WO2019137784A1 - Ultraschallsensoranordnung für ein kraftfahrzeug mit elementen zur reduzierung einer ausbreitung von biegewellen sowie dazugehöriges herstellungsverfahren - Google Patents

Ultraschallsensoranordnung für ein kraftfahrzeug mit elementen zur reduzierung einer ausbreitung von biegewellen sowie dazugehöriges herstellungsverfahren Download PDF

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WO2019137784A1
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ultrasonic sensor
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ultrasonic
sensor arrangement
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Felix Haering
Sylvio Salomon
Ceren TAUTZ
Wolfgang Hamm
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Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh
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    • G01S2015/938—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles sensor installation details in the bumper area

Definitions

  • Ultrasonic sensor arrangement for a motor vehicle with elements for reducing the propagation of bending waves and associated production method
  • the present invention relates to an ultrasonic sensor assembly for a motor vehicle with a vehicle component and with an ultrasonic sensor, which with the
  • the ultrasonic sensor is designed to be a
  • Vehicle component has a plurality of elements for reducing propagation of structure-borne noise in the vehicle component as a result of transmitting the ultrasonic signal and / or receiving the ultrasonic signal. Moreover, the present invention relates to a method for producing such an ultrasonic sensor arrangement.
  • the interest here is directed to ultrasonic sensors for motor vehicles.
  • ultrasonic sensors are used for example in driver assistance systems, in particular in so-called parking assistance systems, in order to assist the driver when parking the motor vehicle.
  • the ultrasonic sensors measure distances between the motor vehicle on the one hand and the objects located in its surroundings on the other hand. By means of a membrane, an ultrasonic signal is emitted, which is then emitted from the object in the surrounding area of the
  • Membrane is excited by the received ultrasonic signal, the likewise excited transducer element generates a received signal, which can be evaluated in terms of the distances to be detected.
  • the distance measurement is carried out as a function of the transit time of the emitted ultrasonic signal.
  • the interest is directed in particular to so-called concealed ultrasonic sensors.
  • the ultrasonic sensors are arranged behind a vehicle component, for example a bumper or a metallic body component, of the motor vehicle.
  • the ultrasonic sensors are for one
  • the membrane of the ultrasonic sensors is usually attached to a rear side of the vehicle component, which the viewer remote from the motor vehicle.
  • the ultrasonic signal is transmitted through the vehicle component and the ultrasonic signal reflected by the object is received through the vehicle component.
  • the covert installation of ultrasonic sensors is currently associated with the disadvantage that, in particular during the transmission process, strong oscillations are generated in the coupled vehicle component. As a result, these oscillations propagate in the vehicle component and are transmitted over an unacceptably long period of time to those now acting as receivers
  • Ultrasonic sensor reflected back These oscillations or the propagating structure-borne noise can lead to strong interference signals and superimpose the detection of the useful signal, which describes the ultrasonic signal reflected by the object.
  • the ultrasonic sensor is therefore "blind" over a long time range after the transmission process, so that in particular objects in the near range can not be detected.
  • a cladding device for a motor vehicle having a cladding part which has a receiving region for arranging an ultrasound sensor, and with a damping device for damping an oscillation generated as a result of an ultrasound signal emitted by the ultrasound sensor. It is provided that the damping device surrounds the receiving area at least partially.
  • the damping device has a plurality of moving elements, which are connected to the covering part. In this case, a respective shape and / or a mechanical property of the movement elements is designed such that at least a part of the movement elements can be excited by the oscillation to a movement.
  • DE 10 2015 1 13 195 A1 describes a trim arrangement for a motor vehicle, which comprises a trim part and an ultrasonic sensor.
  • the cowling has a damping device for damping vibration of the cowling.
  • the damping device has a plurality of passage openings, which are arranged along a polyline and which divides the trim part into a first area, in which the ultrasonic sensor is arranged, and a second area surrounding the first area. It is preferably provided that dimensions of the respective passage openings and / or distances between the passage openings are determined such that the transmitted from the first to the second region structure-borne noise is destructively superimposed. It is an object of the present invention to provide a solution, such as a
  • Ultrasonic sensor arrangement for a motor vehicle having an ultrasonic sensor connected to a vehicle component can be operated reliably.
  • Ultrasonic sensor arrangement preferably an ultrasonic sensor, which is in particular connected to the vehicle component.
  • the ultrasonic sensor is in particular designed to emit an ultrasonic signal through the vehicle component and / or to receive an ultrasonic signal through the vehicle component.
  • the vehicle component preferably comprises a plurality of elements for reducing a propagation of structure-borne noise in the vehicle component as a result of transmitting the ultrasound signal and / or receiving the ultrasound signal.
  • the plurality of elements is preferably formed, which in the
  • Vehicle structure propagating structure-borne sound to reflect such that the propagation of structure-borne noise is preferably reduced by a destructive interference.
  • the ultrasonic sensor is designed to emit an ultrasonic signal through the vehicle component and / or to receive an ultrasonic signal through the vehicle component.
  • the vehicle component comprises a plurality of elements for reducing propagation of structure-borne noise in the vehicle component as a result of transmitting the ultrasound signal and / or receiving the ultrasound signal.
  • the plurality of elements is designed to reflect the structure-borne noise propagating in the vehicle component in such a way that the propagation of structure-borne noise is reduced by destructive interference.
  • the ultrasonic sensor arrangement comprises the vehicle component and the ultrasonic sensor, which is arranged on the vehicle component.
  • the ultrasonic sensor arrangement on the motor vehicle is the Ultrasonic sensor hidden behind the vehicle component arranged. This means that a viewer standing in front of the motor vehicle can not see the ultrasonic sensor.
  • the vehicle component may be an outer panel part or an outer panel part of the motor vehicle, in particular a bumper.
  • the ultrasonic sensor may be arranged on the rear side of the vehicle component.
  • a membrane of the ultrasonic sensor can be connected to the vehicle component in a materially bonded manner, for example by means of an adhesive bond.
  • Ultrasonic sensor may comprise a transducer element, for example a piezoelectric element, which is connected to the membrane of the ultrasonic sensor.
  • the transducer element can be acted upon by an excitation signal, for example a time-varying electrical voltage.
  • an excitation signal for example a time-varying electrical voltage.
  • the membrane and the vehicle component which is connected to the membrane, excited to mechanical vibrations, so that the ultrasonic signal is emitted.
  • the ultrasound signal can then strike an obstacle or object in the surrounding area of the motor vehicle and be reflected by it.
  • the reflected ultrasound signal or the echo hits the vehicle component again.
  • This oscillation can be output with the transducer element in the form of the received signal.
  • Vehicle component having the plurality of elements. These elements are used to attenuate the structure-borne noise, which propagate as a result of the transmission and / or reception of the ultrasonic signal within the vehicle component. In particular, the elements serve to reduce the propagation of bending waves caused by structure-borne noise.
  • the vehicle component according to the invention additionally comprises the elements which are on the
  • Vehicle component are applied or may be part of the vehicle component.
  • the respective elements are designed such that the propagating bending waves are reflected at the elements or in the region of the elements.
  • Vehicle component with the elements differs from vehicle components or trim parts, in which passage openings are provided.
  • a vehicle component having a plurality of through holes the
  • Propagation of structure-borne noise by preventing respective shares of the Structure-borne noise, which propagate through the areas between through holes, are reduced by superposition.
  • the elements according to the invention also have the advantage that they do not entail any aesthetic disadvantages in comparison with through-openings.
  • the respective bending waves which propagate in the direction of the elements can be extinguished or at least damped by the bending waves reflected by the respective elements.
  • the propagation of the respective bending waves can be attenuated starting from the ultrasonic sensor in different spatial directions.
  • the respective elements are adapted to the bending waves with respect to their spatial dimension, their material properties and / or their arrangement on the vehicle component.
  • the mechanical properties and / or the geometric configurations of the vehicle component can be taken into account.
  • corresponding tests, calculations and / or simulations can be carried out.
  • the fact that the propagation of the bending waves is reduced by the respective elements, the unwanted structure-borne sound propagation in the vehicle component can be reduced or prevented. This can ideally be prevented that the
  • the ultrasonic sensor assembly can be operated safer and more reliable.
  • the plurality of elements is formed, a spread of
  • Operating frequency of the emitted ultrasonic signal and / or the received ultrasonic signal have to suppress.
  • a change is made between regions of the vehicle component on which an element is respectively arranged and regions of the vehicle component which are free of elements a wave impedance results, which leads to the reflection of the bending waves.
  • a wave impedance results, which leads to the reflection of the bending waves.
  • Wave impedance there are local areas in the vehicle component at which the wave impedance for the propagation of the bending waves changes. At these local areas, the propagating bending waves are reflected. These local areas result from the arrangement of the elements. Thus, by the arrangement of the elements destructive interference can be achieved.
  • the wave impedances for the propagation of the bending waves is determined such that a dispersion relation for the bending waves at the operating frequency has a band gap.
  • the dispersion relation for the bending waves in the vehicle component is to be influenced such that a band gap arises around the operating frequency of the coupled-in ultrasonic sensor. This can cause the bending waves can no longer propagate at this operating frequency, but even on short length scales, which are in particular smaller than the dimensions of the vehicle component, even extinguish.
  • the dispersion relation describes the relationship between the frequency and the wavelength of the bending waves. In other words, the dispersion relation describes that the propagation velocity of the bending waves is frequency-dependent.
  • a frequency range can be determined for which a propagation of the bending waves is omitted or at least significantly reduced.
  • This frequency range can also be referred to as bandgap.
  • the dispersion relation in the vehicle component is manipulated in such a way that the operating frequency of the ultrasonic sensor lies within the band gap or the frequency range.
  • the operating frequency of the ultrasonic sensor may be in the range of 50 kHz. Consequently, the at
  • the plurality of elements is in one
  • the ultrasonic sensor at least
  • the vehicle component may have a receiving region, on which the ultrasonic sensor or the membrane of the ultrasonic sensor can be arranged.
  • the membrane of the ultrasonic sensor can, for example be cup-shaped and a membrane bottom and a membrane wall
  • Vehicle components are attached.
  • the area in which the plurality of elements are arranged can be defined.
  • This area which is located on the rear side of the vehicle component, may be, for example, round, square, rectangular or elliptical. In this way it can be achieved that the propagating bending waves are extinguished within the range or at least significantly reduced in their amplitude.
  • the plurality of elements is arranged such that in each case adjacent elements have the same distance from each other.
  • the respective elements may be arranged periodically in the region.
  • the elements in the area are arranged periodically. This phenomenon is known, for example, from semiconductor physics, where the periodically arranged atoms generate an (energy) band gap for the electrons.
  • the elements may be arranged in the region of grid-shaped or grid-shaped. In this way, the propagation of the bending waves can be effectively prevented.
  • the distance between the adjacent elements corresponds to one half of a wavelength of bending waves, which by the
  • Bending waves can be suppressed particularly effective if the distance between the adjacent elements or the lattice constant of half the wavelength of the bending waves at the operating frequency of the ultrasonic sensor corresponds.
  • the wavelength of the bending wave in a vehicle component made of an aluminum sheet having a thickness of 1 mm is about 12 mm.
  • the distance between the adjacent elements would be about 6 mm. If the distance corresponds to half the wavelength of the bending wave, it can be achieved that the bending waves are destructively superimposed.
  • Another measure for tuning the band gap to the operating frequency of the ultrasonic sensor is the number of elements. It turned out that Already arrangements or grids of elements in which the number of elements is less than 100, can cause corresponding band gaps. If a square grid or area in which the elements are arranged is assumed to have a distance between the adjacent elements of 6 mm, an area of 6 ⁇ 6 cm 2 results for 100 elements.
  • a natural frequency of the respective elements corresponds to an operating frequency of the emitted ultrasonic signal and / or of the received ultrasonic signal.
  • tests or calculations have shown that the propagation of the bending waves can be suppressed particularly effectively if the elements themselves have a natural frequency in the range of the operating frequency of the ultrasonic sensor.
  • Ultrasonic sensor arrangement have the lowest possible temperature dependence, to allow reliable operation.
  • the plurality of elements is integrally connected to the vehicle component.
  • the respective elements may for example be formed from a metal, a ceramic or a plastic. It can also be provided that the respective elements are formed from an elastic material, for example rubber, an elastomer or the like.
  • the vehicle component may be formed of a plastic or of a metal. In this case, the respective elements by gluing, welding, soldering or the like can be connected to the vehicle component. It can also be provided that the respective elements are fastened to the vehicle component by means of a spraying process.
  • the plurality of elements is formed integrally with the vehicle component.
  • the vehicle component together with the respective elements by means of a forming process and / or
  • the respective elements can be realized in the form of stiffening elements or targeted thickening in the material of the vehicle component. For example, additional targeted, defined masses can be applied by the respective elements. It is preferably provided that the respective elements are cylindrical or cuboid. Basically, the shape of the respective
  • the respective elements are constructed identical.
  • the elements may be cylindrical and have a diameter in the range between 1 mm and 5 mm, preferably between 2 mm and 4 mm, in particular 3 mm.
  • the height of the elements can be between 1 mm and 10 mm, preferably between 3 mm and 7 mm, in particular 5 mm.
  • the ultrasonic sensor arrangement has a
  • Damping device for damping the propagation of structure-borne noise
  • This damping device can surround the region in which the plurality of elements is arranged, at least in regions.
  • the damping device may be annular.
  • This damping device may be made of a soft elastic material, such as a silicone or a butyl rubber. Thus, a possibly required residual attenuation can be realized, which additionally counteracts the propagation of the bending waves.
  • the vehicle component may be designed, for example, as a bumper, as a wheel arch trim or as an outer panel part for the motor vehicle.
  • the vehicle component may be part of a door of the motor vehicle.
  • the vehicle component may be a door panel.
  • the vehicle component may also be arranged in an interior of the motor vehicle and be designed, for example, as an interior trim part.
  • a motor vehicle according to the invention comprises an inventive
  • Ultrasonic sensor array It can be provided that several
  • Ultrasonic sensors are arranged on a vehicle component.
  • Ultrasonic sensors is then associated with the plurality of elements.
  • Motor vehicle may be a passenger car or a commercial vehicle.
  • the respective ultrasonic sensors of the ultrasonic sensor arrangement can be part of a driver assistance system of the motor vehicle.
  • the driver assistance system can be a parking assistance system which assists the driver when parking and / or parking the motor vehicle out of a parking space.
  • Driver assistance system can also be a so-called door opening assistant, by means of which objects can be detected in a swivel range or opening range of a door.
  • An inventive method is used to produce a
  • Ultrasonic sensor arrangement for a motor vehicle.
  • a vehicle component is connected to an ultrasound sensor, wherein the ultrasound sensor is designed to emit and / or input an ultrasound signal through the vehicle component
  • the plurality of elements is formed such that the propagating in the vehicle component structure-borne sound is reflected such that the
  • Propagation of structure-borne noise is reduced by a destructive interference.
  • Fig. 1 shows a motor vehicle, which has a plurality of
  • Ultrasonic sensor assemblies comprises;
  • the ultrasonic sensor arrangement comprises an ultrasonic sensor, a vehicle component and a plurality of elements for reducing propagation of bending waves in the vehicle component;
  • FIG. 3 shows a dispersion relation which shows a relationship between the
  • FIG. 4 shows an ultrasonic sensor arrangement according to a further embodiment in a schematic plan view.
  • Fig. 1 shows a motor vehicle 1, which is designed as a passenger car, in a plan view.
  • the motor vehicle includes a driver assistance system 2, which serves to assist a driver when driving the motor vehicle.
  • Driver assistance system 2 may be formed, for example, as a parking aid system, which supports the driver when parking in a parking space and / or when parking out of a parking space.
  • the driver assistance system 2 comprises an ultrasound sensor 4.
  • the driver assistance system 2 comprises twelve ultrasound sensors 4.
  • Six ultrasound sensors 4 are arranged in a front region 6 of the motor vehicle 1 and six ultrasound sensors 4 in a rear region 7 of the motor vehicle 1.
  • Ultrasonic signals can be emitted with the respective ultrasonic sensors 4 and the ultrasonic signals reflected by an object 8 in a surrounding area 9 of the motor vehicle 1 are received again. Based on the transit time between the emission of the ultrasound signal and the reception of the object 8 reflected ultrasonic signal can then be the respective distance between the
  • Ultrasonic sensor 4 and the object 8 are determined. With the respective
  • Ultrasonic sensors receiving signals can be provided, which describes the reflected from the object 8 ultrasonic signal.
  • the respective received signals can be transmitted from the ultrasonic sensors 4 to an electronic control unit 3 of the
  • Driver assistance system 2 are transmitted. With the help of the control unit 3 can then be checked on the basis of the received signals, whether an object 8 in the
  • Surrounding area 9 is located and at which position the object 8 in the
  • the respective ultrasonic sensors 4 are concealed behind a present
  • Vehicle component 10 of the motor vehicle 1 is arranged.
  • the vehicle component in the present case is the bumper of the motor vehicle.
  • the vehicle component in the present case is the bumper of the motor vehicle.
  • Ultrasonic sensors 4 arranged so that they can not be detected for a viewer who is in front of or behind the motor vehicle 1.
  • the ultrasonic signal is transmitted through the vehicle component.
  • the ultrasonic signal reflected by the object 8 is received through the vehicle component 10.
  • At least one ultrasonic sensor 4 together with the lining part 10 forms an ultrasonic sensor arrangement 1 1.
  • Such an ultrasonic sensor arrangement 11 according to a first embodiment is shown schematically in FIG. It can be seen here that the ultrasonic sensor 4 has a diaphragm 12, which in the
  • Essentially pot-shaped may be formed.
  • Ultrasonic sensor 4 a housing 13 and a connector housing 14.
  • the membrane 12 of the ultrasonic sensor 4 is cohesively connected to an inner side 15 of the vehicle component 10.
  • a transducer element not shown here
  • the ultrasonic sensor assembly 1 1 includes a plurality of elements 16th
  • the dispersion relation for the bending waves in the vehicle component 10 is to be influenced such that a band gap 17 arises around an operating frequency f1 of the coupled ultrasonic sensor 4.
  • a band gap 17 arises around an operating frequency f1 of the coupled ultrasonic sensor 4.
  • the dispersion relation for the propagation of the bending waves in the vehicle component 10 is influenced such that the operating frequency f1 lies in the region of the band gap 17.
  • the operating frequency of the ultrasound sensor corresponds to the frequency of the emitted ultrasound signal or of the ultrasound signal reflected by the object 8.
  • the operating frequency of the ultrasonic sensor 4 is in the range of 50 kHz.
  • the elements 16 are provided, on which the respective bending waves which propagate from the ultrasonic sensor 4 in the vehicle component are reflected so that a destructive interference occurs.
  • Working frequency f1 of the ultrasonic sensor 4 tunes.
  • a distance a between adjacent elements can be defined. For example, the distance a between the elements 16 of one half of the
  • Wavelength of the bending waves at the operating frequency f1 correspond.
  • the bending wavelength is one
  • Vehicle component 10 with a thickness of 1 mm about 12 mm. There, the distance a between adjacent elements 16 is about 6 mm.
  • the plurality of elements 16 is arranged periodically in a grid. This is illustrated in connection with FIG. 4. It can be seen here that the respective elements 16 are arranged in a region 18 which surrounds the ultrasonic sensor 4. If the elements 16 are arranged in a grid, wherein adjacent elements each have the same distance a from one another. The region 18 surrounds a receiving region 19, in which the ultrasonic sensor 4 is arranged.
  • the shape of the region 18 is chosen rectangular in the present case.
  • the shape of the region may also be circular, elliptical, hexagonal or the like.
  • the dimensions and the distance a between the elements 16 according to FIG. 4 are to be understood by way of example.
  • the respective elements 16 can For example, be cylindrical and have a diameter of about 3 mm and a height in the range of 5 mm.
  • the respective elements 16 may be formed from a metal, for example aluminum, or from an elastic material, for example a rubber or another softer material. It has proven to be particularly effective if the elements 16 themselves have a natural frequency in the range of the operating frequency f1 of the ultrasonic sensor 4.
  • the operating frequency f1 of the ultrasonic sensor is usually in the range of 50 kHz.
  • the natural frequency of the respective elements 16 may be determined based on the material and / or the shape of the elements.
  • the elements 16 may be integrally formed with the vehicle component 10. Alternatively, the respective elements 16 can be integrally connected to the vehicle component 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsensoranordnung (11) für ein Kraftfahrzeug (1), mit einem Fahrzeugbauteil (10) und mit einem Ultraschallsensor (4), welcher mit dem Fahrzeugbauteil (10) verbunden ist, wobei der Ultraschallsensor (4) dazu ausgelegt ist, ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil (10) hindurch auszusenden und/oder ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil (10) hindurch zu empfangen und wobei das Fahrzeugbauteil (10) eine Mehrzahl von Elementen (16) zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil (10) in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals aufweist, wobei die Mehrzahl von Elementen (16) ausgebildet ist, den sich in dem Fahrzeugbauteil (10) ausbreitenden Körperschall derart zu reflektieren, dass die Ausbreitung des Körperschalls durch eine destruktive Interferenz reduziert wird.

Description

Ultraschallsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug mit Elementen zur Reduzierung einer Ausbreitung von Biegewellen sowie dazugehöriges Herstellungsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrzeugbauteil und mit einem Ultraschallsensor, welcher mit dem
Fahrzeugteil verbunden ist. Dabei ist der Ultraschallsensor dazu ausgelegt, ein
Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch auszusenden und/oder ein
Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch zu empfangen. Das
Fahrzeugbauteil weist eine Mehrzahl von Elementen zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder Empfangen des Ultraschallsignals auf. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Ultraschallsensoranordnung.
Das Interesse richtet sich vorliegend auf Ultraschallsensoren für Kraftfahrzeuge.
Derartige Ultraschallsensoren werden beispielsweise in Fahrerassistenzsystemen, insbesondere in sogenannten Parkhilfesystemen, eingesetzt, um den Fahrer beim Einparken des Kraftfahrzeugs zu unterstützen. Die Ultraschallsensoren messen dabei Abstände zwischen dem Kraftfahrzeug einerseits und den in seiner Umgebung befindlichen Objekten andererseits. Mittels einer Membran wird ein Ultraschallsignal ausgesendet, welches dann von dem Objekt in dem Umgebungsbereich des
Kraftfahrzeugs reflektiert wird und wieder zu dem Ultraschallsensor gelangt, und zwar in Form eines Echos. Dieses Ultraschallsignal wird mit Hilfe der Membran empfangen. Zum Aussenden des Ultraschallsignals wird die Membran mittels eines Wandlerelements, beispielsweise eines piezoelektrischen Elements, angeregt. Wenn umgekehrt die
Membran durch das empfangene Ultraschallsignal angeregt wird, erzeugt das ebenfalls angeregte Wandlerelement ein Empfangssignal, welches im Hinblick auf die zu detektierenden Abstände ausgewertet werden kann. Dabei erfolgt die Abstandsmessung in Abhängigkeit von der Laufzeit des ausgesendeten Ultraschallsignals.
Vorliegend richtet sich das Interesse insbesondere auf sogenannte verdeckt verbaute Ultraschallsensoren. Hierbei sind die Ultraschallsensoren hinter einem Fahrzeugbauteil, beispielsweise einem Stoßfänger oder einem metallischen Karosseriebauteil, des Kraftfahrzeugs angeordnet. In diesem Fall sind die Ultraschallsensoren für einen
Betrachter, der sich außerhalb des Kraftfahrzeugs befindet, von außen nicht sichtbar. Bei den verdeckt verbauten Ultraschallsensoren wird die Membran der Ultraschallsensoren üblicherweise an einer Rückseite des Fahrzeugbauteils befestigt, welche dem Betrachter außerhalb des Kraftfahrzeugs abgewandt ist. In diesem Fall wird das Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch ausgesendet und das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch empfangen. Der verdeckte Verbau von Ultraschallsensoren geht aktuell mit dem Nachteil einher, dass insbesondere beim Sendevorgang starke Oszillationen im angekoppelten Fahrzeugbauteil erzeugt werden. Diese Oszillationen breiten sich in der Folge im Fahrzeugbauteil aus und werden über einen inakzeptabel langen Zeitraum auf den nun als Empfänger agierenden
Ultraschallsensor zurückreflektiert. Diese Oszillationen beziehungsweise der sich ausbreitende Körperschall kann zu starken Störsignalen führen und die Detektion des Nutzsignals, welches das von dem Objekt reflektierte Ultraschallsignal beschreibt, überlagern. Der Ultraschallsensor ist also über einen langen Zeitbereich nach dem Sendevorgang„blind“, sodass insbesondere Objekte im Nahbereich nicht detektiert werden können.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 10 2014 1 1 1 947 A1 eine
Verkleidungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Verkleidungsteil, welches einen Aufnahmebereich zum Anordnen eines Ultraschallsensors aufweist, und mit einer Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen einer in Folge eines durch den Ultraschallsensor ausgesendeten Ultraschallsignals erzeugten Schwingung. Dabei ist es vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung den Aufnahmebereich zumindest bereichsweise umgibt. Die Dämpfungseinrichtung weist eine Mehrzahl von Bewegungselementen auf, die mit dem Verkleidungsteil verbunden sind. Dabei ist eine jeweilige Formgebung und/oder eine mechanische Eigenschaft der Bewegungselemente derart ausgelegt, dass zumindest ein Teil der Bewegungselemente durch die Schwingung zu einer Bewegung anregbar ist.
Des Weiteren beschreibt die DE 10 2015 1 13 195 A1 eine Verkleidungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, welche ein Verkleidungsteil und einen Ultraschallsensor umfasst. Das Verkleidungsteil weist eine Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen einer Schwingung des Verkleidungsteils auf. Dabei ist es vorgesehen, dass die Dämpfungseinrichtung eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen aufweist, welche entlang eines Linienzugs angeordnet sind und welche das Verkleidungsteil in einen ersten Bereich, in welchem der Ultraschallsensor angeordnet ist, und einen den ersten Bereich umgebenden zweiten Bereich einteilt. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass Abmessungen der jeweiligen Durchgangsöffnungen und/oder Abstände zwischen den Durchgangsöffnungen derart bestimmt sind, dass der von dem ersten in den zweiten Bereich übertragene Körperschall destruktiv überlagert wird. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie eine
Ultraschallsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug, die einen mit einem Fahrzeugbauteil verbundenen Ultraschallsensor aufweist, zuverlässiger betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ultraschallsensoranordnung sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Ultraschallsensoranordnung für ein
Kraftfahrzeug ein Fahrzeugbauteil. Des Weiteren umfasst die
Ultraschallsensoranordnung bevorzugt einen Ultraschallsensor, welcher insbesondere mit dem Fahrzeugbauteil verbunden ist. Der Ultraschallsensor ist insbesondere dazu ausgelegt, ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch auszusenden und/oder ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch zu empfangen.
Darüber hinaus umfasst das Fahrzeugbauteil bevorzugt eine Mehrzahl von Elementen zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals. Dabei ist die Mehrzahl von Elementen bevorzugt ausgebildet, den sich in dem
Fahrzeugbauteil ausbreitenden Körperschall derart zu reflektieren, dass die Ausbreitung des Körperschalls bevorzugt durch eine destruktive Interferenz reduziert wird.
Eine erfindungsgemäße Ultraschallsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst ein Fahrzeugbauteil und einen Ultraschallsensor, welcher mit dem Fahrzeugbauteil verbunden ist. Dabei ist der Ultraschallsensor dazu ausgelegt, ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch auszusenden und/oder ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch zu empfangen. Des Weiteren umfasst das Fahrzeugbauteil eine Mehrzahl von Elementen zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals. Dabei ist die Mehrzahl von Elementen dazu ausgebildet, den sich in dem Fahrzeugbauteil ausbreitenden Körperschall derart zu reflektieren, dass die Ausbreitung des Körperschalls durch eine destruktive Interferenz reduziert wird.
Die Ultraschallsensoranordnung umfasst das Fahrzeugbauteil und den Ultraschallsensor, welcher an dem Fahrzeugbauteil angeordnet ist. Bei der bestimmungsgemäßen
Anordnung der Ultraschallsensoranordnung an dem Kraftfahrzeug ist der Ultraschallsensor verdeckt hinter dem Fahrzeugbauteil angeordnet. Dies bedeutet, dass ein Betrachter, welcher vor dem Kraftfahrzeug steht, den Ultraschallsensor nicht sehen kann. Bei dem Fahrzeugbauteil kann es sich um ein Außenverkleidungsteil oder ein Außenbeplankungsteil des Kraftfahrzeugs, insbesondere um einen Stoßfänger, handeln. Der Ultraschallsensor kann auf der Rückseite des Fahrzeugbauteils angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Membran des Ultraschallsensors stoffschlüssig, beispielsweise mittels einer Klebeverbindung, mit dem Fahrzeugbauteil verbunden sein. Der
Ultraschallsensor kann ein Wandlerelement, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, aufweisen, welches mit der Membran des Ultraschallsensors verbunden ist. Das Wandlerelement kann mit einem Anregungssignal, beispielsweise einer zeitlich veränderlichen elektrischen Spannung, beaufschlagt werden. Daraufhin werden die Membran und das Fahrzeugbauteil, welches mit der Membran verbunden ist, zu mechanischen Schwingungen angeregt, sodass das Ultraschallsignal ausgesendet wird. Das Ultraschallsignal kann dann auf ein Hindernis beziehungsweise Objekt in dem Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs treffen und von diesem reflektiert werden. Das reflektierte Ultraschallsignal beziehungsweise das Echo trifft dann wieder auf das Fahrzeugbauteil. Hierdurch werden das Fahrzeugbauteil und die Membran wieder zum Schwingen angeregt. Diese Schwingung kann mit dem Wandlerelement in Form des Empfangssignals ausgegeben werden.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass das
Fahrzeugbauteil die Mehrzahl von Elementen aufweist. Diese Elemente dienen dazu, den Körperschall, welcher sich in Folge des Aussendens und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals innerhalb des Fahrzeugbauteils ausbreiten, zu dämpfen. Insbesondere dienen die Elemente dazu, die Ausbreitung von Biegewellen, die durch den Körperschall bewirkt sind, zu reduzieren. Im Vergleich zu bekannten Fahrzeugbauteilen weist das erfindungsgemäße Fahrzeugbauteil zusätzlich die Elemente auf, die auf das
Fahrzeugbauteil aufgebracht sind oder Teil des Fahrzeugbauteils sein können.
Insbesondere beim Aussenden des Ultraschallsignals breiten sich Köperschall und insbesondere Biegewellen innerhalb des Fahrzeugbauteils aus. Dabei sind die jeweiligen Elemente derart ausgebildet, dass die sich ausbreitenden Biegewellen an den Elementen beziehungsweise im Bereich der Elemente reflektiert werden. Dabei werden die
Biegewellen derart reflektiert, dass eine destruktive Interferenz stattfindet. Das
Fahrzeugbauteil mit den Elementen unterscheidet sich von Fahrzeugbauteilen beziehungsweise von Verkleidungsteilen, bei welchen Durchgangsöffnungen vorgesehen sind. Bei einem Fahrzeugbauteil mit mehreren Durchgangsöffnungen wird die
Ausbreitung von Körperschall dadurch verhindert, dass jeweiligen Anteile des Körperschalls, welche sich durch die Bereiche zwischen Durchgangsöffnungen ausbreiten, durch Überlagerung verringert werden. An den erfindungsgemäßen
Elementen, welche zusätzlich auf das Fahrzeugbauteil aufgebracht werden, werden die Beigewellen so reflektiert, dass diese durch destruktive Interferenz ausgelöscht werden können. Es hat sich herausgestellt, dass Biegewellen (auch Lamb-Wellen genannt) im Anwendungsfall der verdeckten Ultraschallsensorik den weitaus größten Anteil an den störenden Schwingungen haben. Daher gilt es vorwiegend, diese Biegewellen
beziehungsweise deren Ausbreitung mittels der Elemente zu unterdrücken. Durch die erfindungsgemäßen Elemente ergibt sich zudem der Vorteil, dass diese im Vergleich zu Durchgangsöffnungen keine ästhetischen Nachteile mit sich bringen.
Durch die Elemente können die jeweiligen Biegewellen, die sich in Richtung der Elemente ausbreiten durch die von den jeweiligen Elementen reflektierten Biegewellen ausgelöscht oder zumindest gedämpft werden. Dadurch, dass das Fahrzeugbauteil eine Mehrzahl von Elementen aufweist, kann beispielsweise die Ausbreitung der jeweiligen Biegewellen ausgehend von dem Ultraschallsensor in unterschiedliche Raumrichtungen gedämpft werden. Dabei werden die jeweiligen Elemente bezüglich ihrer räumlichen Abmessung, ihrer Materialeigenschaft und/oder ihrer Anordnung auf dem Fahrzeugbauteil an die Biegewellen angepasst. Hierbei können auch die mechanischen Eigenschaften und/oder die geometrischen Ausgestaltungen des Fahrzeugbauteils berücksichtigt werden. Um die Ausgestaltung der jeweiligen Elemente bestimmen zu können, können entsprechende Versuche, Berechnungen und/oder Simulationen durchgeführt werden. Dadurch, dass die Ausbreitung der Biegewellen durch die jeweiligen Elemente reduziert wird, kann die unerwünschte Körperschallausbreitung in dem Fahrzeugbauteil vermindert oder unterbunden werden. Hierdurch kann idealerweise verhindert werden, dass die
Biegewellen, die in dem Fahrzeugbauteil reflektiert werden, fälschlicherweise als
Reflexion des Ultraschallsignals an dem Objekt in dem Umgebungsbereich des
Kraftfahrzeugs erkannt werden oder, dass der jeweilige Ultraschallsensor blind ist.
Insgesamt kann somit die Ultraschallsensoranordnung sicherer und zuverlässiger betrieben werden.
Bevorzugt ist die Mehrzahl von Elementen ausgebildet, eine Ausbreitung von
Biegewellen, welche durch den Körperschall bewirkt sind und welche eine
Arbeitsfrequenz des ausgesendeten Ultraschallsignals und/oder des empfangenen Ultraschallsignals aufweisen, zu unterdrücken. Es ist insbesondere vorgesehen, dass zwischen Bereichen des Fahrzeugbauteils, an welchen jeweils ein Element angeordnet ist, und Bereichen des Fahrzeugbauteils, welche frei von Elementen sind, eine Änderung einer Wellenimpedanz ergibt, welche zur Reflexion der Biegewellen führt. Zwischen den Bereichen des Fahrzeugbauteils, die nicht von den Elementen besetzt sind, und den Bereichen, die von Elementen besetzt sind, gibt es einen Unterschied in der
Wellenimpedanz. Es gibt also lokale Bereiche in dem Fahrzeugbauteil, an welchen sich die Wellenimpedanz für die Ausbreitung der Biegewellen ändert. An diesen lokalen Bereichen werden die sich ausbreitenden Biegewellen reflektiert. Diese lokalen Bereiche ergeben sich durch die Anordnung der Elemente. Somit kann durch die Anordnung der Elemente die destruktive Interferenz erreicht werden.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Wellenimpedanzen für die Ausbreitung der Biegewellen derart bestimmt ist, dass eine Dispersionsrelation für die Biegewellen bei der Arbeitsfrequenz eine Bandlücke aufweist. Um die Ausbreitung der Biegewellen zu unterdrücken, soll die Dispersionsrelation für die Biegewellen im Fahrzeugbauteil so beeinflusst werden, dass um die Arbeitsfrequenz des eingekoppelten Ultraschallsensors herum eine Bandlücke entsteht. Dadurch kann bewirkt werden, dass sich die Biegewellen mit dieser Arbeitsfrequenz nicht mehr ausbreiten können, sondern sich auf kurzen Längenskalen, welche insbesondere kleiner als die Abmessungen des Fahrzeugbauteils sind, selbst auslöschen. Dabei beschreibt die Dispersionsrelation den Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Wellenlänge der Biegewellen. Mit anderen Worten beschreibt die Dispersionsrelation, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Biegewellen frequenzabhängig ist. Anhand der Dispersionsrelation kann ein Frequenzbereich bestimmt werden, für welchen eine Ausbreitung der Biegewellen unterbleibt oder zumindest deutlich reduziert ist. Dieser Frequenzbereich kann auch als Bandlücke bezeichnet werden. Vorliegend wird die Dispersionsrelation in dem Fahrzeugbauteil dahingehend manipuliert, dass die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors innerhalb der Bandlücke beziehungsweise des Frequenzbereichs liegt. Die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors kann im Bereich von 50 kHz liegen. Folglich werden die beim
Sendevorgang und/oder beim Empfangsvorgang erzeugten Biegewellen nicht mehr oder zumindest nur noch mit stark verminderter Amplitude an den Ultraschallsensor zurückreflektiert, sodass der Ultraschallsensor viel schneller zur Objektdetektion verwendet werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Mehrzahl von Elementen in einem
vorbestimmten Bereich angeordnet, welcher den Ultraschallsensor zumindest
bereichsweise umgibt. Das Fahrzeugbauteil kann einen Aufnahmebereich aufweisen, an welchem der Ultraschallsensor beziehungsweise die Membran des Ultraschallsensors angeordnet werden kann. Die Membran des Ultraschallsensors kann beispielsweise topfförmig ausgebildet sein und einen Membranboden und eine Membranwand
aufweisen. Dabei kann der Membranboden an dem Aufnahmebereich des
Fahrzeugbauteils befestigt werden. Um diesen Aufnahmebereich herum kann der Bereich definiert werden, in welchem die Mehrzahl von Elementen angeordnet ist. Dieser Bereich, welcher sich auf der Rückseite des Fahrzeugbauteils befindet, kann beispielsweise rund, quadratisch, rechteckig oder elliptisch ausgebildet sein. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die sich ausbreitenden Biegewellen innerhalb des Bereichs ausgelöscht werden oder zumindest in ihrer Amplitude deutlich reduziert werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Mehrzahl von Elementen derart angeordnet ist, dass jeweils benachbarte Elemente den gleichen Abstand zueinander aufweisen. Mit anderen Worten können die jeweiligen Elemente in dem Bereich periodisch angeordnet sein. Wie zuvor erläutert, ist es nötig, die Wellenimpedanz für Biegewellen auf dem Fahrzeugbauteil gezielt zu manipulieren, um die Dispersionsrelation zu beeinflussen. Dabei hat sich herausgestellt, dass insbesondere eine periodische Modulierung effektiv ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Elemente in dem Bereich periodisch angeordnet sind. Dieses Phänomen kennt man beispielsweise aus der Halbleiterphysik, wo die periodisch angeordneten Atome eine (Energie-)Bandlücke für die Elektronen erzeugen.
Insbesondere können die Elemente in dem Bereich gitterförmig oder rasterförmig angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Ausbreitung der Biegewellen auf effektive Weise verhindert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung entspricht der Abstand zwischen den benachbarten Elementen einer Hälfte einer Wellenlänge von Biegewellen, welche durch den
Körperschall bewirkt sind. Es hat sich herausgestellt, dass eine Ausbreitung der
Biegewellen besonders effektiv unterdrückt werden kann, wenn der Abstand zwischen den benachbarten Elementen beziehungsweise die Gitterkonstante der Hälfte der Wellenlänge der Biegewellen bei der Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors entspricht. Wenn der Ultraschallsensor mit einer Arbeitsfrequenz von etwa 50 kHz betrieben wird, beträgt die Wellenlänge der Biegewelle bei einem Fahrzeugbauteil, welches aus einem Aluminiumblech mit einer Dicke von 1 mm gefertigt ist, etwa 12 mm. In diesem Fall würde der Abstand zwischen den benachbarten Elementen etwa 6 mm betragen. Wenn der Abstand der halben Wellenlänge der Biegewelle entspricht, kann erreicht werden, dass sich die Biegewellen destruktiv überlagern.
Eine weitere Maßnahme zur Abstimmung der Bandlücke auf die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors ist die Anzahl der Elemente. Hierbei hat sich herausgestellt, dass bereits Anordnungen beziehungsweise Gitter von Elementen, bei denen die Anzahl der Elemente kleiner als 100 ist, entsprechende Bandlücken hervorrufen können. Wenn von einem quadratischen Gitter beziehungsweise Bereich, in welchem die Elemente angeordnet sind, bei einem Abstand zwischen den benachbarten Elementen von 6 mm ausgegangen wird, ergibt sich bei 100 Elementen eine Fläche von 6 x 6 cm2.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Eigenfrequenz der jeweiligen Elemente an eine Arbeitsfrequenz des ausgesendeten Ultraschallsignals und/oder des empfangenen Ultraschallsignals entspricht. Hierbei haben Versuche beziehungsweise Berechnungen gezeigt, dass die Ausbreitung der Biegewellen besonders effektiv unterdrückt werden kann, wenn die Elemente selbst eine Eigenfrequenz im Bereich der Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors aufweisen. Diese Eigenfrequenzen ergeben sich aus einer
Kombination aus Materialdaten und Objektgeometrie der jeweiligen Elemente. Bei gegebenem Material lässt sich die Geometrie beispielsweise durch mechanische Simulationen optimieren. Hier ist es vorteilhaft, ein Material zu wählen, bei dem die Materialparameter im relevanten Temperaturbereich für den Einsatz der
Ultraschallsensoranordnung eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit haben, um einen zuverlässigen Betrieb zu ermöglichen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Mehrzahl von Elementen stoffschlüssig mit dem Fahrzeugbauteil verbunden. Die jeweiligen Elemente können beispielsweise aus einem Metall, aus einer Keramik oder einem Kunststoff gebildet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die jeweiligen Elemente aus einem elastischen Material, beispielsweise Gummi, einem Elastomer oder dergleichen gebildet sind. Das Fahrzeugbauteil kann aus einem Kunststoff oder aus einem Metall gebildet sein. Dabei können die jeweiligen Elemente durch Kleben, Schweißen, Löten oder dergleichen mit dem Fahrzeugbauteil verbunden werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die jeweiligen Elemente mittels eines Spritzverfahrens an dem Fahrzeugbauteil befestigt werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Mehrzahl von Elementen einteilig mit dem Fahrzeugbauteil ausgebildet. Beispielsweise kann das Fahrzeugbauteil zusammen mit den jeweiligen Elementen mit Hilfe eines Umformverfahrens und/oder
Abformverfahrens hergestellt werden. Die jeweiligen Elemente können in Form von Versteifungselementen oder gezielten Verdickungen im Material des Fahrzeugbauteils realisiert werden. Beispielsweise können durch die jeweiligen Elemente gezielt zusätzliche, definierte Massen aufgebracht werden. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass die jeweiligen Elemente zylinderförmig oder quaderförmig ausgebildet sind. Grundsätzlich ist die Formgebung der jeweiligen
Elemente beliebig. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die jeweiligen Elemente baugleich ausgebildet sind. Beispielsweise können die Elemente zylindrisch ausgebildet sein und einen Durchmesser im Bereich zwischen 1 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 2 mm und 4 mm, insbesondere 3 mm, aufweisen. Die Höhe der Elemente kann zwischen 1 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 3 mm und 7 mm, insbesondere 5 mm betragen.
In einer weiteren Au sfüh rungsform weist die Ultraschallsensoranordnung eine
Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Ausbreitung des Körperschalls und
insbesondere der Biegewellen auf. Zusätzlich zu den Elementen kann die
Ultraschallsensoranordnung beziehungsweise das Fahrzeugbauteil eine
Dämpfungseinrichtung aufweisen. Diese Dämpfungseinrichtung kann den Bereich, in dem die Mehrzahl von Elementen angeordnet ist, zumindest bereichsweise umgeben. Beispielsweise kann die Dämpfungseinrichtung ringförmig ausgebildet sein. Diese Dämpfungseinrichtung kann aus einem weichelastischen Material, beispielsweise einem Silikon oder aus einem Butylkautschuk gefertigt sein. Somit kann eine eventuell erforderliche Restdämpfung realisiert werden, die der Ausbreitung der Biegewellen zusätzlich entgegenwirkt.
Das Fahrzeugbauteil kann zum Beispiel als Stoßfänger, als Radlaufverkleidung oder als Außenbeplankungsteil für das Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Fahrzeugbauteil Teil einer Tür des Kraftfahrzeugs sein. Bei dem Fahrzeugbauteil kann es sich um ein Türblech handeln. Das Fahrzeugbauteil kann auch in einem Innenraum des Kraftfahrzeugs angeordnet sein und beispielsweise als Innenverkleidungsteil ausgebildet sein.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße
Ultraschallsensoranordnung. Dabei kann es vorgesehen sein, dass mehrere
Ultraschallsensoren an einem Fahrzeugbauteil angeordnet sind. Den jeweiligen
Ultraschallsensoren ist dann die Mehrzahl von Elementen zugeordnet. Bei dem
Kraftfahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen oder um ein Nutzfahrzeug handeln. Die jeweiligen Ultraschallsensoren der Ultraschallsensoranordnung können Teil eines Fahrerassistenzsystems des Kraftfahrzeugs sein. Bei dem Fahrerassistenzsystem kann es sich um ein Parkhilfesystem handeln, welches den Fahrer beim Einparken und/oder Ausparken des Kraftfahrzeugs aus einer Parklücke unterstützt. Das
Fahrerassistenzsystem kann auch ein sogenannter Türöffnungsassistent sein, mittels welchem Objekte in einem Schwenkbereich beziehungsweise Öffnungsbereich einer Tür erkannt werden können.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Herstellen einer
Ultraschallsensoranordnung für ein Kraftfahrzeug. Hierbei wird ein Fahrzeugbauteil mit einem Ultraschallsensor verbunden, wobei der Ultraschallsensor dazu ausgelegt ist, ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch auszusenden und/oder ein
Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch zu empfangen. Zudem wird eine Mehrzahl von Elementen zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder des
Empfangens des Ultraschallsignals an dem Fahrzeugbauteil angeordnet. Dabei ist es vorgesehen, dass die Mehrzahl von Elementen derart ausgebildet wird, dass der sich in dem Fahrzeugbauteil ausbreitende Körperschall derart reflektiert wird, dass die
Ausbreitung des Körperschalls durch eine destruktive Interferenz reduziert wird.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Ultraschallsensoranordnung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte
Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Kraftfahrzeug, welches eine Mehrzahl von
Ultraschallsensoranordnungen umfasst;
Fig. 2 eine Ultraschallsensoranordnung in einer schematischen Darstellung, wobei die Ultraschallsensoranordnung einen Ultraschallsensor, ein Fahrzeugbauteil sowie eine Mehrzahl von Elementen zur Reduzierung einer Ausbreitung von Biegewellen in dem Fahrzeugbauteil aufweist;
Fig. 3 eine Dispersionsrelation, welche einen Zusammenhang zwischen der
Wellenlänge und der Frequenz der Biegewellen in dem Fahrzeugbauteil beschreibt; und
Fig. 4 eine Ultraschallsensoranordnung gemäß einer weiteren Au sfüh rungsform in einer schematischen Draufsicht.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 , welches als Personenkraftwagen ausgebildet ist, in einer Draufsicht. Das Kraftfahrzeug umfasst ein Fahrerassistenzsystem 2, welches dazu dient, einen Fahrer beim Führen des Kraftfahrzeugs zu unterstützen. Das
Fahrerassistenzsystem 2 kann beispielsweise als Parkhilfesystem ausgebildet sein, welches den Fahrer beim Einparken in eine Parklücke und/oder beim Ausparken aus einer Parklücke unterstützt.
Das Fahrerassistenzsystem 2 umfasst einen Ultraschallsensor 4. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das Fahrerassistenzsystem 2 zwölf Ultraschallsensoren 4. Dabei sind sechs Ultraschallsensoren 4 in einem Frontbereich 6 des Kraftfahrzeugs 1 und sechs Ultraschallsensoren 4 in einem Heckbereich 7 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet.
Mit den jeweiligen Ultraschallsensoren 4 können Ultraschallsignale ausgesendet werden und die von einem Objekt 8 in einem Umgebungsbereich 9 des Kraftfahrzeugs 1 reflektierten Ultraschallsignale wieder empfangen werden. Anhand der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des von dem Objekt 8 reflektierten Ultraschallsignals kann dann der jeweilige Abstand zwischen dem
Ultraschallsensor 4 und dem Objekt 8 bestimmt werden. Mit den jeweiligen
Ultraschallsensoren können Empfangssignale bereitgestellt werden, welche das von dem Objekt 8 reflektierte Ultraschallsignal beschreibt. Die jeweiligen Empfangssignale können von den Ultraschallsensoren 4 an ein elektronisches Steuergerät 3 des
Fahrerassistenzsystems 2 übertragen werden. Mit Hilfe des Steuergeräts 3 kann dann anhand der Empfangssignale überprüft werden, ob sich ein Objekt 8 in dem
Umgebungsbereich 9 befindet und an welcher Position sich das Objekt 8 in dem
Umgebungsbereich 9 befindet.
Die jeweiligen Ultraschallsensoren 4 sind vorliegend verdeckt hinter einem
Fahrzeugbauteil 10 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Bei dem Fahrzeugbauteil handelt es sich vorliegend um die Stoßfänger des Kraftfahrzeugs. Dabei sind die
Ultraschallsensoren 4 so angeordnet, dass diese für einen Betrachter, der vor beziehungsweise hinter dem Kraftfahrzeug 1 steht, nicht erkannt werden können. Beim Aussenden des Ultraschallsignals wird das Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil hindurch ausgesendet. Beim Empfangen des Ultraschallsignals wird das von dem Objekt 8 reflektierte Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil 10 hindurch empfangen.
Zumindest ein Ultraschallsensor 4 bildet zusammen mit dem Verkleidungsteil 10 eine Ultraschallsensoranordnung 1 1. Eine derartige Ultraschallsensoranordnung 1 1 gemäß einer ersten Ausführungsform ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass der Ultraschallsensor 4 eine Membran 12 aufweist, welche im
Wesentlichen topfförmig ausgebildet sein kann. Darüber hinaus umfasst der
Ultraschallsensor 4 ein Gehäuse 13 sowie ein Steckergehäuse 14. Die Membran 12 des Ultraschallsensors 4 ist stoffschlüssig mit einer Innenseite 15 des Fahrzeugbauteils 10 verbunden. Wenn die Membran 12 des Ultraschallsensors 4 mit einem hier nicht gezeigten Wandlerelement zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, breiten sich Biegewellen innerhalb des Fahrzeugbauteils 10 aus. Um die Ausbreitung dieser
Biegewellen zu reduzieren, umfasst die Ultraschallsensoranordnung 1 1 eine Mehrzahl von Elementen 16.
Um die Ausbreitung der Biegewellen innerhalb des Fahrzeugbauteils 10 zu reduzieren, soll die Dispersionsrelation für die Biegewellen in dem Fahrzeugbauteil 10 so beeinflusst werden, dass um eine Arbeitsfrequenz f1 des angekoppelten Ultraschallsensors 4 herum eine Bandlücke 17 entsteht. Zur Erläuterung der Dispersionsrelation für die Biegewellen wird auf Fig. 3 verwiesen. Bei dem dort gezeigten Graph ist auf der Abszisse die Wellenzahl k, welche den Kehrwert der Wellenlänge l beschreibt, und auf der Ordinate die Frequenz f aufgetragen. Hierbei ist zu erkennen, dass ein Frequenzbereich beziehungsweise die Bandlücke 17 vorhanden ist, in welcher sich die Biegewellen nicht ausbreiten. Im Bereich der Bandlücke gibt es für eine Differentialgleichung, mittels welcher die Biegewellen beschrieben werden, keine Lösung mit reeller Frequenz. Dabei wird die Dispersionsrelation für die Ausbreitung der Biegewellen in dem Fahrzeugbauteil 10 so beeinflusst, dass die Arbeitsfrequenz f1 im Bereich der Bandlücke 17 liegt. Die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors entspricht der Frequenz des ausgesendeten Ultraschallsignals beziehungsweise des von dem Objekt 8 reflektierten Ultraschallsignals. Die Arbeitsfrequenz des Ultraschallsensors 4 liegt im Bereich von 50 kHz. Um die Dispersionsrelation für die Biegewellen in dem Fahrzeugbauteil 10 dahingehend zu manipulieren, dass die Bandlücke 17 im Bereich der Arbeitsfrequenz f1 entsteht, ist es nötig, die Wellenimpedanz für die Biegewellen in dem Bauteil 10 gezielt zu modulieren. Hierzu sind die Elemente 16 vorgesehen, an welchen die jeweiligen Biegewellen, welche sich ausgehend von dem Ultraschallsensor 4 in dem Fahrzeugbauteil ausbreiten so reflektiert werden, dass eine destruktive Interferenz entsteht.
Dabei gilt es die Maßnahmen zu wählen, dass man die Bandlücke 17 auf die
Arbeitsfrequenz f1 des Ultraschallsensors 4 abstimmt. Um die Dispersionsrelation anzupassen, kann ein Abstand a zwischen benachbarten Elementen definiert werden. Beispielsweise kann der Abstand a zwischen den Elementen 16 einer Hälfte der
Wellenlänge der Biegewellen bei der Arbeitsfrequenz f1 entsprechen. Bei einem mit 50 kHz betriebenen Ultraschallsensor 4 beträgt die Biegewellenlänge bei einem
Fahrzeugbauteil 10 mit einer Dicke von 1 mm etwa 12 mm. Dort entspricht der Abstand a zwischen benachbarten Elementen 16 etwa 6 mm.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Mehrzahl von Elementen 16 periodisch in einem Gitter angeordnet ist. Dies ist im Zusammenhang mit Fig. 4 veranschaulicht. Hierbei ist zu erkennen, dass die jeweiligen Elemente 16 in einem Bereich 18 angeordnet sind, welcher den Ultraschallsensor 4 umgibt. Sind die Elemente 16 in einem Gitter angeordnet, wobei benachbarte Elemente jeweils den gleichen Abstand a zueinander aufweisen. Der Bereich 18 umgibt einen Aufnahmebereich 19, in welchem der Ultraschallsensor 4 angeordnet ist. Die Form des Bereichs 18 ist vorliegend rechteckförmig gewählt. Die Form des Bereichs kann aber auch kreisrund, elliptisch, hexagonal oder dergleichen ausgebildet sein. Die Abmessungen und der Abstand a zwischen den Elementen 16 gemäß Fig. 4 ist beispielhaft zu verstehen. Die jeweiligen Elemente 16 können beispielsweise zylindrisch ausgebildet sein und einen Durchmesser von etwa 3 mm und eine Höhe im Bereich von 5 mm aufweisen.
Die jeweiligen Elemente 16 können aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, oder aus einem elastischen Material, beispielsweise einem Gummi oder einem anderen weicheren Material, gebildet sein. Es hat sich als besonders effektiv erwiesen, wenn die Elemente 16 selbst eine Eigenfrequenz im Bereich der Arbeitsfrequenz f1 des Ultraschallsensors 4 aufweisen. Die Arbeitsfrequenz f1 des Ultraschallsensors liegt üblicherweise im Bereich von 50 kHz. Die Eigenfrequenz der jeweiligen Elemente 16 kann aufgrund des Materials und/oder der Formgebung der Elemente bestimmt werden. Die Elemente 16 können mit dem Fahrzeugbauteil 10 einteilig ausgebildet sein. Alternativ dazu können die jeweiligen Elemente 16 stoffschlüssig mit dem Fahrzeugbauteil 10 verbunden werden.

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) für ein Kraftfahrzeug (1 ), mit einem
Fahrzeugbauteil (10) und mit einem Ultraschallsensor (4), welcher mit dem
Fahrzeugbauteil (10) verbunden ist, wobei der Ultraschallsensor (4) dazu ausgelegt ist, ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil (10) hindurch auszusenden und/oder ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil (10) hindurch zu empfangen und wobei das Fahrzeugbauteil (10) eine Mehrzahl von Elementen (16) zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil (10) in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrzahl von Elementen (16) ausgebildet ist, den sich in dem Fahrzeugbauteil (10) ausbreitenden Körperschall, derart zu reflektieren, dass die Ausbreitung des Körperschalls durch eine destruktive Interferenz reduziert wird.
2. Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrzahl von Elementen (16) ausgebildet ist, eine Ausbreitung von Biegewellen, welche durch den Körperschall bewirkt sind und welche eine Arbeitsfrequenz (f1 ) des ausgesendeten Ultraschallsignals und/oder des empfangenen
Ultraschallsignals aufweisen, zu unterdrücken.
3. Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen Bereichen des Fahrzeugbauteils (10), an welchen jeweils ein Element (16) angeordnet ist, und Bereichen des Fahrzeugbauteils (10), welche frei von
Elementen (16) sind, eine Änderung einer Wellenimpedanz ergibt, welche zur Reflexion der Biegewellen führt.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
Wellenimpedanzen für die Ausbreitung der Biegewellen derart bestimmt ist, dass eine Dispersionsrelation für die Biegewellen bei der Arbeitsfrequenz (f1 ) eine Bandlücke (17) aufweist.
5. Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrzahl von Elementen (16) in einem vorbestimmten Bereich (18) angeordnet ist, welcher den Ultraschallsensor (4) zumindest bereichsweise umgibt.
6. Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrzahl von Elementen (16) derart angeordnet ist, dass jeweils benachbarte Elemente (16) den gleichen Abstand (a) zueinander aufweisen.
7. Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand (a) zwischen den benachbarten Elementen (16) einer Hälfte einer Wellenlänge (l) von Biegewellen, welche durch den Körperschall bewirkt sind, entspricht.
8. Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Eigenfrequenz der jeweiligen Elemente (16) einer Arbeitsfrequenz (f1 ) des ausgesendeten Ultraschallsignals und/oder des empfangenen Ultraschallsignals entspricht.
9. Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrzahl von Elementen (16) stoffschlüssig mit dem Fahrzeugbauteil (10) verbunden ist.
10. Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrzahl von Elementen (16) einteilig mit dem Fahrzeugbauteil (10) ausgebildet sind.
1 1. Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweiligen Elemente (16) zylinderförmig oder quaderförmig ausgebildet sind.
12. Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) eine Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Ausbreitung des Körperschalls aufweist.
13. Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Fahrzeugbauteil (10) als Stoßfänger, als Radlaufverkleidung oder als
Außenbeplankungsteil für das Kraftfahrzeug (1 ) ausgebildet ist.
14. Verfahren zum Herstellen einer Ultraschallsensoranordnung (1 1 ) für ein
Kraftfahrzeug, bei welchem ein Fahrzeugbauteil (10) mit einem Ultraschallsensor (4) verbunden wird, wobei der Ultraschallsensor (4) dazu ausgelegt ist, ein
Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil (10) hindurch auszusenden und/oder ein Ultraschallsignal durch das Fahrzeugbauteil (10) hindurch zu empfangen, und bei welchem eine Mehrzahl von Elementen (16) zur Reduzierung einer Ausbreitung von Körperschall in dem Fahrzeugbauteil (10) in Folge des Aussendens des Ultraschallsignals und/oder des Empfangens des Ultraschallsignals an dem
Fahrzeugbauteil (10) angeordnet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mehrzahl von Elementen (16) derart ausgebildet wird, der sich in dem
Fahrzeugbauteil (10) ausbreitende Körperschall derart reflektiert wird, dass die Ausbreitung des Körperschalls durch eine destruktive Interferenz reduziert wird.
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