Title:
Schallwandler
Kind Code:
A1


Abstract:

Es wird ein Schallwandler (1) vorgeschlagen, der einen Membrantopf (3), ein Wandlerelement (16) und ein Gehäuse umfasst, wobei der Membrantopf (3) eine Membran (2) und eine Wandung (4) aufweist. Die Membran (2), die Wandung (4) des Membrantopfs (3) und zumindest ein Gehäuseteil (6) sind einstückig als ein Faser-Kunststoff-Verbundbauteil (7) ausgestaltet, wobei mindestens ein erster Bereich (10) des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils (7) mit Fasern verstärkt ist und mindestens ein zweiter Bereich (11) des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils (7) frei von Fasern ist, so dass Wellen in dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil (7) an einem Übergang von dem mindestens einen ersten Bereich (10) zum mindestens einen zweiten Bereich (11) zumindest teilweise reflektiert werden. embedded image




Inventors:
Henneberg, Johannes (71093, Weil im Schönbuch, DE)
Gerlach, Andre (71229, Leonberg, DE)
Application Number:
DE102017203042A
Publication Date:
08/30/2018
Filing Date:
02/24/2017
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:



Claims:
Schallwandler (1) umfassend einen Membrantopf (3), ein Wandlerelement (16) und ein Gehäuse, wobei der Membrantopf (3) eine Membran (2) und eine Wandung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2), die Wandung (4) des Membrantopfs (3) und zumindest ein Gehäuseteil (6) einstückig als ein Faser-Kunststoff-Verbundbauteil (7) ausgestaltet sind, wobei mindestens ein erster Bereich (10) des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils (7) mit Fasern verstärkt ist und mindestens ein zweiter Bereich (11) des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils (7) frei von Fasern ist, so dass Wellen in dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil (7) an einem Übergang von dem mindestens einen ersten Bereich (10) zum mindestens einen zweiten Bereich (11) zumindest teilweise reflektiert werden.

Schallwandler (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenseite und/oder an der Innenseite des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils (7) mindestens eine Kante (12) oder Rippe (13) angeordnet ist, so dass Wellen in dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil (7) im Bereich der mindestens einen Kante (12) oder Rippe (13) zumindest teilweise reflektiert werden, wobei die mindestens eine Kante (12) oder Rippe (13) einstückig mit dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil (7) ausgeführt ist.

Schallwandler (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils (7) mindestens eine Versteifungsstruktur (14) mit dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil (7) verbunden ist.

Schallwandler (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Versteifungsstruktur (14) ausgewählt ist aus einem Metall, einer Keramik, einem Kunststoff, einem faserverstärktem Kunststoff oder einer Kombination mindestens zweier dieser Materialien.

Schallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in dem mindestens einen ersten Bereich (10) in Form einer einlagigen oder mehrlagigen Faserstruktur eingebracht sind, wobei die Faserstruktur ausgewählt ist aus einem Gewebe, einem Gelege, einem Gewirk, einem Gestrick, einem Geflecht, einem Vliesstoff oder einer Kombination mindestens zweier dieser Faserstrukturen.

Schallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern ausgewählt sind aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Basaltfasern, Fasern aus ultrahochmolekulargewichtigem Polyethylen (UHMWPE), Fasern aus Poly(p-phenylen-2,6-benzobisoxazol) (PBO), Fasern aus flüssigkristallinem Polymer (LCP), Flachsfasern oder Kombinationen mindestens zweier dieser Fasern.

Schallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils (7) ausgewählt ist aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff.

Schallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilbereich der Membran (2) und/oder zumindest ein Teilbereich der Wandung (4) des Membrantopfs (3) und/oder zumindest ein Teilbereich des Gehäuseteils (6) faserverstärkt ist.

Schallwandler (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der die Form des mindestens einen faserverstärkten Teilbereichs der Membran (2) ausgewählt ist aus einer Kreisfläche, einer Ovalfläche, einer kreisrunden Ringform, einer ovalen Ringform, einer Rechteckform oder einer Kombination mindestens zweier dieser Formen.

Schallwandler (1) gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in Form einer mehrlagigen Faserstruktur in die Membran (2) eingebracht sind und dass die Form des faserverstärkten Teilbereichs in jeder Lage der Faserstruktur unterschiedlich gewählt ist.

Schallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wahl der Form des mindestens einen faserverstärkten Teilbereichs und/oder durch die Wahl der Anzahl der mit fasern verstärkten Teilbereiche mindestens zwei verschiedene Resonanzfrequenzen der Membran (2) vorgegeben sind.

Schallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseteil (6) ein Gehäuseoberteil ist und der Schallwandler (1) zusätzlich ein Gehäuseunterteil (8) umfasst, welches mit dem Gehäuseoberteil verbunden ist.

Description:

Die Erfindung betrifft einen Schallwandler umfassend einen Membrantopf, ein Wandlerelement und ein Gehäuse, wobei der Membrantopf eine Membran und eine Wandung aufweist.

Stand der Technik

Ultraschallsensoren werden unter anderem in Automobil- und Industrieanwendungen zur Erfassung des Umfelds eingesetzt. Objekte in der Umgebung können erkannt werden, indem durch den Ultraschallsensor ein Ultraschallsignal ausgesendet wird und das von einem Objekt reflektierte Ultraschallecho wieder empfangen wird. Aus der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Ultraschallsignals und dem Empfangen des Ultraschallechos sowie der bekannten Schallgeschwindigkeit kann dann die Entfernung zu dem Objekt berechnet werden.

Die Ultraschallsensoren umfassen typischerweise einen Schallwandler mit einer Membran, einem Wandlerelement und einem Gehäuse. Bei dem Wandlerelement handelt es sich beispielsweise um ein piezokeramisches Element, welches nach Anlegen einer elektrischen Spannung die Membran in eine Schwingung versetzt bzw. zum Empfangen von Ultraschallechos die vom Schalldruck vor der Membran angeregten Schwingungen auf der Membran in ein elektrisches Signal umwandelt. Derartige Schallwandler sind im Stand der Technik bekannt, siehe hierzu beispielsweise DE 10 2012 201 884 A1.

Für die ordnungsgemäße Funktion der Schallwandler ist es erforderlich, das Einkoppeln von Schwingungen in das Gehäuse des Schallwandlers zu vermeiden, da eine starke Schwingungseinleitung in das Gehäuse zu einem verlängerten Nachschwingen der Membran nach Abschaltung der Anregung der Membran durch das Wandlerelement führt. Ein derartiges Nachschwingen begrenzt den kleinsten mit dem Ultraschallsensor messbaren Abstand. Je länger das Nachschwingen, desto größer ist der kleinste messbare Abstand. Im Stand der Technik ist es daher üblich, den Schallwandler und das Gehäuse als getrennte Einzelteile zu fertigen und unter Verwendung einer zusätzlichen Dichtung zusammenzufügen. Als Dichtung wird beispielsweise ein Silikonring verwendet, der neben der Funktion des Abdichtens des Gehäuses auch die Funktion der Schwingungsentkopplung übernimmt. Nachteilig hieran ist jedoch, dass die verwendeten Dichtungen eine potentielle Schwachstelle für das Eindringen von Feuchte oder Verschmutzungen darstellen und für das Einbauen der Dichtung zusätzliche Arbeitsschritte bei der Herstellung des Ultraschallsensors erforderlich sind.

Offenbarung der Erfindung

Es wird ein Schallwandler umfassend einen Membrantopf, ein Wandlerelement und ein Gehäuse vorgeschlagen, wobei der Membrantopf eine Membran und eine Wandung aufweist. Ferner ist vorgesehen, dass die Membran, die Wandung des Membrantopfs und zumindest ein Gehäuseteil einstückig als ein Faser-Kunststoff-Verbundbauteil ausgestaltet sind, wobei zumindest ein erster Bereich des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils mit Fasern verstärkt ist und mindestens ein zweiter Bereich des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils frei von Fasern ist, so dass Wellen in dem Verbundbauteil an einem Übergang von dem mindestens einen ersten Bereich zu dem mindestens einen zweiten Bereich zumindest teilweise reflektiert werden.

Der vorgeschlagene Schallwandler weist eine Membran auf, die vorzugsweise als Kreisfläche ausgestaltet ist und in dem Membrantopf an eine vorzugsweise entsprechend kreiszylindrische Wandung angrenzt. Alternativ ist es denkbar, für die Membran und entsprechend für die Wandung des Membrantopfs andere Formen vorzusehen. So kann die Membran beispielsweise auch als eine ovale Fläche oder als eine rechteckige Fläche ausgestaltet werden, wobei die Wandung des Membrantopfs eine entsprechende Form aufweist, somit beispielsweise ebenfalls als ovaler Zylinder oder als rechteckiger Zylinder ausgestaltet ist.

An die Wandung des Membrantopfs schließt sich zumindest ein Gehäuseteil einstückig an. Das Gehäuse des Schallwandlers nimmt das Wandlerelement sowie ggf. weitere Komponenten wie beispielsweise Mittel zur Ansteuerung des Wandlerelements auf. Des Weiteren kann das Gehäuse insbesondere Befestigungsmittel umfassen, mit denen der Schallwandler an seinem Einsatzort befestigt werden kann.

Zur Reduzierung einer störenden Schwingung des Gehäuses des Schallwandlers ist vorgesehen, in dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil-Bereiche mit unterschiedlichen Schwingungseigenschaften auszubilden. Wellen, die sich beispielsweise ausgehend von der Membran in dem Verbundbauteil ausbreiten, werden dann an einen Übergang zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Schwingungseigenschaften zumindest teilweise reflektiert. Aufgrund der zumindest teilweisen Reflexion wird eine Übertragung der Wellen zwischen den Bereichen mit unterschiedlichen Schwingungseigenschaften reduziert.

Für das Ausbilden der Bereiche mit unterschiedlichen Schwingungseigenschaften ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein erster Bereich des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils mit Fasern verstärkt ist und mindestens ein zweiter Bereich des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils frei von Fasern ist. Durch das Einbringen von Fasern zur Verstärkung des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils verändern sich die Dichte bzw. die Masse des betreffenden Bereichs sowie dessen Festigkeit und Steifigkeit. Sowohl die Dichte bzw. die aus der Dichte und dem Volumen bestimmbare Masse als auch die Steifigkeit wirken sich auf die Schwingungseigenschaften des jeweiligen Bereichs aus.

Als eine zusätzliche Möglichkeit zur zumindest teilweisen Reflexion von Wellen innerhalb des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils ist bevorzugt vorgesehen, dass an der Außenseite und/oder an der Innenseite des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils mindestens eine Stoßstelle in Form einer Kante oder Rippe angeordnet ist. Durch das zusätzliche Anordnen einer Kante oder Rippe wird in dem Bereich dieser Kante bzw. Rippe durch die zusätzliche Masse und der erhöhten Steifigkeit eine Stoßstelle ausgebildet, an der durch das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil laufende Wellen zumindest teilweise reflektiert werden. Die Kante oder Rippe ist mit dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil einstückig ausgeführt.

Bevorzugt werden die Kanten und/oder Rippen an den Stellen in dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil angeordnet, an dem ein Übergang zwischen einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich vorhanden ist. Auf diese Weise wird durch die zusätzliche Kante oder Rippe die Wellen-reflektierende Wirkung des Übergangs zwischen einem mit Fasern verstärkten Bereich und einem unverstärkten Bereich weiter verstärkt.

Des Weiteren ist es bevorzugt, im Inneren des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils mindestens eine Versteifungsstruktur mit dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil zu verbinden. Die mindestens eine Versteifungsstruktur wird bevorzugt im Bereich der Wandung des Membrantopfs angeordnet.

Die Versteifungsstrukturen weisen bevorzugt eine hohe Steifigkeit, eine hohe Masse und/oder eine hohe Dämpfungswirkung für Schwingungen auf.

Durch das Anordnen mindestens einer separaten Versteifungsstruktur im Bereich der Wandung des Membrantopfs befinden sich die Versteifungsstrukturen im Bereich des Übergangs zwischen der stirnseitig befindlichen Membran und dem einstückig in dem Verbundbauteil ausgeführten Teil des Gehäuses. Eine Übertragung von Schwingungen auf das Gehäuse wird hierdurch wirksam unterbunden.

Das Material der Versteifungsstruktur ist bevorzugt ausgewählt aus einem Metall, einer Keramik, einem Kunststoff, einem faserverstärkten Kunststoff oder einer Kombination mindestens zweier dieser Materialien.

Das Material des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils umfasst bevorzugt ein Matrixmaterial sowie in das Matrixmaterial eingebettete Fasern.

Die Fasern sind in dem mindestens einen ersten Bereich bevorzugt in einer einlagigen oder mehrlagigen Faserstruktur eingebracht. Die Faserstruktur ist bevorzugt ausgewählt aus einem Gewebe, einem Gelege, einem Gewirk, einem Gestrick, einem Geflecht, einem Vliesstoff oder einer Kombination mindestens zweier dieser Faserstrukturen.

Bevorzugt sind die Fasern ausgewählt aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Basaltfasern, Fasern aus ultrahochmolekulargewichtigem Polyethylen (UHMWPE), Fasern aus Poly(p-phenylen-2,6-benzobisoxazol) (PBO), Fasern aus flüssigkristallinem Polymer (LCP), Flachsfasern oder Kombinationen mindestens zweier dieser Fasern.

Das Matrixmaterial des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils ist ein Kunststoff. Der Kunststoff ist bevorzugt ausgewählt aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff. Insbesondere sind Epoxidharze als Matrixmaterial geeignet.

Zum wirksamen Unterbinden der Übertragung von Schwingungen auf den Gehäuseteil des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils ist bevorzugt zumindest ein Teilbereich der Membran und/oder zumindest ein Teilbereich der Wandung des Membrantopfs und/oder zumindest ein Teilbereich des Gehäuseteils faserverstärkt. Dabei ist es besonders bevorzugt, beim Übergang von der Membran zur Wandung des Membrantopfs und/oder von der Wandung des Membrantopfs zum Gehäuseteil den Wechsel von dem ersten Bereich in den zweiten Bereich vorzusehen.

Wenn die Membran mit mindestens einem faserverstärkten Teilbereich versehen ist, so ist es bevorzugt, dass die Form des mindestens einen faserverstärkten Teilbereichs der Membran ausgewählt ist aus einer Kreisfläche, einer Ovalfläche, einer kreisrunden Ringform, einer ovalen Ringform, einer Rechteckform oder einer Kombination mindestens zweier dieser Formen. Bei einer Kombination mehrerer dieser Formen ist es besonders bevorzugt, wenn diese Formen konzentrisch angeordnet sind, also die Formen einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen. Bevorzugt ist die Membran vollständig als erster Bereich, also als ein faserverstärkter Bereich, ausgeführt.

Werden die Fasern in mehreren Lagen eingebracht, so kann für jede dieser Lagen die gleiche geometrische Form für den mindestens einen faserverstärkten Teilbereich verwendet werden. Alternativ kann für jede der Lagen die geometrische Form des mindestens einen faserverstärkten Teilbereichs variiert werden. Beispielsweise kann in einer ersten Lage der faserverstärkte Teilbereich eine Rechteckform aufweisen und in einer weiteren Lage kann der faserverstärkte Teilbereich eine Kreisform aufweisen.

Bevorzugt sind durch die Wahl der Form des mindestens einen faserverstärkten Teilbereichs und/oder durch die Wahl der Anzahl der mit fasern verstärkten Teilbereiche mindestens zwei verschiedene Resonanzfrequenzen der Membran vorgegeben.

Der Gehäuseteil des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils ist bevorzugt als ein Gehäuseoberteil ausgebildet, wobei der Schallwandler bevorzugt zusätzlich ein Gehäuseunterteil umfasst, welches mit dem Gehäuseoberteil verbunden ist.

Die Verbindung zwischen dem Gehäuseoberteil und dem Gehäuseunterteil ist bevorzugt derart ausgeführt, dass weder Feuchtigkeit noch Schmutz in das Innere des Gehäuses eindringen kann. Da jedoch keine Schwingungsdämpfende Eigenschaft dieser Verbindung erforderlich ist, kann zur Verbindung des Gehäuseunterteils mit dem Gehäuseoberteil beispielsweise eine Verschweißung oder eine Verklebung vorgenommen werden.

Bevorzugt ist das Wandlerelement des Schallwandlers als ein piezoelektrischer Wandler, ein elektrostatischer Wandler, ein Elektretwandler oder ein Piezoelektretwandler ausgeführt. Des Weiteren kann der Schallwandler innerhalb des Gehäuses weitere Komponenten umfassen, wie beispielsweise Mittel zur Ansteuerung des Wandlerelements.

Bevorzugt weist das Gehäuse ein Anschlusselement auf, mit dem eine elektrische Verbindung zum Schallwandler hergestellt werden kann. Bei den Anschlussmitteln kann es sich beispielsweise um eine Kabeldurchführung durch das Gehäuse oder um eine elektrische Steckverbindung handeln.

Vorteile der Erfindung

Durch die vorgeschlagene einstückige Ausführung der Membran, der Wandung des Membrantopfs und zumindest eines Gehäuseteils kann auf das Anordnen eines Dichtungselements zwischen dem aus der Wandung und der Membran gebildeten Wandlertopf und dem Gehäuseoberteil verzichtet werden. Eine Übertragung von Schwingungen von der Membran auf das Gehäuseoberteil wird hierbei durch das Vorsehen eines Übergangs zwischen mindestens einem ersten, mit Fasern verstärkten Bereichs zu mindestens einem zweiten Bereich, der frei von Fasern ist, vermieden. An der Grenze zwischen dem mindestens einen ersten Bereich und dem mindestens einen zweiten Bereich ändern sich die Schwingungseigenschaften des vorgeschlagenen Verbundbauteils sprungartig, so dass es zu einer zumindest teilweisen Reflexion von durch das Verbundbauteil laufenden Wellen kommt. Eine Übertragung der Wellen über den Übergang hinaus wird dadurch deutlich reduziert, ohne dass es der Anordnung weiterer dämpfender Elemente, wie beispielsweise einer Elastomerdichtung bedarf.

In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung wird die durch den Übergang von faserverstärkten zu nicht verstärkten Bereichen hervorgerufene Reflexion der Wellen durch das Anordnen von Versteifungsstrukturen und/oder Kanten weiter verbessert. Sowohl durch das Anordnen von Kanten bzw. Rippen als auch durch das Anordnen von Versteifungsstrukturen werden sprunghafte Änderungen der Schwingungseigenschaften des vorgeschlagenen Verbundbauteils erreicht, wobei es an diesen Übergangsbereichen zu einer zumindest teilweisen Reflexion der Wellen kommt.

Durch die Möglichkeit, auf das Anordnen einer elastischen Dichtung in dem Gehäuse des Schallwandlers zu verzichten, wird die Robustheit des Schallwandlers gegenüber Umwelteinflüssen weiter verstärkt, da keine Schwachstelle im Gehäuse vorhanden ist, die das Eindringen von Feuchtigkeit oder Verschmutzungen erlaubt. Des Weiteren wird die Herstellung des Schallwandlers vereinfacht, da die Anzahl der zusammenzufügenden Bauteile reduziert ist.

In weiteren Varianten der Erfindung weist die Schallwandlergestaltung eine in mehrere Teilbereiche unterteilte Membran auf, wobei zumindest ein erster Teilbereich der Membran faserverstärkt ist und mindestens ein zweiter Teilbereich der Membran frei von Fasern ist. Durch diese Gestaltung der Membran ergibt sich die Möglichkeit, zwei oder mehr resonante Arbeitsfrequenzen mit unterschiedlichen Richtcharakteristiken der Schallabstrahlung und des Schallempfangs zu realisieren. Mehrere Arbeitsfrequenzen können mit Hilfe einer geeigneten Elektronik genutzt werden, um Situationsabhängig eine geeignete Richtcharakteristik auszuwählen.

Mit einer derartigen Schallwandlergestaltung lassen sich kleinere Abstände der Arbeitsfrequenzen realisieren als mit Schallwandlern nach dem Stand der Technik. Diese kleineren Abstände der Arbeitsfrequenzen stellen einen besonderen Vorteil für die Nutzung mehrerer Arbeitsfrequenzen mit einer einfachen signalverarbeitenden Elektronik dar.

Bei der Gestaltung der Membran können die Fasern in mehreren Lagen eingebracht werden. Dabei kann für jede Lage die geometrische Ausgestaltung der faserverstärkten Teilbereiche und der faserfreien Teilbereiche der Membran variiert werden, so dass eine oder mehrere Faserschichten eine von anderen Faserschichten verschiedene geometrische Gestaltung der Teilbereiche aufweist. Durch eine solche Kombination ergeben sich vergrößerte Gestaltungsmöglichkeiten in Bezug auf die gezielte Einstellung der resonanten Arbeitsfrequenz und der Richtcharakteristik.

Figurenliste

Es zeigen:

  • 1 einen Schallwandler mit erfindungsgemäßem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil,
  • 2 bis 7 verschiedene Ausführungsformen des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils mit mindestens einem faserverstärkten Bereich und mindestens einem Bereich, der frei von Fasern ist,
  • 8 bis 11 Ausführungsformen des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils mit einer faserverstärkten Membran und an der Innenseite des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils angeordneten Kanten,
  • 13 und 14 zwei Ausführungsformen des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils mit zusätzlichen Versteifungsstrukturen, und
  • 15 bis 20 verschiedene Ausführungsformen des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils mit in Teilbereichen verstärkter Membran.

Ausführungsformen der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schallwandlers 1 in einer Schnittansicht von der Seite. Der Schallwandler 1 umfasst ein Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7, welches einstückig ausgeführt ist, und einen Membrantopf 3 und einen Gehäuseteil 6 umfasst. Der Membrantopf 3 umfasst stirnseitig eine Membran 2, die an eine Wandung 4 des Membrantopfs 3 angrenzt. An der Innenseite der Membran 2 ist ein Wandlerelement 16 aufgenommen, welches beispielsweise als ein Piezoelement ausgeführt ist. Alternativ kann das Wandlerelement 16 beispielsweise als ein elektrostatischer Wandler, ein Elektretwandler oder ein Piezoelektretwandler ausgeführt sein.

Das Wandlerelement 16 steht über Verbindungsleitungen 18 mit einer Ansteuerelektronik 20 in Verbindung.

Das Gehäuseteil 6, welches einstückig mit dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 ausgeführt ist, ist in der Ausführungsform der 1 als ein Gehäuseoberteil ausgestaltet. Der an den Membrantopf 3 grenzende Teil des Gehäuseteils 6 ist im Wesentlichen als eine Zylinderform mit einer an den Membrantopf 3 angrenzenden Schulter 5 ausgestaltet. Das Gehäuseteil 6 weist zusätzlich einen Anschlussbereich 9 auf. Durch den Anschlussbereich 9 ist eine Anschlussleitung 22 geführt, die eine elektrische Verbindung zu der Ansteuerelektronik 20 herstellt.

Die Ansteuerelektronik 20 ist in dem dargestellten Beispiel auf einem Gehäuseunterteil 8 angeordnet, welches mit dem Gehäuseoberteil verbunden ist. Alternativ wird die Ansteuerelektronik 20 in das Gehäuseteil 6 bzw. in das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 eingebaut. Das Gehäuseunterteil 8 dient dann lediglich als Deckel, um den Sensor zu verschließen.

In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 im Bereich der Membran 2 mit Fasern verstärkt, so dass dort ein faserverstärkter Bereich 10 ausgebildet wird. Die Wandung 4 des Membrantopfs 3 sowie der Gehäuseteil 6 mit der Schulter 5 und dem Anschlussbereich 9 sind jeweils frei von Fasern und somit als faserfreie Bereiche 11 ausgestaltet.

In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Faser- Kunststoff-Verbundbauteils 7 ist zwischen der Membran 2 und der Wandung 4 des Membrantopfs 3 ein Übergang zwischen dem mit Fasern verstärkten ersten Bereich 10 und dem von Fasern freien zweiten Bereich 11 vorhanden. An diesem Übergang ändern sich die Materialeigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7 sprunghaft und insbesondere die Schwingungseigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7 ändern sich sprunghaft. Wellen, die ausgehend von der Membran 2 durch das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 laufen, werden an diesem Übergang zumindest teilweise reflektiert, so dass eine Übertragung einer Schwingung der Membran 2 über die Wandung 4 auf den Gehäuseteil 6 reduziert wird.

In den 2 bis 7 sind verschiedene Ausführungsvarianten des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7 dargestellt. Die 2 bis 7 stellen das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 dabei jeweils in einer Schnittansicht von der Seite dar. Die geometrische Form des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7 ist dabei in allen sechs in den 2 bis 7 dargestellten Ausführungsformen identisch. Das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 weist jeweils einen Membrantopf 3 mit einer Membran 2 und einer Wandung 4 auf. Die Wandung 4 geht in einen Gehäuseteil 6 über, wobei der Gehäuseteil 6 einen Anschlussbereich 9 aufweist.

Das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 unterscheidet sich jeweils lediglich in der Anordnung der ersten Bereiche 10, die mit Fasern verstärkt sind, und der zweiten Bereiche 11, die frei von Fasern sind.

In der Ausführungsform der 2 ist, wie mit Bezug zu 1 dargestellt, lediglich die Membran 2 als erster Bereich 10 ausgeführt, der mit Fasern verstärkt ist. Die übrigen Bereiche des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7 sind jeweils als zweite Bereiche 11 ausgestaltet, die frei von Fasern sind.

In der Ausführungsvariante der 3 ist lediglich die Wandung 4 des Membrantopfs 3 als ein erster Bereich 10 ausgestaltet, der mit Fasern verstärkt ist. Die Membran 2 sowie der Gehäuseteil 6 sind als zweite Bereiche 11 ausgestaltet, die frei von Fasern sind.

In der in 4 dargestellten Ausführungsvariante sind die Membran 2 sowie die Wandung 4 des Membrantopfs 3 als zweite Bereiche 11 ausgestaltet, die frei von Fasern sind. Der Gehäuseteil 6 weist in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eine angrenzend an Wandung 4 gelegene Schulter 5 mit dem ersten faserverstärkten Bereich 10 auf. Die übrigen Teile des Gehäuseteils 6 sind als zweiter Bereich 11 ausgeführt, der frei von Fasern ist.

In den 5 und 6 sind, wie mit Bezug zur 4 beschrieben, sowohl die Membran 2 als auch die Wandung 4 als zweite Bereiche 11 ausgestaltet, die frei von Fasern sind. In den Ausführungsformen der 5 und 6 sind jeweils Teilbereiche des Gehäuseteils 6 als erster Bereich 10 ausgestaltet, wobei der erste Bereich 10 jeweils nicht an die Wandung 4 des Membrantopfs 3 angrenzt.

In dem Beispiel der 6 ist lediglich der Anschlussbereich 9 als ein erster Bereich 10 ausgestaltet, das restliche Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 ist als zweiter Bereich 11 ausgestaltet, der frei von Fasern ist.

Die in den 2 bis 6 dargestellten Beispiele für die Anordnung des mindestens einen ersten Bereichs 10 und mindestens einen zweiten Bereichs 11 sind jeweils nur als Beispiele zu verstehen. Diese Ausführungsbeispiele können beliebig miteinander kombiniert werden, wie dies beispielsweise in der 7 dargestellt ist. Die 7 stellt dabei eine Kombination der Anordnung des mindestens einen ersten Bereichs 10 der 2, 3 und 6 dar.

Des Weiteren sind für die Anordnung der ersten Bereiche und der zweiten Bereiche viele weitere Anordnungen denkbar.

Die 8 bis 12 zeigen jeweils ein Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7, welches wie mit Bezug zu 2 bereits beschrieben eine Membran 2, eine Wandung 4 des Membrantopfs 3 sowie einen Gehäuseteil 6 aufweist. In den Schnittdarstellungen der 8 bis 12 ist zu erkennen, dass die Membran 2 als ein erster Bereich 10 ausgeführt ist, der mit Fasern verstärkt ist. Die übrigen Bereiche des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7 sind frei von Fasern. Durch den Übergang von einem ersten Bereich 10, der mit Fasern verstärkt ist, zu einem zweiten Bereich 11, der frei von Fasern ist, wird an dem Übergang zwischen der Membran 2 zu der Wandung 4 eine Veränderung der Schwingungseigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7 erreicht, mittels welcher die Wellen, die sich ausgehend von der Membran 2 in Richtung des Gehäuseteils 6 bewegen, zumindest teilweise reflektiert werden.

Um die Reflexion der Wellen weiter zu unterstützen und Schwingungen außerhalb der Membran 2 des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7 weiter zu reduzieren, ist an dem Übergang von der Membran 2 zu der Wandung 4 des Membrantopfs 3 in den Ausführungsformen der 8 bis 12 jeweils zumindest ein Vorsprung in Form einer Kante 12 angeordnet. Im Bereich der Kante 12 ist gegenüber den übrigen Bereichen des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7 eine erhöhte Menge an Material lokalisiert, so dass dieser Bereich andere Schwingungseigenschaften aufweist, als die übrigen Teile des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7.

In der Ausführungsform der 8 ist dabei eine einzige Kante 12 angeordnet, die an der Innenseite des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7 im Bereich des Übergangs von der Wandung 4 zur Membran 2 umlaufend ausgestaltet ist. In der Ausführungsform der 9 weist die Kante 12 zwei Stufen auf, so dass die Kante 12 nicht nur eine Stoßstelle einbringt, an der Wellen reflektiert werden können, sondern zwei direkt aufeinanderfolgende.

In der Ausführungsform der 10 ist an der Kante 12 zusätzlich eine umlaufende Rippe 13 angeordnet, die stoffschlüssig mit der Kante 12 verbunden ist und durch das weitere Material die Steifigkeit und die Masse in diesem Bereich weiter erhöht. Dadurch führt auch das Vorsehen der Rippe 13 zu einer Stoßstelle, an der Wellen in dem Material zumindest teilweise reflektiert werden.

In der Ausführungsform der 11 ist die Kante 12 abgerundet ausgestaltet, entspricht jedoch sonst der mit Bezug zu 8 beschriebenen Ausführungsform.

In der in 12 dargestellten Ausführungsform ist zusätzlich zu der bereits mit Bezug zu 8 beschriebenen Ausführungsform in dem Bereich des Gehäuseteils 6 eine zusätzliche Kante 12' angeordnet. Hierdurch werden in dieser Ausführungsform zwei Stoßstellen ausgebildet, die eine Übertragung von Wellen ausgehend von der Membran 2 zu dem Anschlussbereich 9 besonders gut unterdrücken.

Selbstverständlich lassen sich die in den 8 bis 12 dargestellten Ausführungsvarianten beliebig kombinieren. Des Weiteren ist es denkbar, an weiteren, in den 8 bis 12 nicht dargestellten Positionen Kanten und/oder Rippen anzuordnen. Die Kanten bzw. Rippen werden jeweils bevorzugt stoffschlüssig in dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil ausgebildet.

In den 13 und 14 sind zwei Ausführungsformen des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7 dargestellt, wobei das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 wieder eine Membran 2, eine Wandung 4 sowie einen Gehäuseteil 6 aufweist.

In der in 13 dargestellten Ausführungsform sind im Bereich der Wandung 4 zwei Versteifungsstrukturen 14 mit dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 verbunden. An den Stellen, an denen die Versteifungsstrukturen 14 mit dem Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 verbunden sind, wird die Steifigkeit erhöht, so dass dort eine Stoßstelle entsteht. An den durch die beiden Versteifungsstrukturen 14 eingebrachten Stoßstellen werden durch das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 laufende Wellen zumindest teilweise reflektiert, so dass die Übertragung von Wellen von der Membran 2 auf den Gehäuseteil 6 deutlich reduziert wird.

In der in 14 dargestellten Variante ist im Gegensatz zu der mit Bezug zu 13 beschriebenen Ausführungsform nur eine Versteifungsstruktur 14 angeordnet. Um eine Übertragung von Wellen, insbesondere in den Anschlussbereich 9 zu reduzieren, wurde in der in 14 dargestellten Ausführungsform der Anschlussbereich 9 als ein erster Bereich 10 ausgestaltet und mit Fasern verstärkt. Gegenüber den weiteren Teilen des Gehäuseteils 6, die als zweite Bereiche 11 ausgestaltet sind, also frei von Fasern sind, sind in dem Anschlussbereich 9 die Schwingungseigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils 7 verändert, so dass an dem Übergang eine Stoßstelle entsteht und durch das Faser-Kunststoff-Verbundbauteil 7 laufende Wellen zumindest teilweise reflektiert werden.

Die in den 13 und 14 beispielhaft dargestellten Versteifungsstrukturen 14 können selbstverständlich auch mit den in den 2 bis 12 dargestellten Ausführungsvarianten kombiniert werden. Des Weiteren kann der Fachmann auch an weiteren Positionen Versteifungsstrukturen 14 anordnen.

In den 15 bis 19 sind jeweils Faser-Kunststoff-Verbundbauteile 7 in einer Ansicht von oben dargestellt, wobei jeweils zumindest ein Teilbereich der stirnseitigen Membran 2 als ein erster Bereich 10 ausgeführt ist, der mit Fasern verstärkt ist, und zumindest ein weiterer Teilbereich der Membran 2 als ein zweiter Bereich 11 ausgestaltet ist, der frei von Fasern ist.

In der in 15 dargestellten Ausführungsform ist ein einziger erster Bereich 10 der Membran 2 mit Fasern verstärkt. Dieser erste Bereich 10 ist in Form einer Kreisfläche ausgeführt, die zentriert auf der ebenfalls kreisförmigen Fläche der Membran 2 angeordnet ist. In der in 15 dargestellten Ausführungsform ist die Fläche der Membran 2 vollständig als erster Bereich 10 ausgestaltet.

In der in 16 dargestellten Ausführungsform ist der einzige erste Bereich 10, der mit Fasern verstärkt ist, als ein Kreisring ausgeführt, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der Fläche der Membran 2 übereinstimmt. Somit ist im Zentrum der Membran 2 ein zweiter Bereich 11 ausgebildet, der frei von Fasern ist.

In der in 17 dargestellten Ausführungsvariante ist zusätzlich zu dem einzigen ersten Bereich 10 der 16 ein weiterer erster Bereich 10 im Zentrum der Membran 2 in Form einer Kreisfläche ausgebildet.

In der in 18 dargestellten Ausführungsform sind auf der Fläche der Membran 2 zwei erste Bereiche 10 ausgebildet, die mit Fasern verstärkt sind. Dabei sind die beiden ersten Bereiche 10 konzentrisch angeordnet, d. h. ihre beiden Mittelpunkte stimmen überein. Einer der ersten Bereiche 10 ist als eine Ovalfläche ausgeführt und ein weiterer erster Bereich 10 ist als ovaler Ring ausgeführt. Die zwischen den beiden ersten Bereichen 10 gelegene Fläche der Membran 2 ist als ein zweiter Bereich 11 ausgestaltet, der nicht mit Fasern verstärkt ist.

In der 19 ist eine Membran 2 dargestellt, die einen einzigen ersten Bereich 10 aufweist. Der erste Bereich 10 ist dabei als eine Rechteckfläche ausgestaltet, deren Mittelpunkt dem Mittelpunkt der Membran 2 entspricht.

In der 20 ist eine Membran 2 dargestellt, die bis auf zwei Aussparungen in Form von zwei Rechtecken als ein erster Bereich 10 ausgestaltet und somit mit Fasern verstärkt ist. Die beiden rechteckigen Aussparungen stellen zwei zweite Bereiche 11 dar, die nicht mit Fasern verstärkt sind.

Bei den in den 15 bis 20 dargestellten Ausführungsformen weist die Membran 2 jeweils mindestens einen ersten Bereich 10 sowie gegebenenfalls einen zweiten Bereich 11 auf. Durch diese Ausgestaltung kann nicht nur die Übertragung von Schwingungen auf den Gehäuseteil 6 reduziert werden, sondern es können zusätzlich die mechanischen Eigenschaften der Membran 2 derart eingestellt werden, dass ein bestimmtes vorgegebenes Abstrahlverhalten erreicht wird.

Durch die Gestaltung der in 15 bis 20 dargestellten Schallwandler ergibt sich ein weiterer Vorteil der Erfindung. Durch die Schallwandlergestaltung mit teilbereichsverstärkter Membran bietet sich die Möglichkeit zwei oder mehr resonante Arbeitsfrequenzen mit unterschiedlichen Richtcharakteristiken der Schallabstrahlung und des Schallempfangs zu realisieren. Mehrere Arbeitsfrequenzen können mit Hilfe einer geeigneten Elektronik genutzt werden, um Situationsabhängig eine geeignete Richtcharakteristik auszuwählen.

Mit einer derartigen Schallwandlergestaltung lassen sich kleinere Abstände der Arbeitsfrequenzen realisieren als mit Schallwandlern nach dem Stand der Technik. Diese kleineren Abstände der Arbeitsfrequenzen stellen einen besonderen Vorteil für die Nutzung mehrerer Arbeitsfrequenzen mit einer einfachen signalverarbeitenden Elektronik dar.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102012201884 A1 [0003]