EP2715714B1

EP2715714B1 - Verfahren und vorrichtung zur aktiven dämpfung eines akustischen wandlers

Info

Publication number: EP2715714B1
Application number: EP12716016.6A
Authority: EP
Inventors: Simon Hufnagel; Nico Bannow; Tobias Kirchner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2032-04-23
Also published as: CN103635956B; EP2715714A1; CN103635956A; DE102011076686A1; WO2012163598A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Dämpfung eines akustischen Wandlers, wie er zur Abtastung einer Umgebung mittels akustischer Signale, beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Umsetzung eines derartigen Verfahrens.

Stand der Technik

Auf dem technischen Gebiet der Erfindung, d.h. auf dem Gebiet der akustischen Abtastung einer Umgebung, sind Verfahren bekannt, die das Aussenden von Impulsen in einer Umgebung und den Empfang von dort reflektierten Impulsen umfassen, um durch Auswertung auf einen Abstand zu einem Objekt schließen zu können.
Die verwendeten Wandler sind akustische Wandler mit einer Membran, die notwendigerweise eine gewisse Masse besitzt, wobei die Membran ferner eine Federkraft aufweist, so dass sich ein Nachschwingverhalten ergibt. Piezoelektrische Wandler weisen das gleiche Verhalten für ihre piezoelektrische Schicht auf. Das Nachschwingen nach einer vorherigen Anregung ist aus mehreren Gründen unerwünscht, nicht zuletzt aufgrund des dadurch bedingten Mindestabstands der Umgebungsmessung, da der Wandler erst dann als Empfänger des an einem Objekt reflektierten Schalls verwendet werden kann, wenn die Schwingung (als Resultat einer vorhergehenden Anregung) weitgehend abgeklungen ist. Bei Objekten, deren Entfernung zum Wandler geringer ist, als der Mindestabstand, treffen die reflektierten Schalwellen noch während der Nachschwingdauer auf die Membran auf und können auf Grund der noch vorhandenen Restschwingung des Sendeimpulses nicht von diesem unterschieden und damit nicht erkannt werden. Es ist daher bekannt, die Membran neben der Eigendämpfung zusätzlich passiv mittels Dämpfungselementen zu dämpfen, wobei beispielsweise Schaum verwendet wird. Dadurch wird jedoch die Empfindlichkeit in beide Wandlungsrichtungen, d.h. beim Aussenden und beim Empfangen der Schallimpulse deutlich verringert.
Beispielsweise aus der Anmeldung DE 10136628 A1 ist bekannt, die Membran aktiv zu dämpfen, indem zum Unterdrücken von Nachschwingungen ein entgegengesetztes Signal an den Wandler angelegt wird, wobei die Überlagerung dieses Dämpfungssignals mit der Nachschwingung zu einer Amplitudenreduktion führt. Die aktive Dämpfung dient dazu, die Nachschwingdauer der Membran nach dem Aussenden der Schallenergie zu verringern und somit die Empfangsbereitschaft des Sensors früher wiederherzustellen. Die Länge der Nachschwingdauer bestimmt dabei den kleinsten messbaren Abstand zwischen Sensor und Hindernis.
Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur aktiven Dämpfung eines akustischen Wandlers ist ferner aus der DE 102010039017 bekannt. Dort wird die aktuelle Schwingungsfrequenz des Wandlers erfasst und das Dämpfungssignal mit einer der erfassten aktuellen Schwingungsfrequenz entsprechenden Frequenz angelegt.
Ein bekannter Sensor zur akustischen Abtastung der Umgebung eines Fahrzeugs besteht aus dem akustischen Wandler und der Elektronik zu dessen Ansteuerung. Der akustische Wandler besteht wiederum aus einem Aluminiumtopf und dem darin befestigten Piezoelement. Das elektrische Ersatzschaltbild des Schallwandlers ist in Figur 1 dargestellt und enthält einen Reihenschwingkreis aus R, L und C_ser, sowie eine Parallelkapazität C_par. Die Schwingungsamplitude äußert sich im Ersatzschaltbild des akustischen Wandlers als Amplitude des Stromes durch die Induktivität L und ist an den Klemmen des akustischen Wandlers nicht direkt messbar.
Durch eine direkte Messung der Spannung über der Parallelkapazität C_par können Rückschlüsse auf die Amplitude des Stromes in der Induktivität L gezogen werden. Dafür müssen neben dem Verstärkungsfaktor der verwendeten Mess-/Auswerteschaltung, jedoch die Werte aller Komponenten des Ersatzschaltbildes bekannt sein. Diese Werte hängen stark von Umwelteinflüssen und Fertigungstoleranzen ab und können daher nicht mit ausreichender Genauigkeit angegeben werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verzichten deswegen auf die Messung der aktuellen Schwingungsamplitude oder verwenden zur Messung der Schwingungsamplitude herkömmliche Analog-Digital-Wandler. Dies hat den Nachteil, dass der Einsatz eines Analog-Digital-Wandlers zur Bestimmung der Schwingungsamplitude zusätzlichen Hardwareaufwand erfordert.
Wenn die aktuelle Schwingungsamplitude nicht bekannt ist, können die Parameter der Dämpfungssignale während der Entfernungsmessung nicht nachgeregelt werden, sondern müssen in einer Kalibrierungsphase ermittelt werden. Dies reduziert die Genauigkeit einer Abstandsmessung.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung ermöglicht eine aktive Dämpfung für nahezu alle akustischen Wandler, bei der die aktuelle Schwingungsamplitude des akustischen Wandlers bestimmt wird und ein Dämpfungssignal abhängig von der aktuellen Schwingungsamplitude an den akustischen Wandler angelegt wird.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die aktuelle Schwingungsamplitude des Wandlers ohne zusätzlichen Hardwareaufwand, wie beispielsweise einem Analog-Digital-Wandler und ohne die Kenntnis der einzelnen Werte des Ersatzschaltbildes mit hoher Genauigkeit und zeitlichen Auflösung ermittelt werden kann.
Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem Erfassungsschritt eine Phasendrehung der Schwingung des akustischen Wandlers, bevorzugt durch einen Spannungspuls, gezielt herbeigeführt und gemessen wird. Die Berechnung der aktuellen Schwingungsamplitude wird mittels bekannter Größen, die die Phasendrehung und die Phasenlage der Schwingung zum Zeitpunkt vor der Phasendrehung umfassen, durchgeführt. Das Dämpfungssignal kann abhängig von der nun bekannten aktuellen Schwingungsamplitude erzeugt und nachgeregelt werden.
Bevorzugt wird dabei die Dauer und/oder die Amplitude des Dämpfungssignals abhängig von der aktuellen Schwingungsamplitude des Wandlers eingestellt. Damit wird eine schnelle und effektive aktive Dämpfung des akustischen Wandlers erzielt. Dadurch kann eine Abtastung der Umgebung mit hoher Genauigkeit und Auflösung erfolgen, da sich durch die resultierende kurze Nachschwingdauer ein geringer Mindestabstand der abgetasteten Objekte vom Sensor ergibt.
Bevorzugt wird die Phasendrehung herbeigeführt, indem ein Spannungspuls an den akustischen Wandler angelegt wird. Dieser Spannungspuls wird zu einem Zeitpunkt angelegt, der nicht einem Nulldurchgang der Schwingungsamplitude des Wandlers entspricht. Der Spannungspuls verursacht eine Phasendrehung der Schwingung des Wandlers, die gemessen wird und aus der die aktuelle Schwingungsamplitude berechnet werden kann.
Der Spannungspuls ist bevorzugt aus einer einzelnen Spannungsflanke oder aus einer oder mehreren rechteckförmigen Halbwellen aufgebaut. Dies hat den Vorteil, dass sowohl eine Flanke als auch ein rechteckförmiger Puls einfach erzeugt und an den akustischen Wandler angelegt werden kann. Mehrere Halbwellen, die bevorzugt eine Frequenz aufweisen, die der aktuellen Schwingungsfrequenz des Wandlers entspricht, ergeben eine erhöhte Genauigkeit der Bestimmung der aktuellen Schwingungsamplitude aufgrund der geringeren Anzahl erzeugter Oberwellen. Als Oberwellen werden Schwingungen höherer Ordnung bezeichnet, die durch das Anlegen des Spannungspulses an dem akustischen Wandler erzeugt werden und die die Messung der aktuellen Schwingungsamplitude stören und die Genauigkeit beeinträchtigen können. Durch das Anlegen eines Spannungspulses, der aus mehreren Halbwellen besteht, wird der Einfluss der Oberwellen minimiert. In diesem Fall sollte bei der Berechnung der aktuellen Schwingungsamplitude die passive Dämpfung des Schwingkreises berücksichtigt werden. Bevorzugt ist dazu ein zusätzlicher Erfassungsschritt vorgesehen, bei dem die aktuelle Schwingungsfrequenz (Resonanzfrequenz) des akustischen Wandlers erfasst wird. Dies kann beispielsweise durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Messverfahren erfolgen.
Das Dämpfungssignal wird erfindungsgemäß abhängig von der aktuellen Schwingungsamplitude und bevorzugt mit der aktuellen Schwingungsfrequenz an den Wandler angelegt. Dadurch ergibt sich eine weiter optimierte Dämpfung der Schwingung des Wandlers.
Die Erfindung wird mittels einer Vorrichtung zur aktiven Dämpfung eines akustischen Wandlers realisiert. Die Vorrichtung weist eine Erfassungseinrichtung, die an dem Wandler angeschlossen ist, auf. Die Erfassungseinrichtung ist in der Lage, eine aktuelle Schwingungsamplitude zu ermitteln, indem sie ein von dem Wandler stammendes Messsignal, das eine Information über die Phasendrehung der Schwingung des Wandlers beinhaltet, auswertet, insbesondere mittels eines digitalen Phasenzeigers, eines getakteten Zählers und einer Nulldurchgangserkennung, einer Scheitelpunktmessung, oder anderen Mitteln, um die Phasenlage eines Signals zu ermitteln. Diese sind eingerichtet, die relative Phasenlage zwischen zwei oder mehreren gleichartigen Signalverläufen, vorzugsweise Nulldurchgängen zu erfassen.
Die Vorrichtung weist ferner einen Signalgenerator auf, der mit dem Wandler verbunden ist und der ferner mit der Erfassungseinrichtung zur Bestimmung der aktuellen Schwingungsamplitude verbunden ist. Der Signalgenerator ist in der Lage einen Spannungspuls zu erzeugen und an den Wandler anzulegen, der eine Phasendrehung der Schwingung des Wandlers erzeugt. Der Signalgenerator ist außerdem in der Lage, einen Dämpfungspuls zu erzeugen, wobei der Signalgenerator bei der Erzeugung des Dämpfungspulses die zuvor von der Erfassungseinrichtung empfangene aktuelle Schwingungsamplitude und Phasenlage berücksichtigt und gemäß dieser beispielsweise die Dauer und/oder Amplitude des Dämpfungspulses vorsieht. Der Signalgenerator ist ferner in der Lage, den Dämpfungspuls hinsichtlich der Phase zumindest teilweise entgegengesetzt zu der Schwingungsbewegung des Wandlers vorzusehen. Der Signalgenerator ist durch die Verbindung mit dem Wandler in der Lage, den Spannungspuls zur Erzeugung der Phasendrehung sowie den Dämpfungspuls an den Wandler anzulegen. Alternativ kann die Vorrichtung auch verschiedene Signalgeneratoren umfassen, die mit dem Wandler verbunden sind, wobei jeweils ein Signalgenerator zur Erzeugung des Anregungssignals, zur Herbeiführung einer Phasendrehung der Schwingung des Wandlers und zur Erzeugung des Dämpfungssignals vorgesehen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Speicher, in dem eine aktuell erfasste Schwingungsamplitude abgelegt werden kann, wobei der Speicher ferner mit dem Signalgenerator verbunden ist, der die aktuelle Schwingungsamplitude abrufen kann, um den Dämpfungspuls abhängig von der Schwingungsamplitude vorzusehen. Der Signalgenerator kann eine binäre oder ternäre Endstufe sein, wobei die ternäre Endstufe ferner im Nullzustand auf einen hohen Innenwiderstand schaltet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung zusätzlich eingerichtet, eine aktuelle Schwingungsfrequenz des Wandlers bzw. eines vom Wandler stammenden Messsignals zu erfassen. Dies kann beispielsweise durch einen Messimpuls erfolgen, durch den der Wandler kurzzeitig angeregt wird und die Frequenz der Eigenschwingung des Wandlers von der Erfassungseinrichtung erfasst wird. Diese zusätzliche Information kann verwendet werden, um den Dämpfungspuls mit der aktuellen Schwingungsfrequenz, aber einer im Wesentlichen entgegengesetzten Phasenlage an den Wandler anzulegen, wodurch sich eine weiter verbesserte Dämpfung des Wandlers ergibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild eines akustischen Wandlers.
Figur 2 stellt die Schwingung des akustischen Wandlers in einem Zeigerdiagramm dar.
Figur 3 stellt die Schwingung des akustischen Wandlers und die aktive Dämpfung nach dem Stand der Technik in einem Zeigerdiagramm dar .
Figur 4a stellt einen Spannungspuls zur Dämpfung eines akustischen Wandlers nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Figur 4b stellt die Schwingung des akustischen Wandlers und die aktive Dämpfung mittels des Spannungspulses aus Figur 4a nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Zeigerdiagramm dar.
Figur 5a stellt einen Spannungspuls zur Dämpfung eines akustischen Wandlers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Figur 5b stellt die Schwingung des akustischen Wandlers und die aktive Dämpfung mittels des Spannungspulses aus Figur 5b nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Zeigerdiagramm dar.
Figur 6 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 7 zeigt ein Schaubild zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild 1 eines akustischen Wandlers. Es enthält einen Reihenschwingkreis aus R, L und C_ser, sowie eine Parallelkapazität C_par. Die Schwingungsamplitude des akustischen Wandlers äußert sich im Ersatzschaltbild des Schallwandlers als Amplitude des Stromes I_L durch die Induktivität L.
Figur 2 veranschaulicht die Schwingung des akustischen Wandlers in einem Zeigerdiagramm 2 als einen gegen den Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeils 80 mit einer Winkelgeschwindigkeit von ω₀ rotierenden Zeiger 10. Die Winkelgeschwindigkeit ω₀ hängt mit der Resonanzfrequenz f₀ des Schallwandlers unmittelbar über die Gleichung ω₀ = 2π f₀ zusammen. Die Länge des Zeigers 10 entspricht dabei der Spannung U_Max an der Induktivität L im Nulldurchgang des Stromes. Während einer Schwingungsperiode beschreibt die Spitze des Spannungszeigers 10 die dargestellte Kreisbahn 20. Bei der Abszisse des Diagramms handelt es sich um die Spannung U_L an der Induktivität L, bei der Ordinate um den mit ω₀L normierten Strom I_L durch die Induktivität L. Der Strom I_L ist ein Maß für die aktuelle Schwingungsamplitude des akustischen Wandlers. Die aktuelle Phasenlage der Schwingung zu einem Zeitpunkt t wird durch den Phasenwinkel ϕ = ϕ₀t zwischen dem Pfeil 10 und der Abszisse des Diagramms dargestellt. Die passive Dämpfung verursacht durch den Widerstand R wird in dieser und den folgenden Figuren zur Vereinfachung nicht dargestellt. Bei Berücksichtigung der passiven Dämpfung nimmt die Zeigerlänge exponentiell ab und die Zeigerspitze beschreibt keine Kreisbahn sondern eine logarithmische Spirale.
In Figur 3 wird anhand des in Figur 2 eingeführten Zeigerdiagramms 2 die aktive Dämpfung des akustischen Wandlers nach dem herkömmlichen Verfahren veranschaulicht. Der akustische Wandler wird zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Schwingung bzw. des Stroms I_L durch die Induktivität L gegenphasig mit einer Spannung der Amplitude U_b angesteuert. Dieser Spannungspuls ist im Diagramm durch den Pfeil 30 dargestellt. Es ergibt sich eine neue Kreisbahn 22 mit einem um den Wert U_b reduzierten Radius 12. Dies entspricht einer Schwingungsamplitude des akustischen Wandlers, die geringer ist als die Schwingungsamplitude vor Anlegen des Dämpfungssignals. Durch die gegenphasige Ansteuerung des akustischen Wandlers zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Stroms I_L durch die Induktivität L ergibt sich eine größtmögliche Dämpfung. Die Phasenlage der Schwingung, dargestellt durch die elektrischen Größen U_L und I_L im Schwingkreis, bleibt dabei konstant, wie an der parallelen Ausrichtung der Pfeile 10 und 12 im Zeigerdiagramm 1 ablesbar ist.
Figur 4a veranschaulicht den Erfassungsschritt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dämpfungsverfahrens. Figur 4b stellt dabei die Schwingung des Wandlers anhand des Ersatzschaltbildes in einem Zeigerdiagramm 3 dar. Der akustische Wandler wird nicht im Nulldurchgang der Schwingung bzw. des Stroms I_L angesteuert, sondern zu einem Zeitpunkt t₁ der einem Phasenwinkel der Schwingung von ϕ₁ = ω₀ t₁ entspricht, dargestellt durch den Spannungszeiger 10.Wird zu diesem Zeitpunkt der in Figur 4a gezeigte Spannungspuls 40 in Form einer Flanke mit der Amplitude U_b an den akustischen Wandler angelegt, so ergibt sich neben einer, im Vergleich zur in Figur 3 gezeigten Ansteuerung, geringeren Dämpfung auch eine Phasendrehung der elektrischen Größen im Schwingkreis um den Winkel Δϕ. Der Spannungspuls 40 ist im Zeigerdiagramm 3 durch den Pfeil 30 mit der Amplitude U_b dargestellt. Es ergibt sich für die Schwingung des akustischen Wandlers der Spannungszeiger 14 mit Amplitude a₂, entsprechend einer Kreisbahn 24. Die Schwingungsamplitude des akustischen Wandlers vor bzw. nach dem Anlegen des Spannungspulses 40 kann wie folgt aus den bekannten Größen ϕ₁ und Δϕ berechnet werden.
Schwingungsamplitude a₁ vor dem Anlegen des Spannungspulses 40: $a_{1} = \frac{\sin (π - (ϕ_{1} + Δ ϕ))}{\sin (π - (Δ ϕ))} \cdot U_{b}$
Schwingungsamplitude a₂ nach dem Anlegen des Spannungspulses 40: $a_{1} = \frac{\sin (ϕ_{1})}{\sin (Δ ϕ)} \cdot U_{b}$
Aus den berechneten Amplituden a₁ und/oder a₂ kann im Anschluss die Dauer des Dämpfungssignals, mit oder ohne Vorwiderstand bestimmt werden . Außerdem kann die Amplitude des Dämpfungssignals als Funktion wenigstens einer der berechneten Amplituden a₁ und/oder a₂ festgelegt werden. Vorteilhafterweise wird die aktuell gemessene Amplitude mit der Amplitude vom zuvor durchgeführten Entfernungsmessungszyklus verglichen und die Dauer und/oder Amplitude des Dämpfungssignals anhand der festgestellten Änderung linear angepasst. Die aktive Dämpfung kann in herkömmlicher Weise durch im Wesentlichen gegenphasiges Ansteuern des akustischen Wandlers durchgeführt werden. Alternativ können die berechneten Amplituden auch als Basis für andere Verfahren zur Dämpfung der Restschwingung eingesetzt werden, beispielsweise für ein Verfahren gemäß DE 10 2010 062 930 .
Figuren 5a und 5b veranschaulichen den Erfassungsschritt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dämpfungsverfahrens. Wie in Figur 5a dargestellt, wird statt einer einzelnen Flanke ein Spannungspuls 50 bestehend aus zwei rechteckförmigen Halbwellen, einer positiven Halbwelle 52 und einer negativen Halbwelle 54, verwendet. Die Frequenz des Impulses 50 entspricht in diesem Beispiel der Schwingungsfrequenz f₀ der Schwingung des Wandlers. Das bedeutet dass die Differenz zwischen dem Endzeitpunkt t₃ des Spannungspulses 50 und dem Startzeitpunkt t₁ genau der Umlaufdauer T = 1/f₀ des Zeigers im Zeigerdiagramm 4 entspricht, wobei f₀ die Schwingungsfrequenz des Wandlers ist. Der Endzeitpunkt t₂ der ersten Halbwelle 52 entspricht also einem halben Zeigerumlauf.
Wie im Zeigerdiagramm 4 in Figur 5b gezeigt, ergeben sich durch die Form des Spannungspulses 50 die drei Dämpfungspfeile 36, 37 und 38. Zum Zeitpunkt t₁ (entsprechend der Phasenlage ϕ₁) wird eine Spannung 55 mit der Amplitude +U_b an den Wandler angelegt. Wie im Zeigerdiagramm 4 ersichtlich, verursacht dies, analog zum in Figur 4 beschriebenen Beispiel, eine Dämpfung der ursprünglichen Amplitude a₁, dargestellt durch den Pfeil 10 sowie eine Phasendrehung um den Winkel Δϕ₁, so dass sich für die Schwingungsamplitude im Zeigerdiagramm 4 der Pfeil 14 ergibt, der einer Amplitude a₂ entspricht. Zum Zeitpunkt t₂ wird eine Spannung von -U_b an den Wandler angelegt. Dies Entspricht einer Änderung 56 der Spannung um den Wert -2U_b. Wie im Zeigerdiagramm 4 ersichtlich, ist der Spannungszeiger 16, der die Schwingung des Wandlers zum Zeitpunkt t₂ repräsentiert, um 180° gegenüber dem Spannungszeiger 14 gedreht (entsprechend eines halben Umlaufs innerhalb der Zeitspanne zwischen t₁ und t₂). Die Spannungsänderung 56 verursacht eine weitere Dämpfung, sowie einen Phasesprung um den Winkel Δϕ₂. Damit ergibt sich zum Zeitpunkt t₂ nach Anlegen der Spannung 56 der Spannungszeiger 18 mit der Amplitude a₄. Zum Zeitpunkt t₃ wird die anliegende Spannung auf Null zurückgefahren, entsprechend einer Spannungsänderung 57 von +U_b. Die Zeitspanne zwischen t₂ und t₃ entspricht wieder einem halben Zeigerumlauf bzw. einer halben Schwingungsperiode T des Wandlers. Die Schwingung des Wandlers zum Zeitpunkt t₃ wird durch den Spannungszeiger 19 dargestellt, der um 180° zum Spannungszeiger 18 gedreht ist. Das Anlegen der Spannungsänderung 57 bewirkt eine weitere Dämpfung der Schwingungsamplitude sowie einen Phasensprung um den Winkel Δϕ₃. Es ergibt sich im Zeigerdiagramm 4 der Spannungszeiger 15. Der Spannungszeiger 15 weist im Vergleich zum Spannungszeiger 10 eine Phasenverschiebung von Δϕ = Δϕ₁ + Δϕ₂ + Δϕ₃. auf. Dies entspricht der Phasendrehung der Schwingung des Wandlers, die durch Anlegen des Spannungspulses 50 verursacht wird.
Die Phasendrehung Δϕ kann durch eine Messung mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Aus der Phasendrehung Δϕ kann die aktuelle Schwingungsamplitude a₁ (bzw. a_2n+1 nach dem Spannungspuls) berechnet werden. Hierbei muss die passive Dämpfung durch den Widerstand R berücksichtigt werden, die im Zeigerdiagramm 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Die Berechnung der Amplitude gilt allgemein für einen Spannungspuls mit mehreren Halbwellen der Amplitude U_b, n gibt dabei die Anzahl der Halbwellen an. Hierbei gilt: $|a_{1}| = \frac{\sin (π - (ϕ_{1} + Δ ϕ))}{\sin (Δ ϕ)} \cdot {[\frac{1}{d (π)} - 1]}^{n} \cdot U_{b}$
$|a_{2 n + 1}| = \frac{\sin (ϕ_{1})}{\sin (Δ ϕ)} \cdot {[d (π) - 1]}^{n} \cdot U_{b}$
Hierbei gilt $d (π) = - e^{- π (\frac{ϑ}{\sqrt{1 - ϑ^{2}}})},$
wobei ϑ die passive Dämpfungskonstante des Schwingkreises bezeichnet. Die Größe ϑ kann bestimmt werden, indem der Schwingkreis angeregt wird und die Nachschwingdauer ohne aktive Dämpfung gemessen wird. Anschließend, nach dem Ausschwingen, wird der Schwingkreis erneut mit der k-fachen Amplitude angeregt und ebenfalls die Nachschwingdauer gemessen. Aus der Differenz der beiden Nachschwingdauern dt lässt sich nach folgender Formel die Dämpfungskonstante berechnen: $ϑ = \ln (k) / (ω_{0} * dt)$
Alternativ kann die Größe ϑ durch Berechnung aus den Größen des Ersatzschaltbildes nach einschlägig bekannten Verfahren bestimmt werden.
In der Figur 6 ist ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur aktiven Dämpfung dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Wandler 100, der zwei Anschlüsse 102, 104 aufweist. Zum einen sind diese mit einem Signalgenerator 110 der Vorrichtung verbunden, der den Wandler anregt. Der Signalgenerator 110 ist erfindungsgemäß ausgebildet, einen Spannungspuls an die Anschlüsse 102 und 104 anzulegen, der um den Winkel ϕ₁ zur Schwingung der Membran phasenverschoben ist und der eine Phasendrehung der Schwingung der Membran um den Winkel Δϕ bewirkt. Dies kann während der Anregungsphase oder während Anregungspause des Wandlers erfolgen.
Ferner sind die Anschlüsse 102, 104 mit der erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung 120 verbunden, wobei die Anschlüsse 102, 104 während der Anregungsphase oder einer Anregungspause des Signalgenerators 110 ein Signal vorsehen, das die Bewegung der Membran des Wandlers 100 wiedergibt. Die Bewegung wird von der Erfassungseinrichtung 120 durch die Verbindung mit den Anschlüssen 102, 104 erfasst. Die Erfassungseinrichtung 120 umfasst eine Phasenerfassungseinheit 124, mit der eine Phaseninformation, insbesondere eine Phasenverschiebung des Signals erfasst werden kann, das an den Anschlüssen 102, 104 anliegt. Die Erfassungseinrichtung ist ferner mit einer Frequenzmesseinheit 122 ausgerüstet, die es der Erfassungseinrichtung 120 gestattet, die Frequenz des Signals an den Anschlüssen 102, 104 zu erfassen.
Die Phasendrehung Δϕ kann bei konstanter Laufzeit der an der Messung beteiligten Komponenten sehr exakt gemessen werden. Die Phasenerfassungseinheit 124 umfasst dazu beispielsweise einen in der digitalen Schaltung mitgeführten digitalen Phasenzeiger.
Die Messung kann erfolgen, indem der Phasenzeiger vor dem Zeitpunkt t₁, zu dem der Spannungspuls zur Herbeiführung de Phasendrehung Δϕ erfolgt, mit dem Stromverlauf in der Induktivität L synchronisiert wird. Während der Spannungspuls anliegt, enthält der digitale Phasenzeiger die ursprüngliche Phasenlage ϕ₁ des Stromes I_L zum Zeitpunkt t₁. Nach dem Dämpfungssignal wird die tatsächlich vorliegende Phasenlage ϕ₁+Δϕ bestimmt und mit dem Inhalt des digitalen Phasenzeigers verglichen. Die Differenz der beiden Werte entspricht der durch den Spannungspuls verursachten Phasendrehung Δϕ. Dabei haben die Werte der Komponenten des Ersatzschaltbildes des akustischen Wandlers sowie der Verstärkungsfaktor des eingesetzten Messverstärkers keinen Einfluss auf die Messung.
Die Frequenz- bzw. Phasenerfassungseinheit 122, 124 umfassen vorzugsweise ferner Detektoren zur Erkennung gleichartiger Signalverläufe, wie zum Beispiel Nulldurchgangsdetektoren, um die Phasenlage und die Periodenlänge zwischen zwei Nulldurchgängen zu erfassen. Die Erfassungseinheiten 122, 124 können einen gemeinsamen Nulldurchgangsdetektor verwenden.
Die erfasste Schwingungsamplitude, Phasenlage und die erfasste Schwingungsfrequenz werden über eine Verbindung an den Signalgenerator 110 übermittelt, der gemäß der Schwingungsamplitude, der Frequenz und der Phasenlage den Dämpfungspuls vorsieht, der entgegengesetzt zu dem Bewegungsverhalten des Wandlers 100 ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine Steuerung 130 umfassen, die den Signalgenerator 110 ansteuert, um Anregungspulse, Dämpfungspulse und Messpulse durch den Signalgenerator 110 zu den entsprechenden Zeitpunkten erzeugen zu lassen. In einer Ausführungsform, die eine Alternative zu der Ausführungsform von Figur 6 darstellt, ist die Erfassungseinrichtung 120 nicht (nur) mit dem Signalgenerator 110 verbunden, sondern mit der Steuerung 130, die die Amplitudeninformation, die Frequenzinformation und die Phaseninformation verarbeitet und den Signalgenerator 110 entsprechend ansteuert.
Figur 7 stellt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Dämpfung eines akustischen Wandlers als Flussdiagramm 200 dar. In Schritt 210 wird der Wandler durch Zuführen eines Anregungspulses zur Schwingung angeregt. Im Erfassungsschritt 220 wird durch einen Spannungspuls zum Zeitpunkt t₁ eine Phasendrehung der Schwingung des Wandlers herbeigeführt. Die Phasendrehung wird gemessen und die aktuelle Schwingungsamplitude daraus berechnet. Abhängig von der aktuellen Schwingungsamplitude wird ein Dämpfungssignal erzeugt, das der Schwingungsbewegung des Wandlers zumindest teilweise entgegengesetzt ist und das in Schritt 230 dem Wandler zugeführt wird. Da das Dämpfungssignal abhängig von der aktuellen Schwingungsamplitude des Wandlers erzeugt wird, kann die Dauer und/oder Amplitude des Dämpfungssignals an die Schwingung des Wandlers angepasst werden, so dass sich eine schnelle und vollständige Dämpfung ergibt.
Alternativ kann anschließend eine Messung der (noch) vorhandenen Amplitude nach dem vorherigen Durchführen einer teilweisen aktiven Dämpfung erfolgen, um die Güte der bereits erfolgten aktiven Dämpfung und die Parameter der nun folgenden endgültigen aktiven Dämpfung zu bestimmen. Eine derartige Messung kann beispielsweise folgendermaßen ablaufen: Anregung der Schwingung (entsprechend Schritt 210), teilweise aktive Dämpfung und Messung der Amplitude nach dem beschriebenen Verfahren (220) und endgültige aktive Dämpfung (230).

Claims

Verfahren zur aktiven Dämpfung eines akustischen Wandlers mit den Schritten:
- Anregen des Wandlers durch Zuführen eines Anregungspulses an den Wandler,

- Dämpfen des Wandlers durch Zuführen eines Dämpfungssignals, das der Schwingungsbewegung des Wandlers zumindest teilweise entgegengesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Erfassungsschritt vorgesehen ist, in dem die aktuelle Schwingungsamplitude (a₁, a₂, a_2n+1) des akustischen Wandlers mittels einer Phasendrehung (Δϕ) der Schwingung des akustischen Wandlers bestimmt wird, und das Dämpfungssignal abhängig von der aktuellen Schwingungsamplitude (a₁, a₂, a_2n+1) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Dämpfungssignals aus der aktuellen Schwingungsamplitude (a₁, a₂, a_2n+1) des akustischen Wandlers berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Dämpfungssignals aus der Schwingungsamplitude (a₁, a₂, a_2n+1) des akustischen Wandlers berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendrehung (Δϕ) durch einen Spannungspuls (40, 50) herbeigeführt wird, der an den akustischen Wandler angelegt wird, zu einem Zeitpunkt t₁ der nicht einem Nulldurchgang der Schwingungsamplitude entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungspuls (40, 50) aus einer einzelnen Flanke oder einer oder mehreren rechteckigförmigen Halbwellen (52, 54) aufgebaut ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen zusätzlichen Erfassungsschritt umfasst, bei dem die aktuelle Schwingungsfrequenz des Wandlers erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Halbwellen (52, 54) aufgebauter Spannungspuls (50) mit einer Frequenz angelegt wird, die der erfassten, aktuellen Schwingungsfrequenz des Wandlers entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungssignal mit einer Frequenz angelegt wird, die der erfassten, aktuellen Schwingungsfrequenz des Wandlers entspricht.
Vorrichtung zur aktiven Dämpfung eines akustischen Wandlers (100), umfassend,
- eine Erfassungseinrichtung (120), die mit einem akustischen Wandler (100) verbindbar ist und eingerichtet ist, eine aktuelle Schwingungsamplitude des akustischen Wandlers (100) mittels einer Phasendrehung der Schwingung des Wandlers (100) zu erfassen,

- einen Signalgenerator (110), der mit dem Wandler (100) verbindbar ist und der mit der Erfassungseinrichtung (120) verbunden ist, wobei der Signalgenerator (110) eingerichtet ist, ein Dämpfungssignal, das der Schwingungsbewegung des Wandlers zumindest teilweise entgegengesetzt ist, an den Wandler (100) anzulegen,

- wobei das Dämpfungssignal von der erfassten Schwingungsamplitude abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Erfassungseinrichtung (120) zusätzlich eingerichtet ist, eine aktuelle Schwingungsfrequenz eines von dem Wandler (100) stammenden Messsignals zu erfassen, und das Dämpfungssignal mit der erfassten Schwingungsfrequenz erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Vorrichtung eine Steuerung (130) umfasst, die eingerichtet ist, eine Amplitudeninformation und/oder eine Frequenzinformation und/oder eine Phaseninformation von der Erfassungseinrichtung (120) zu empfangen und den Signalgenerator (110) abhängig von mindestens einer dieser Informationen anzusteuern.
Sensor, insbesondere Ultraschallsensor zur akustischen Abtastung der Umgebung, umfassend:
- einen akustischen Wandler,

- eine Vorrichtung zur aktiven Dämpfung des akustischen Wandlers nach einem der Ansprüche 9 bis 11.