WO2014202335A1 - Elektroakustischer wandler - Google Patents

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WO2014202335A1
WO2014202335A1 PCT/EP2014/060763 EP2014060763W WO2014202335A1 WO 2014202335 A1 WO2014202335 A1 WO 2014202335A1 EP 2014060763 W EP2014060763 W EP 2014060763W WO 2014202335 A1 WO2014202335 A1 WO 2014202335A1
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WO
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plate
membrane
electroacoustic transducer
rod
shaped element
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/060763
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English (en)
French (fr)
Inventor
David Bartylla
Andre Gerlach
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to EP14727793.3A priority patent/EP3010655A1/de
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    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H04R7/04—Plane diaphragms
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04R1/26—Spatial arrangements of separate transducers responsive to two or more frequency ranges
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present invention is based on an electroacoustic transducer according to the preamble of claim 1.
  • US 2010/0020646 A1 describes an ultrasonic transducer, which provides a transmission path between a vibrating surface (piezoelectric ceramic) of the transducer material and a medium in which the vibrations are transmitted, wherein a so-called ⁇ / 2 resonator (thickness oscillator) with a essentially rod-shaped
  • Transmission element which is variable in shape, length and cross-section, is mentioned. In particular, however, corresponds to the preferred length of the transmission element ⁇ / 4.
  • the design of the transmission element depends on the acoustic emission characteristic to be achieved at the resonant frequency.
  • the transmission element is integrated in a protective housing of the sound transducer.
  • US 8,320,218 B2 describes, starting from the described in US 2010/0020646 AI piezoelectric ultrasonic transducer with a front and rear transmission element, an ultrasonic transducer in concealed
  • the front, rod-shaped transmission element is formed as a composite element, further comprising a smooth plate, for example, a part of the material surface (bumper, vehicle door) on which the
  • Ultrasonic transducer is installed hidden. This smooth area is part of the resonator structure and is excited by the electroacoustic transducer. Furthermore, means are described to install the ultrasonic transducer hidden and protected.
  • Ultrasonic transducer caused local thickness vibrations of the component. Accordingly, an improved radiation characteristic of the ultrasonic lobe can be achieved and a concealed installation can be realized.
  • DE 10 2009 040 264 A1 relates to an elongated ultrasonic transducer with a length dimension which is larger than the width dimension and which can be constructed from a plurality of disks, designed as a monolithic piezoceramic or as a rod-shaped piezoelectric element.
  • the invention proposes a novel structure for an electroacoustic transducer, which is particularly suitable for concealed installation, for example in cladding elements of vehicles.
  • the invention is based on the idea of creating an electroacoustic transducer which combines the features and advantages of the known concepts of the thickness vibrator and the bending transducer. For example, the electrical contacting of the piezoelectric element in a bending transducer is easily accessible from the outside.
  • piezoceramic material need not be biased to pressure compared to a standard ( ⁇ / 2 thickness oscillator). This is advantageous because piezoceramics are usually able to withstand tensile stresses only to a small extent without being damaged. Furthermore, one is
  • Resonance frequency (working frequency) geometry and material parameters of both the thickness and the bending oscillator are available.
  • the parameters can be selected depending on the desired application, for example robust design compared to tolerances.
  • an electroacoustic transducer which comprises a housing and a vibrating structure.
  • the vibrating structure is formed by at least one piezoelectric element, a diaphragm and an acoustic transducer.
  • a membrane is understood in particular to mean a plate which, although having a small thickness in comparison to its surface, can therefore execute bending oscillations in a direction perpendicular to its surface, but has a certain flexural rigidity.
  • the membrane according to the invention is connected to the piezoelectric element, so that according to the known principle of an electroacoustic transducer mechanical vibrations of the membrane on the
  • piezoelectric element can be transmitted and generate corresponding electrical signals.
  • corresponding electrical signals By applying corresponding electrical signals to the piezoelectric element mechanical vibrations are generated, which are transmitted to the membrane.
  • the acoustic transducer transmits vibrations to or from the diaphragm.
  • the acoustic transmitter has a first surface and a second surface parallel to the first surface, wherein the first surface of the acoustic transducer is coupled to the membrane and the second surface of the acoustic transducer is adapted to radiate and / or receive sound waves.
  • a coupling is understood as meaning a mechanical connection which allows the transmission of sound waves.
  • the membrane is designed as a bending oscillator and the acoustic transformer is designed as a thickness oscillator.
  • the acoustic transformer is designed in particular as a so-called ⁇ / 2-thickness oscillator, wherein ⁇ corresponds to the wavelength of a thickness vibration of the vibrating structure and the speed of sound of the Material and the frequency of the vibration is dependent.
  • the transmitter is in resonance when the wavelength produced by the excitation is a multiple of ⁇ / 2.
  • Thick vibrations in other words excited periodic length changes in the longitudinal direction. Since the acoustic transducer is connected to the membrane, these thickness vibrations in turn cause
  • Thick vibrations of the acoustic transducer and sound waves are radiated from the second surface of the acoustic transmitter.
  • the electroacoustic transducer according to the invention can thus be used as a sensor in an environment detection system as shown in FIG.
  • Surrounding ultrasonic signals can be emitted, which are reflected on objects in the environment.
  • the reflected echo signals can be received by the sensor and further processed by a corresponding electronics in a known manner. For example, obstacles can be detected and collisions avoided.
  • the first surface of the acoustic transducer is coupled to a first surface of the membrane.
  • a second surface of the membrane is connected to the piezoelectric element, for example by gluing the piezoelectric element.
  • a construction can be implemented by connecting the membrane on a first surface to the first surface of the acoustic transmitter in such a way that transmission of the acoustic signal is as low as possible Vibrations is guaranteed. This can be achieved for example by gluing with a suitable adhesive or welding or screwing.
  • the membrane may also be integral with the acoustic
  • the piezoelectric element is preferably glued over the entire surface of the membrane.
  • the shape of the piezoelectric element may be circular, elliptical, angular or arbitrary. Further, an embodiment with an annular configuration of the piezoelectric element is possible.
  • the acoustic transformer comprises an im
  • rod-shaped element Essentially rod-shaped element and a plate. Under rod-shaped should be understood that the element is solid and a
  • the end faces can be arbitrarily shaped, for example circular, oval, or rectangular. It is also conceivable to design the end faces differently sized and / or differently shaped.
  • An end face of the rod-shaped element is connected to the membrane. The other end face is connected to the plate, wherein the
  • Membrane and / or the plate can also be integrally formed with the rod-shaped element.
  • the surface of the plate facing away from the rod-shaped element thus forms the second surface of the acoustic transmitter, which is suitable for emitting and / or receiving sound waves.
  • the emission characteristic of the electroacoustic transducer is determined.
  • Angular dependence of the signal strength as well as to the resonance frequencies are set. Usual frequencies are in the range of 30 to 150 kHz.
  • the plate may be formed, for example, as part of a cladding element of a vehicle, in particular a bumper.
  • the plate can be formed integrally with the cladding element or as a separate part be. It is advantageous for the acoustic emission characteristics if the plate has a smaller thickness than the surrounding cladding element. Therefore, a cladding element, for example, in the area through which the plate is formed may have a reduced material thickness.
  • thicknesses of 0.1 to 10 mm or more generally a ratio between a diameter of the plate and the thickness of the plate of about 10/1.
  • the housing of the electroacoustic transducer according to the invention is connected to an inner surface of the cladding element such that the electroacoustic transducer is not visible from the outside. This results in the advantage that the converter can be arranged protected from environmental influences, such as dirt or moisture. In addition, there are creative advantages.
  • the housing can also be integrally formed with the cladding element.
  • the membrane may preferably be fastened to the housing by means of a bearing structure.
  • the housing can, for example, have a circumferential region with a reduced wall thickness, to which the membrane is fastened in its edge region, for example by gluing or by clamping.
  • the storage can also be designed to be movable, for example, in that the contact area between the membrane and the housing is small in comparison to the total area of the membrane and thus flexible.
  • the rod-shaped element by means of a
  • the bearing structure to be held on the housing.
  • the bearing structure is preferably arranged in particular at a height of the rod-shaped element, which corresponds to a vibration node of a resonant oscillation of the oscillating structure.
  • the bearing structure is located at a position at which the rod-shaped element undergoes little or no change in length with an excited thickness vibration.
  • the bearing structure is only slightly mechanically loaded.
  • the rod-shaped element has a decreasing in the direction of the membrane connected to the first surface and / or in the direction of the end face connected to the plate
  • the rod-shaped element thus runs in the direction of the membrane and / or in the direction of the plate pointed. Due to the resulting reduced connection surface between the rod-shaped element and the membrane or the plate is effected that the rocking properties, in particular the bend, the membrane and / or the plate are only slightly hindered. This results in an improved sensitivity for incident sound waves and a higher signal strength of the emitted acoustic
  • the rod-shaped element has at least one mounting aid element on its end face facing the plate. This can be designed as a depression or increase. It can too
  • the plate has at its end face of the rod-shaped element zugegewanden
  • FIG. 1 shows an electroacoustic transducer according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 2 shows an electroacoustic transducer according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows an electroacoustic transducer according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 4 shows the electroacoustic transducer according to the first embodiment of the invention together with a diagram of the deflection in the thickness direction of the acoustic transducer.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through an electroacoustic transducer 1 according to a first embodiment of the invention.
  • the electroacoustic transducer 1 comprises a housing 180 and a vibrating structure 110.
  • the vibrating structure 110 comprises a piezoelectric element 150, which in this example is designed as a piezoceramic disk.
  • the piezoceramic disk is bonded to the underside 122 of the membrane 120.
  • the piezoceramic disk has substantially the same
  • electrical connection means 190 are provided, which are contacted with electrodes of the piezoelectric element 150 and are shown here only schematically.
  • a rod-shaped element 145 is attached on the top 121 of the membrane.
  • a first surface 141 of the rod-shaped element is connected to the membrane.
  • the attachment can for example by screws and / or Welding and / or gluing done.
  • the rod-shaped element 145 is attached with its second surface (end face) 146 to a plate 240, in particular glued.
  • the plate 240 is integrally connected to a trim element 200, which in this example is the bumper or trim strip of a motor vehicle.
  • the housing 180 is on the inside of the trim element 200
  • the housing 180 is in this example in
  • the membrane 120 is mounted in an edge region 185 of the housing 180.
  • the housing 180 has a smaller wall thickness in this edge region 185.
  • the bearing 170 may be fixed, for example by clamping or gluing. Alternatively, the bearing 170 may have some mobility, this being achieved by making the contact area between the diaphragm 120 and the housing 180 small and thus compliant.
  • the outwardly facing surface 142 of the plate 240 is suitable
  • the plate 240 and the rod-shaped element 145 form the acoustic transducer 140 according to the invention, which is provided by flexural vibrations of the diaphragm 120
  • Thick vibrations can be excited. In case of reception, this principle is exactly the opposite. Sound waves strike the surface 142 and excite the plate 240. This stimulates the rod-shaped element 145, which in turn excites the membrane 120 to perform bending vibrations. Since the piezoelectric element 150 is bonded to the diaphragm 120, voltage signals are generated on the piezoelectric element 150, which can be tapped by the electrical connection means 190 and the
  • the vibrating structure 110 will vibrate at a certain resonant frequency.
  • the longitudinal extent d of the oscillating structure 110 corresponds to half the wavelength ( ⁇ / 2) of the resonance oscillation.
  • the longitudinal extension d is essentially determined by the length of the rod-shaped element 145, this is therefore also referred to as ⁇ / 2-thickness oscillator.
  • the deflection A of the thickness vibration is shown schematically in a diagram.
  • the x-axis corresponds to the longitudinal direction
  • the y-axis corresponds to the deflection of the oscillating structure.
  • the deflection corresponds to half the wavelength of the oscillation.
  • the maximum deflections occur at the respective ends Xi, x 2 of the vibrating structure 110.
  • the deflection is essentially zero, corresponding to one
  • metals such as e.g. Aluminum or stainless steel. It is also possible to use plastics which ideally have no glass transition temperature in the temperature range from -40 ° C to + 85 ° C. A combination of different materials is also possible.
  • the length of the rod-shaped element is dependent on the choice of the transmission frequency and the material used for the rod-shaped element 145 and the associated
  • Propagation speed of sound waves to choose. To avoid inclinations of the rod-shaped element 145, especially when the rod-shaped
  • Element 145 is very long compared to the dimensions of the plate 240 or the membrane 120, the rod-shaped element 145 can be fixed by a further bearing structure 175 to the housing 180.
  • the bearing structure 175 may preferably be arranged at half the height h of the rod-shaped element 145. This central position of the bearing structure 175 is chosen because there the
  • Oscillation amplitude of the thickness vibrations is minimal.
  • the position corresponds to the vibration node at the position x m in the illustration according to FIG. 4.
  • the membrane 120, the rod-shaped element 145, the housing 180 and the plate 240 are separate
  • the membrane 120 and the rod-shaped element 145 may also be formed in one piece.
  • the membrane 120 may be integrally formed with the housing 180 and / or the housing 180 may be formed integrally with the panel 240 and the trim member 200, respectively.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an electroacoustic transducer 1 is shown schematically in longitudinal section.
  • the basic structure and function of the electroacoustic transducer 1 corresponds to that in FIG. 1
  • the piezoelectric element 150 is smaller than the membrane 120 in this embodiment, the piezoelectric element 150 is mounted centrally on the underside of the diaphragm 120.
  • the membrane 120 and the rod-shaped element 145 are integrally formed.
  • the electroacoustic transducer 1 shown in Figure 2 additionally comprises means 148, 248 for mounting aid of
  • a recess 148 is formed centrally on the end face 146 of the rod-shaped element 145 as an assembly aid element.
  • the plate 240 on its surface 146 facing the end surface 146 has a projection 248.
  • Deviations in the positioning can lead to undesirable deviations in the emission characteristic and / or resonance frequency of the electroacoustic transducer 1, in particular, non-centric force discharges can occur in the structures involved, as a result of which undesired so-called “secondary vibrations" can arise in other coordinate directions.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of an electroacoustic transducer 1 is shown schematically in longitudinal section.
  • the basic structure and function of the electroacoustic transducer 1 corresponds to that in FIG. 1
  • the rod-shaped member 145 is formed so as to be in the direction of that with the diaphragm 120
  • the connected first surface 141 has decreasing cross-sectional area.
  • the rod-shaped element 145 is tapered in the direction of its end connected to the diaphragm 120.
  • the plate 240 facing the end of the rod-shaped element tapering.
  • Connecting surface between the rod-shaped element 145 and the diaphragm 120 and the plate 140 is annular. This achieves a further reduction in the obstruction of vibrations of the diaphragm 120 and the plate 240.

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Abstract

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen elektroakustischen Wandler (1) zu schaffen, der die Eigenschaften und Vorteile der bekannten Konzepte des Dickenschwingers und des Biegewandlers miteinander kombiniert. Dazu ist erfindungsgemäß ein elektroakustischer Wandler (1) vorgesehen, der ein Gehäuse (180) und eine schwingende Struktur (110) umfasst. Die schwingende Struktur wird durch mindestens ein piezoelektrisches Element (150), eine Membran (120) und einen akustischen Übertrager (140) ausgebildet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,dass die Membran (120) als Biegeschwinger ausgebildet ist und der akustischen Übertrager (140) als Dickenschwinger ausgebildet ist.

Description

Beschreibung Titel
Elektroakustischer Wandler
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem elektroakustischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
US 2010/0020646 AI beschreibt einen Ultraschallwandler, welcher einen Übertragungsweg zwischen einer schwingenden Oberfläche (piezoelektrische Keramik) des Wandlermaterials und einem Medium, in dem die Schwingungen übertragen werden, zur Verfügung stellt, wobei ein sogenannter λ/2- Resonator (Dickenschwinger) mit einem im wesentlichen stabförmigen
Übertragungselement, welches in Form, Länge und Querschnitt veränderlich ist, erwähnt wird. Insbesondere entspricht allerdings die bevorzugte Länge des Übertragungselementes λ/4. Die Gestaltung des Übertragungselementes richtet sich nach der zu erzielenden akustischen Abstrahlungscharakteristik bei der Resonanzfrequenz. In einer Ausführungsform ist das Übertragungselement in einem Schutzgehäuse des Schallwandlers integriert.
US 8,320,218 B2 beschreibt, ausgehend von dem in der US 2010/0020646 AI beschriebenen piezoelektrischen Ultraschallwandler mit einem vorderen und hinteren Übertragungselement, einen Ultraschallwandler in verdeckter
Einbauweise, beispielsweise in einem Stoßfänger, in Zusammenhang mit Einparksystemen. Hierbei ist das vordere, stabförmige Übertragungselement als Verbundelement ausgebildet, weiter umfassend eine glatte Platte, beispielsweise ein Teil der Materialfläche (Stoßfänger, Fahrzeugtür), an der der
Ultraschallwandler versteckt eingebaut wird. Dieser glatte Bereich ist Teil der Resonatorstruktur und wird durch den elektroakustischen Wandler angeregt. Ferner sind Mittel beschrieben, den Ultraschallwandler versteckt und geschützt einzubauen.
DE 10 2009 040 264 AI beschreibt einen länglichen Ultraschallwandler, welcher derart mit einem Bauteil eines Fahrzeuges gekoppelt ist, dass eine Längsachse des Ultraschallwandlers im Wesentlichen senkrecht zu einer Fläche des Bauteils gekoppelt ist, wobei zur Erzeugung von Ultraschallwellen bei aktivem
Ultraschallwandler lokale Dickenschwingungen des Bauteils verursacht werden. Demnach können eine verbesserte Abstrahlcharakteristik der Ultraschallkeule erreicht und ein verdeckter Einbau realisiert werden. DE 10 2009 040 264 AI bezieht sich auf einen länglichen Ultraschallwandler mit einer gegenüber der Breitenabmessung größeren Längenabmessung, welcher aus mehreren Scheiben, ausgebildet als monolithische Piezokeramik oder als stabförmiges Piezoelement aufgebaut sein kann.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schlägt einen neuartigen Aufbau für einen elektroakustischen Wandler vor, der besonders für den verdeckten Einbau, beispielsweise in Verkleidungselemente von Fahrzeugen geeignet ist.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen elektroakustischen Wandler zu schaffen, der die Eigenschaften und Vorteile der bekannten Konzepte des Dickenschwingers und des Biegewandlers miteinander kombiniert. So ist zum Beispiel die elektrische Kontaktierung des piezoelektrischen Elements bei einem Biegewandler leicht von außen zugänglich. Das
piezokeramiksche Material muss außerdem gegenüber einem übliche (λ/2- Dickenschwinger) nicht auf Druck vorgespannt werden. Dies ist vorteilhaft, da Piezokeramiken üblicherweise Zugbeanspruchungen nur in einem geringen Maße aushalten können, ohne Schaden zu nehmen. Weiterhin ist eine
Bedämpfung der Schwingung von Außen bei einem erfindungsgemäßen Aufbau einfach möglich durch z.B. Silikonschaum. Zur Einstellung der
Resonanzfrequenz (Arbeitsfrequenz) stehen Geometrie- und Materialparameter sowohl des Dicken- als auch des Biegeschwingers zur Verfügung. Durch eine geeignete Wahl der Parameter kann abhängig von der gewünschten Anwendung ein, beispielsweise gegenüber Toleranzen robustes, Design gewählt werden.
Dazu ist erfindungsgemäß ein elektroakustischer Wandler vorgesehen, der ein Gehäuse und eine schwingende Struktur umfasst. Die schwingende Struktur wird durch mindestens ein piezoelektrisches Element, eine Membran und einen akustischen Übertrager ausgebildet. Unter einer Membran wird in diesem Zusammenhang insbesondere eine Platte, verstanden, die zwar eine geringe Dicke im Vergleich zu ihrer Fläche aufweist und daher Biegeschwingungen in einer Richtung senkrecht zu seiner Oberfläche ausführen kann, jedoch eine gewisse Biegesteifigkeit aufweist.
Die Membran ist erfindungsgemäß mit dem piezoelektrischen Element verbunden, so dass nach dem bekannten Prinzip eines elektroakustischen Wandlers mechanische Schwingungen von der Membran auf das
piezoelektrische Element übertragen werden können und entsprechende elektrische Signale erzeugen. Durch Anlegen entsprechender elektrischer Signale an das piezoelektrische Element werden mechanische Schwingungen erzeugt, die auf die Membran übertragen werden. Dazu sind elektrische
Verbindungsmittel zur Kontaktierung von Elektroden des piezoelektrischen
Elements vorgesehen.
Der akustische Übertrager überträgt Schwingungen zu oder von der Membran. Dazu weist der akustische Übertrager eine erste Oberfläche und eine zu der ersten Oberfläche parallele zweite Oberfläche auf, wobei die erste Oberfläche des akustischen Übertragers mit der Membran gekoppelt ist und die zweite Oberfläche des akustischen Übertragers geeignet ist, Schallwellen abzustrahlen und/oder zu empfangen. Unter einer Kopplung wird hierbei eine mechanische Verbindung verstanden, die die Übertragung von Schallwellen ermöglicht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Membran als Biegeschwinger ausgebildet ist und der akustischen Übertrager als Dickenschwinger ausgebildet ist. Der akustische Übertrager ist insbesondere als sogenannter λ/2- Dickenschwinger ausgebildet, wobei λ die Wellenlänge einer Dickenschwingung der schwingenden Struktur entspricht und von der Schallgeschwindigkeit des Materials und der Frequenz der Schwingung abhängig ist. Der Übertrager befindet sich in Resonanz, wenn die durch die Anregung erzeugte Wellenlänge ein Vielfaches von λ/2 ist. Durch auf die zweite Oberfläche des akustischen Übertragers einfallende
Schallwellen wird der akustische Übertrager erfindungsgemäß zu
Dickenschwingungen, mit anderen Worten periodischen Längenänderungen in Längsrichtung angeregt. Da der akustische Übertrager mit der Membran verbunden ist, verursachen diese Dickenschwingungen wiederum
Biegeschwingungen der Membran. Das piezoelektrische Element, das mit der
Membran verbunden ist, wandelt diese Biegeschwingungen in elektrische Signale. Zur Erzeugung von Schallwellen, werden entsprechende elektrische Signale an das piezoelektrische Element angelegt. Dadurch wird die Membran zu Biegeschwingungen angeregt. Diese erzeugen entsprechende
Dickenschwingungen des akustischen Übertrager und Schallwellen werden von der zweiten Oberfläche des akustischen Übertragers abgestrahlt.
Der erfindungsgemäße elektroakustische Wandler kann somit als Sensor in einem Umgebungserfassungssystem verwendet werden, wie es in
Personenfahrzeugen oder in der Robotik zum Einsatz kommt. Zur Erfassung der
Umgebung können Ultraschallsignale ausgesendet werden, die an Objekten im Umfeld reflektiert werden. Die zurückgeworfenen Echosignale können von dem Sensor empfangen und von einer entsprechenden Elektronik in bekannter Weise weiterverarbeitet werden. So können beispielsweise Hindernisse erkannt und Kollisionen vermieden werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die erste Oberfläche des akustischen Übertragers mit einer ersten Oberfläche der Membran gekoppelt.
Eine zweite Oberfläche der Membran ist mit dem piezoelektrischen Element verbunden, beispielsweise durch Aufkleben des piezoelektrischen Elements. Ein derartiger Aufbau kann dadurch umgesetzt sein, dass die Membran an einer ersten Oberfläche mit der ersten Oberfläche des akustischen Übertragers so verbunden ist, dass eine möglichst verlustarme Übertragung der akustischen Schwingungen gewährleistet ist. Dies kann beispielsweise durch Verkleben mit einem geeigneten Klebstoff oder Verschweißen oder Verschrauben erreicht werden. Alternativ kann die Membran auch einteilig mit dem akustischen
Übertrager oder einem Teilelement des akustischen Übertragers ausgebildet sein.
Das piezoelektrische Element ist bevorzugt vollflächig mit der Membran verklebt. Die Form des piezoelektrischen Elements kann kreisförmig, elliptisch, eckig oder beliebig sein. Ferner ist eine Ausführung mit einer ringförmigen Ausbildung des piezoelektrischen Elements möglich.
In einer besonders bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers umfasst der akustische Übertrager ein im
Wesentlichen stabförmiges Element und eine Platte. Unter stabförmig soll dabei verstanden werden, dass das Element massiv ausgebildet ist und eine
Haupterstreckung in Längsrichtung aufweist. Die Stirnflächen können beliebig geformt sein, beispielsweise kreisförmig, oval, oder rechteckig. Es ist ebenfalls denkbar, die Stirnflächen unterschiedlich groß und/oder unterschiedlich geformt auszubilden. Eine Stirnfläche des stabförmigen Elements ist mit der Membran verbunden. Die andere Stirnfläche ist mit der Platte verbunden, wobei die
Membran und/oder die Platte auch einteilig mit dem stabförmigen Element ausgebildet sein können. Die dem stabförmigen Element abgewandte Oberfläche der Platte bildet somit die zweite Oberfläche des akustischen Übertragers, die geeignet ist, Schallwellen abzustrahlen und/oder zu empfangen.
Durch das Verhältnis von Form und Fläche zwischen der Platte und den
Stirnflächen des stabförmigen Elements, sowie durch die Dicke der Platte wird die Abstrahlcharakteristik des elektroakustischen Wandlers bestimmt. Durch entsprechende Wahl dieser Parameter kann eine gewünschte
Abstrahlcharakteristik des elektroakustischen Wandlers im Bezug auf
Winkelabhängigkeit der Signalstärke sowie auf die Resonanzfrequenzen eingestellt werden. Übliche Frequenzen liegen im Bereich von 30 bis 150 kHz.
Die Platte kann beispielsweise als Teil eines Verkleidungselements eines Fahrzeugs, insbesondere eines Stoßfängers, ausgebildet sein. Die Platte kann dabei einteilig mit dem Verkleidungselement oder als separates Teil ausgebildet sein. Es ist vorteilhaft für die akustischen Abstrahleigenschaften, wenn die Platte eine geringere Dicke als das umgebende Verkleidungselement aufweist. Deshalb kann ein Verkleidungselement beispielsweise in dem Bereich durch den die Platte ausgebildet wird eine verringerte Materialstärke aufweisen. Vorteilhaft sind Dicken von 0,1 bis 10 mm oder allgemeiner ein Verhältnis zwischen einem Durchmesser der Platte und der Dicke der Platte von etwa 10/1.
Das Gehäuse des erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers ist an eine Innenfläche des Verkleidungselementes derart angebunden, dass der elektroakustische Wandler von außen nicht sichtbar ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Wandler vor Umwelteinflüssen, wie Schmutz oder Nässe geschützt angeordnet werden kann. Außerdem ergeben sich gestalterische Vorteile. Das Gehäuse kann dazu auch einteilig mit dem Verkleidungselement ausgebildet sein.
Zur Befestigung der schwingenden Struktur des elektroakustischen Wandlers an dem Gehäuse kann vorzugsweise die Membran mittels einer Lagerstruktur an dem Gehäuse befestigt sein. Das Gehäuse kann dazu beispielsweise einen Umlaufenden Bereich mit einer verringerten Wandstärke aufweisen, an dem die Membran in ihrem Randbereich befestigt ist, beispielsweise durch Kleben oder durch Klemmen. Alternativ kann die Lagerung auch beweglich ausgeführt sein, beispielsweise indem die Berührungsfläche zwischen Membran und Gehäuse klein im Vergleich zur Gesamtfläche der Membran und somit nachgiebig ausgeführt ist.
Alternativ oder zusätzlich kann das stabförmige Element mittels einer
Lagerstruktur an dem Gehäuse gehalten sein. Bevorzugt ist die Lagerstruktur insbesondere auf einer Höhe des stabförmigen Elements angeordnet, die einem Schwingungsknoten einer Resonanzschwingung der schwingenden Struktur entspricht. Damit befindet sich die Lagerstruktur an einer Position, an der das stabförmige Element bei einer angeregten Dickenschwingung nur eine geringe oder gar keine Längenänderung erfährt. Somit wird die Lagerstruktur nur geringfügig mechanisch belastet. In einer Ausführungsform der Erfindung weist das stabförmige Element eine sich in Richtung der mit der Membran verbundenen ersten Oberfläche und/oder in Richtung der mit der Platte verbundenen Stirnfläche verringernde
Querschnittsfläche auf. Das stabförmige Element läuft also in Richtung der Membran und/oder in Richtung der Platte spitz zu. Durch die sich dadurch ergebende verkleinerte Anbindungsfläche zwischen dem stabförmigen Element und der Membran bzw. der Platte wird bewirkt, dass die Schwingeigenschaften, insbesondere die Biegung, der Membran und/oder der Platte nur gering behindert werden. Dies bewirkt eine verbesserte Empfindlichkeit für einfallende Schalwellen und eine höhere Signalstärke des ausgesendeten akustischen
Signals.
Beim Zusammenfügen des stabförmigen Elements und der Platte ist es wichtig, eine genaue relative Positionierung des stabförmigen Elements und der Platte einzuhalten, um eine gewünschte Abstrahlcharakteristik des elektroakustischen Wandlers zu erzielen. Deshalb ist nach einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass das stabförmige Element an seiner der Platte zugewandten Stirnfläche mindestens ein Montagehilfeelement aufweist. Dieses kann als Vertiefung oder Erhöhung ausgebildet sein. Es können auch
Kombinationen von Erhöhungen und Vertiefungen vorgesehen sein. Die Platte weist an ihrer der Stirnfläche des stabförmigen Elements zugewanden
Oberfläche mindestens ein komplementäres Montagehilfeelement auf. Durch das Ineinandergreifen der Montagehilfeelemente an der Stirnseite des stabförmigen Elements und der Platte wird eine vorgesehene, insbesondere zentrische, Positionierung des stabförmigen Elements und der Platte erzielt. Bei
Ausführungsformen, bei denen die Winkelausrichtung zwischen der Platte und dem stabförmigen Element wichtig ist, beispielsweise um eine bestimmte Abstrahlcharakteristik zu erzielen, kann über eine entsprechende, beispielsweise nicht rotationssymmetrische, Anordnung von Montagehilfeelementen die korrekte Winkelausrichtung sichergestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben: Figur 1 zeigt einen elektroakustischen Wandler nach einer ersten Ausführung der Erfindung.
Figur 2 zeigt einen elektroakustischen Wandler nach einer zweiten Ausführung der Erfindung.
Figur 3 zeigt einen elektroakustischen Wandler nach einer dritten Ausführung der Erfindung.
Figur 4 zeigt den elektroakustischen Wandler nach der ersten Ausführung der Erfindung zusammen mit einem Diagramm der Auslenkung in Dickenrichtung des akustischen Übertragers.
Ausführungen der Erfindung
In Figur 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch einen elektroakustischen Wandler 1 nach einer ersten Ausführung der Erfindung dargestellt. Der elektroakustische Wandler 1 umfasst ein Gehäuse 180 sowie eine schwingende Struktur 110. Die schwingende Struktur 110 umfasst ein piezoelektrisches Element 150, das in diesem Beispiel als Piezokeramikscheibe ausgeführt ist. Dabei ist die Piezokeramikscheibe auf der Unterseite 122 der Membran 120 verklebt. Die Piezokeramikscheibe weist im Wesentlichen die selbe
Oberflächenform und Größe auf, wie die Membran 120 und schließt bündig mit der Membran 120 ab.
Wird ein entsprechendes Spannungssignal U an die Piezokeramikscheibe 150 angelegt, kann diese die Membran 120 zum Schwingen bringen. Dazu sind elektrische Verbindungsmittel 190 vorgesehen, die mit Elektroden des piezoelektrischen Elements 150 kontaktiert sind und hier nur schematisch dargestellt sind.
Auf der Oberseite 121 der Membran ist ein stabförmiges Element 145 befestigt. Dabei ist eine erste Oberfläche 141 des stabförmigen Elements mit der Membran verbunden. Die Befestigung kann beispielsweise durch Schrauben und/oder Schweißen und/oder Kleben erfolgen. Das stabförmige Element 145 ist mit seiner zweiten Oberfläche (Stirnfläche) 146 an einer Platte 240 befestigt, insbesondere verklebt. Die Platte 240 ist einteilig mit einem Verkleidungselement 200 verbunden, das in diesem Beispiel der Stoßfänger oder eine Zierleiste eines Kraftfahrzeugs ist.
Das Gehäuse 180 ist an der Innenseite des Verkleidungselements 200
beispielsweise durch Kleben, befestigt, der elektroakustische Wandler ist somit von außen nicht sichtbar. Das Gehäuse 180 ist in diesem Beispiel im
Wesentlichen zylinderförmig und besteht aus einem Metall wie beispielsweise
Aluminium. Es weist eine hohe Impedanz (es ist steif und/oder schwer) parallel zur Schwingrichtung des stabförmigen Elements 145 auf, sodass der Eintrag von Schwingungen in das Gehäuse 180 möglichst gering bleibt. Die Membran 120 ist in einem Randbereich 185 des Gehäuses 180 gelagert. Das Gehäuse 180 weist in diesem Randbereich 185 eine geringere Wandstärke auf. Die Lagerung 170 kann fest, beispielsweise durch Klemmung oder Klebung, ausgeführt sein, Alternativ kann die Lagerung 170 eine gewissen Beweglichkeit aufweisen, dies wird erreicht, indem die Berührungsfläche zwischen der Membran 120 und dem Gehäuse 180 klein und somit nachgiebig ausgeführt wird.
Die nach außen gerichtete Oberfläche 142 der Platte 240 ist geeignet,
Schallwellen abzustrahlen und/oder zu empfangen. Zusammen bilden die Platte 240 und das stabförmige Element 145 den erfindungsgemäßen akustischen Übertrager 140, der durch Biegeschwingungen der Membran 120 zu
Dickenschwingungen angeregt werden kann. Im Empfangsfall ist dieses Prinzip genau umgekehrt. Schallwellen treffen auf die Oberfläche 142 und regen die Platte 240 an. Diese regt das stabförmige Element 145 an, das wiederum die Membran 120 zum Ausführen von Biegeschwingungen anregt. Da das piezoelektrische Element 150 auf die Membran 120 geklebt ist, werden an dem piezoelektrischen Element 150 Spannungssignale erzeugt, die durch die elektrischen Verbindungsmittel 190 abgegriffen werden können und zur
Auswertung weiter verarbeitet werden können. Im Allgemeinen wird die schwingende Struktur 110 bei einer bestimmten Resonanzfrequenz schwingen. Dabei entspricht die Längserstreckung d der schwingenden Struktur 110 einer halben Wellenlänge (λ/2) der Resonanzschwingung. Die Längserstreckung d wird im Wesentlichen von der Länge des stabförmigen Elements 145 bestimmt, dieses wird daher auch als λ/2- Dickenschwinger bezeichnet.
In Figur 4 ist die Auslenkung A der Dickenschwingung in einem Diagramm schematisch dargestellt. Die x-Achse entspricht der Längsrichtung, die y-Achse entspricht der Auslenkung der schwingenden Struktur. Die Auslenkung entspricht der halben Wellenlänge der Schwingung. Die maximalen Auslenkungen treten an den entsprechenden Enden Xi, x2 der schwingenden Struktur 110 auf. In der Mitte xm ist die Auslenkung im Wesentlichen Null, entsprechend einem
Schwingungsknoten.
Zur Herstellung der Membran 120 und des stabförmigen Elements 145 können Metalle, wie z.B. Aluminium oder Edelstahl, genutzt werden. Es können auch Kunststoffe verwendet werden, die idealerweise keine Glasübergangstemperatur im Temperaturbereich von -40°C bis +85°C aufweisen. Eine Kombination aus verschiedenen Materialien ist ebenfalls möglich. Die Länge des stabförmigen Elements ist abhängig von der Wahl der Sendefrequenz und des verwendeten Werkstoffs für das stabförmige Element 145 und der damit verbundenen
Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen, zu wählen. Um Schrägstellungen des stabförmigen Elements 145 zu vermeiden, vor allem wenn das stabförmige
Element 145 sehr lang im Vergleich zu den Abmessungen der Platte 240 oder der Membran 120 ist, kann das stabförmige Element 145 durch eine weitere Lagerstruktur 175 an dem Gehäuse 180 zu fixiert werden. Die Lagerstruktur 175 kann bevorzugt auf halber Höhe h des stabförmigen Elements 145 angeordnet sein. Diese mittige Position der Lagerstruktur 175 wird gewählt, da dort die
Schwingamplitude der Dickenschwingungen minimal ist. Die Position entspricht dem Schwingungsknoten bei der Position xm in der Darstellung nach Figur 4.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführung der Erfindung sind die Membran 120, das stabförmige Element 145, das Gehäuse 180 und die Platte 240 als separate
Bauteile ausgebildet. Alternativ können die Membran 120 und das stabförmige Element 145 auch aus einteilig ausgebildet sein. Alternativ kann die Membran 120 einteilig mit dem Gehäuse 180 ausgeführt sein und/oder das Gehäuse 180 kann einteilig mit der Platte 240 bzw. dem Verkleidungselement 200 gebildet sein. Um den elektroakustischen Wandler 1 nach außen hin noch besser vor
Umgebungseinflüssen, wie Feuchtigkeit oder Staub, zu schützen, kann noch eine weitere Abdeckung (nicht dargestellt) vorgesehen werden.
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Wandlers 1 schematisch im Längsschnitt dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau und die Funktion des elektroakustischen Wandlers 1 entspricht dem in Figur 1
dargestellten Wandler. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zum in Figur 1 gezeigten elektroakustischen Wandler ist in diesem Ausführungsbeispiel das piezoelektrische Element 150 kleiner ausgebildet als die Membran 120. Das piezoelektrische Element 150 ist zentrisch auf der Unterseite der Membran 120 befestigt. Die Membran 120 und das stabförmige Element 145 sind einteilig ausgebildet. Der in Figur 2 gezeigte elektroakustische Wandler 1 weist zusätzlich Mittel 148, 248 zur Montagehilfe der
Anordnung aus stabförmigen Element 145 und Platte 240 auf. Dazu ist als Montagehilfeelement eine Vertiefung 148 zentral auf der Stirnfläche 146 des stabförmigen Elements 145 ausgebildet. Komplementär weist die Platte 240 an ihrer der Stirnfläche 146 zugewandten Oberfläche 246 eine Erhebung 248 auf. Beim Zusammenfügen des stabförmigen Elements 145 und der Platte 240 greift die Erhebung 248 in die Vertiefung 148 ein. Damit ist sichergestellt, dass das stabförmige Element richtig relativ zu der Platte 240 positioniert ist.
Abweichungen in der Positionierung können zu unerwünschten Abweichungen in der Abstrahlcharakteristik und/oder Resonanzfrequenz des elektroakustischen Wandlers 1 führen, insbesondere kann es zu nicht-zentrischen Krafteinleitungen in die beteiligten Strukturen kommen, wodurch unerwünschte sogenannte „Nebenschwingungen" in andere Koordinatenrichtungen entstehen können.
Diese Abweichungen und unerwünschten Effekte werden durch die
Montagehilfeelemente vermieden.
In Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Wandlers 1 schematisch im Längsschnitt dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau und die Funktion des elektroakustischen Wandlers 1 entspricht dem in Figur 1
dargestellten Wandler. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zum in Figur 1 gezeigten elektroakustischen Wandler ist in diesem Ausführungsbeispiel das stabförmige Element 145 derart ausgebildet, dass es eine sich in Richtung der mit der Membran 120
verbundenen ersten Oberfläche 141 verringernde Querschnittsfläche aufweist. Mit anderen Worten ist das stabförmige Element 145 in Richtung seines mit der Membran 120 verbundenen Endes spitz zulaufend ausgebildet. Durch die sich dadurch ergebende verkleinerte Anbindungfläche zwischen dem stabförmigen Element 145 und der Membran 120 wird bewirkt, dass Schwingungen der Membran - insbesondere die Biegeschwingungen - durch das stabförmige Element nur geringfügig behindert werden. Es ist zusätzlich oder alternativ denkbar auch das der Platte 240 zugewandte Ende des stabförmigen Elements spitz zulaufend auszubilden. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass eine oder beide der Stirnflächen 141 und 146 des stabförmigen Elements 145 eine zentrale Vertiefung aufweisen, die bewirkt, dass die jeweilige
Anbindungfläche zwischen dem stabförmigen Element 145 und der Membran 120 bzw. der Platte 140 ringförmig ausgebildet ist. Dadurch wird eine weitere Verminderung der Behinderung von Schwingungen der Membran 120 bzw. der Platte 240 erzielt.

Claims

Ansprüche
1. Elektroakustischer Wandler (100), umfassend
ein Gehäuse (180),
eine schwingende Struktur (110) umfassend mindestens ein
piezoelektrisches Element (150), eine Membran (120) und einen akustischen Übertrager (140),
und elektrische Verbindungsmittel (190) zur Kontaktierung von Elektroden des piezoelektrischen Elements (150),
wobei die Membran (120) mit dem piezoelektrischen Element (150) verbunden ist,
wobei der akustische Übertrager (140) eine erste Oberfläche (141) und eine zu der ersten Oberfläche parallele zweite Oberfläche (142) aufweist, wobei die erste Oberfläche (141) des akustischen Übertragers (140) mit der Membran (120) gekoppelt ist und die zweite Oberfläche (142) des akustischen Übertragers (140) geeignet ist, Schallwellen abzustrahlen und/oder zu empfangen,
und wobei die Membran (120) als Biegeschwinger ausgebildet ist und der akustischen Übertrager (140) als Dickenschwinger ausgebildet ist.
2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Oberfläche (141) des akustischen Übertragers (140) mit einer ersten Oberfläche (121) der Membran (120) gekoppelt ist und eine zweite Oberfläche (122) der Membran (120) mit dem piezoelektrischen Element (150) verbunden, insbesondere verklebt, ist.
3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der akustische Übertrager (140) ein stabförmiges Element (145) und eine Platte (240) umfasst. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (240) als Teil eines Verkleidungselements (200), insbesondere eines Stoßfängers, ausgebildet ist, wobei das Gehäuse (180) an eine Innenfläche des Verkleidungselementes (200) derart angebunden ist, dass der elektroakustische Wandler von außen nicht sichtbar ist.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (240) eine im Vergleich zu umgebenden Bereichen des Verkleidungselements (200) eine geringere Materialstärkeaufweist, wobei insbesondere ein Verhältnis zwischen einem Durchmesser der Platte der Dicke der Platte von etwa 10/1 vorliegt.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (120) mittels einer Lagerstruktur (170) an dem Gehäuse (180) befestigt ist.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das stabförmige Element (145) mittels einer Lagerstruktur (175) an dem Gehäuse (180) gehalten ist, wobei die Lagerstruktur (175) insbesondere auf einer Höhe (h) des stabförmigen Elements (145) angeordnet ist, die einem Schwingungsknoten einer Resonanzschwingung der schwingenden Struktur (110) entspricht.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das stabförmige Element (145) eine sich in
Richtung der mit der Membran (120) verbundenen ersten Oberfläche (141) und/oder in Richtung der mit der Platte (240) verbundenen
Stirnfläche (146) verringernde Querschnittsfläche aufweist.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das stabförmige Element (145) an seiner der Platte (240) zugewandten Stirnfläche (146) mindestens ein Montagehilfeelement (148) aufweist, das als Vertiefung oder Erhöhung ausgebildet ist, wobei die Platte (240) an ihrer der Stirnfläche (146) zugewanden Oberfläche (246) mindestens ein komplementäres Montagehilfeelement (248) aufweist, wobei durch das Ineinandergreifen der Montagehilfeelemente (148, 248) eine vorgesehene, insbesondere zentrische, Positionierung des stabförmigen Elements (145) und der Platte (240) erzielt ist.
10. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (150) viereckig oder kreisförmig oder ringförmig oder elliptisch oder beliebig ausgebildet ist und vollflächig mit der Membran (120) verklebt ist.
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