) che possono portare alla saturazione nei livelli di pressione sonora.
Di conseguenza, certi vantaggi correlati all'impiego dei PMUT (come piccole dimensioni e basse tensioni di pilotaggio) possono essere indesiderabilmente controbilanciati dalla larghezza di banda disponibile più stretta (Q > 70 in confronto a Q < 10, per esempio), sensibilità a tolleranze di fabbricazione, variazione della frequenza di risonanza e variazioni nella rigidità di membrana. Questi aspetti possono ostacolare l'impiego di procedimenti di misura convenzionali di tempo di volo come procedimenti di crosscorrelazione.
Mentre implicano una certa quantità di calcolo e calibrazione, i procedimenti di cross-correlazione possono offrire vantaggi di buona precisione, buona sensibilità, adattabilità ad ambienti a bersaglio multiplo in confronto a procedimenti più semplici come procedimenti basati su soglia che possono essere indesiderabilmente influenzati da svantaggi come bassa precisione, bassa sensibilità, vulnerabilità al rumore e disponibilità di un funzionamento solo a bersaglio singolo.
Gli approcci a cross-correlazione sono anche atti a vedere la loro precisione aumentata facendo ricorso a un funzionamento multifrequenza e possono così fornire risultati ampiamente soddisfacenti in un contesto in cui sono anche stati considerati approcci come scorrimento di fase o phase shift)/adattamento sinusoidale o sine fitting (che possono essere utilizzati per raffinare una misura grezza effettuata con altri procedimenti) e misurazione di tempo di volo con filtraggio tempo-variante (filtraggio di Kalman, per esempio).
Scopo e sintesi
Uno scopo di una o più forme di attuazione è contribuire a migliorare ulteriormente il funzionamento dei trasduttori elettro-acustici affrontando certi problemi come la variabilità nel tempo delle forme di eco ricevute e/o il fatto che in certi trasduttori (come i PMUT, per esempio) la membrana del trasduttore può presentare frequenze di risonanza differenti e variabili nel tempo, il che può portare a situazioni in cui questi sono incapaci di "parlare" tra di loro.
Secondo una o più forme di attuazione, tale scopo può essere raggiunto per mezzo di un procedimento che presenta le caratteristiche esposte nelle rivendicazioni che seguono.
Una o più forme di attuazione possono riferirsi a un dispositivo corrispondente (un modulo sensore di posizione acustico essendo esemplificativo di un tale dispositivo).
Una o più forme di attuazione possono riferirsi a un sistema corrispondente.
I sistemi di rilevamento di ostacolo (per l'impiego nel campo automobilistico, per esempio), i sistemi di misurazione di volume, i sistemi di riconoscimento di gesti o sistemi di misurazione di flusso sono esemplificativi di tali sistemi.
Breve descrizione delle figure
Una o più forme di attuazione verranno adesso descritte, solo a titolo di esempio, con riferimento alle figure allegate in cui:
- la figura 1 è un diagramma a blocchi esemplificativo di un possibile contesto di utilizzo di forme di attuazione,
- le figure 2, 3 e 4 sono schematicamente esemplificative dei criteri che possono essere adottati in forme di attuazione allo scopo di identificare certi parametri di un trasduttore elettro-acustico,
- le figure 5, 6A e 6B sono illustrative di un modello applicabile in forme di attuazione,
- le figure 7, 8A e 8B sono illustrative di un possibile sfruttamento di tale modello in forme di attuazione, - la figura 9 è un diagramma di flusso esemplificativo di possibili fasi in forme di attuazione,
- la figura 10 è una sequenza temporale corrispondente al diagramma di flusso della figura 9,
- le figure 11, 12 e 13 forniscono dettagli aggiuntivi di certe fasi come esemplificate nella figura 9,
- le figure 14A, 14B e 14C sono esemplificative di possibili architetture hardware per l'impiego in forme di attuazione,
- la figura 15 è esemplificativa di un sistema funzionante secondo le forme di attuazione, e
- la figura 16 è una raccolta di diagrammi temporali relativi a possibili fasi in forme di attuazione.
Descrizione particolareggiata di esempi di forme di attuazione
Nella descrizione che segue, sono illustrati uno o più dettagli specifici, che puntano a fornire una comprensione approfondita di esempi di forme di attuazione di questa descrizione. Le forme di attuazione possono essere ottenute senza uno o più degli specifici dettagli, o con altri procedimenti, componenti, materiali, eccetera. In altri casi, strutture, materiali o funzionamenti noti non sono illustrati o descritti in dettaglio in modo che certi aspetti di forme di attuazione non saranno offuscati.
Il riferimento a "una forma di attuazione" o "una sola forma di attuazione" nel quadro della presente descrizione è inteso a indicare che una particolare configurazione, struttura o caratteristica descritta in relazione alla forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Quindi, frasi come "in una forma di attuazione" o "in una sola forma di attuazione" che possono essere presenti in uno o più punti della presente descrizione non si riferiscono necessariamente a una specifica forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture, o caratteristiche possono essere combinate in qualsiasi modo adeguato in una o più forme di attuazione.
I riferimenti qui utilizzati sono forniti unicamente per comodità e quindi non definiscono l'estensione di protezione o la portata delle forme di attuazione.
Si comprenderà d'altra parte che una o più forme di attuazione si applicano a trasduttori elettro-acustici, cioè componenti in grado di agire come trasduttori tra il dominio elettrico e il dominio acustico, convertendo segnali elettrici in segnali acustici, e/o, convertire segnali acustici in segnali elettrici; cioè, il termine "elettroacustico" non va in alcun modo interpretato, anche indirettamente, come limitato a convertire segnali elettrici in segnali acustici.
Inoltre, la descrizione esemplificativa fornita nel seguito si riferirà per semplicità e facilità di comprensione a disposizioni comprendenti sia una sezione "trasmettitore" (TX), configurata per convertire segnali elettrici in segnali acustici trasmessi (verso un ostacolo, per esempio), che una sezione "ricevitore" (RX), configurata per convertire segnali acustici ricevuti (come riflessi da un ostacolo, per esempio), in segnali elettrici.
Tuttavia, le forme di attuazione non sono limitate a tali possibili disposizioni TX/RX e possono essere vantaggiosamente applicate a disposizioni comprendenti solo una sezione "trasmettitore" (per regolare in modo controllabile la frequenza di risonanza di un trasduttore in essa, per esempio) o solo una sezione "ricevitore" (per generare un segnale di riferimento per cross-correlazione con un segnale ricevuto attraverso un trasduttore in esso, per esempio).
In modo simile, mentre la descrizione esemplificativa fornita nel seguito si riferirà per semplicità e facilità di comprensione a trasduttori a ultrasuoni, una o più forme di attuazione si possono applicare, in generale, a trasduttori elettro-acustici in grado di agire come trasduttori tra il dominio elettrico e il dominio acustico. A tale riguardo, mentre nel seguito si farà riferimento ai PMUT per semplicità e facilità di comprensione, le forme di attuazione possono essere vantaggiosamente applicate a trasduttori elettro-acustici diversi dai PMUT qualora possano nascere problemi come quelli descritti in precedenza.
Infine, mentre una o più forme di attuazione possono contemplare l'utilizzo di trasduttori distinti per trasmissione (TX) e ricezione (RX), certe forme di attuazione possono contemplare un trasduttore singolo configurato per funzionare sia come trasmettitore che come ricevitore (TX/RX).
Il diagramma funzionale della figura 1 si riferisce a titolo di esempio al rilevamento e misurazione di distanza di un ostacolo basato su (ultra)suoni che può comprendere (in un modo noto agli esperti nel ramo) un segnale elettrico di trasmissione TX applicato a un generatore di impulsi di trasmissione 10 (per esempio un generatore basato su PMUT) che è configurato per emettere impulsi acustici corrispondenti (impulsi a ultrasuoni) verso uno spazio circostante.
Il suono come viene riflesso (da un "ostacolo", per esempio, non visibile nella figura) può essere acquisito in 20 cosicché, dopo una possibile estrazione di inviluppo (una fase opzionale esemplificata da un blocco tratteggiato 30 nella figura 1) può essere effettuata una crosscorrelazione nella fase 40 con un segnale di riferimento come un eco di riferimento RE. Tale segnale di riferimento può essere generato (come discusso nel seguito) in una fase rappresentata dal blocco 50 con estrazione di inviluppo possibilmente applicata (come rappresentato in 60 in linea tratteggiata) all'eco di riferimento RE.
Come esemplificato nella figura 1, il risultato della cross-correlazione (del segnale ricevuto e del segnale di riferimento RE) in 40 può produrre un segnale di misurazione MS da utilizzare per un'applicazione desiderata (rilevamento di ostacolo e misurazione di distanza, per esempio).
Un possibile comportamento nel tempo di tale segnale di riferimento RE è esemplificato sul lato destro della figura 1.
Come notato, una disposizione come esemplificata nella figura 1 è convenzionale nella tecnica, il che rende superfluo fornire qui una descrizione più dettagliata.
Inoltre, come discusso in precedenza, una possibile disposizione di rilevamento/misurazione di distanza di ostacolo è solo esemplificativa di un'ampia varietà di possibili applicazioni (misurazione di volume, riconoscimento di gesti, misurazione di flusso, solo per citarne alcune), che possono possibilmente comprendere solo una sezione "trasmettitore" e/o solo una sezione "ricevitore".
Documenti come R.J. Przybyla, et al.: “3D ULTRASτσIC GESTURE RECτGσITIτσ”, presentato nella 2014 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) tenuta il 9-13 febbraio 2014 a San Francisco, CA, USA, sono esemplificativi di tali possibili applicazioni dei PMUT.
Come discusso in precedenza, quando trasduttori a ultrasuoni come i PMUT sono utilizzati in tali applicazioni, le larghezze di banda del trasmettitore (blocco 10 nella figura 1) e del ricevitore (blocco 20 nella figura 1) possono non essere sovrapposte, o possono sovrapporsi solo parzialmente, cosicché le informazioni sul suono riflesso possono essere appena presenti o possono anche essere assenti nel segnale acquisito in 20.
Inoltre, le risposte in frequenza dei trasduttori possono variare nel tempo. Ciò ostacola la determinazione (per mezzo di una calibrazione una tantum, per esempio) di un segnale di riferimento invariante nel tempo RE adatto a fornire un risultato soddisfacente di cross-correlazione (blocco 40 nella figura 1).
Una o più forme di attuazione possono essere basate sul riconoscimento che la frequenza di risonanza di un trasduttore come qui considerato (e altri parametri, come parametri esemplificativi del comportamento di smorzamento della parte vibrante del trasduttore, come la membrana di un PMUT, per esempio) può essere identificata come schematicamente esemplificato nella figura 2, cioè rilevando la risposta del trasduttore a impulsi di stimolo (elettrici) (si vedano gli impulsi TX sul lato sinistro della figura Il rapporto di smorzamento, la costante di tempo di decadimento o il fattore Q sono esemplificativi di tali "parametri di smorzamento" rappresentativi del comportamento smorzante di un trasduttore.
La figura 2 è esemplificativa della fase di rilevare il comportamento "ring-down" di un trasduttore (cioè come gli impulsi gradualmente si "estinguono" una volta che gli impulsi di stimolo vengono interrotti), come indicato sul lato destro della figura 2.
Come esemplificato nella figura 2, dal segnale ringdown rilevato sul trasduttore (trasmettitore e/o ricevitore), che può essere acquisito come discusso nel seguito, possono essere estratti (almeno) due valori, cioè la frequenza di oscillazione f0 e (come parametro esemplificativo del comportamento smorzante del trasduttore) la costante di tempo di decadimento IJ.
Di fatto, in base ai principi generali della fisica applicati a un sistema oscillante (vibrante), applicando a tale trasduttore elettro-acustico un treno di impulsi di eccitazione (elettrica) (impulsi TX) su un intervallo di eccitazione si genera, una volta che l'eccitazione viene interrotta, cioè dopo la fine dell'intervallo di eccitazione, un comportamento ring-down tale che nel trasduttore può essere acquisito un segnale (elettrico) ring-down (Ringdown) che può essere espresso in funzione del tempo t come y = sin (2πf0 + Φ) e<-t/IJ>
con un inviluppo che può essere espresso come
y = e<-t/IJ>
dove f0 e IJ sono la frequenza di risonanza e la costante di tempo di decadimento del sistema e Φ è una fase arbitraria.
Mentre nel seguito per semplicità si farà riferimento alla costante di tempo di decadimento IJ, gli esperti del ramo comprenderanno facilmente che le forme di attuazione non sono in alcun modo limitate alla scelta di un qualsiasi specifico parametro di smorzamento.
Come notato, oltre alla costante di tempo di decadimento IJ, nelle forme di attuazione può essere utilizzato il rapporto di smorzamento o il fattore Q (o qualsiasi altro parametro associato/derivabile da questi) per rappresentare come l'ampiezza della oscillazione si riduce nel tempo durante il ring-down, andando infine a zero.
La figura 4 è esemplificativa della possibilità di fornire una rappresentazione "elettrica" di un sistema oscillante.
Come discusso nel seguito tale rappresentazione elettrica può assumere la forma di un modello BVD (modello Butterworth-Van Dyke) al quale si può applicare la seguente relazione:
f0 = (1/2π)(L/[C0C/(C0+C)])<1/2>
IJ = 2(L/R)
Avendo due equazioni e quattro incognite, cioè i parametri del modello BVD L, R, C, C0, tale sistema non ammette una soluzione univoca. Tuttavia nel presente contesto (PMUT, per esempio), può essere fatta l'ipotesi (ragionevole) che C0 sia molto più grande di C (cosicché per C0 può essere utilizzato un valore costante) e che per L un possa essere utilizzato valore costante (equivalente elettrico di massa concentrata). Due delle incognite possono così essere rimosse e il sistema risolto.
Solo a titolo di sfondo, il modello Butterworth-Van Dyke (noto anche come modello "Mason" o "KLM") è un circuito elettrico equivalente di un trasduttore elettro-acustico comprendente, come schematicamente rappresentato nella figura 5, un dominio elettrico ED accoppiato, attraverso un accoppiamento elettrico-meccanico EMC, a un dominio meccanico MD (teoricamente avente più modi normali: per semplicità nella figura 5 è rappresentato solo il primo). Il dominio meccanico MD è a sua volta accoppiato, attraverso un accoppiamento meccanico-acustico MAC, a un dominio acustico AD.
Essendo un circuito elettrico equivalente, il dominio elettrico ED può essere rappresentato come un condensatore C0 attraverso un primo avvolgimento (il primario, per esempio) di un primo trasformatore che modella l'accoppiamento elettrico-meccanico EMC, con un segnale (elettrico) V applicato ai capi del condensatore C0 e dell'avvolgimento del trasformatore. Chi ha familiarità con il modello BVD comprenderà che V può essere un generatore (cioè, un ingresso, come può essere il caso di ES nella figura 6A) o una unità di misurazione (cioè, una uscita come può essere il caso di SM nella figura 6B).
Come rappresentato nella figura 5, il dominio meccanico MD comprende l'altro avvolgimento (il secondario, per esempio) del trasformatore che modella l'accoppiamento elettrico-meccanico EMC e un primo avvolgimento (il primario, per esempio) di un (secondo) trasformatore che modella l'accoppiamento meccanico-acustico MAC accoppiato in un anello che include la connessione in serie di un resistore bm che modella le perdite interne, un induttore mm che modella la massa (vibrante) (una membrana, per esempio) e un condensatore che modella la sua rigidezza 1/k.
Come rappresentato nella figura 5, il dominio acustico AD comprende l'altro avvolgimento (il secondario, per esempio) del trasformatore che modella l'accoppiamento elettrico-meccanico EMC incluso in un anello assieme a un generatore che modella il livello di pressione sonora pin possibilmente incidente sul trasduttore e una impedenza Za che modella l'impedenza acustica (dell'aria).
Il Butterworth-Van Dyke/Mason/KLM è d'altra parte noto per gli esperti al ramo, il che rende superfluo fornire qui una sua una descrizione più dettagliata.
Va notato che considerando l'impedenza nella porta d'ingresso, il modello può essere semplificato rimuovendo i trasformatori EMC, MAC, il che dà luogo a modelli semplificati per un trasduttore trasmettitore (da elettrico a acustico) e per un trasduttore ricevitore (da acustico a elettrico) come rappresentato in figura 6A e figura 6B, rispettivamente, dove parti o elementi simili a parti o elementi già discussi in relazione alle figure precedenti sono indicati con simboli di riferimento simili.
Nel modello di trasmettitore della figura 6A, ES rappresenta un segnale di eccitazione (elettrico) (TX nella figura 1, per esempio) applicato a un trasduttore trasmettitore (10 nella figura 1, per esempio) che dà luogo a una corrente A indicativa del (proporzionale al) livello di pressione (ultra)sonica generata dal trasduttore.
Nel modello del ricevitore della figura 6B, PV rappresenta una tensione indicativa del (proporzionale al) livello di pressione (ultra)sonica incidente (come ricevuto in 20 nella figura 1, per esempio) e SM indica un segnale (di tensione) misurato.
In una o più forme di attuazione, la capacità di identificare la frequenza di risonanza di un trasduttore elettro-acustico può essere sfruttata per far sì che un certo trasduttore possa funzionare a una desiderata frequenza di risonanza.
Come discusso in precedenza, una membrana di trasduttore che presenta possibilmente frequenze di risonanza differenti e variabili nel tempo, per esempio in un trasmettitore (blocco 10 nella figura 1) e in un ricevitore (blocco 20 nella figura 1) può influenzare negativamente il funzionamento di una disposizione correlata, rendendolo possibilmente insoddisfacente, se non difficilmente possibile.
In una o più forme di attuazione, la capacità di identificare la frequenza di risonanza di un trasduttore elettro-acustico può essere sfruttata come schematicamente esemplificato nella figura 7, cioè sfruttando la dipendenza di una rigidità di strato piezoelettrico (e così il comportamento risonante del trasduttore associato) da una tensione di polarizzazione (DC) VBIAS applicata al trasduttore UT.
In una o più forme di attuazione come esemplificate nella figura 7 ciò si può verificare attraverso un generatore di polarizzazione BG controllato da un regolatore RG configurato per variare selettivamente la frequenza di risonanza del trasduttore UT in funzione dell'offset (differenza) calcolato in un nodo di confronto CN tra una frequenza di riferimento f0 (corrispondente una frequenza di risonanza desiderata, per esempio) e una frequenza di risonanza reale fı misurata sul trasduttore UT mediante una unità di misurazione MU.
Come qui esemplificata, l'unità di misurazione MU può essere configurata per misurare la frequenza di risonanza reale fı in vista di portare la frequenza di risonanza del trasduttore elettro-acustico (UT) a un valore di frequenza di riferimento (per esempio come discusso in relazione alla figura 7, per esempio, controllando cioè una tensione di polarizzazione VBIAS del trasduttore elettro-acustico in funzione della frequenza di risonanza).
In una o più forme di attuazione ciò si può verificare indipendentemente dal possibile utilizzo del modello BVD (per esempio per sintetizzare un'eco di riferimento RE).
Per esempio, l'apparecchio di misura può essere configurato per effettuare un adattamento della funzione y = sin (2πf0 + Φ) e<-t/IJ >sui dati misurati come esemplificato nella figura 3.
Questo fatto (cioè, che l'anello di controllo della figura 7 sia idoneo per essere implementato indipendentemente dal possibile utilizzo di un modello BVD per sintetizzare un segnale di riferimento come RE) può ulteriormente essere compreso notando che nella figura 12 (da discutere nel seguito) si fa riferimento al modello BVD senza che esso venga citato nella figura 11: di fatto la procedura nella figura 12 si basa sul fatto che f0 e IJ sono già stati identificati (come un'uscita dal blocco di 206), cosicché i parametri del modello BVD (cioè C0, C, R, L) possono essere calcolati.
Un sistema di controllo (ad anello chiuso) come esemplificato nella figura 7 può così essere configurato per funzionare, in un modo noto agli esperti nel ramo, allo scopo di facilitare l'ottenimento di fı = f0 cosicché il trasduttore UT può funzionare a una frequenza di risonanza desiderata.
Come alternativa o in aggiunta a ottenere una frequenza di risonanza desiderata, la capacità di identificare la frequenza di risonanza (e altri parametri di funzionamento come parametri di smorzamento come la costante di tempo di decadimento IJ, per esempio) può essere sfruttata come è schematicamente rappresentato nelle figure 8A a 8B (sostanzialmente simili alle figure 6A e 6B, ma qui considerate in possibile combinazione) allo scopo di generare, in tempo reale, una forma attesa desiderata per un segnale di riferimento RE (un eco di riferimento come esemplificato nella figura 1, per esempio).
Le figure 8A e 8B sono esemplificative di un caso applicabile a una disposizione come esemplificata nella figura 1, dove, una volta che i parametri di modello BVD sono noti (per il trasmettitore in 10 e per il ricevitore in 20) può essere calcolata una forma di eco attesa RE, per esempio con integrazione numerica.
Per esempio, in funzione di un segnale di eccitazione (noto) TX (si veda anche la figura 1), in base alla conoscenza dei parametri del modello BVD (C0, R, L, C, si vedano le figure 6A o 8A, per esempio) la forma d'onda attesa del segnale (ultra)sonico generato dal trasduttore trasmettitore può essere calcolata, come modellata dalla corrente ITX del generatore di corrente A della figura 8A.
Ciò permetterà di determinare la forma d'onda attesa del segnale (ultra)sonico ricevuto nel ricevitore 20, per esempio dovuto alla riflessione contro un ostacolo.
La forma d'onda attesa del segnale (ultra)sonico ricevuto nel ricevitore 20, può quindi essere applicata come V = kITX al generatore di tensione (controllato in corrente) VG della figura 8B, cosicché una forma d'onda di eco attesa può essere calcolata come una tensione di uscita (normalizzata) Vout dal front end analogico AFE del ricevitore. Qui nuovamente, il trasduttore ricevitore può essere rappresentato come un modello BVD potendo k essere qualsiasi in quanto l'uscita Vout è normalizzata.
Prendere in considerazione il front end analogico AFE è utile nella misura in cui il front end analogico (un amplificatore a trans-impedenza con un filtro passa basso può essere considerato come un esempio non limitante) può avere un impatto sulla forma onda di uscita.
Per riassumere:
- la figura 8A è esemplificativa della possibilità di basarsi su un modello BVD (si veda la figura 6A) per calcolare, in un modo noto agli esperti del ramo, in base alla teoria elementare del filtraggio, con calcoli adatti a essere effettuati al volo in una unità di calcolo come 1004 nella figura 15, una funzione di trasferimento/risposta all'impulso che collega ITX al segnale TX,
- la figura 8B è esemplificativa della possibilità di basarsi nuovamente sul modello BVD (si veda la figura 6B) per calcolare, in base alla teoria elementare del filtraggio, con calcoli adatti a essere effettuati al volo in una unità di calcolo come 1004 nella figura 15) una funzione di trasferimento/risposta all'impulso che collega Vout (così possibilmente tenendo in conto l'effetto del front end analogico AFE) a VG, cioè VG = kITX.
Considerando in combinazione le figure 8A e 8B, sotto la ipotesi ragionevole che un segnale (ultra)sonico trasmesso da un trasduttore come modellato nella figura 8A sia ricevuto (dopo la riflessione in un ostacolo, per esempio) da un trasduttore come modellato nella figura 8B, esisterà la possibilità di calcolare una funzione di trasferimento/risposta all'impulso che collega Vout al segnale TX "sintetizzando" così (in base alla forma d'onda del segnale TX: onda quadra, chirp, e così via) un segnale di riferimento come un'eco di riferimento RE per l'impiego nella crosscorrelazione (filtraggio adattato) in 40 nella figura 1.
Come notato, tale sintesi può prevedere calcoli (essenzialmente, integrazione numerica del modello BVD basato su principi noti agli esperti nel ramo) adatti a essere effettuati al volo (cioè in tempo reale) in una unità di elaborazione come 1004 nella figura 15.
Il diagramma di flusso della figura 9 è esemplificativo di un possibile funzionamento di forme di attuazione come esemplificate nel seguito.
Riguardo a ciò si comprenderà che un sistema secondo le forme di attuazione come esemplificate nella figura 15 (da discutere nel seguito) può comprendere sia componenti hardware che software.
Per esempio, un modulo sensore di posizione acustica 1000, possibilmente configurato per essere montato su un autoveicolo come una automobile V come esemplificato nella figura 15, può comprendere un front end analogico 1002 accoppiato a uno o più trasduttori UT (i PMUT essendo esemplificativi di tali trasduttori) come pure un componente software 1004 che viene eseguito su un circuito di elaborazione come una unità a microcontrollore (MCU) con le periferiche della unità di elaborazione possibilmente incluse, almeno parzialmente, nell'architettura hardware in 1002.
Si comprenderà d'altra parte che un microcontrollore è solo un esempio di una di una varietà di unità di elaborazione che possono essere utilizzate nelle forme di attuazione.
In una o più forme di attuazione il front end analogico 1002 e l'unità di elaborazione 1004 possono essere alimentate attraverso un circuito di gestione di alimentazione 1006 come desiderato.
In una o più forme di attuazione come esemplificate nella figura 9, il funzionamento di una disposizione come qui discussa può comprendere una fase di impostazione iniziale IS a sua volta comprendente, dopo che il sistema è attivato (START), un (primo) blocco di regolazione di frequenza 100 che può essere ripetuto (per ciascun trasduttore UT) fino a che si ottiene la convergenza a una frequenza di riferimento fo con un aggiornamento del blocco di eco di riferimento 102 ripetuto per ciascuna coppia trasmettitore/ricevitore.
Una volta che l'impostazione iniziale 100, 102 (IS) è completata, viene quindi avviata una sequenza di misurazione MS che, in una o più forme di attuazione, può comprendere un blocco di misurazione 104 che può essere ripetuto teoricamente N volte in funzione di un'eco di riferimento RE seguito da una sequenza di fasi 106, 108, 110.
In tale sequenza, il blocco 106 è esemplificativo di una fase di regolazione di frequenza in funzione della frequenza fo seguita da un controllo come rappresentato nel blocco 108 come se la frequenza di risonanza (e possibilmente altri parametri come parametri di smorzamento come la costante di tempo di decadimento) fossero cambiati nel tempo.
Un risultato negativo (N) del blocco 108 (nessuna variazione rilevata) riporta al blocco di misurazione 104. Al contrario, un risultato positivo Y della verifica del blocco 108 porta a un blocco di aggiornamento dell'eco di riferimento 110 che viene effettuato come esemplificato in 110 prima che il funzionamento ritorni al blocco di misura 104, con la sequenza come esemplificata dai blocchi 106, 108, 110 ripetuti per ciascun trasduttore UT (si veda la figura 15).
La figura 10 è esemplificativa di una possibile sequenza temporale di effettuazione di varie fasi come rappresentate nella figura 9.
La figura 10 evidenzia la possibilità che certe fasi vengano effettuate simultaneamente (o almeno in modo concorrente) per un trasmettitore TX e un ricevitore RX.
Nella sequenza temporale della figura 10:
FT indica blocchi di regolazione di frequenza come 100 (impostazione iniziale) e 110 (sequenza di misurazione), URE indica una fase di aggiornamento dell'eco di riferimento nei blocchi come 102 (impostazione iniziale) e 110 (sequenza di misurazione),
M indica un blocco di misurazione (104 nella figura 9).
Il diagramma di flusso della figura 11 è esemplificativo di certi possibili dettagli di implementazione di regolazione di frequenza come esemplificato dai blocchi 100 e 106 nella figura 9.
Nella figura 11, dopo una fase di impostazione esemplificata dal blocco 200, il blocco 202 è esemplificativo di una eccitazione impulsiva di un trasduttore (si veda, per esempio il lato sinistro della figura 2) seguita da un'acquisizione di ring-down 204 (lato destro della figura 2) per il sensore eccitato.
I risultati dell'acquisizione di ring-down possono così essere sfruttati (come discusso in precedenza) per identificare i parametri di trasduttore come la frequenza di risonanza e IJ.
Per esempio, il risultato della identificazione di parametri come esemplificato dal blocco 206 nella figura 11 può essere considerato come corrispondente a fı come esemplificato nella figura 7 con una corrispondente fase di aggiornamento di regolazione 208 (si vedano i blocchi CN, RG e BG della figura 7) e un aggiornamento del generatore di polarizzazione in una fase 210 (blocco BG nella figura 7).
In una o più forme di attuazione, l'elaborazione come esemplificata da CN e RG nella la figura 7 può essere basata su software (si veda 1004 nella figura 15). In una o più forme di attuazione, l'elaborazione come esemplificata da MU può essere un misto di hardware e software (si vedano sia 1002 che 1004 nella figura 15).
La figura 12 è esemplificativa di possibili forme di attuazione dei blocchi di aggiornamento dell'eco di riferimento (102, 110 nella figura 9).
Nella figura 12, i blocchi 212 e 214 sono esemplificativi di fasi per determinare un modello BVD per un trasduttore trasmettitore (blocco 212) e un trasduttore ricevitore (blocco 214) a partire dai parametri di riferimento F0,TX, IJTX e F0,RX, IJRX per un trasduttore trasmettitore e un trasduttore ricevitore, rispettivamente.
Il blocco 216 è esemplificativo di una fase di sintesi dell'eco di riferimento a partire dal risultato dai blocchi 212, 214 e dai parametri di sistema (generali) SP come discusso.
Il blocco 218 nella figura 12 è esemplificativo di una fase di aggiornamento dell'eco di riferimento RE (lato destro della figura 1) basato sul risultato della fase di sintesi del blocco 216. Si comprenderà che, mentre è rappresentato separatamente per chiarezza, il blocco 218 (l'aggiornamento del blocco 50 nella figura 1) può essere considerato come incluso nel blocco 216, fornendo RE come una uscita (aggiornata).
La figura 13 è un altro diagramma di flusso esemplificativo di una possibile implementazione della fase di misura come esemplificata dal blocco 104 nella figura 9.
Nella figura 13, il riferimento 220 indica una fase di impostazione seguita da una fase 222 di eccitazione di un trasduttore TX UT con impulsi (solo TX, quando è prevista una misurazione TOF).
Il blocco 224 nella figura 13 è esemplificativo di una fase di acquisizione di un'eco ricevuta da un "ostacolo" (o bersaglio) come esemplificata dal blocco 20 nella figura 1.
Il blocco 226 nella figura 13 è esemplificativo della cross-correlazione del segnale acquisito con l'eco di riferimento RE (si veda nuovamente il blocco 40 nella figura 1 per riferimento generale) per produrre il segnale di misurazione MS che può essere sfruttato (per calcolo di distanza verso l'ostacolo o bersaglio, per esempio) in una fase esemplificata dal blocco 228.
Il riferimento ripetuto alla figura 1 nella descrizione della figura 13 evidenzia il fatto che la tecnica correlata esemplificata nella figura 13 può essere effettuata in qualsiasi modo e con ogni mezzo noto agli esperti nel ramo, rendendo così superfluo fornire qui una descrizione più dettagliata: di fatto, una o più forme di attuazione sono focalizzate principalmente sulle fasi di una sintesi in tempo reale dell'eco di riferimento RE e/o nel contrastare una variazione indesiderata dei parametri del trasduttore.
Le figure 14A, 14B e 14C sono esemplificative di possibili architetture che possono essere adottate per acquisizione di ring-down mentre forniscono anche regolazione di polarizzazione DC del trasduttore UT lungo le linee della figura 7, essendo possibile effettuare entrambe queste azioni simultaneamente o in modo concorrente con l'acquisizione del segnale ricevuto (blocco 20 nella figura 1 e blocco 224 nella figura 13).
Il diagramma della figura 14A si riferisce a una architettura hardware destinata all'utilizzo con un singolo trasduttore UT (e atta a essere replicata per ogni trasduttore in un sistema), mentre i diagrammi delle figure 14B e 14C si riferiscono ad architetture hardware atte a essere utilizzate con più trasduttori, un trasduttore trasmettitore TX UT e un trasduttore ricevitore RX UT, per esempio.
Salvo diversamente indicato, parti o elementi simili nelle figure 14A, 14B e 14C sono indicati con simboli di riferimento simili cosicché le descrizioni distinte delle figure 14A, 14B e 14C non saranno ripetute per brevità.
Nelle figure 14A, 14B e 14C, i riferimenti 1004a e 1004b indicano un circuito controllore e un circuito di memoria che, in una o più forme di attuazione, possono essere inclusi e/o associati con l'unità di elaborazione (MCU, per esempio) 1004 nella figura 15.
In modo simile, gli elementi esemplificati dai blocchi 1002a a 1002d come pure dai blocchi 10020c, 10020d sono esemplificativi di circuiti atti a essere inclusi nella parte analogica 1002 esemplificata nella figura 15.
Nelle figure 14A, 14B e 14C il riferimento 1002a indica generatori di tensione AC (per esempio un generatore di impulsi del tipo ad accoppiamento in AC) atti ad applicare impulsi elettrici al trasduttore/trasduttori UT o TX UT, RX UT entrambi per generazione di impulsi di trasmissione (si veda il blocco 10 nella figura 1 o il blocco 222 nella figura 13) quando accoppiati al trasduttore/trasduttori attraverso interruttori come S1 (e S1' nella figura 14C).
Nel caso della disposizione esemplificata nella figura 14B, l'interruttore S1 può essere un interruttore a posizione multipla configurato per accoppiare un singolo generatore 1002a a uno selezionato dei trasduttori TX UT e RX UT.
In una o più forme di attuazione come qui esemplificate, entrambi il generatore/generatori 1002a e l'interruttore/interruttori S1, S1' sono configurati per funzionare sotto il controllo del controllore 1004a.
Il riferimento 1002b nelle figure 14A, 14B e 14C indica generatori di tensione DC (accoppiati in DC) configurati per applicare al trasduttore/trasduttori UT o TX UT, RX UT una polarizzazione DC come, per esempio, la tensione di polarizzazione (di controllo) VBIAS della figura 7.
Nelle figure 14A, 14B e 14C il riferimento 1002c indica un amplificatore/buffer atto a essere accoppiato al trasduttore UT (o a uno rispettivo dei trasduttori TX UT, RX UT) attraverso un interruttore S3 che funziona sotto il controllo del controllore 1004a.
Il riferimento 10020c indica un convertitore analogico/digitale (ADC) configurato per convertire al dominio digitale un segnale come prodotto dall'amplificatore 1002c durante l'acquisizione di ring-down (si veda il lato destro della figura 2) e dal blocco 204 nella figura 11.
Il riferimento 1002d indica un altro amplificatore (un amplificatore a trans-impedenza, per esempio) configurato per essere selettivamente accoppiato al trasduttore UT o RX UT durante l'acquisizione del segnale ricevuto (si veda il blocco 20 nella figura 1 e il blocco 224 nella figura 13).
Il riferimento 10020d indica un convertitore analogico/digitale (ADC) configurato per convertire al dominio digitale un segnale come prodotto dall'amplificatore 1002d (che è configurato per essere accoppiato al trasduttore/trasduttori UT (figura 14A) o RX UT (figure 14B e 14C) attraverso un interruttore S4 controllato dal controllore 1004a.
Infine, il riferimento L nelle figure 14A, 14B e 14C indica un carico di blocco (opzionale) configurato per essere accoppiato al trasduttore/trasduttori trasmettitore attraverso un interruttore S2 controllato dal controllore 1004a durante la misura allo scopo di facilitare un rapido smorzamento delle eccitazioni del trasduttore. Il valore per L può essere selezionato come un valore di impedenza che facilita il trasferimento di energia dal trasduttore al carico L. Per esempio L può essere un resistore con valore uguale al modulo dell'impedenza di C0 nella figura 8A.
In confronto alla disposizione della figura 14A (intesa da replicare per ogni trasduttore in un sistema), la disposizione della figura 14B può essere vantaggiosa nella misura in cui essa facilita la riduzione della replica di amplificatore e generatore.
Inoltre, la disposizione della figura 14C può essere vantaggiosa nella misura in cui essa facilita l'utilizzo dell'amplificatore a trans-impedenza 1002d sia per acquisizione RX che per acquisizione di ring-down.
La tabella seguente è esemplificativa di possibili criteri che possono essere adottati nel controllore 1004a (configurato per essere programmato per tale scopo in un modo noto agli esperti del ramo) per controllare gli interruttori S1 a S4 in possibili forme di attuazione.
Nella seguente tabella, "chiuso" indica un interruttore (S1 a S4) reso elettricamente conduttivo mentre "aperto" indica un interruttore che è portato a una condizione non conduttiva.
La tabella precedente si riferisce esplicitamente alla disposizione della figura 14A, che è una architettura più generale, atta a essere replicata per ogni trasduttore UT in un sistema.
Si comprenderà che disposizioni come quelle esemplificate nelle figure 14A, 14B e 14C prevedono una polarizzazione DC (cioè 1002b) sempre connessa.
Si comprenderà in modo simile che, in una o più forme di attuazione, gli interruttori illustrati possono non essere interruttori reali, "fisici" (transistori MOSFET, per esempio). In una o più forme di attuazione, gli interruttori illustrati possono essere implementati con impedenze in serie, per esempio.
Tale tabella può essere facilmente estesa alle disposizioni a trasduttori multipli delle figure 14B e 14C tenendo in conto che, nel caso di interruttori come S1 nella figura 14B "chiuso" si riferisce all'azione di accoppiamento dell'interruttore che si intende applicare al singolo trasduttore TX UT, RX UT per il quale viene attuata una fase corrispondente.
Come discusso in precedenza, la figura 15 è esemplificativa di una architettura di circuito/sistema configurata per ospitare (in 1004, per esempio) una procedura software in grado di effettuare misurazioni di tempo di volo per mezzo di uno o più trasduttori a ultrasuoni tenendo in conto (e contrastando) i possibili svantaggi correlati alla stretta larghezza di banda disponibile e/o a parametri di trasduttore possibilmente soggetti a dispersione di fabbricazione e variazioni nel tempo. Ciò può avvenire per mezzo di architettura hardware 1002 adatta a connettere uno o più trasduttori UT a un generatore di tensione DC 1002b e (simultaneamente) a uno di un generatore di tensione AC (1002a), un amplificatore a trans-impedenza (1002d), un amplificatore/buffer (1002c) e un carico di blocco (L) evitando interferenza mutue indesiderate.
Un possibile modo di funzionamento lungo le linee discusse in precedenza è esemplificato nella figura 16.
La figura 16 è una rappresentazione esemplificativa rispetto a una scala tempi comune t della identificazione di trasmettitore TX ID, identificazione di ricevitore RX ID e fasi di misurazione MS con rappresentazione esemplificativa della attivazione di:
RX ADC e TX ADC
trasduttori di ricevitore e trasmettitore RX/UT e TX/UT,
con ring-down e generazione di eco espressamente indicati.
Una o più forme di attuazione possono facilitare l'identificazione in tempo reale di parametri di trasduttore (per esempio la frequenza di risonanza e un parametro di smorzamento come il rapporto di smorzamento).
Una o più forme di attuazione possono contemplare la presenza di un anello di controllo impostato per impostare la frequenza di risonanza a un valore desiderato agendo sulla polarizzazione DC del trasduttore.
Inoltre, in una o più forme di attuazione una sintesi in tempo reale basata su modello di una forma attesa di un'eco di riferimento può essere facilitata senza generare una complessità circuitale indesiderata avvantaggiandosi così appieno delle caratteristiche manifestate dei trasduttori a ultrasuoni come i PMUT.
Come qui esemplificato, un procedimento di funzionamento di un trasduttore elettro-acustico (per esempio, UT) può comprendere:
applicare (per esempio, 202; 1002a) al trasduttore un segnale di eccitazione (per esempio, impulsi TX) su un intervallo di eccitazione,
acquisire (per esempio, 1002c, 10020c; 1002d, 10020d) nel trasduttore un segnale ring-down (per esempio, Ringdown) indicativo del comportamento ring-down del trasduttore dopo la fine dell'intervallo di eccitazione,
calcolare, (per esempio, 206), in funzione di detto segnale ring-down, una frequenza di risonanza (per esempio, f0) del trasduttore elettro-acustico.
Un procedimento come qui esemplificato può comprendere controllare (si veda per esempio, CN, RG, BG nella figura 7) una tensione di polarizzazione (per esempio, VBIAS) del trasduttore elettro-acustico in funzione della frequenza di risonanza calcolata per portare la frequenza di risonanza del trasduttore elettro-acustico a un valore di frequenza di riferimento.
In combinazione con o in alternativa a (e/o) quanto precede, un procedimento come qui esemplificato può comprendere trasdurre (con uno stesso trasduttore o con un trasduttore differente: si veda, per esempio, 20, 224, 1002d, 10020d) un segnale acustico ricevuto in un segnale elettrico di ricezione; calcolare (per esempio, 206), in funzione di detto segnale ring-down, (almeno) un parametro di smorzamento (per esempio, IJ) del trasduttore elettroacustico, e sintetizzare, in funzione della frequenza di risonanza (f0) e del parametro di smorzamento (IJ) del trasduttore elettro-acustico (UT) calcolato, un segnale di riferimento di cross-correlazione (per esempio, un'eco di riferimento RE); ed effettuare la cross-correlazione (per esempio, 40, 226) del segnale elettrico di ricezione e del segnale di riferimento di cross-correlazione (RE).
Come qui esemplificato, il rapporto di smorzamento, la costante di tempo di decadimento o il fattore Q sono esemplificativi di parametri di smorzamento che possono essere utilizzati nelle forme di attuazione. Più in generale, oltre alla costante di tempo di decadimento IJ, il rapporto di smorzamento o il fattore Q (o qualsiasi altro parametro associato/derivabile da questi), nelle forme di attuazione può essere utilizzato qualsiasi altro parametro rappresentativo di come l'ampiezza dell'oscillazione si riduce nel tempo (cioè, è sottoposto a smorzamento) durante il ringdown, andando infine a zero.
Un procedimento come qui esemplificato può comprendere trasdurre (per esempio, 20, 224, 1002d, 10020d) detto segnale acustico ricevuto in un segnale elettrico di ricezione mentre si acquisisce detto segnale ring-down.
Un procedimento come qui esemplificato, può comprendere calcolare in funzione di detta frequenza di risonanza e detto parametro di smorzamento un modello Butterworth-Van Dyke (noto anche come modello Mason o KLM) del trasduttore elettro-acustico, in cui detto modello Butterworth-Van Dyke comprende un modello Butterworth-Van Dyke semplificato con un dominio elettrico (per esempio, ED), un dominio acustico (per esempio, AD) e un dominio meccanico (per esempio, MD) tra il dominio elettrico e il dominio acustico, in cui detto modello Butterworth-Van Dyke semplificato:
comprende un dominio elettrico del modello avente una capacità costante C0 e un dominio meccanico del modello avente una induttanza costante L,
è esente da induttanze mutue (per esempio, EMC, MAC) che accoppiano il dominio elettrico del modello con il dominio meccanico del modello e accoppiano il dominio meccanico del modello con il dominio acustico del modello.
Un procedimento come qui esemplificato può comprendere calcolare detto modello Butterworth-Van Dyke del trasduttore elettro-acustico in funzione di un parametro di smorzamento (IJ) del trasduttore elettro-acustico (UT) come
IJ = 2(L/R)
in cui:
L è detta costante capacitiva del dominio meccanico del modello;
R è la resistenza rappresentativa delle perdite interne del trasduttore nel dominio meccanico del modello.
Un procedimento come qui esemplificato può comprendere:
applicare (per esempio, 222; 1002a) un segnale elettrico di trasmissione a un trasduttore trasmettitore elettro-acustico (per esempio, UT TX) in cui il segnale elettrico di trasmissione è trasdotto in un segnale acustico di trasmissione trasmesso dal trasduttore trasmettitore elettro-acustico,
ricevere (per esempio, 224, 1002d, 10020d) in un trasduttore ricevitore elettro-acustico (per esempio, UT RX) un segnale acustico generato dalla riflessione di detto segnale acustico di trasmissione, in cui il segnale acustico ricevuto è trasdotto dal trasduttore ricevitore elettroacustico in un segnale di ricezione elettrico,
in cui il procedimento comprende:
applicare (per esempio, 202, 1002a) sia al trasduttore trasmettitore elettro-acustico che al trasduttore ricevitore elettro-acustico, rispettivi treni di impulsi di eccitazione su un intervallo di eccitazione,
acquisire (per esempio, 1002c, 10020c; 1002d, 10020d) sia nel trasduttore trasmettitore elettro-acustico che nel trasduttore ricevitore elettro-acustico, rispettivi segnali ring-down indicativi del comportamento ring-down del trasduttore dopo la fine dell'intervallo di eccitazione, calcolare, in funzione di detti rispettivi segnali ring-down, una frequenza di risonanza (per esempio, f0,TX, f0,RX) e un parametro di smorzamento (per esempio, IJTX, IJRX) sia del trasduttore trasmettitore elettro-acustico che del trasduttore ricevitore elettro-acustico,
sintetizzare (per esempio, 212, 214, 216) detto segnale di riferimento di cross-correlazione, in funzione sia della frequenza di risonanza che del parametro di smorzamento sia del trasduttore trasmettitore elettro-acustico che del trasduttore ricevitore elettro-acustico, effettuare la cross-correlazione (per esempio, 40, 226) del segnale elettrico di ricezione e del segnale del segnale di riferimento di cross-correlazione (RE).
Un procedimento come qui esemplificato può comprendere:
applicare detto segnale elettrico di trasmissione a un detto modello Butterworth-Van Dyke semplificato per il trasduttore trasmettitore elettro-acustico per produrre un segnale di corrente (per esempio, ITX) rappresentativo di un segnale acustico di trasmissione trasmesso dal trasduttore trasmettitore elettro-acustico,
applicare un segnale di tensione (per esempio, VG = k.ITX) che è una funzione di detto segnale di corrente a detto modello Butterworth-Van Dyke semplificato per un trasduttore ricevitore elettro-acustico per produrre un segnale di uscita (per esempio, Vout) rappresentativo del segnale elettrico di ricezione nel trasduttore ricevitore elettroacustico.
Un procedimento come qui esemplificato può comprendere accoppiare a detto modello Butterworth-Van Dyke semplificato per un trasduttore ricevitore elettro-acustico una funzione di filtraggio rappresentativa della funzione di trasferimento di un front end analogico (per esempio, AFE) accoppiato a detto trasduttore ricevitore elettro-acustico, in cui detto segnale di uscita rappresentativo di un segnale elettrico prodotto da detto trasduttore ricevitore elettro-acustico è affetto da detta funzione di trasferimento di un front end analogico accoppiato a detto trasduttore ricevitore elettro-acustico.
In un procedimento come qui esemplificato, il trasduttore elettro-acustico può comprendere un trasduttore elettro-acustico a ultrasuoni, opzionalmente un PMUT.
Un circuito come qui esemplificato (per esempio, 1000) può comprendere:
almeno un trasduttore elettro-acustico,
circuiti di eccitazione configurati per applicare allo almeno un trasduttore un segnale di eccitazione su un intervallo di eccitazione,
circuiti di acquisizione di ring-down per acquisire nello almeno un trasduttore un segnale ring-down indicativo del comportamento ring-down del trasduttore dopo la fine dell'intervallo di eccitazione,
circuiti di elaborazione di segnale configurati per calcolare, in funzione di detto segnale ring-down, una frequenza di risonanza dello almeno un trasduttore elettroacustico.
Un circuito come qui esemplificato può comprendere circuiti di controllo (per esempio, CN, RG, BG) configurati per controllare una tensione di polarizzazione dello almeno un trasduttore elettro-acustico in funzione della frequenza di risonanza calcolata per portare la frequenza di risonanza del trasduttore elettro-acustico a un valore di frequenza di riferimento.
Un circuito come qui esemplificato può essere configurato (attraverso uno stesso o differente trasduttore ricevitore) per trasdurre un segnale acustico ricevuto in un segnale elettrico di ricezione con detto circuito di elaborazione di segnale configurato per calcolare, in funzione di detto segnale ring-down, un parametro di smorzamento del trasduttore elettro-acustico, e sintetizzare, in funzione della frequenza di risonanza e del parametro di smorzamento calcolato del trasduttore elettro-acustico, una segnale di riferimento di cross-correlazione (RE).
Un circuito come il circuito di cross-correlazione qui esemplificato (per esempio, 40) può essere previsto per effettuare la cross-correlazione del segnale elettrico di ricezione e del segnale di riferimento di cross-correlazione.
Un circuito (1000) come qui esemplificato può essere incluso in un dispositivo selezionato tra:
dispositivi di rilevamento di ostacolo, opzionalmente dispositivi montati su veicolo,
dispositivi di misurazione di volume,
dispositivi di riconoscimento di gesti,
dispositivi di misurazione di flusso,
dispositivi che si basano su misurazione di tempo di volo di onde acustiche.
Senza pregiudizio per i principi sottostanti, i dettagli e le forme di attuazione possono variare, anche significativamente, rispetto a ciò che è stato descritto solo a titolo di esempio, senza allontanarsi dalla portata di protezione.
L'estensione di protezione è definita dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di funzionamento di un trasduttore elettro-acustico (UT), il procedimento comprendendo: applicare (202, 1002a) al trasduttore (UT) un segnale di eccitazione (impulsi TX) su un intervallo di eccitazione, acquisire (1002c, 10020c; 1002d, 10020d) nel trasduttore (UT) un segnale ring-down (Ring-down) indicativo del comportamento ring-down del trasduttore (UT) dopo la fine dell'intervallo di eccitazione, calcolare (206), in funzione di detto segnale ringdown (Ring-down), una frequenza di risonanza (f0) del trasduttore elettro-acustico (UT), in cui il procedimento comprende: i) controllare (CN, RG, BG) una tensione di polarizzazione (VBIAS) del trasduttore elettro-acustico (UT) in funzione della frequenza di risonanza (f0) calcolata per portare la frequenza di risonanza del trasduttore elettroacustico (UT) a un valore di frequenza di riferimento, e/o ii) trasdurre (20, 224, 1002d, 10020d) un segnale acustico ricevuto in un segnale elettrico di ricezione; calcolare (206), in funzione di detto segnale ring-down (Ringdown), un parametro di smorzamento (IJ) del trasduttore elettro-acustico (UT), e sintetizzare, in funzione della frequenza di risonanza (f0) e del parametro di smorzamento (IJ) del trasduttore elettro-acustico (UT) calcolato, un segnale di riferimento di cross-correlazione (RE); ed effettuare la cross-correlazione (40, 226) del segnale elettrico di ricezione e del segnale di riferimento di crosscorrelazione (RE).
  2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, comprendente trasdurre (20, 224, 1002d, 10020d) detto segnale acustico ricevuto in un segnale elettrico di ricezione mentre si acquisisce (1002c; 10020c) detto segnale ring-down (Ring-down).
  3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, comprendente calcolare (212, 214) in funzione di detta frequenza di risonanza (f0) e detto parametro di smorzamento (IJ) un modello Butterworth-Van Dyke del trasduttore elettro-acustico (UT), in cui detto modello Butterworth-Van Dyke comprende un modello Butterworth-Van Dyke semplificato con un dominio elettrico (ED), un dominio acustico (AD) e un dominio meccanico (MD) tra il dominio elettrico (ED) e il dominio acustico (AD), in cui detto modello Butterworth-Van Dyke semplificato: comprende un dominio elettrico (ED) del modello avente una capacità costante C0 e un dominio meccanico (MD) del modello avente una induttanza costante L, è esente da induttanza mutue (EMC, MAC) che accoppiano il dominio elettrico (ED) del modello con il dominio meccanico (MD) del modello e accoppiano il dominio meccanico (MD) del modello con il dominio acustico (AD) del modello.
  4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, comprendente calcolare (212, 214) detto modello Butterworth-Van Dyke del trasduttore elettro-acustico (UT) in funzione di un parametro di smorzamento (IJ) del trasduttore elettroacustico (UT) come IJ = 2(L/R) in cui: L è detta capacità costante del dominio meccanico (MD) del modello; R è la resistenza rappresentativa delle perdite interne del trasduttore nel dominio meccanico (MD) del modello.
  5. 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente: applicare (222; 1002a) un segnale elettrico di trasmissione a un trasduttore trasmettitore elettro-acustico (UT TX), in cui il segnale elettrico di trasmissione è trasdotto in un segnale acustico di trasmissione trasmesso dal trasduttore trasmettitore elettro-acustico (UT TX), ricevere (224; 1002d, 10020d) in un trasduttore ricevitore elettro-acustico (UT RX) un segnale acustico originato dalla riflessione di detto segnale acustico di trasmissione, in cui il segnale acustico ricevuto è trasdotto dal trasduttore ricevitore elettro-acustico (UT RX) in un segnale elettrico di ricezione, in cui il procedimento comprende: applicare (202; 1002a) sia al trasduttore trasmettitore elettro-acustico (UT TX) che al trasduttore ricevitore elettro-acustico (UT TX), rispettivi treni di impulsi di eccitazione (impulsi TX) su un intervallo di eccitazione, acquisire (1002c, 10020c; 1002d, 10020d) sia nel trasduttore trasmettitore elettro-acustico (UT TX) che nel trasduttore ricevitore elettro-acustico (UT RX), rispettivi segnali ring-down (Ring-down) indicativi del comportamento ring-down del trasduttore (UT) dopo la fine dell'intervallo di eccitazione, calcolare (206) in funzione di detti rispettivi segnali ring-down (Ring-down), una frequenza di risonanza (f0,TX, f0,RX) e un parametro di smorzamento (IJTX, IJRX) sia del trasduttore trasmettitore elettro-acustico (UT TX) che del trasduttore ricevitore elettro-acustico (UT TX), sintetizzare (212, 214, 216) detto segnale di riferimento di cross-correlazione (RE), in funzione della frequenza di risonanza (f0,TX, f0,RX) e del parametro di smorzamento (IJTX, IJRX) sia del trasduttore trasmettitore elettroacustico (UT TX) che del trasduttore ricevitore elettroacustico (UT RX), effettuare la cross-correlazione (40, 226) del segnale elettrico di ricezione e del segnale di riferimento di cross-correlazione (RE).
  6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, presa in combinazione con la rivendicazione 3 o con la rivendicazione 4, il procedimento comprendente: applicare (222; 1002a) detto segnale elettrico di trasmissione a detto modello Butterworth-Van Dyke semplificato per il trasduttore trasmettitore elettro-acustico (TX UT) per produrre un segnale di corrente (ITX) rappresentativo di un segnale acustico di trasmissione trasmesso dal trasduttore trasmettitore elettro-acustico (UT TX), applicare un segnale di tensione (VG = k. ITX) che è una funzione di detto segnale di corrente (ITX) a detto modello Butterworth-Van Dyke semplificato per un trasduttore ricevitore elettro-acustico (RX UT) per produrre un segnale di uscita (Vout) rappresentativo del segnale elettrico di ricezione nel trasduttore ricevitore elettro-acustico (RX UT).
  7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 6, comprendente accoppiare detto modello Butterworth-Van Dyke semplificato per un trasduttore ricevitore elettro-acustico (RX UT) una funzione di filtraggio rappresentativa della funzione di trasferimento di un front end analogico (AFE) accoppiato a detto trasduttore ricevitore elettro-acustico (RX UT), in cui detto segnale di uscita (Vout) rappresentativo di un segnale elettrico prodotto da detto trasduttore ricevitore elettro-acustico (RX UT) è affetto da detta funzione di trasferimento di un front end analogico (AFE) accoppiato a detto trasduttore ricevitore elettro-acustico (RX UT).
  8. 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il trasduttore elettro-acustico comprende un trasduttore elettro-acustico a ultrasuoni (UT), preferibilmente un PMUT.
  9. 9. Circuito (1000), comprendente: almeno un trasduttore elettro-acustico (UT), circuiti di eccitazione (1002a) configurati per applicare allo almeno un trasduttore (UT) un segnale di eccitazione (impulsi TX) su un intervallo di eccitazione, circuiti di acquisizione di ring-down (1002c, 10020c; 1002d, 10020d) per acquisire nello almeno un trasduttore (UT) un segnale ring-down (Ring-down) indicativo del comportamento ring-down del trasduttore (UT) dopo la fine dell'intervallo di eccitazione, circuiti di elaborazione di segnale (1004, 1004b) configurati per calcolare (206), in funzione di detto segnale ring-down (Ring-down), una frequenza di risonanza (f0) dello almeno un trasduttore elettro-acustico (UT), il circuito (1000) configurato per funzionare con il procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni e comprendente: i) circuiti di controllo (CN, RG, BG) configurati per controllare una tensione di polarizzazione (VBIAS) dello almeno un trasduttore elettro-acustico (UT) in funzione della frequenza di risonanza (f0) calcolata per portare la frequenza di risonanza del trasduttore elettro-acustico (UT) a un valore di frequenza di riferimento (f0), e/o ii) un trasduttore ricevitore (UT, RX UT) configurato per trasdurre un segnale acustico ricevuto in un segnale elettrico di ricezione con detti circuiti di elaborazione di segnale (1004, 1004b) configurati per calcolare (206), in funzione di detto segnale ring-down (Ring-down), un parametro di smorzamento (IJ) del trasduttore elettro-acustico (UT), e sintetizzare, in funzione della frequenza di risonanza (fı) e del parametro di smorzamento (IJ) del trasduttore elettro-acustico (UT) calcolato, un segnale di riferimento di cross-correlazione (RE); circuiti di crosscorrelazione (40) essendo previsti per effettuare la crosscorrelazione del segnale elettrico di ricezione e del segnale di riferimento di cross-correlazione (RE).
  10. 10. Dispositivo comprendente un circuito (1000) secondo la rivendicazione 9, il dispositivo selezionato tra: dispositivi di rilevamento di ostacolo, preferibilmente dispositivi montati su veicolo (V), dispositivi di misurazione di volume, dispositivi di riconoscimento di gesti, dispositivi di misurazione di flusso, dispositivi che si basano su misurazione di tempo di volo di onde acustiche.
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