CN103635956B - 用于声学转换器的主动阻尼的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实现一种用于几乎所有声学转换器的主动阻尼，其中确定所述声学转换器的当前振动幅度并且根据所述当前振动幅度在所述声学转换器上施加阻尼信号。为此根据本发明提出，在检测步骤（220）中优选通过电压脉冲有针对性地导致和测量所述声学转换器的振动的相位旋转。借助于已知的参量实施当前振动幅度的计算，所述参量包括振动在导致相位旋转的时刻的相位旋转和相位位置。可以根据现在已知的当前振动幅度产生和再调节所述阻尼信号。

Description

用于声学转换器的主动阻尼的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于声学转换器的主动阻尼的方法，所述声学转换器为了借助于声学信号扫描周围环境例如用在车辆中。本发明还涉及一种用于实现这样的方法的装置。

背景技术

在本发明的术领域中，也就是说在周围环境的声学扫描的领域中已知以下方法：所述方法包括在周围环境中发送脉冲以及接收在那里反射的脉冲，以便可以通过分析处理推断出与目标的间距。

所使用的转换器是具有膜片的声学转换器，所述膜片必要地具有一定质量，其中膜片还具有弹力，从而产生暂态振动行为。压电转换器对于其压电层具有相同的行为。事先激励之后的暂态振动出于多种原因是不期望的，尤其由于周围环境测量的由此决定的最小间距，因为仅仅当振动（作为事先激励的结果）尽可能衰减时，转换器才可以用作在目标上反射的声音的接收器。对于与转换器的距离小于最小间隔的目标，所反射的声波还在暂态振动持续时间期间到达膜片上并且由于还存在的发送脉冲余振不能与发送脉冲进行区分并且由此不能被识别。

因此已知的是，除自阻尼以外附加地被动地借助于阻尼元件来阻尼膜片，其中例如使用泡沫。然而，由此显著减小了两个转换方向上、即发送和接收声音脉冲时的灵敏度。

例如由申请DE10136628A1已知：主动阻尼膜片，其方式是，为了抑制暂态振动在转换器上施加相反的信号，其中所述阻尼信号与暂态振动的叠加导致幅度减小。主动阻尼用于减小在发送声能之后膜片的暂态振动持续时间并且因此更早地重建传感器的接收准备。暂态振动持续时间的长度在此确定传感器与障碍物之间的最小可测量间距。

此外，由DE102010039017已知了用于声学转换器的主动阻尼的方法或者装置。在那里检测转换器的当前振动频率以及施加具有与所检测的当前振动频率相同的频率的阻尼信号。

用于车辆的周围环境的声学扫描的已知传感器由声学转换器和用于控制声学转换器的电子装置组成。声学转换器又由铝罐和固定在所述铝罐中的压电元件组成。声音转换器的等效电路图在图1中示出并且包含由R、L和C_ser组成的串联振荡回路以及并联电容C_par。振动幅度在声学转换器的等效电路图中体现为流过电感L的电流的幅度并且在声学转换器的端子上不可直接测量。

通过并联电容C_par上的电压的直接测量可以推断出电感L中的电流的幅度。然而，为此除所使用的测量/分析处理电路的放大因数以外等效电路的所有构件的值必须是已知的。这些值强烈地依赖于环境影响和制造公差并且因此不可以足够精确地说明。

因此，由现有技术已知的方法省去当前振动幅度的测量或者为了振动幅度测量使用常规的模/数转换器。这具有以下缺点：模/数转换器的使用为了确定振动幅度需要额外的硬件开销。

如果当前振动幅度是未知的，则不可以在距离测量期间再调节阻尼信号的参数，而是必须在校准阶段求取这些参数。这降低间距测量的精确度。

发明内容

本发明能够实现几乎所有声学转换器的主动阻尼，其中确定声学转换器的当前振动幅度并且根据所述当前振动幅度在声学转换器上施加阻尼信号。

本发明的优点在于，可以在没有额外硬件开销——例如模/数转换器的情况下以及在不知道等效电路的各个值的情况下以高精确度和高时间分辨率求取转换器的当前振动幅度。

为此，根据本发明提出，在检测步骤中优选通过电压脉冲有针对性地导致以及测量声学转换器的振动的相位旋转。借助于已知的参量实施当前振动幅度的计算，所述参量包括所述振动在相位旋转之前的时刻的相位旋转和相位位置。可以根据现在已知的当前振动幅度产生和再调节阻尼信号。

优选地，在此根据转换器的当前振动幅度调节阻尼信号的持续时间和/或幅度。由此实现声学转换器的快速且高效的主动阻尼。由此可以进行具有高精确度和高分辨率的周围环境扫描，因为通过最终产生的短暂态振动持续时间得到被扫描的对象与传感器的小的最小间距。

优选地引起相位旋转，其方式是，在声学转换器上施加电压脉冲。在不相应于转换器振动幅度的交零的时刻施加所述电压脉冲。电压脉冲引起转换器的振动的相位旋转，测量所述相位旋转并且可以由所述相位旋转计算当前振动幅度。

电压脉冲优选由一个单个边缘或由一个或多个矩形半波构成。这具有以下优点：不仅边缘而且矩形脉冲可以简单地产生并且施加到声学转换器上。优选具有相应于转换器的当前振动频率的频率的多个半波由于更少数量所产生的高次谐波而得到确定当前振动幅度的更高精确度。更高阶的振动称为高次谐波，其通过在声学转换器上施加电压脉冲产生并且其可以干扰当前振动幅度的测量以及损害精确度。通过施加由多个半波组成的电压脉冲，使高次谐波的影响最小化。在这种情形中，应在计算当前振动幅度时考虑振荡回路的被动阻尼。

优选地，为此设有附加的检测步骤，其中检测声学转换器的当前振动频率（谐振频率）。这可以例如通过由现有技术已知的测量方法实现。

阻尼信号根据本发明取决于当前振动幅度并且优选以当前振动频率施加到转换器上。由此得到转换器振动的进一步优化的阻尼。

本发明借助于一种用于声学转换器的主动阻尼的装置实现。所述装置具有检测装置，其与转换器连接。所述检测装置能够求取当前振动幅度，其方式是，所述检测装置特别是借助于数字相位指示器、时钟控制的计数器和交零识别器、顶点测量装置或其他机构来分析处理源于转换器的测量信号，所述测量信号包含关于转换器的振动的相位旋转的信息，以便求取信号的相位位置。所述检测装置设置用于检测两个或多个同样的信号变化过程之间的相对相位位置，优选交零。

所述装置还包括信号发生器，其与转换器连接并且还与用于确定当前振动幅度的检测装置连接。信号发生器能够产生电压脉冲并且将其施加到转换器上，所述电压脉冲产生转换器振动的相位旋转。信号发生器此外能够产生阻尼脉冲，其中信号发生器在产生阻尼脉冲时考虑之前由检测装置接收的当前振动幅度和相位位置并且根据所述当前振动幅度和相位位置例如提供阻尼脉冲的持续时间和/或幅度。信号发生器此外能够在相位方面至少部分反抗转换器的振动运行地提供阻尼脉冲。信号发生器通过与转换器的连接能够将用于产生相位旋转的电压脉冲以及阻尼脉冲施加到转换器上。替代地，所述装置也可以包括不同的信号发生器，它们与转换器连接，其中分别设有用于产生激励信号的、用于引起转换器振动的相位旋转的和用于产生阻尼信号的信号发生器。

根据一种优选实施方式，所述装置包括存储器，在所述存储器中可以存储当前检测的振动幅度，其中存储器还与信号发生器连接，所述信号发生器可以调用当前振动幅度，以便根据振动幅度提供阻尼脉冲。信号发生器可以是二元或三元输出级，其中三元输出级还在零状态中切换到高内阻上。

在一种优选实施方式中，检测装置附加地设置用于检测转换器或者源于转换器的测量信号的当前振动频率。这可以例如通过测量脉冲实现，通过所述测量脉冲短时间地激励转换器并且由检测装置检测转换器的自振动频率。可以使用这些附加信息，以便在转换器上施加具有当前振动频率但基本上相反的相位位置的阻尼脉冲，由此得到转换器的进一步改善的阻尼。

附图说明

图1示出声学转换器的等效电路图；

图2在矢量图中示出声学转换器的振动；

图3在矢量图中示出根据现有技术的声学转换器的振动和主动阻尼；

图4a示出根据本发明的第一实施例的用于阻尼声学转换器的电压脉冲；

图4b在矢量图中示出根据本发明的第一实施例的声学转换器的振动和借助于图4a中的电压脉冲的主动阻尼；

图5a示出根据本发明的第二实施例的用于阻尼声学转换器的电压脉冲；

图5b在矢量图中示出根据本发明的第二实施例的声学转换器的振动和借助于图5b中的电压脉冲的主动阻尼；

图6示意性地示出根据本发明的装置的实施例；

图7示出用于进一步阐明根据本发明的方法的示图。

具体实施方式

图1示出声学转换器的等效电路图1。其包含由R、L和C_ser组成的串联振荡回路以及并联电容C_par。所述声学转换器的振动幅度在声音转换器的等效电路图中表现为流过电感L的电流I_L的幅度。

图2在矢量图2中作为逆时针沿箭头80的方向以角速度ω₀旋转的矢量10示出所述声学转换器的振动。角速度ω₀直接通过等式ω₀=2πf₀与声转换器的谐振频率f₀相关联。矢量10的长度在此相应于在电流交零点中电感L上的电压U_Max。在一个振动周期期间，电压矢量10的尖端描述了示出的圆形轨迹20。图的横坐标涉及电感L上的电压U_L，纵坐标涉及流过电感L的以ω₀L标准化的电流I_L。电流I_L是声学转换器的当前振动幅度的度量。振动在时刻t的当前相位位置通过箭头10与图的横坐标之间的相角表示。在该图和随后的图中为了简化没有示出由电阻R引起的被动阻尼。在考虑被动阻尼的情况下，矢量长度指数式地减小并且矢量尖端不描述圆形轨迹而描述对数螺旋线。

在图3中根据在图2中引入的矢量图2示出根据常规方法的声学转换器的主动阻尼。在振动或者流过电感L的电流I_L的交零时刻与幅度U_b的电压反相地控制所述声学转换器。在图中通过箭头30示出所述电压脉冲。得到新的圆形轨迹22，其具有减小了值U_b的半径12。这相应于所述声学转换器的振动幅度，其小于在施加阻尼信号之前的振动幅度。通过在流过电感L的电流I_L的交零时刻反相控制声学转换器得到最大可能的阻尼。通过振荡回路中的电参量U_L和I_L表示的振动相位位置在此保持恒定，如在矢量图1中可由箭头10和12的平行定向识别的那样。

图4示出根据本发明的阻尼方法的第一实施方式的检测步骤。图4b在此表示矢量图3中根据等效电路图的转换器的振动。不在振动或者电流I_L的交零中控制声学转换器，而在相应于振动的相角的时刻t₁控制声学转换器，通过电压矢量10示出。如果在所述时刻在图4a中示出的电压脉冲40以具有幅度U_b的边缘的形式施加到声学转换器上，则除与在图3中示出的控制相比更小的阻尼以外也得到振荡回路中的电参量的相位旋转角度。电压脉冲40在矢量图3中通过具有幅度U_b的箭头30表示。对于声学转换器的振动得到具有幅度a₂的电压矢量14，相应于圆形轨迹24。在施加电压脉冲40之前或者之后可以如下由已知的参量和计算声学转换器的振动幅度。

振动幅度a₁在施加电压脉冲40之前：

振动幅度a₂在施加电压脉冲40之后：

随后可以由所计算的幅度a₁和/或a₂在具有或不具有前置电阻的情况下确定阻尼信号的持续时间。此外，可以作为所计算的幅度a₁和/或a₂中的至少一个的函数确定阻尼信号的幅度。有利地，比较当前测量的幅度与之前实施的距离测量周期的幅度，以及根据所确定的变化线性地匹配阻尼信号的持续时间和/或幅度。可以通过常规方式通过声学转换器的基本上反相的控制来实施主动阻尼。替代地，所计算的幅度也可以用作用于余振的阻尼的其他方法的基础，例如用于根据DE102010062930.8的方法。

图5a和5b示出根据本发明的阻尼方法的第二实施方式的检测步骤。如在图5a中示出的那样，替代单个边缘使用由两个矩形半波、即一个正半波52和一个负半波54组成的电压脉冲50。脉冲50的频率在所述示例中等于转换器振动的振动频率f₀。这意味着，电压脉冲50的末端时刻t₃和开始时刻t₁之间的差恰好等于矢量图4中的矢量的循环时间T=1/f₀，其中f₀是转换器的振动频率。因此第一半波52的末端时刻t₂相应于于半个矢量循环。

如在图5b中的矢量图4中示出的那样，通过电压脉冲50的形式得到三个阻尼箭头36、37和38。在时刻t₁（相应于相位位置）在转换器上施加具有幅度+U_b的电压55。如在矢量图4中清晰可见的那样，这与在图4中描述的示例类似地引起原来幅度a₁的阻尼（通过箭头10示出）以及角度的相位旋转，从而对于矢量图4中的振动幅度得到相应于幅度a₂的箭头14。在时刻t₂在转换器上施加电压-U_b。这相应于电压改变56值-2U_b。如在矢量图4中清晰可见的那样，代表转换器在时刻t₂的振动的电压矢量16相对于电压矢量14旋转180°（相应于t₁和t₂之间的时间段内的半个循环）。电压改变56引起进一步阻尼以及角度的相位跳跃。由此在时刻t₂在施加电压56之后得到具有幅度a₄的电压矢量18。在时刻t₃，施加的电压返回到零，相应于+U_b的电压变化57。t₂与t₃之间的时间段又相应于转换器的半个矢量循环或者半个振动周期T。转换器在时刻t₃的振动通过电压矢量19表示，其相对于电压矢量18旋转了180°。电压变化57的施加引起振动幅度的进一步阻尼以及角度的相位跳跃。在矢量图4中得到电压矢量15。电压矢量15与电压矢量10相比具有相移这相应于转换器振动的相位旋转，其通过施加电压脉冲50引起。

可以通过具有高精确度的测量求取相位旋转。可以由相位旋转计算当前振动幅度a₁（或者根据电压脉冲计算a_2n+1）。在此必须考虑由电阻R引起的被动阻尼，其在矢量图4中出于清晰的原因没有示出。幅度的计算通常适于具有幅度U_b的多个半波的电压脉冲，n在此说明半波的数量。在此适用：

在此适用：其中表示振荡回路的被动阻尼常数。可以确定参量，其方式是，激励振荡回路并且在没有主动阻尼的情况下测量暂态振荡持续时间。随后，在停振之后，重新以k倍的幅度激励振荡回路并且同样测量暂态振荡持续时间。可以由两个暂态振动持续时间的差dt根据以下公式计算阻尼常数：

$\mathrm{\θ}=\ln \left(k\right)/({\mathrm{\ω}}_0*\mathrm{dt})$

替代地，可以通过根据有关已知的方法由等效电路的参量的计算确定变量。

在图6中示出了根据本发明的用于主动阻尼的装置的一个优选实施方式的示意性电路图。所述装置包括转换器100，其具有两个连接端102、104。一方面，这些连接端与装置的信号发生器110连接，所述信号发生器激励所述转换器。信号发生器110根据本发明构造用于在连接端102和104上施加电压脉冲，所述电压脉冲相对于膜片的振动相位移动了角度并且引起膜片振动的角度的相位旋转。这可以在转换器的激励阶段期间或在转换器的激励暂停期间进行。

此外，连接端102、104与根据本发明的检测装置120连接，其中连接端102、104在信号发生器110的激励阶段或激励暂停期间提供一个信号，所述信号反映转换器100的膜片的运动。所述运动由检测装置120通过与连接端102、104的连接检测。检测装置120包括相位检测单元124，借助于所述相位检测单元可以检测施加在连接端102、104上的信号的相位信息、特别是相移。检测装置还具有频率测量单元122，其允许检测装置120检测连接端102、104上的信号的频率。

可以在参与测量的构件的运行时间恒定的情况下非常准确地测量相位旋转。相位检测单元124为此包括例如在数字电路中携带的数字相位指示器。可以通过以下方式进行测量：在实现用于引起相位旋转的电压脉冲的时刻t₁之前使相位指示器与电感L中的电流变化过程同步。在施加电压脉冲期间，数字相位指示器包含电流I_L在时刻t₁的原始相位位置。根据阻尼信号确定实际存在的相位位置并且将其与数字相位指示器的内容进行比较。两个值的差相应于由电压脉冲引起的相位旋转。在此，声学转换器的等效电路的构件以及所使用的测量放大器的放大因数的值对测量没有影响。

频率或者相位检测单元122、124优选还包括用于识别同样的信号变化过程的探测器，例如交零探测器，以便检测两个交零之间的相位位置与周期长度。检测单元122、124可以使用一个共同的交零探测器。

通过至信号发生器110的连接传输所检测的振动幅度、相位位置和所检测的振动频率，所述信号发生器根据振动幅度、频率和相位位置提供阻尼脉冲，所述阻尼脉冲反抗转换器100的运动行为。根据本发明的装置还可以包括控制器130，其控制信号发生器110，以便通过信号发生器110在相应的时刻产生激励脉冲、阻尼脉冲和测量脉冲。在表示图6的实施方式的替代的实施方式中，检测装置120不（仅）与信号发生器110连接而是与控制器130连接，所述控制器处理幅度信息、频率信息和相位信息并且相应地控制信号发生器110。

图7作为流程图200示出根据本发明的用于所述声学转换器的阻尼的方法。在步骤210中，通过提供激励脉冲激励所述转换器进行振动。在检测步骤220中，通过时刻t₁的电压脉冲引起转换器振动的相位旋转。测量相位旋转，以及由此计算当前振动幅度。根据当前振动幅度产生阻尼信号，所述阻尼信号至少部分地反抗转换器的振动运行并且在步骤230中被提供给转换器。因为根据转换器的当前振动幅度产生阻尼信号，所以可以使阻尼信号的持续时间和/或幅度匹配于转换器的振动，从而产生快速和完全的阻尼。

替代地，随后可以在事先实施部分主动阻尼之后进行（还）存在的幅度的测量，以便确定已进行的主动阻尼的品质和现在随后最后主动阻尼的参数。这样的测量例如可以如下进行：振动的激励（相应于步骤210）、根据所述方法的部分主动阻尼和幅度测量（220）以及最后的主动阻尼（230）。

Claims (13)

1.一种用于声学转换器的主动阻尼的方法，所述方法具有以下步骤：

·通过向所述转换器提供激励脉冲来激励所述转换器；

·通过提供阻尼信号来阻尼所述转换器，所述阻尼信号至少部分地反抗所述转换器的振动运动，

其特征在于，

设有检测步骤，在所述检测步骤中借助于所述声学转换器的振动的相位旋转确定所述声学转换器的当前振动幅度a₁、a₂、a_2n+1以及根据所述当前振动幅度a₁、a₂、a_2n+1产生所述阻尼信号，其中，n在此表示半波的数量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述声学转换器的当前振动幅度a₁、a₂、a_2n+1计算所述阻尼信号的持续时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述声学转换器的当前振动幅度a₁、a₂、a_2n+1计算所述阻尼信号的幅度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在不相应于所述振动幅度的交零的时刻t₁通过电压脉冲(40、50)引起所述相位旋转所述电压脉冲被施加到所述声学转换器上。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电压脉冲(40、50)由一个单个边缘或者由一个或多个矩形半波(52、54)构成。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括附加的检测步骤，在所述附加的检测步骤中检测所述转换器的当前振动频率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，施加具有相应于所述转换器的所检测的当前振动频率的频率的、由半波(52、54)构成的电压脉冲(50)。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，施加具有相应于所述转换器的所检测的当前振动频率的频率的阻尼信号。

9.一种用于声学转换器(100)的主动阻尼的装置，所述装置包括：

·检测装置(120)，其能够与声学转换器(100)连接并且设置用于借助于所述转换器(100)的振动的相位旋转来检测所述声学转换器(100)的当前振动幅度；

·信号发生器(110)，其能够与所述转换器(100)连接并且与所述检测装置(120)连接，其中，所述信号发生器(110)设置用于在所述转换器(100)上施加阻尼信号，所述阻尼信号至少部分地反抗所述转换器的振动运动；

·其中，所述阻尼信号取决于所检测的振动幅度。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述检测装置(120)附加地设置用于检测源于所述转换器(100)的测量信号的当前振动频率，并且具有所检测的振动频率的阻尼信号被产生。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其中，所述装置包括控制器(130)，所述控制器设置用于从所述检测装置(120)接收幅度信息和/或频率信息和/或相位信息以及根据这些信息中的至少一个控制所述信号发生器(110)。

12.一种传感器，其包括：

·声学转换器；

·用于根据权利要求9至11中任一项所述的声学转换器的主动阻尼的装置。

13.根据权利要求12所述的传感器，所述传感器是用于周围环境的声学扫描的超声传感器。