WO2020083910A1 - Schallwandler und verfahren zum betrieb des schallwandlers - Google Patents

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WO2020083910A1
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sound transducer
membrane
sound
resonance frequency
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Michael Gebhart
Peter LUKAN
Michael Krenn
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TDK Electronics AG
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/10—Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • 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
    • B06B1/0688—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 with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
    • B06B1/0692—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 with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF with a continuous electrode on one side and a plurality of electrodes on the other side
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/93—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S15/931—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a sound transducer
  • an acoustic signal for example, to generate an acoustic signal from an electrical signal and / or vice versa.
  • it can be an ultrasound transducer in which the acoustic signal has a frequency above the human hearing range.
  • Such transducers are used today for many measuring tasks,
  • a well-known application example is the parking aid in cars, which today is mostly through time measurement with ultrasonic transducers in the
  • Frequency range of such applications in air ranges approximately from 30 kHz to 100 kHz.
  • a sound transducer is a resonant component that
  • the sound transducer gives, for example
  • a sound transducer has a first piezoelectric element.
  • the first piezoelectric element is designed to convert an electrical signal into a deformation or vice versa.
  • the first piezoelectric element has first outer electrodes.
  • the first piezoelectric element has first outer electrodes.
  • the piezoelectric element can be coupled to a membrane or can itself be designed as a membrane. Due to the deformation of the first piezoelectric
  • Elements can cause a membrane vibration, which generates an acoustic signal.
  • the acoustic signal is reflected back, for example, and leads to the deformation of the first piezoelectric element, as a result of which an electrical reception signal is generated.
  • the operating frequency i.e. the frequency of the voltage applied to the first piezoelectric element, corresponds to the acoustic resonance frequency of the sound transducer.
  • the sound transducer has a membrane to which the first piezoelectric element is connected in such a way that it is suitable for the electrical
  • the membrane is in particular mounted such that it can vibrate, for example in
  • the first piezoelectric element is
  • the first piezoelectric element is, for example, only arranged on the membrane, in particular fastened, but not on the carrier body.
  • the first piezoelectric element has a smaller lateral extent than the membrane.
  • the advantage of separating the vibratable membrane and the piezoelectric element is that the membrane can be made variable in its material and structure and the membrane can be controlled independently of the environment.
  • the membrane can be formed in one piece with a carrier body. The piezoelectric element can then be attached to the
  • the first is N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl
  • the piezoelectric element itself designed as a membrane.
  • the piezoelectric element is in particular mounted such that it can vibrate, for example it is fixedly mounted in the edge region and vertically movable in a central region.
  • the piezoelectric element is mounted so that it can vibrate and is additionally covered by a membrane.
  • the transducer points in addition to the first
  • Outer electrodes at least one second outer electrode.
  • the second outer electrode is arranged, for example, on a second piezoelectric element of the sound transducer. It is also possible to attach the second outer electrode to the first
  • the at least one second outer electrode is used for the targeted setting of electroacoustic properties of the sound transducer.
  • the second outer electrode is used to adjust the resonance frequency, anti-resonance frequency and / or quality of the sound transducer.
  • the second outer electrode can be controlled separately from the first outer electrodes.
  • a second piezoelectric element is connected to a separate second control.
  • the second control enables the second piezoelectric
  • Element another electrical signal or a different termination than applied to the first piezoelectric element.
  • two are second
  • External electrodes are present separately from the first external electrodes. It can also be just an additional second
  • the second piezoelectric element forms, for example, a stacked one with the first piezoelectric element
  • the second piezoelectric element is arranged on the side of the first piezoelectric element that points into the interior of the ultrasound transducer.
  • the membrane is arranged on a first side of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element is on an opposite second side of the first
  • the second piezoelectric element can be formed as a separate body or integral with the first
  • piezoelectric element can be formed.
  • the first piezoelectric element in the case of an integral training, the first
  • Piezoelectric element first outer electrodes for generating an acoustic signal from an electrical signal or vice versa and also has at least a second External electrode for setting the electroacoustic
  • the areas assigned to the outer electrodes are polarized.
  • the areas are used in the company
  • Element are integrally formed.
  • the first outer electrodes are the first outer electrodes.
  • the first outer electrodes are the first outer electrodes.
  • the control of the second outer electrode is selected depending on the desired electroacoustic properties.
  • the second outer electrode is for this purpose, for example
  • the first or second piezoelectric element can radially expand or contract when a voltage is applied.
  • the second piezoelectric element is coupled to the vibratable membrane in such a way that the deformation on the membrane
  • the second piezoelectric element is only with a partial area of the membrane, for example connected to an edge region of the membrane. This can be a contact area of the membrane. It is also possible to establish the connection via a coupling element which transmits the deformation of the second piezoelectric element's to the membrane.
  • Piezoelectric element can also be connected directly to the membrane, for example by gluing.
  • the second is N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl-N-(2-aminoethyl)-2-aminoethyl
  • Piezoelectric element attached directly to the membrane, for example on an underside of the membrane.
  • the second piezoelectric element can, for example, be attached to the entire surface of the membrane. In the event that the membrane is formed by the first piezoelectric element, the second piezoelectric element is thus attached to the first piezoelectric element.
  • the second piezoelectric element is, for example, in the form of a plate.
  • the second piezoelectric element can also be integrated in a carrier body of the sound transducer or form it.
  • the second piezoelectric element is designed as a hollow cylinder. In a further embodiment can
  • the first piezoelectric element can be integrated in a carrier body.
  • the electroacoustic properties of the sound transducer can be controlled electrically by the second
  • piezoelectric element can be specifically adjusted.
  • an electrical control type is specified during the manufacture of the sound transducer or the
  • Control type is dynamically adjusted during operation.
  • the second piezoelectric element is terminated, for example, with a low resistance, terminated with a high resistance, with an electrical direct voltage or with an electrical alternating voltage.
  • an electrical alternating voltage is applied to the first piezoelectric element and the second piezoelectric element to
  • Resonance frequency shifted to the value of the original resonance frequency or to a desired resonance frequency.
  • the control of the second piezoelectric element required for the desired displacement is determined, for example, in a calibration process.
  • the sound transducer can be optimized for operation over long distances.
  • the control is selected such that the
  • Acoustic transducers of high quality, a long time constant and / or has a high sound pressure amplitude By changing the control of the second piezoelectric element, the sound transducer can be optimized for operation over short distances. For example, the control is selected such that the sound transducer has a lower quality, a shorter time constant and / or a lower one
  • Sound pressure amplitude has. In this way, the required dead time between the transmission and reception mode of the sound converter can be shortened.
  • the type of control can, for example, be permanently set or changed dynamically during operation.
  • the resonance frequency and / or anti-resonance frequency can be adjusted depending on the transmission and reception mode.
  • Control of the second piezoelectric element to provide the acoustic signal with an identifier can be used in the same
  • the resonance frequencies of the sound transducers can differ due to the type of control, so that sound transducers can be operated at different operating frequencies.
  • An identifier can also be generated by frequency modulation of the acoustic signals.
  • a method for operating a sound transducer is specified. It is especially the previous one
  • the sound transducer can also be part of an arrangement of several sound transducers.
  • the second outer electrode is controlled in such a way that the electroacoustic properties of the sound transducer are set in a targeted manner.
  • the control can set the resonance frequency, anti-resonance frequency and / or quality of the sound transducer.
  • the present one corresponds to the present one
  • the anti-resonance frequency can be the same as that when emitting
  • an arrangement has a plurality of those described above
  • the arrangement can in particular as
  • Sound transducers can each have the same design.
  • the second outer electrodes of the sound transducers can be controlled differently from one another.
  • the electroacoustic properties of the sound transducers can differ depending on the selected control of the second piezoelectric element.
  • the acoustic signals are thus given their own identifier and can therefore be distinguished from one another.
  • the sound transducers differ due to the
  • the sound transducers can be operated at different operating frequencies, corresponding to their resonance frequencies, so that the acoustic signals also have different frequencies. This enables several identical sound transducers to be used efficiently in the same room area.
  • a method for operating the arrangement comprising a plurality of sound transducers is specified. At least one of the second piezoelectric elements is controlled differently than another of the second piezoelectric elements. Thus, at least two sound transducers, in particular identical in design
  • Sound transducer other electroacoustic properties such as a different resonance frequency, anti-resonance frequency and / or quality. This makes it possible, for example, to close the sound transducers at different operating frequencies, corresponding to their respective resonance frequencies operate. All the second piezoelectric elements can also be controlled differently here, so that all
  • Sound transducers have an individual identifier.
  • Control types of the second piezoelectric element can be selected, for example, as described above.
  • Figure 1 shows an embodiment of a sound transducer in
  • FIG. 2 sectional view of the sound transducer from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a sound transducer in a sectional view
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a sound transducer in a sectional view
  • FIG. 6 is a flowchart of an operating mode of the
  • Figure 7 shows an arrangement of several sound transducers in a schematic view.
  • Figure 1 shows an embodiment of a sound transducer 1 in an exploded view.
  • Figure 2 shows this sound transducer 1 in longitudinal section.
  • the sound transducer 1 is designed to generate sound waves from an electrical input signal. In particular, it can be sound waves above human
  • the sound transducer 1 can be used for distance measurement, for example for a parking aid in motor vehicles.
  • the sound transducer sends out a short acoustic signal that is reflected back at an object, picks up the reflected signal and converts it into a signal
  • the sound transducer 1 has a membrane 2 for generating sound waves from its vibration.
  • the membrane can have Aludur as the material, for example.
  • the membrane 2 is mounted so that it can vibrate.
  • the vibration of the membrane 2 can be generated, for example, by a first piezoelectric element 3, which converts an electrical input signal into a mechanical deformation and thereby a
  • the first piezoelectric element 3 has, for example, a piezoceramic or consists of a piezoceramic.
  • the first piezoelectric element 3 can have a disk shape.
  • the first piezoelectric element 3 is
  • the first piezoelectric element 3 is a
  • thin wires are used, for example, which have a low intrinsic mass and the mechanical ones
  • Vibration of the piezoelectric element 3 does not significantly affect or transmit.
  • the first piezoelectric element 3 is excited to oscillate essentially in the radial direction by an electrical voltage, for example a burst-like alternating voltage.
  • an electrical voltage for example a burst-like alternating voltage.
  • a spatial deformation in particular a curvature of the membrane 2 and thereby a vibration is generated.
  • This movement of the membrane 2 generates the airborne sound emitted, for example in the ultrasound frequency range.
  • the sound transducer 1 has a second piezoelectric element 6 for varying the properties of the sound transducer.
  • the second piezoelectric element 6 has
  • the second piezoelectric element 6 has a second control 7, 8, for example via two contact elements in the form of wires, via which an electrical control voltage can be applied during operation.
  • Sound converter 1 can be varied during operation by means of the electrical control voltage and / or termination applied to the second piezoelectric element 6.
  • the second piezoelectric element 6 is, for example, in the form of a plate.
  • the second piezoelectric element may have a central opening to a
  • the second piezoelectric element 6 is coupled to the membrane 2 in order to change its properties.
  • the second piezoelectric element 6 can be designed to change the mechanical rigidity of the membrane 2.
  • the membrane 2 is rigidly coupled to the second piezoelectric element 6, for example directly attached to the second piezoelectric element 6.
  • the membrane 2 can be attached in its edge region to the second piezoelectric element 6 by gluing.
  • the membrane 2 can optionally be coupled to the second piezoelectric element 2 via a coupling element 9, for example via the coupling element 9 shown here in the form of a ring. The movement of the second piezoelectric element 6 is thus transmitted to the membrane 2 via the coupling element 9.
  • the membrane 2 is
  • Coupling element 9 attached and the coupling element 9 is attached to the second piezoelectric element 6, for example by gluing.
  • the coupling element 9 here also forms a support surface for the membrane 2.
  • the coupling element has a lever function.
  • Resonance frequency of the sound transducer can be changed via the electrical control type of the second piezoelectric element 6.
  • the sound transducer 1 furthermore has a carrier 10 which, for example, has a carrier body 11 with a rectangular or round cross section.
  • the carrier body 11 is
  • the carrier 10 can have a base 12, in particular a base plate, which is connected to the carrier body 11.
  • the bottom 12 is, for example, rigidly connected to the carrier body 11, for example by gluing.
  • the second piezoelectric element 6 is fastened to the carrier 10, for example.
  • the attachment is, for example, a soft, elastic connection, so that the deformation of the second piezoelectric element 6 is not transferred to the carrier 10.
  • the sound transducer 1 can have an acoustic absorber 13 for forming a desired directional characteristic.
  • the absorber 13 fills cavities in the
  • the absorber 13 is designed as a foam which has many small cavities
  • the sound transducer 1 can also have different resonators, so that there are additional resonance frequencies in addition to the natural frequency of the membrane.
  • a cavity can be formed by forming a
  • the sound transducer 1 can have a second resonance which is, for example, close to the membrane resonance used.
  • a flat course of the impedance can be achieved between the two resonance frequencies over a certain bandwidth. This can be useful properties for the application
  • Figure 3 shows a further embodiment of a
  • piezoelectric element 3 the function of membrane 2.
  • the first piezoelectric element 3 lies in the
  • the first piezoelectric element 3 is accordingly with
  • Electrodes and is a first
  • Control 4 5 controlled.
  • a coating or membrane can be applied to the first piezoelectric element 3, in particular to an outside of the sound transducer 1. This can serve to protect the piezoelectric element 3 from external influences and / or to protect the environment from the electrode material of the piezoelectric element 3.
  • the coating or membrane should be designed in such a way that it impedes the vibration of the first piezoelectric element 3 as little as possible.
  • the second piezoelectric element 6 is connected to the first piezoelectric element 3, so that by
  • Elements 3 can be generated. In this way, the resonance frequency of the first piezoelectric element 3 can be changed in a targeted manner.
  • the second piezoelectric element 6 is on the first piezoelectric
  • Element 3 attached by gluing. It is also possible to attach the second piezoelectric element 6 to the first piezoelectric element 3 by bonding or other connection techniques.
  • the second piezoelectric element 6 can also be connected to the second piezoelectric element 3 by common sintering. It can also be an integral body.
  • the second piezoelectric element 6 extends only over a laterally central region of the first piezoelectric element 3 and does not rest on the carrier body 11.
  • the second piezoelectric element 6 can extend laterally over the entire first piezoelectric element 3 and rest on the carrier body 11.
  • the first piezoelectric element 3 and the second piezoelectric element 6 execute a common vibration.
  • the second piezoelectric element 6 can also rest on the first piezoelectric element 3.
  • a separate membrane can also rest on the carrier body 11 and both piezoelectric elements 3, 6 can be on the
  • Membrane must be attached and do not rest.
  • Sound transducer can be controlled specifically.
  • the second piezoelectric element 6 is connected with a second control 7, 8
  • piezoelectric element 3 exerts a corresponding mechanical tension, whereby the natural resonance frequency and / or quality of this arrangement is changed.
  • measurements of the electrical impedance have shown that at Applying a voltage, the electrical resonance frequency is easily shifted and the quality can be reduced.
  • the second piezoelectric element 6 is terminated with high electrical resistance, while the first piezoelectric element 3 with an AC voltage
  • the voltage generated in the second piezoelectric element 6 can be used here for measurement and control purposes
  • the second piezoelectric element 6 is terminated with low electrical resistance.
  • the low-resistance termination can make a significant difference compared to the high-resistance termination
  • the second piezoelectric element 6 is used with a sound transducer 1 during operation
  • the phase position is shifted, for example, by 180 °.
  • the frequency is the
  • the second piezoelectric element 6 is operated in the operation of the sound transducer 1 with an alternating voltage of the same phase position as the first piezoelectric element 3.
  • the frequency is also the same, so that the connection of an electrical one
  • Resonance point can be reduced or made to disappear.
  • Figure 4 shows a further embodiment of a
  • the membrane 2 is in one piece with a carrier 10
  • the carrier body 11 of the carrier 10 is as
  • Hollow body in particular cylindrical hollow body
  • the membrane 2 forms a cover for the
  • Carrier body 11 The carrier body 11 and the membrane 2 have, for example, Aludur as material or consist of Aludur.
  • the carrier body 11 is produced together with the membrane 2 by extrusion or milling.
  • the carrier 10 can have a bottom 12.
  • An acoustic absorber 13 can be present in the carrier 10.
  • the membrane 2 is, for example, thinner than the carrier body 11, so that the ability of the membrane 2 to vibrate is ensured.
  • piezoelectric element 3 is used in particular for
  • the second piezoelectric element 6 is used to adjust the electroacoustic properties of the sound transducer.
  • the first piezoelectric element 3 is over a first
  • Control 4, 5 and the second piezoelectric element 6 controlled via a second control 7, 8, in particular applied with a voltage.
  • FIG. 5 shows a measurement set-up for measuring the electrical properties of an arrangement in which a second piezoelectric element 3
  • Both piezoelectric elements 3, 6 have PZT as material.
  • the diameter of the arrangement of the two piezoelectric elements 3, 6 is 7.2 mm and the thickness is 0.4 mm.
  • the piezoelectric elements 3, 6 have the same lateral extent in the present case.
  • the arrangement in the measurement setup can be done with the
  • Structure and dimensions shown are used in a sound transducer in a motor vehicle. For example there is a corresponding structure in a sound transducer of FIG. 3 or FIG. 4.
  • the structure is suitable for one
  • the diameter is the
  • Arrangement for example, smaller than the membrane, so that only the membrane is supported in its edge region on a carrier body and the arrangement is only attached to the membrane.
  • the structure can also be used in an embodiment in which at least one of the
  • piezoelectric elements producing a membrane
  • the second piezoelectric element 6 has a smaller diameter than the first
  • Carrier body is mounted to vibrate and the second
  • piezoelectric element 6 is only attached to the first piezoelectric element 3, but is not mounted on the carrier body. Both piezoelectric elements 3, 6 can also be mounted such that they can vibrate on a carrier body.
  • both piezoelectric elements 3, 6 have the same diameter.
  • the first piezoelectric element 3 has two
  • the second piezoelectric element 6 has
  • outer electrodes 16, 17, which are electrically contacted via the second control 7, 8.
  • the outer electrodes 15, 16 located in the middle can also be contacted, for example grounded, via a common contact element.
  • Resonance frequency at 50 kHz can be lowered by a few kHz, while the electrical quality remains at the same value.
  • FIG. 6 shows a flow diagram of possible operating modes of the sound transducer in the figures described above. This can be a control during a transmission and / or reception operation or an operation for calibrating the sound transducer.
  • the sound transducer has one
  • the sound transducer is designed for operation at an operating frequency f ß .
  • the operating frequency f ß may correspond to the resonance frequency fp or may be different.
  • the second piezoelectric element is fp at the present resonance frequency
  • Piezoelectric element 6 can also be controlled in some other way.
  • the first piezoelectric element 3 can be operated in step B with an operating frequency f ⁇ .
  • the resonance frequency i ß of the sound transducer is shifted to a value fp.
  • the resonance frequency becomes the operating frequency f ß
  • the anti-resonance frequency f ⁇ R can also become a value 'be moved.
  • the anti-resonance frequency becomes
  • the sound transducer 1 is in step B in the transmit mode, for example with a
  • Operating frequency f ß operated or is ready to receive an acoustic signal in reception mode.
  • the resonance frequency and / or quality of a sound transducer for example due to
  • the resonance frequency and / or quality no longer matches the preset operating frequency f ß (step A).
  • the resonance frequency and / or quality can be brought back to the original value
  • Step B A change in the resonance frequency and / or quality can thus be compensated for.
  • the sensitivity of the sound transducer when receiving an echo and the measurable distance range can be kept at a desired value.
  • the system performance can be reliable kept at an optimal value and specified accordingly.
  • the second can be activated by suitable control
  • the anti-resonance frequency can be shifted towards the resonance frequency (step B), so that the efficiency is optimized both when transmitting and when receiving the signal.
  • the resonance frequency step B
  • Resonance frequency to be shifted to the anti-resonance frequency.
  • a shift in the resonance frequency and / or the anti-resonance frequency of the sound transducer 1 also enables a shortening of the time in which the sound transducer 1 is not ready to receive between the transmission of a signal and the reception of the echo.
  • Waiting time between transmission and reception of the echo is mostly due to the fact that the sound transducer 1 has a high quality in the operating frequency range, so that after the electrical transmission signal is switched on, some oscillation cycles pass until the full acoustic amplitude is reached. If the electrical transmission signal is switched off, it again takes some time until the vibration of the membrane subsides and the sound transducer 1 is ready to receive the echo.
  • high quality is advantageous and desirable for the electrical-acoustic conversion.
  • the time between transmission and readiness to receive can be reduced in that after a signal burst has been transmitted (step A), the second piezoelectric element 6 is driven in such a way that the resonance frequency is shifted.
  • the resonance frequency and anti-resonance frequency are shifted towards a lower frequency in order to achieve that the anti-resonance frequency is at the resonance frequency in accordance with the type of control described above.
  • Using filters can selectively, for example
  • Transmission frequency can be passed, so that the decaying signal does not interfere with the measurement and the waiting time for reception is shortened. This also enables a minimum measurable distance to be reduced. It also enables the time to be ready to receive to be reduced without reducing the quality of the transducer.
  • step A the sound transducer 1 is activated in step A, for example
  • step B the
  • Sound transducer 1 operated with the selected type of control of the second piezoelectric element 6. So there is no need expensive sorting out of sound transducers that do not have the desired resonance frequency due to production.
  • the type of termination for example high-resistance or low-resistance, can thus be used to control the resonance frequency, anti-resonance frequency and / or quality of the sound transducer or to switch over quickly.
  • one of the sound transducers according to the second variant (high-resistance termination) and one of the sound transducers according to the third variant (low-resistance termination) can be controlled.
  • the controls between all variants can also be varied or different control types can be used for the various sound transducers in the case of several sound transducers.
  • FIG. 7 shows an arrangement 100 having several
  • the arrangement 100 can also have more or less than the four sound transducers 101-104 shown.
  • the sound converters 101-104 are operated in the same room area.
  • the sound converters 101-104 are on, for example
  • the sound converters 101-104 can, for example, each have the structure described in FIGS. 1 to 4.
  • each of the transducers 101-104 a first piezoelectric element 113-143 and a second piezoelectric element 116-146.
  • the sound converters 101-104 can be constructed identically.
  • the sound transducers 101-104 can be operated at the same frequency at the same time without mutual interference occurring. In particular, it can
  • respective first piezoelectric element 113-143 can be driven with the same frequency in all sound transducers 101-104.
  • the respective second piezoelectric element 116-146 is controlled differently, for example according to the various control variants described above.
  • the emitted sound wave an identifier depending on the mode of operation of the respective second piezoelectric element 116-146.
  • the operating frequency of the respective first piezoelectric element 113-143 which lies for example at the resonance frequency of the sound transducer, is changed.
  • the sound converters 101-104 can be operated at the same operating frequency, the transmitted and received signals then being distinguishable on the basis of their quality, amplitude or other properties.
  • Controllability of the properties of the sound transducer allows not only using the first piezoelectric element to control constant operating frequencies during a signal burst, but also to change the operating frequency during a signal burst.
  • the frequency can be changed from high to low, from low to high or from high to low and again high.
  • the second piezoelectric element can be controlled to be variable.
  • Repetition rate i.e. to keep the rate of transmitted signal bursts of a single sound transducer constantly high with an increasing number of sound transducers, at least until the number of different identifiers of the control of the second piezoelectric element is exhausted.
  • Such arrangements of sound transducers of the same type usually have to be operated in time-division multiplex, with only the first sound transducer sending out a signal, the echo delay time being waited for the maximum measuring distance and then the second sound transducer sending out a signal, etc.
  • the possible sampling rate is included the number of transducers less.

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Abstract

Ein Schallwandler (1) weist ein erstes piezoelektrisches Element (3) mit ersten Außenelektroden (14, 15) zur Erzeugung eines akustischen Signals aus einem elektrischen Signal oder umgekehrt auf, und weist wenigstens eine zweite Außenelektrode (16, 17), die separat von den ersten Außenelektroden (14, 15) ansteuerbar ist, um elektroakustische Eigenschaften wie z.B. Resonanzfrequenz, Anti-Resonanzfrequenz und/oder Güte des Schallwandlers (1) einzustellen.

Description

Beschreibung
Schallwandler und Verfahren zum Betrieb des Schallwandlers
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schallwandler
(engl.: „Transducer"). Ein derartiges Bauelement ist
beispielsweise zur Erzeugung eines akustischen Signals aus einem elektrischen Signal und/oder umgekehrt ausgebildet. Es kann sich insbesondere um einen Ultraschall-Wandler handeln, bei dem das akustische Signal eine Frequenz oberhalb des menschlichen Hörbereichs aufweist. Derartige Schallwandler werden heutzutage für viele Mess-Aufgaben eingesetzt,
insbesondere zur Distanzmessung. Ein bekanntes Anwendungs beispiel ist die Einparkhilfe in PKWs, die heute größtenteils durch Laufzeitmessung mit Ultraschall-Wandlern in der
hinteren Stoßstange vorgenommen wird. Der typische
Frequenzbereich solcher Anwendungen in Luft reicht etwa von 30 kHz bis 100 kHz.
Ein Schallwandler ist ein resonantes Bauelement, das
üblicherweise bei seiner niedrigsten Resonanzfrequenz
betrieben wird. Bei der meist verwendeten Laufzeit- Distanzmessung gibt der Schallwandler, beispielsweise
elektrisch angesteuert von einem ASIC in einem Schaltkreis, einen kurzen akustischen Burst mit seiner Betriebsfrequenz ab. Das akustische Signal wird an einem Objekt zurück zum Schallwandler reflektiert, der nun das reflektierte
akustische Signal aufnimmt, daraus ein elektrisches
Empfangssignal erzeugt und dieses der Auswerteeinheit, beispielsweise dem ASIC, zur Auswertung der Laufzeit zuführt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
verbesserten Schallwandler und ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Schallwandlers anzugeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Schallwandler ein erstes piezoelektrisches Element auf. Das erste piezoelektrische Element ist dazu ausgebildet, ein elektrisches Signal in eine Verformung umzuwandeln oder umgekehrt. Das erste piezoelektrische Element weist erste Außenelektroden auf. Insbesondere können die ersten
Außenelektroden mit der Betriebsfrequenz des Schallwandlers angesteuert werden, wobei sich das erste piezoelektrische Element verformt. Das piezoelektrische Element kann mit einer Membran gekoppelt sein oder selbst als Membran ausgebildet sein. Durch die Verformung des ersten piezoelektrischen
Elements kann eine Membranschwingung hervorgerufen werden, wodurch ein akustisches Signal erzeugt wird. Das akustische Signal wird beispielsweise zurückreflektiert und führt zur Verformung des ersten piezoelektrischen Elements, wodurch ein elektrisches Empfangssignal erzeugt wird. Üblicherweise entspricht die Betriebsfrequenz, d.h., die Frequenz der an das erste piezoelektrische Element angelegten Spannung, der akustischen Resonanzfrequenz des Schallwandlers.
In einer Ausführungsform weist der Schallwandler eine Membran auf, mit der das erste piezoelektrische Element derart verbunden ist, dass es bei geeigneter elektrischer
Ansteuerung die Membran in Schwingung versetzt. Auf diese Weise wird ein akustisches Signal erzeugt. Die Membran ist insbesondere schwingfähig gelagert, beispielsweise im
Randbereich fest gelagert und in einem mittleren Bereich beweglich. Das erste piezoelektrische Element ist
beispielsweise an einer Unterseite der Membran befestigt. Das erste piezoelektrische Element ist beispielsweise nur an der Membran angeordnet, insbesondere befestigt, aber nicht am Trägerkörper. Insbesondere weist das erste piezoelektrische Element eine geringere laterale Erstreckung als die Membran auf .
Der Vorteil einer Separierung von schwingfähiger Membran und piezoelektrischem Element ist es, dass die Membran in ihrem Material und ihrer Struktur variabel gefertigt werden kann und die Ansteuerung der Membran unabhängig von der Umgebung vorgenommen werden kann. Beispielsweise kann die Membran einteilig mit einem Trägerkörper ausgebildet sein. Das piezoelektrische Element kann dann nachträglich an der
Membran befestigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das erste
piezoelektrische Element selbst als Membran ausgebildet. Das piezoelektrische Element ist insbesondere schwingfähig gelagert, beispielsweise im Randbereich fest gelagert und in einem mittleren Bereich vertikal beweglich.
Es kann auch eine Kombination der beiden Ausführungsformen vorliegen, so dass das piezoelektrische Element schwingfähig gelagert ist und zusätzlich von einer Membran bedeckt ist.
Der Schallwandler weist zusätzlich zu den ersten
Außenelektroden wenigstens eine zweite Außenelektrode auf.
Die zweite Außenelektrode ist beispielsweise an einem zweiten piezoelektrischen Element des Schallwandlers angeordnet. Es ist auch möglich, die zweite Außenelektrode am ersten
piezoelektrischen Element anzuordnen. Die wenigstens eine zweite Außenelektrode dient zur gezielten Einstellung elektroakustischer Eigenschaften des Schallwandlers. Beispielsweise dient die zweite Außenelektrode zur Einstellung der Resonanzfrequenz, Anti-Resonanzfrequenz und/oder Güte des Schallwandlers. Die zweite Außenelektrode ist separat von den ersten Außenelektroden ansteuerbar.
Beispielsweise ist ein zweites piezoelektrisches Element mit einer separaten zweiten Ansteuerung verbunden. Durch die zweite Ansteuerung kann an das zweite piezoelektrische
Element ein anderes elektrisches Signal oder eine andere Terminierung als an das erste piezoelektrische Element angelegt werden. Beispielsweise sind zwei zweite
Außenelektroden separat von den ersten Außenelektroden vorhanden. Es kann auch nur eine zusätzliche zweite
Außenelektrode vorhanden sein.
Das zweite piezoelektrische Element bildet beispielsweise mit dem ersten piezoelektrischen Element eine gestapelte
Anordnung. Beispielsweise ist das zweite piezoelektrische Element an der Seite des ersten piezoelektrischen Elements angeordnet, die ins Innere des Ultraschallwandlers zeigt. Im Fall einer separaten Membran ist beispielsweise die Membran an einer ersten Seite des ersten piezoelektrischen Elements angeordnet und das zweite piezoelektrische Element ist an einer gegenüberliegenden zweiten Seite des ersten
piezoelektrischen Elements angeordnet.
Das zweite piezoelektrische Element kann als separater Körper ausgebildet sein oder integral mit dem ersten
piezoelektrischen Element ausgebildet sein. Beispielsweise weist bei einer integralen Ausbildung das erste
piezoelektrische Element erste Außenelektroden zur Erzeugung eines akustischen Signals aus einem elektrischen Signal oder umgekehrt auf und weist zudem wenigstens eine zweite Außenelektrode zur Einstellung der elektroakustischen
Eigenschaften auf. Durch eine unterschiedliche Positionierung der Außenelektroden können hier während der Polung des
Schallwandlers die den Außenelektroden zugeordneten Bereiche polarisiert werden. Die Bereiche dienen im Betrieb zur
Erzeugung des elektrischen oder akustischen Signals oder zur Einstellung der elektroakustischen Eigenschaften. Alle hier beschriebenen Eigenschaften für einen Schallwandler mit einem ersten und einem zweiten piezoelektrischen Element gelten auch für einen Schallwandler, bei dem das zweite
piezoelektrische Element und das erste piezoelektrische
Element integral ausgebildet sind.
Beispielsweise sind die ersten Außenelektroden zur
Ansteuerung mit einer Betriebsfrequenz ausgebildet, die der Frequenz eines erzeugten akustischen Signals entspricht. Die Ansteuerung der zweiten Außenelektrode wird je nach den gewünschten elektroakustischen Eigenschaften gewählt.
Die zweite Außenelektrode ist beispielsweise dazu
ausgebildet, eine piezoelektrische Verformung zu erzeugen und dadurch eine Zug- oder Druckkraft auf die Membran
auszuüben. Insbesondere kann sich das erste oder zweite piezoelektrische Element bei Anlegen einer Spannung radial dehnen oder kontrahieren. Beispielsweise ist das zweite piezoelektrische Element mit der schwingfähigen Membran derart gekoppelt, dass die Verformung auf die Membran
übertragen wird. Dadurch kann die Steifigkeit der Membran und damit die Resonanzfrequenz, Anti-Resonanzfrequenz und/oder Güte der Membran verändert werden.
In einer Ausführungsform ist das zweite piezoelektrische Element nur mit einem Teilbereich der Membran, beispielsweise mit einem Randbereich der Membran, verbunden. Es kann sich hierbei um einen Auflagebereich der Membran handeln. Es ist auch möglich, die Verbindung über ein Kopplungselement herzustellen, das die Verformung des zweiten piezoelektri schen Elements auf die Membran überträgt. Das zweite
piezoelektrische Element kann auch direkt, beispielsweise durch Kleben, mit der Membran verbunden sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist das zweite
piezoelektrische Element direkt an der Membran, beispiels weise an einer Unterseite der Membran, befestigt. Das zweite piezoelektrische Element kann beispielsweise vollflächig an der Membran befestigt sein. Im Fall, dass die Membran durch das erste piezoelektrische Element gebildet ist, ist somit das zweite piezoelektrische Element am ersten piezoelektri schen Element befestigt.
Das zweite piezoelektrische Element ist beispielsweise in Form eines Plättchens ausgebildet. Das zweite piezoelektri sche Element kann auch in einen Trägerkörper des Schall wandlers integriert sein oder diesen bilden. Beispielsweise ist das zweite piezoelektrische Element als Hohlzylinder ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform kann
alternativ oder zusätzlich das erste piezoelektrische Element in einem Trägerkörper integriert sein.
Die elektroakustischen Eigenschaften des Schallwandlers können durch die elektrische Ansteuerung des zweiten
piezoelektrischen Elements gezielt angepasst werden.
Beispielsweise wird eine elektrische Ansteuerungsart während der Herstellung des Schallwandlers festgelegt oder die
Ansteuerungsart wird im Betrieb dynamisch angepasst. Zur Einstellung der elektroakustischen Eigenschaften wird das zweite piezoelektrische Element beispielsweise niederohmig terminiert, hochohmig terminiert, mit einer elektrischen Gleichspannung oder mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt. Beispielsweise wird das erste piezoelektrische Element mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt und das zweite piezoelektrische Element mit einer
elektrischen Wechselspannung verschobener Phasenlage
beaufschlagt .
Durch das zweite piezoelektrische Element können
beispielsweise Änderungen der Eigenschaften des Schall wandlers aufgrund von Umgebungsbedingungen wie z.B.
Betriebstemperatur oder aufgrund der Lebensdauer, wie z.B. Alterung von Klebestellen oder von Dämpfungsmaterial, ausgeglichen werden. Auf diese Weise können weitgehend konstante Mess-Ergebnisse erreicht werden. Zudem können auch Fertigungstoleranzen durch spezifische Ansteuerung des zweiten piezoelektrischen Elements ausgeglichen werden.
Beispielsweise wird durch die Ansteuerungsart die
Resonanzfrequenz zum Wert der ursprünglichen Resonanzfrequenz oder zu einer gewünschten Resonanzfrequenz hin verschoben.
Die zur gewünschten Verschiebung erforderliche Ansteuerung des zweiten piezoelektrischen Elements wird beispielsweise in einem Kalibrierverfahren bestimmt.
Darüber hinaus ermöglicht das zweite piezoelektrische
Element, den Schallwandler für bestimmte Betriebsarten zu optimieren. Beispielsweise kann der Schallwandler durch die Ansteuerung des zweiten piezoelektrischen Elements für den Betrieb auf große Distanzen optimiert sein. Dabei wird beispielsweise die Ansteuerung derart gewählt, dass der
Schallwandler eine hohe Güte, eine lange Zeitkonstante und/oder eine hohe Schalldruckamplitude aufweist. Durch eine geänderte Ansteuerung des zweiten piezoelektrischen Elements kann der Schallwandler für den Betrieb auf geringe Distanzen optimiert sein. Dabei wird beispielsweise die Ansteuerung derart gewählt, dass der Schallwandler eine niedere Güte, eine kürzere Zeitkonstante und/oder eine niedere
Schalldruckamplitude aufweist. Auf diese Weise kann die erforderliche Totzeit zwischen Sende- und Empfangsmodus des Schallwandlers verkürzt werden. Die Ansteuerungsart kann beispielsweise dauerhaft festgelegt sein oder im Betrieb dynamisch geändert werden.
Darüber hinaus ist es möglich, die Eigenschaften des
Schallwandlers während dem Aussenden und Empfang des Signals durch Veränderung der Ansteuerung des zweiten
piezoelektrischen Elements zu verändern. Beispielsweise kann die Resonanzfrequenz und/oder Anti-Resonanzfrequenz abhängig vom Sende- und Empfangsmodus angepasst werden.
Darüber hinaus ist es möglich, durch die spezifische
Ansteuerung des zweiten piezoelektrischen Elements das akustische Signal mit einer Kennung zu versehen. Insbesondere können mehrere baugleiche Schallwandler im gleichen
Raumbereich eingesetzt werden und dabei die akustischen
Signale durch unterschiedliche Kennungen voneinander
unterschieden werden. Beispielsweise können die Resonanz frequenzen der Schallwandler durch die Ansteuerungsart differieren, so dass Schallwandler bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen betrieben werden können. Eine Kennung kann auch durch eine Frequenzmodulation der akustischen Signale erzeugt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Schallwandlers angegeben. Es handelt sich dabei insbesondere um den vorgehend
beschriebenen Schallwandler. Der Schallwandler kann auch Teil einer Anordnung mehrerer Schallwandler sein. Im Verfahren wird die zweite Außenelektrode derart angesteuert, dass die elektroakustischen Eigenschaften des Schallwandlers gezielt eingestellt werden. Insbesondere kann durch die Ansteuerung die Resonanzfrequenz, Anti-Resonanzfrequenz und/oder Güte des Schallwandlers eingestellt werden.
Damit wird es beispielsweise ermöglicht, umgebungs- oder alterungsbedingte Verschiebungen der Resonanzfrequenz des Schallwandlers auszugleichen.
Beispielsweise entspricht die nun vorliegende
Resonanzfrequenz einer fest eingestellten Betriebsfrequenz des Schallwandlers. Somit liegt bei einer zeitgleichen
Ansteuerung der ersten Außenelektroden die Betriebsfrequenz nun bei der Resonanzfrequenz des Schallwandlers.
In einer weiteren Ausführungsform wird die zweite
Außenelektrode derart angesteuert, dass die Anti- Resonanzfrequenz auf einen gewünschten Wert verschoben wird. Beispielsweise kann nach Aussenden eines akustischen Signals die Anti-Resonanzfrequenz zum Wert der beim Aussenden
vorliegenden Resonanzfrequenz hin verschoben werden. Auf diese Weise kann der Empfang eines zurückreflektierten
Signals optimiert werden.
Die oben beschriebenen Betriebsvarianten können auch
miteinander kombiniert werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Anordnung mehrere der vorgehend beschriebenen
Schallwandler auf. Die Anordnung kann insbesondere als
Einparkhilfe für Kraftfahrzeuge ausgebildet sein. Die
Schallwandler können dabei jeweils die gleiche Bauform aufweisen. Die zweiten Außenelektroden der Schallwandler sind unterschiedlich voneinander ansteuerbar.
Auf diese Weise können die elektroakustischen Eigenschaften der Schallwandler je nach der gewählten Ansteuerung des zweiten piezoelektrischen Elements unterschiedlich sein.
Damit erhalten die akustischen Signale eine eigene Kennung und sind somit voneinander unterscheidbar. Beispielsweise unterscheiden sich die Schallwandler aufgrund der
unterschiedlichen Ansteuerung des zweiten piezoelektrischen Elements in ihrer Resonanzfrequenz. In diesem Fall können die Schallwandler mit unterschiedlichen Betriebsfrequenzen, entsprechend ihren Resonanzfrequenzen, betrieben werden, so dass auch die akustischen Signale unterschiedliche Frequenzen aufweisen. Dies ermöglicht es, mehrere baugleiche Schall wandler im selben Raumbereich effizient einsetzten zu können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung aufweisend mehrere Schallwandler angegeben. Dabei wird wenigstens eines der zweiten piezoelektrischen Elemente anders angesteuert als ein anderes der zweiten piezoelektrischen Elemente. Somit weisen wenigstens zwei Schallwandler, insbesondere baugleiche
Schallwandler, andere elektroakustische Eigenschaften wie z.B. eine andere Resonanzfrequenz, Anti-Resonanzfrequenz und/oder Güte auf. Dies ermöglicht es beispielsweise, die Schallwandler bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen, entsprechend ihren jeweiligen Resonanzfrequenzen, zu betreiben. Es können hier auch alle zweiten piezoelektrischen Elemente unterschiedlich angesteuert sein, so dass alle
Schallwandler eine individuelle Kennung aufweisen. Die
Ansteuerungsarten des zweiten piezoelektrischen Elements können beispielsweise wie vorgehend beschrieben gewählt sein.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden.
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Ausführungsform eines Schallwandlers in
ExplosionsdarStellung,
Figur 2 Schnittbild des Schallwandlers aus Figur 1,
Figur 3 eine weitere Ausführungsform eines Schallwandlers im Schnittbild,
Figur 4 eine weitere Ausführungsform eines Schallwandlers im Schnittbild,
Figur 5 einen Messaufbau aufweisend zwei piezoelektrische
Elemente für einen Schallwandler im Schnittbild,
Figur 6 ein Ablaufdiagramm einer Betriebsart des
Schallwandlers in schematischer Darstellung, Figur 7 eine Anordnung mehrerer Schallwandler in schematischer Ansicht.
Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche
Bezugszeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Ausführungsformen.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines Schallwandlers 1 in Explosionsdarstellung. Figur 2 zeigt diesen Schallwandler 1 im Längsschnitt.
Der Schallwandler 1 ist zur Erzeugung von Schallwellen aus einem elektrischen Eingangssignal ausgebildet. Insbesondere kann es sich um Schallwellen oberhalb des menschlichen
Hörbereichs, insbesondere im Ultraschallbereich handeln. Der Schallwandler 1 kann zur Distanzmessung, beispielsweise für eine Einparkhilfe in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Dazu sendet der Schallwandler ein kurzes akustisches Signal aus, das an einem Objekt zurück reflektiert wird, nimmt das reflektierte Signal auf und wandelt dieses in ein
elektrisches Signal um. Daraus kann die Laufzeit des
akustischen Signals und damit die Distanz zum reflektierenden Gegenstand bestimmt werden.
Der Schallwandler 1 weist eine Membran 2 zur Erzeugung von Schallwellen aus ihrer Schwingung auf. Die Membran kann als Material beispielsweise Aludur aufweisen. Die Membran 2 ist schwingfähig gelagert. Die Schwingung der Membran 2 kann beispielsweise durch ein erstes piezoelektrisches Element 3 erzeugt werden, welches ein elektrisches Eingangssignal in eine mechanische Verformung umwandelt und dadurch eine
Bewegung der Membran 2 erzeugt. Das erste piezoelektrische Element 3 weist beispielsweise eine Piezokeramik auf oder besteht aus einer Piezokeramik .
Das erste piezoelektrische Element 3 kann eine Scheibenform aufweisen. Das erste piezoelektrische Element 3 ist
beispielsweise starr an der Membran 2 befestigt, beispiels weise an eine innen liegende Seite der Membran 2 geklebt.
Das erste piezoelektrische Element 3 wird über eine
elektrische Ansteuerung 4, 5, insbesondere über elektrische Kontaktelemente beispielsweise in Form von Drähten,
angesteuert. Zur Weiterkontaktierung an von außen zugängliche Anschlüsse werden beispielsweise dünne Drähte verwendet, die eine geringe Eigenmasse besitzen und die mechanische
Vibration des piezoelektrischen Elements 3 nicht wesentlich beeinflussen oder weiterleiten.
Zur Aussendung eines akustischen Signals wird das erste piezoelektrische Element 3 durch eine elektrische Spannung, beispielsweise eine burstartigen Wechselspannung, zu einer Schwingung im Wesentlichen in radialer Richtung angeregt. Dadurch wird eine räumliche Verformung, insbesondere eine Wölbung der Membran 2 und dabei eine Vibration erzeugt. Diese Bewegung der Membran 2 erzeugt den emittierten Luftschall, beispielsweise im Ultraschall-Frequenzbereich.
Der Schallwandler 1 weist ein zweites piezoelektrisches Element 6 zur Variation der Eigenschaften des Schallwandlers auf. Das zweite piezoelektrische Element 6 weist
beispielsweise eine Piezokeramik auf oder besteht aus einer Piezokeramik. Es kann sich hierbei um dasselbe Material handeln wie beim ersten piezoelektrischen Element 3. Das zweite piezoelektrisches Element 6 weist eine zweite Ansteuerung 7, 8, beispielsweise über zwei Kontaktelemente in Form von Drähten auf, über die im Betrieb eine elektrische Steuerspannung angelegt werden kann. Insbesondere kann durch das zweite piezoelektrische Element 6 die Resonanzfrequenz, die Anti-Resonanzfrequenz und/oder die Güte des
Schallwandlers 1 mittels der an das zweite piezoelektrische Element 6 angelegten elektrischen Steuerspannung und/oder Terminierung im Betrieb variiert werden.
Das zweite piezoelektrische Element 6 ist beispielsweise in Form eines Plättchens ausgeführt. Das zweite piezoelektrische Element kann eine zentrale Öffnung aufweisen, um eine
ungestörte Schwingung der Membran 2 zu gewährleisten.
Das zweite piezoelektrische Element 6 ist mit der Membran 2 gekoppelt, um dessen Eigenschaften zu ändern. Insbesondere kann das zweite piezoelektrisches Element 6 dazu ausgebildet sein, die mechanische Steifigkeit der Membran 2 zu ändern. Beispielsweise ist die Membran 2 an das zweite piezoelektri sche Element 6 starr gekoppelt, beispielsweise direkt an dem zweiten piezoelektrisches Element 6 befestigt. Hierzu kann die Membran 2 in seinem Randbereich am zweiten piezoelektri schen Element 6 durch Kleben befestigt sein. Optional kann die Membran 2 über ein Kopplungselement 9 mit dem zweiten piezoelektrischen Element 2 gekoppelt sein, beispielsweise über das hier abgebildete Kopplungselement 9 in Form eines Rings. Somit wird die Bewegung des zweiten piezoelektrischen Elements 6 über das Kopplungselement 9 an die Membran 2 übertragen. Beispielsweise ist die Membran 2 am
Kopplungselement 9 befestigt und das Kopplungselement 9 ist am zweiten piezoelektrischen Element 6 befestigt, beispielsweise durch Kleben. Das Kopplungselement 9 bildet hier auch eine Auflagefläche für die Membran 2.
Es ist auch möglich, das Kopplungselement 9 derart
auszubilden, dass eine mechanische Übersetzung der Verformung des zweiten piezoelektrischen Elements auf die Membran 2 erfolgt, um beispielsweise größere Verformungen zu erreichen. Beispielsweise weist das Kopplungselement eine Hebelfunktion auf .
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das zweite piezoelektrische Element 6 kann sich das zweite
piezoelektrische Element 6 in radialer Richtung ausdehnen oder zusammenziehen. Dadurch wird auf die Membran 2 eine Zugkraft ausgeübt, die je nach angelegter Spannung stärker oder schwächer sein kann. Die Höhe der Zugkraft beeinflusst die Resonanzfrequenz der Membran 2. Somit kann die
Resonanzfrequenz des Schallwandlers über die elektrische Ansteuerungsart des zweiten piezoelektrischen Elements 6 verändert werden.
Der Schallwandler 1 weist weiterhin einen Träger 10 auf, der beispielsweise einen Trägerkörper 11 mit rechteckigem oder rundem Querschnitt aufweist. Der Trägerkörper 11 ist
beispielsweise als Hohlzylinder ausgebildet. Der Träger 10 kann einen Boden 12, insbesondere ein Bodenplatte aufweisen, der mit dem Trägerkörper 11 verbunden ist. Der Boden 12 ist beispielsweise starr mit dem Trägerkörper 11 verbunden, beispielsweise durch Kleben.
Das zweite piezoelektrische Element 6 ist beispielsweise am Träger 10 befestigt. Die Befestigung ist beispielsweise eine weiche, elastische Verbindung, so dass die Verformung des zweiten piezoelektrischen Elements 6 nicht auf den Träger 10 übertragen wird.
Der Schallwandler 1 kann einen akustischen Absorber 13 zur Ausbildung einer gewünschten Richtcharakteristik aufweisen. Der Absorber 13 füllt beispielsweise Hohlräume im
Schallwandler 1 aus. Beispielsweise ist der Absorber 13 als Schaum ausgebildet, der durch viele kleine Hohlräume
Reflexionen des Schalls erzeugt und damit die Ausbreitung des Schalls durch den Absorber 13 hindurch reduziert.
Der Schallwandler 1 kann zudem auch verschiedene Resonatoren aufweisen, so dass sich zusätzlich zur Eigenfrequenz der Membran weitere Resonanzfrequenzen ergeben. Beispielsweise kann ein Hohlraumresonator durch die Ausbildung eines
geeigneten Hohlraums unter der Membran, z.B. ein ungefüllter Hohlraum im Trägerkörper 11, vorhanden sein. Auf diese Weise kann der Schallwandler 1 eine zweite Resonanz aufweisen, die beispielsweise nahe an der genutzten Membranresonanz liegt. Zwischen den beiden Resonanzfrequenzen kann über eine gewisse Bandbreite ein flacher Verlauf der Impedanz erreicht werden. Dies kann für die Anwendung nützliche Eigenschaften
hervorbringen, beispielsweise eine hohe Schalldruckamplitude kombiniert mit einer kurzen Zeitkonstante .
Es ist auch möglich, den Schwingungsmodus durch spezifische Bauformen des Körpers 10 zu verändern. Beispielsweise kann bei entsprechender Materialverteilung über die Membran und zwei dicke Seitenflächen des Körpers 10 eine Schwingung ähnlich einer Stimmgabel erreicht werden.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines
Schallwandlers 1 im Längsschnitt. Im Unterschied zur Ausführungsform der Figur 1 übernimmt hier das erste
piezoelektrische Element 3 die Funktion der Membran 2.
Das erste piezoelektrische Element 3 liegt dabei im
Randbereich auf dem Trägerkörper 11 auf, so dass das erste piezoelektrische Element 3 eine Schwingung in horizontaler Richtung ausbilden und Schallwellen erzeugen kann. Das erste piezoelektrisches Element 3 ist entsprechend mit
Elektrodenflächen versehen und wird über eine erste
Ansteuerung 4, 5 angesteuert.
Es kann zusätzlich eine Beschichtung oder Membran am ersten piezoelektrischen Element 3 aufgebracht sein, insbesondere an einer Außenseite des Schallwandlers 1. Dies kann zum Schutz des piezoelektrischen Elements 3 vor äußeren Einflüssen und/oder zum Schutz der Umwelt vor dem Elektrodenmaterial des piezoelektrischen Elements 3 dienen. In diesem Fall sollte die Beschichtung oder Membran so ausgebildet sein, dass sie die Schwingung des ersten piezoelektrischen Elements 3 möglichst wenig behindert.
Das zweite piezoelektrische Element 6 ist mit dem ersten piezoelektrischen Element 3 verbunden, so dass durch
elektrische Ansteuerung des zweiten piezoelektrischen
Elements 6 eine Verformung des ersten piezoelektrischen
Elements 3 erzeugt werden kann. Auf diese Weise kann die Resonanzfrequenz des ersten piezoelektrischen Elements 3 gezielt verändert werden. Beispielsweise ist das zweite piezoelektrische Element 6 am ersten piezoelektrischen
Element 3 durch Kleben befestigt. Es ist auch möglich, das zweite piezoelektrische Element 6 durch Bonden oder andere Verbindungstechniken am ersten piezoelektrischen Element 3 zu befestigen. Das zweite piezoelektrische Element 6 kann auch durch gemeinsame Sinterung mit dem zweiten piezoelektrischen Element 3 verbunden sein. Es kann sich hier auch um einen integralen Körper handeln.
In der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich das zweite piezoelektrische Element 6 nur über einen lateral zentralen Bereich des ersten piezoelektrischen Elements 3 und liegt nicht auf dem Trägerkörper 11 auf. In einer alternativen Ausführungsform kann sich das zweite piezoelektrische Element 6 lateral über das gesamte erste piezoelektrische Element 3 erstrecken und auf dem Trägerkörper 11 aufliegen. In diesem Fall führen das erste piezoelektrische Element 3 und das zweite piezoelektrische Element 6 eine gemeinsame Schwingung aus. Es kann auch das zweite piezoelektrische Element 6 auf dem ersten piezoelektrischen Element 3 aufliegen. Es kann auch eine separate Membran auf dem Trägerkörper 11 aufliegen und beide piezoelektrischen Elemente 3, 6 können an der
Membran befestigt sein und nicht aufliegen.
Es sind verschiedene Ansteuerungsarten möglich. Je nach der gewählten Ansteuerungsart kann eine Eigenschaft des
Schallwandlers gezielt gesteuert werden.
Gemäß einer ersten Variante wird das zweite piezoelektrische Element 6 über die zweite Ansteuerung 7, 8 mit einer
elektrischen Gleichspannung beaufschlagt, so dass eine
Dehnung oder Kontraktion des zweiten piezoelektrischen
Elements 6 entsteht. Dadurch wird auf das erste
piezoelektrische Element 3 eine entsprechende mechanische Spannung ausgeübt, wodurch die Eigenresonanzfrequenz und/oder Güte dieser Anordnung verändert wird. Beispielsweise hat sich durch Messungen der elektrischen Impedanz gezeigt, dass bei Anlegen einer Spannung, die elektrische Resonanzfrequenz leicht verschiebbar ist und die Güte reduziert werden kann.
Gemäß einer zweiten Variante wird das zweite piezoelektrische Element 6 elektrisch hochohmig terminiert, während das erste piezoelektrisches Element 3 mit einer Wechselspannung
angesteuert wird. In diesem Fall wird die Schwingung nicht durch die Ansteuerung des zweiten piezoelektrischen Elements 6 verändert. Die im zweiten piezoelektrischen Element 6 erzeugte Spannung kann hier für Mess- und Regelzwecke
verwendet werden.
Gemäß einer dritten Variante wird das zweite piezoelektrische Element 6 elektrisch niederohmig terminiert. In diesem Fall ändern sich die elastischen Eigenschaften des zweiten
piezoelektrischen Elements 6 und damit auch die elastischen Eigenschaften des ersten piezoelektrischen Elements 3.
Insbesondere kann durch die niederohmige Terminierung im Vergleich zur hochohmigen Terminierung eine deutliche
Verschiebung der Resonanzfrequenz erreicht werden.
Gemäß einer vierten Variante wird das zweite piezoelektrische Element 6 im Betrieb des Schallwandlers 1 mit einer
Wechselspannung mit verschobener Phasenlage im Vergleich zur am ersten piezoelektrisches Element 3 angelegten Wechsel spannung beaufschlagt. Die Phasenlage ist beispielsweise um 180° verschoben. Beispielsweise ist die Frequenz der
angelegten Wechselspannungen gleich. Bei einer derartigen Ansteuerung wird eines der piezoelektrischen Elemente 3, 6 kontrahiert, während sich das andere der piezoelektrischen Elemente 3, 6 ausdehnt. Beispielsweise sind die
piezoelektrischen Elemente 3, 6 elektrisch in Reihe
geschaltet . Verglichen mit der zweiten Variante (hochohmige Terminierung) führt eine derartige Ansteuerung zu einer größeren Amplitude bzw. es genügt eine geringere Ansteuerspannungsamplitude aus, um eine bestimmte Auslenkung der Membran 2 zu erzeugen. Es hat sich gezeigt, dass auch die elektrische Lastkapazität der beiden piezoelektrischen Elemente 3, 6 verglichen mit der
Kapazität eines einzelnen piezoelektrischen Elements
vermindert, z.B. halbiert, wird. Darüber hinaus kann hier eine Verschiebung der Resonanzfrequenz zu kleineren Werten erreicht werden.
Gemäß einer fünften Variante wird das zweite piezoelektrische Element 6 im Betrieb des Schallwandlers 1 mit einer Wechsel spannung gleicher Phasenlage wie das erste piezoelektrische Element 3 betrieben. Beispielsweise ist auch die Frequenz gleich, so dass die Verschaltung einer elektrischen
Parallelschaltung entspricht. Auf diese Weise kann die
Resonanzstelle vermindert oder zum Verschwinden gebracht werden .
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines
Schallwandlers 1 im Längsschnitt.
Die Membran 2 ist hier einteilig mit einem Träger 10
ausgebildet. Der Trägerkörper 11 des Trägers 10 ist als
Hohlkörper, insbesondere zylindrischer Hohlkörper
ausgebildet. Die Membran 2 bildet einen Deckel für den
Trägerkörper 11. Der Trägerkörper 11 und die Membran 2 weisen beispielsweise als Material Aludur auf oder bestehen aus Aludur. Beispielsweise ist der Trägerkörper 11 gemeinsam mit der Membran 2 durch Fließpressen oder Fräßen hergestellt. Der Träger 10 kann einen Boden 12 aufweisen. Im Träger 10 kann ein akustischer Absorber 13 vorhanden sein.
Die Membran 2 ist beispielsweise dünner ausgebildet als der Trägerkörper 11, so dass die Schwingfähigkeit der Membran 2 gewährleistet ist.
An einer Unterseite der Membran 2 ist ein erstes
piezoelektrisches Element 3 und darunterliegend ein zweites piezoelektrisches Element 6 befestigt. Das erste
piezoelektrische Element 3 dient dabei insbesondere zur
Anregung oder Aufnahme einer Schwingung der Membran 2. Das zweite piezoelektrische Element 6 dient zur Einstellung elektroakustischer Eigenschaften des Schallwandlers. Das erste piezoelektrische Element 3 wird über eine erste
Ansteuerung 4, 5 und das zweite piezoelektrische Element 6 über eine zweite Ansteuerung 7, 8 angesteuert, insbesondere mit einer Spannung beaufschlagt.
In Figur 5 wird ein Messaufbau zur Messung der elektrischen Eigenschaften einer Anordnung gezeigt, bei der an einem ersten piezoelektrischen Element 3 ein zweites
piezoelektrisches Element 6 durch einen Klebstoff 18
befestigt ist. Beide piezoelektrischen Elemente 3, 6 weisen als Material PZT auf. Der Durchmesser der Anordnung der beiden piezoelektrische Elemente 3, 6 beträgt 7,2 mm und die Dicke beträgt 0,4 mm. Die piezoelektrischen Elemente 3, 6 weisen vorliegend dieselbe laterale Erstreckung auf.
Die im Messaufbau vorliegende Anordnung kann mit der
gezeigten Struktur und den Abmessungen in einem Schallwandler in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein entsprechender Aufbau in einem Schallwandler der Figur 3 oder Figur 4 vorliegen.
Der Aufbau eignet sich beispielsweise für eine
Ausführungsform, bei der eine zusätzliche Membran zur
Erzeugung und/oder Aufnahme eines akustischen Signals
vorhanden ist. In diesem Fall ist der Durchmesser der
Anordnung beispielsweise kleiner als die Membran, so dass nur die Membran in ihrem Randbereich auf einem Trägerkörper gelagert ist und die Anordnung nur an der Membran befestigt ist .
Weiterhin kann der Aufbau auch bei einer Ausführungsform eingesetzt werden, bei der wenigstens eines der
piezoelektrischen Elemente eine Membran zur Erzeugung
und/oder Aufnahme eines akustischen Signals bildet. In diesem Fall weist beispielsweise das zweite piezoelektrische Element 6 einen geringeren Durchmesser auf als das erste
piezoelektrische Element 3, so dass das erste
piezoelektrische Element 3 im Randbereich auf einem
Trägerkörper schwingfähig gelagert ist und das zweite
piezoelektrische Element 6 nur am ersten piezoelektrischen Element 3 befestigt ist, aber nicht auf dem Trägerkörper gelagert ist. Es können auch beide piezoelektrischen Elemente 3, 6 schwingfähig auf einem Trägerkörper gelagert sein.
Beispielsweise weisen beide piezoelektrischen Elemente 3, 6 in diesem Fall denselben Durchmesser auf.
Das erste piezoelektrisches Element 3 weist zwei
Außenelektroden 14, 15 auf, die über die erste Ansteuerung 4, 5 mit einer Spannung beaufschlagt werden. Zudem erfolgt über die erste Ansteuerung 4, 5 eine Messung der elektrischen Impedanz und damit der elektrischen Resonanz und Anti- Resonanz. Das zweite piezoelektrische Element 6 weist
ebenfalls zwei Außenelektroden 16, 17 auf, die über die zweite Ansteuerung 7, 8 elektrisch kontaktiert werden. Die in der Mitte liegenden Außenelektroden 15, 16 können auch über ein gemeinsames Kontaktelement kontaktiert, beispielsweise geerdet sein.
Es hat sich bei den elektrischen Messungen gezeigt, dass bei einer Änderung der Terminierung des zweiten piezoelektrischen Elements 6 von hochohmig nach niederohmig, entsprechend der Stellung des Schalters 19 von „auf" nach „zu", die
Resonanzfrequenz bei 50 kHz um einige kHz erniedrigt werden kann, wobei die elektrische Güte auf demselben Wert bleibt.
Figur 6 zeigt ein Ablaufdiagramm möglicher Betriebsarten des Schallwandlers der vorgehend beschriebenen Figuren. Es kann sich hier um eine Ansteuerung während eines Sende- und/oder Empfangsbetriebs oder auch um einen Betrieb zur Kalibrierung des Schallwandlers handeln.
In einem ersten Schritt A weist der Schallwandler eine
Resonanzfrequenz fp auf. Beispielsweise ist der Schallwandler zum Betrieb bei einer Betriebsfrequenz fß ausgelegt. Die Betriebsfrequenz fß kann der Resonanzfrequenz fp entsprechen oder davon verschieden sein kann. Das zweite piezoelektrische Element ist bei der vorliegenden Resonanzfrequenz fp
beispielsweise hochohmig terminiert. Das zweite
piezoelektrische Element 6 kann auch anderweitig angesteuert sein. Im Sendemodus kann das erste piezoelektrische Element 3 in Schritt B mit einer Betriebsfrequenz fß betrieben werden. Bei einer Kalibrierung wird beispielsweise die
Resonanzfrequenz fß gemessen und eine Abweichung von einer gewünschten Resonanzfrequenz ermittelt. In einem darauffolgenden Schritt B wird die Ansteuerung S des zweiten piezoelektrischen Elements 6 verändert,
beispielsweise niederohmig terminiert oder anderweitig angesteuert. Durch die Ansteuerung des zweiten
piezoelektrisches Elements wird die Resonanzfrequenz iß des Schallwandlers zu einem Wert fp verschoben. Beispielsweise wird die Resonanzfrequenz zur Betriebsfrequenz fß hin
verschoben. Zusätzlich oder stattdessen kann auch die Anti- Resonanzfrequenz f^R zu einem Wert
Figure imgf000025_0001
' verschoben werden. Beispielsweise wird die Anti-Resonanzfrequenz zur
Betriebsfrequenz fß hin verschoben. Der Schallwandler 1 wird in Schritt B im Sendemodus beispielsweise mit einer
Betriebsfrequenz fß betrieben oder ist im Empfangsmodus bereit für den Empfang eines akustischen Signals.
Im Folgenden werden verschiedene Szenarien im Detail
beschrieben .
Beispielsweise kann sich die Resonanzfrequenz und/oder Güte eines Schallwandlers, beispielsweise aufgrund von
Umgebungsbedingungen wie heiße oder kalte Temperatur, ändern. In diesem Fall passt die Resonanzfrequenz und/oder Güte nicht mehr zur voreingestellten Betriebsfrequenz fß (Schritt A) . Durch eine geeignete Ansteuerung des zweiten
piezoelektrischen Elements kann die Resonanzfrequenz und/oder Güte wieder auf den ursprünglichen Wert gebracht werden
(Schritt B) . Somit kann eine Änderung der Resonanzfrequenz und/oder Güte ausgeglichen werden. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit des Schallwandlers beim Empfang eines Echos und der messbare Distanzbereich auf einem gewünschten Wert gehalten werden. Somit kann die System-Performanz zuverlässig auf einem optimalen Wert gehalten und entsprechend spezifi ziert werden.
Zusätzlich oder alternativ dazu ist es bei einem derartigen Aufbau möglich, die Effizienz des Schallwandlers 1 sowohl beim Aussenden von Schall und beim Empfang von Schall zu optimieren. Die günstigsten Betriebspunkte liegen hier bei der Resonanzfrequenz bzw. bei der Anti-Resonanzfrequenz und somit bei leicht unterschiedlichen Frequenzen, beispielsweise können sich die Frequenzen im Betriebsbereich bei 60 kHz um 1,5 kHz unterscheiden. Nach Aussenden eines Signals (Schritt A) kann durch geeignete Ansteuerung S des zweiten
piezoelektrisches Elements 6 die Anti-Resonanzfrequenz zur Resonanzfrequenz hin verschoben werden (Schritt B) , so dass die Effizienz sowohl beim Aussenden und auch beim Empfangen des Signals optimiert ist. Alternativ kann auch die
Resonanzfrequenz zur Anti-Resonanzfrequenz verschoben werden.
Zusätzlich oder alternativ dazu ermöglicht eine Verschiebung der Resonanzfrequenz und/oder der Anti-Resonanzfrequenz des Schallwandlers 1 auch eine Verkürzung der Zeit, in der zwischen dem Aussenden eines Signals und dem Empfang des Echos dar Schallwandler 1 nicht empfangsbereit ist. Die
Wartezeit zwischen Aussenden und Empfang des Echos beruht zumeist darauf, dass der Schallwandler 1 eine hohe Güte im Betriebsfrequenzbereich hat, so dass nach Einschalten des elektrischen Sendesignals einige Schwingungszyklen vergehen bis die volle akustische Amplitude erreicht ist. Wird das elektrische Sendesignal abgeschaltet, dauert es wiederum einige Zeit bis die Vibration der Membran abklingt und der Schallwandler 1 für den Empfang des Echos bereit ist. Eine hohe Güte ist jedoch für die elektrisch-akustische Wandlung vorteilhaft und gewünscht. Bei dem beschriebenen Schallwandler 1 kann die Zeit zwischen Aussenden und Empfangsbereitschaft dadurch reduziert werden, dass nach Aussenden eines Signal-Bursts (Schritt A) das zweite piezoelektrische Element 6 derart angesteuert wird, dass die Resonanzfrequenz verschoben wird. Damit wird die Frequenz der abklingenden Schwingung des gesendeten Signals verschoben, so dass diese Frequenz von der Frequenz des ankommenden Echos verschieden ist. Beispielsweise werden die Resonanzfrequenz und Anti-Resonanzfrequenz zu einer tieferen Frequenz hin verschoben, um gemäß der vorgehend beschriebenen Ansteuerungsart zu erreichen, dass die Anti-Resonanzfrequenz bei der Resonanzfrequenz liegt. Durch die zusätzliche
Verwendung von Filtern kann beispielsweise selektiv die
Sendefrequenz durchgelassen werden, so dass durch das abklingende Signal die Messung nicht gestört wird und die Wartezeit zum Empfang verkürzt wird. Dies ermöglicht auch eine Verringerung einer minimal messbaren Distanz. Zudem wird es ermöglicht, die Zeit zur Empfangsbereitschaft zu verkürzen ohne die Güte des Schallwandlers zu verringern.
Zusätzlich oder alternativ dazu ist es bei einem derartigen Aufbau möglich, fertigungsbedingte Streuungen der Resonanz frequenz durch geeignete Ansteuerung des zweiten
piezoelektrischen Elements 6 auszugleichen. In diesem Fall wird der Schallwandler 1 beispielsweise in Schritt A
hergestellt und es wird eine Ansteuerungsart des zweiten piezoelektrischen Elements 6 bestimmt, die die
Resonanzfrequenz zu einem gewünschten Sollwert hin
verschiebt. Im Betrieb (Schritt B) wird dann der
Schallwandler 1 mit der gewählten Ansteuerungsart des zweiten piezoelektrischen Elements 6 betrieben. Somit entfällt ein teures Aussortieren von Schallwandlern, die fertigungsbedingt nicht die gewünschte Resonanzfrequenz aufweisen.
Somit kann durch die Art der Terminierung, beispielsweise hochohmig oder niederohmig die Resonanzfrequenz, Anti- Resonanzfrequenz und/oder Güte des Schallwandlers gesteuert oder auch schnell umgeschaltet werden.
Dies ermöglicht beispielsweise bei einer Anordnung mehrerer räumlich benachbarter Schallwandler der gleichen Bauweise das ausgegebene Signal mit einer Kennung zu versehen, so dass die Signale unterscheidbar sind. Beispielsweise kann bei einer Anordnung mehrerer räumlich benachbarter Schallwandler einer der Schallwandler gemäß der zweiten Variante (hochohmige Terminierung) und einer der Schallwandler gemäß der dritten Variante (niederohmige Terminierung) angesteuert werden. Es können auch die Ansteuerungen zwischen allen Varianten variiert werden oder bei mehreren Schallwandlern verschiedene Ansteuerungsarten für die verschiedenen Schallwandler genutzt werden .
Figur 7 zeigt eine Anordnung 100 aufweisend mehrere
Schallwandler 101-104 in schematischer Ansicht.
Die Anordnung 100 kann auch mehr oder weniger als die vier gezeigten Schallwandler 101-104 aufweisen. Die Schallwandler 101-104 werden im gleichen Raumbereich betrieben.
Beispielsweise handelt es sich um eine Einparkhilfe in einem PKW. Die Schallwandler 101-104 sind beispielsweise an
verschiedenen Positionen einer hinteren Stoßstange
angeordnet. Die Schallwandler 101-104 können beispielsweise jeweils den in den Figuren 1 bis 4 beschriebenen Aufbau aufweisen. Insbesondere weist jeder der Schallwandler 101-104 ein erstes piezoelektrisches Element 113-143 und ein zweites piezoelektrisches Element 116-146 auf. Insbesondere können die Schallwandler 101-104 gleich aufgebaut sein.
Die Schallwandler 101-104 können aufgrund der Ansteuerung des zweiten piezoelektrischen Elements 116-146 bei der gleichen Frequenz gleichzeitig betrieben werden, ohne dass eine gegenseitige Störung auftritt. Insbesondere kann das
jeweilige erste piezoelektrisches Element 113-143 bei allen Schallwandlern 101- 104 mit der gleichen Frequenz angesteuert werden. Das jeweilige zweite piezoelektrische Element 116-146 wird unterschiedlich angesteuert, beispielsweise nach den verschiedenen vorgehend beschriebenen Ansteuerungsvarianten.
Auf diese Weise erhält die von einem Schallwandler
ausgesendete Schallwelle eine Kennung je nach Betriebsweise des jeweiligen zweiten piezoelektrischen Elements 116-146. Insbesondere wird die Betriebsfrequenz des jeweiligen ersten piezoelektrischen Elements 113-143, die beispielsweise bei der Resonanzfrequenz des Schallwandlers liegt, verändert.
Dies ermöglicht es, die gleich aufgebauten Schallwandler 101- 104 bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen, die
beispielsweise der jeweiligen Resonanzfrequenz entsprechen, zu betreiben und so die Signale unterscheidbar zu halten. Es ist somit nicht nötig, unterschiedliche Bautypen von
Schallwandlern 101-104 in der Anordnung 100 zu verwenden.
Alternativ können die Schallwandler 101-104 bei der gleichen Betriebsfrequenz betrieben werden, wobei die ausgesendeten und empfangenen Signale dann aufgrund ihrer Güte, Amplitude oder anderer Eigenschaften unterscheidbar sind. Die
Steuerbarkeit der Eigenschaften des Schallwandlers erlaubt es, das erste piezoelektrisch Element nicht nur mit konstanten Betriebsfrequenzen während eines Signal-Bursts anzusteuern, sondern auch die Betriebsfrequenz während eines Signal-Bursts zu verändern. Beispielsweise kann bei einem Schallwandler die Frequenz von hoch auf niedrig, von niedrig auf hoch oder von hoch auf niedrig und wieder hoch geändert werden. Entsprechend kann das zweite piezoelektrische Element veränderlich angesteuert sein. Beim Empfang erlaubt die
Signalverarbeitung dann die getrennte Auswertung der
einzelnen Signale.
Beispielsweise ermöglicht ein derartiger Aufbau, eine
Wiederholrate, d.h., die Rate von ausgesandten Signal-Bursts eines einzelnen Schallwandlers, mit zunehmender Anzahl an Schallwandlern konstant hoch zu halten, zumindest bis die Anzahl unterschiedlicher Kennungen der Ansteuerung des zweiten piezoelektrischen Elements ausgeschöpft ist.
Üblicherweise müssen derartige Anordnungen aus Schallwandlern gleichen Bautyps im Zeitmultiplex betrieben werden, wobei nur der erste Schallwandler ein Signal aussendet, die Echo- Laufzeit für die maximale Messdistanz abgewartet wird und dann der zweite Schallwandler ein Signal aussendet usw. In diesem Fall wird die mögliche Abtastrate mit der Anzahl an Schallwandlern geringer.
Bezugszeichenliste
1 Schallwandler
2 Membran
3 erstes piezoelektrisches Element
4, 5 erste Ansteuerung
6 zweites piezoelektrisches Element
7, 8 zweite Ansteuerung
9 Kopplungselement
10 Träger
11 Trägerkörper
12 Boden
13 Absorber
14 erste Außenelektrode
15 erste Außenelektrode
16 zweite Außenelektrode
17 zweite Außenelektrode
18 Klebstoff
19 Schalter
20 Seitenfläche
100 Anordnung
110, 120, 130, 140 Schallwandler
113, 123, 133, 134 erstes piezoelektrisches Element
116, 126, 136, 146 zweites piezoelektrisches Element fp Resonanzfrequenz
fp' geänderte Resonanzfrequenz
fAR Anti-Resonanzfrequenz
fAp geänderte Anti-Resonanzfrequenz
fß Betriebsfrequenz
S Ansteuerungsart des zweiten piezoelektrisches Elements

Claims

Patentansprüche
1. Schallwandler
mit einem ersten piezoelektrischen Element (3) aufweisend erste Außenelektroden (14, 15) zur Erzeugung eines
akustischen Signals aus einem elektrischen Signal oder umgekehrt, und wenigstens einer zweiten Außenelektrode (16, 17), wobei die zweite Außenelektrode (16, 17) separat von den ersten Außenelektroden (14, 15) ansteuerbar ist, um
elektroakustische Eigenschaften des Schallwandlers (1) einzustellen .
2. Schallwandler nach Anspruch 1,
aufweisend ein zweites piezoelektrisches Element (6), an dem die zweite Außenelektrode (16, 17) angeordnet ist.
3. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Außenelektrode (16, 17) zur Einstellung der Resonanzfrequenz, Anti-Resonanzfrequenz und/oder Güte des Schallwandlers ausgebildet ist.
4. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine Membran (2) zur Erzeugung und/oder Aufnahme eines akustischen Signals, wobei die Membran (2) zusätzlich zum ersten piezoelektrischen Element (3) vorhanden ist.
5. Schallwandler nach Anspruch 4,
bei dem das erste piezoelektrische Element (3) an der
Membran (2) befestigt ist.
6. Schallwandler nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem die Membran (2) an einem Trägerkörper (11) schwingfähig gelagert ist und bei dem das erste piezoelektrische Element (3) nur an der Membran (2) und nicht am Trägerkörper (11) angeordnet ist.
7. Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das erste piezoelektrische Element (3) eine Membran (2) zur Erzeugung und/oder Aufnahme eines akustischen Signals bildet .
8. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Außenelektrode (16, 17) zur Erzeugung einer
Zug- oder Druckkraft auf die Membran (2) ausgebildet ist.
9. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein zweites piezoelektrisches Element (6), wobei das zweite piezoelektrische Element (6) über ein
Kopplungselement (9) mit der Membran gekoppelt ist.
10. Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen Trägerkörper (11) an dem die Membran (2) schwingfähig gelagert ist, wobei die Membran (2) einteilig mit dem Trägerkörper (11) ausgebildet ist.
11. Verfahren zum Betrieb des Schallwandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Außenelektrode (16, 17) derart angesteuert wird, dass die elektroakustischen
Eigenschaften des Schallwandlers (1) gezielt eingestellt werden .
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine umgebungs- oder altersbedingte Änderung der Resonanzfrequenz und/oder Güte des Schallwandlers (1) durch die Ansteuerung der zweiten Außenelektrode (16, 17) ausgeglichen werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei zeitgleich die ersten Außenelektroden (14, 15) bei einer
Resonanzfrequenz des Schallwandlers (1) zur Erzeugung eines akustischen Signals angesteuert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
bei dem durch die Ansteuerung der zweiten Außenelektrode (16, 17) die Resonanzfrequenz des Schallwandlers (1) auf einen gewünschten Wert verschoben wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
wobei nach Aussenden eines akustischen Signals die Anti- Resonanzfrequenz des Schallwandlers (1) durch die Ansteuerung der zweiten Außenelektrode (16, 17) verändert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
wobei die Ansteuerung der zweiten Außenelektrode (16, 17) gewählt ist aus einer niederohmigen Terminierung, hochohmigen Terminierung, Beaufschlagung mit einer elektrischen
Gleichspannung oder Beaufschlagung mit einer elektrischen WechselSpannung .
17. Anordnung aus mehreren Schallwandlern nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei die zweiten Außenelektroden (16, 17) der Schallwandler
(110, 120, 130, 140) unterschiedlich voneinander ansteuerbar sind .
18. Anordnung nach Anspruch 17,
die als Einparkhilfe für Kraftfahrzeuge ausgebildet ist.
19. Verfahren zum Betrieb der Anordnung nach einem der
Ansprüche 17 oder 18, bei dem wenigstens eine der zweiten Außenelektroden (16, 17) anders angesteuert wird als eine andere der zweiten Außenelektroden (16, 17) .
20. Verfahren zum Betrieb der Anordnung nach Anspruch 19, bei dem die unterschiedliche Ansteuerung eine Unterscheidbarkeit der von den Schallwandlern (110, 120, 130, 140) ausgesendeten akustischen Signale gewährleistet.
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