[发明专利]用于车辆的危险识别的一维超声换能器单元

说明书

用于车辆的危险识别的一维超声换能器单元(10)，包括：安置在车辆上的壳体(14)；至少三个分立的超声换能器(12)，设计成用于将具有一致的、在20kHz至400kHz之间的工作频率的声波耦出到气态介质中；和控制单元，所述控制单元设计成用于单独地操控每个超声换能器(12)，其中，各两个直接相邻的超声换能器(12)具有间距(A1)，一维超声换能器单元(10)对于每个超声换能器(12)具有声通道(22)，所述声通道具有分别配属于恰好一个超声换能器的输入开口(24)和输出开口(26)，所述输出开口(26)沿着直线布置，直接相邻的输出开口(26)的间距(A2)最高相当于气态介质中的整个波长或波长的一半并且小于相应的间距(A1)，所述输出开口(26)的面积与所述输入开口(24)的面积之商具有在0.30至1.2之间的值，并且每个声通道(22)至少具有相当于所述输入开口(24)的直径的长度。

技术领域

本发明涉及一种用于车辆的危险识别的一维超声换能器单元，其具有至少三个分立的并且可单独操控的超声换能器，用于检测物体、轮廓或间距。

背景技术

与工作区域或危险状况相协调地，用于距离测量的超声换能器安置在车辆的后侧和/或侧面和/或前侧。

用于识别人员和物体的主动警告系统使用各种传感系统。除了光学摄像系统、无线电和雷达外，也使用向气态介质、也就是空气中进行耦出的超声换能器。

由WO 2008/135 004 A1已知一种用于在气态介质中应用的超声换能器阵列。该阵列具有分层结构，该分层结构具有在两个电极结构之间由电介体构成的层，其中，一个电极结构包括多个可独立寻址的电极元件，由此产生电介体层的局部厚度振动。

由US 2013/0283918 A1已知一种具有改进的近场分辨率的1.5维超声换能器阵列。在US 2014/0283611 A1和US 6,310,831 B1中说明了相控的超声换能器阵列和自适应或进行补偿的控制方法。

视车辆的应用领域而定，超声换能器相对于恶劣的环境影响(例如灰尘、湿气、腐蚀性化学品)并且相对于机械冲击或相对于机械划伤必须是稳健的。

为了实现高探测范围，使用压电陶瓷、例如锆钛酸铅(PZT)，其与其他压电材料例如石英、电介体或PVFD相比具有较高的耦合系数。在此，耦合系数是针对机械存储能量和电存储能量之间的转换效率的量度。对于PZT来说，视激发方向而定，这些耦合系数例如在0.3到约0.75的范围内。

视压电材料的极化方向而定，可以借助交变电压在压电体中产生共振的机械振动，这些共振的机械振动视几何传播方式而定被称为平面振动、厚度振动或剪切振动。对于这些振动形式，可以由材料特定的频率常数来估计压电体的典型尺寸，这些频率常数对于预给定频率下的共振振动来说是必需的。对于PZT，视振动类型而定，这些频率常数通常在1300kHz*mm至2600kHz*mm之间。

因此，由适用于传感装置的PZT组成的薄盘针对在平面模式下20kHz至500kHz的激发频率具有约为4mm至100mm的直径。由于这种薄盘的电容特性，在相应地极化时能良好地实现低的激发电压。

不值得追求压电盘的更大厚度。一方面，随着压电材料的厚度增加，针对同一频率范围必须施加更高的电压，其很快也处于千伏的范围内，这意味着更高的安全性耗费。另一方面，压电体的刚度也随其厚度改变，这对声波的接收情况具有直接影响。

在将多个超声换能器应用在相控的至少一维的阵列(phased array)中的情况下，还应注意，相邻的超声换能器之间的间距不允许大于超声波的波长，或者优选不大于波长的一半。通过这种间距条件相应地限制了单个换能器的结构尺寸或限制了以超声换能器的确定的结构形式/尺寸能够实现的频率范围。

对于20kHz与500kHz之间的频率范围和向空气中的耦出，例如得出，相邻换能器之间的最大间距例如在约8.5mm至约0.3mm的量级中。