CN114258566A - 声学传输***、初级电路、次级电路、传输方法和声学传输***的应用 - Google Patents
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Abstract
说明了一种声学传输***，利用所述声学传输***可以与严密地隔开和/或通过对于电磁波来说不透明的障碍物隔开的体积交换信息。该传输***具有初级侧，该初级侧具有发射单元、接收单元和电声换能器。次级侧具有应答器和电声换能器，而且在初级侧与次级侧之间的介质对于声信号来说能透过。
Description
技术领域
本发明涉及跨密封和/或电流障碍物对能量和/或信息的传输。本发明尤其涉及所属的用声波来工作的传输***、该传输***的初级电路、该传输***的次级电路、用于跨障碍物来传输信息和/或能量的方法以及相对应的声学传输***的应用。
背景技术
需要能够检测和控制工业过程。对于常规测量技术来说难以检测到的过程的检测和控制是成问题的。其中包括来自工业、航空、航运和其它领域的示例，其中决定相对应的待测参数的待测空间被障碍物隔开。压力容器或者一般来说封闭的结构视为障碍物。严密密封和/或对于电磁波来说不透明的这种障碍物特别成问题。
无法在其中钻孔或者无法将探测器经由其引入待测空间中的障碍物尤其成问题。
众所周知的是，声波可以穿过相对应的障碍物。例如从专利US 5594705公知电声换能器。相对应的传输布置例如在Ding-Xin Yang、Zheng Hu、Hong Zhao、Hai-Feng Hu、Yun-Zhe Sun和Bao-Jian Hou的概述论文：“Through-Metal-Wall Power Delivery andData Transmission for Enclosed Sensors: A Review” in Sensors 2015, 15, 31581-31605, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4721790/中描述。从文章“State-of-the-Art Developments of Acoustic Energy Transfer”（Md Rabiul Awal,Muzammil Jusoh, Thennarasan Sabapathy, Muhammad Ramlee Kamarudin, andRosemizi Abd Rahim; International Journal of Antennas and Propagation, Volume2016, Article ID 3072528, Hindawi Publishing Corporation, https://www.researchgate.net/publication/307893860_State-of-the-Art_Developments_of_Acoustic_Energy_Transfer）公知声波的用于能量传输的应用。例如，从专利DE102007038419 B4公知一种在金属外壳内的传感器***，该传感器***可以从外部借助于超声来被供应能量，并且传感器数据同样可以借助于超声来被传送。
因此，需要经改进的传输***，这些传输***可以在不影响相对应的障碍物的功能作用的情况下克服该障碍物。
发明内容
为此，说明了一种按照独立权利要求所述的声学传输***。从属权利要求说明了该***的有利的设计方案以及有利的初级电路、次级电路和传输方法以及该传输***的有利的应用。
该传输***在初级侧具有发射单元、接收单元和电声换能器。发射单元被设置用于并且适合于提供发射信号。接收单元被设置用于并且适合于接收响应于发射信号的接收信号。电声换能器被设置用于并且适合于将发射信号转换成声信号并且将声信号转换成接收信号。此外，该传输***在次级侧具有应答器和电声换能器。应答器被设置用于并且适合于对接收信号进行接收并且对发射信号进行发送。在此，次级侧的电声换能器可以与初级侧的电声换能器进行声学接触。该声学传输***还具有在初级侧与次级侧之间的对于声信号来说能透过的介质。
该介质本质上是障碍物，在该障碍物的两侧应该交换信息时，该障碍物要被克服。在此，障碍物可能对于电磁波来说不透明并且将外部和内部密封地彼此隔开。该传输***的两个电声换能器中的每个电声换能器都可以是压电换能器。压电换能器可包括压电元件和电极结构。借助于压电效应，压电元件在电和声交变信号之间进行转换。使用声纵波来工作的换能器通常具有夹层结构，其中压电材料布置在下方电极与上方电极之间。相对应的电声换能器可以与相对应的声学终端一起作为电声谐振器来工作。
可能的是：该传输***在次级侧包括传感器。
在此，传感器可以是温度传感器、压力传感器、湿度传感器、气体传感器、光传感器、脉冲计数器、麦克风或相似类型的传感器。传感器尤其可以是MEMS传感器（MEMS =micro electromechanical system = 微机电***）。这种传感器能大量廉价生产，具有良好的电特性和良好的信号噪声比，并且能耗低。
可能的是：该传输***在次级侧包括逻辑电路。
逻辑电路可以与该传感器接线，操控和读取该传感器，并且必要时为该传感器提供所需的偏置电压。在此，逻辑电路可以检测传感器信号。传感器信号通常是模拟传感器信号。相对应地——如果需要数字输出信号——逻辑电路可包括A/D转换器和/或增强传感器的输出信号的强度。
为了与初级侧的通信，该传输***的次级侧可包括调制器。调制器例如可包括MOSFET（MOSFET = metal oxid semiconductor field effect transistor（金属氧化物半导体场效应晶体管））。借助于调制器，可以对信号进行编码，使得次级侧向初级侧例如通知相对应的传感器测量值。
在此，调制可以是幅度调制、频率调制、相位调制或者组合了上述调制形式中的不同调制形式的复合调制。在此，对初级侧的回复的幅度的接通或关断是一种特殊形式的幅度调制。
可能的是：次级侧相对应地具有用于对在次级侧的电声换能器处的电负载进行调制的调制器。
对在次级侧的电声换能器处的电负载的调制是一个优选的实施方式，原因在于该实施方式能作为特别节能的电路来实现。在此，电负载连接到次级侧的电声换能器上，该电负载的阻抗能通过调制器来改变。如果次级侧、也就是说在次级侧的电声谐振器接收到来自初级侧的穿过了障碍物的声波，则在次级侧的电声换能器将声信号转换成电信号。在次级侧的电负载被加载这些电信号。在此，由次级侧的电声换能器和与其连接的阻抗可调的电负载组成的***是声波的反射元件，该反射元件的反射系数能通过调整电负载来被调整。因此，对在次级侧的电声谐振器处的电负载的调制引起对声波的反射因子的调制。接着，在初级侧可以接收并且相对应地评估与该反射因子的调制相对应地被调制的声波。
为此，为了调制该反射因子而对电负载的调制并不需要在该传输***的次级侧对波进行特殊激励，从而在次级侧用于与初级侧的通信的相对应的能耗是最小的。
在此，在次级侧的能耗甚至可以低得使得将声波从初级侧传输到次级侧的能量足以给次级侧电路元件供应能量。在此，通过电声换能器可以轻易从来自初级侧的声能中获得电能。
为此，可能的是：该传输***在次级侧具有整流器，该整流器将在次级侧的电声换能器处的相对应的输出电流和输出电压——必要时在使用用于平滑的电容器的情况下——提供作为次级侧的直流电压。
整流器能够接在电声换能器与调制器之间。替代于此或附加地，整流器能够直接与调制器接线。
与US 5594705的电路相比，调制器、例如以MOSFET晶体管为形式的调制器的直接在整流器后面的布置具有如下优点：来自初级侧的抵达的载波频率在负载调制期间不被例如数字开关调制器、例如晶体管降低到0伏特，原因在于在整流器处存在微小的电压降。该载波频率的例如可在100 mV的量级内的这种剩余电压可以被次级侧电路使用，以便在该通信时间段也获得在次级侧电路上的时钟信号。
可能的是，该传输***包括晶体管，该晶体管的基极与用于负载调制的连接端接线。
可能的是：该晶体管是上述MOSFET。
可能的是：该传输***在电声换能器与该晶体管之间包括整流器、例如上述整流器。由此可能的是：在负载调制时，在将晶体管短接的情况下，在电声换能器处的电压没有变为零。
由此，在调制期间也可能的是：从抵达的具有初级侧载波频率的声波推导出在次级侧的时钟。
可能的是：该传输***在次级侧包括缓冲储能器。缓冲储能器可包括电容器和/或蓄电池。在此，缓冲储能器可以储存对于不太频繁的测量过程来说所需的能量。这样，例如能够实现使用两个电极之间的电弧的测量过程。根据从初级侧传送的、供在次级侧的测量支配的能量以及应该用来在次级侧进行测量的频率，基本上预先给定了每个测量过程的可用的能量。
可能的是：应答器被设置用于并且适合于使用接收***的时钟作为***时钟。接收***在此接收初级侧经由障碍物向次级侧传送的声波的时钟。
因此，与常规的信息传输***相比，次级侧不需要自己的振荡器作为数字电路的时钟发生器。由此，进而可以节约供测量过程支配的能量。
相对应地，可能的是：次级侧没有用于反馈通信的振荡器。
甚至还可能的是次级侧根本没有振荡器作为时钟发生器，原因在于对于在次级侧的其余的电路组件来说也能使用从初级侧接收到的信号的时钟。
可能的是：该传输***在次级侧包括电阻抗匹配网络。
在此，电阻抗匹配网络用于在次级侧的电声换能器的输出阻抗与在次级侧的其它电路组件之间的电阻抗匹配。
在此，阻抗匹配网络可具有适当地接线的电容性电路元件、电感性电路元件和电阻性电路元件。
可能的是：该传输***在次级侧包括降频器。
将具有输入频率的信号转换成具有与输入信号的频率不同的输出频率的输出信号的电路适合作为降频器。
在此，与初级侧的反馈通信可以基本上基于作为载波频率的被降低的频率。因此，在初级侧，可以借助于分频器将应答信号轻松地从主信号中分离出来并且对该应答信号进行评估。
尤其是半频器或者半频器的级联适合作为降频器。一个、两个、三个或四个半频器的序列例如得到来自初级侧的载波信号的频率的二分之一、四分之一、八分之一或十六分之一。如果被降低的频率与主频率的差异足够大，则在初级侧的分频器即使在来自次级侧的应答的强度有强烈衰减的情况下也可以进行分离。
可能的是：该传输***在次级侧包括电路单元，该电路单元具有变压器和如下并联电路，该并联电路具有电感性元件、电容性元件和逻辑电路。
在此，电感性元件和电容性元件可以引起电阻抗匹配，必要时与变压器结合。
逻辑电流用于操控传感器并且必要时用于调制向初级侧的反馈应答的信号。
可能的是：该传输***在次级侧包括逻辑电路前端电路，该逻辑电路前端电路具有：端口；供电连接端；运算放大器；四个电路节点A、B、C、D；以及七个晶体管。
在此，这些电路组件可以将集成电路的电路组件呈现为用于负载调制的应答器电路的版本，其中尤其是这些晶体管之一引起真正的负载调制。
可能的是：在初级侧和/或在次级侧进行声阻抗匹配和/或电阻抗匹配，并且为此设置所属的装置。
尤其可能的是：只在初级侧只进行电阻抗匹配。还可能的是：只在次级侧只进行电阻抗匹配。还可能的是：只在初级侧或者只在次级侧进行声阻抗匹配。
但是，也可能且有利的是：不仅初级侧而且次级侧都具有电阻抗匹配。相对应地，也有利的是：不仅初级侧而且次级侧都具有声阻抗匹配。
电阻抗匹配可以通过常用于此的具有诸如电容性元件、电感性元件或电阻性元件那样的有源或无源电路元件的电路网络来被执行。声阻抗匹配能够通过具有经匹配的声阻抗的附加层来实现。这样，例如可以在初级侧的电声换能器与障碍物的材料之间或者在障碍物的材料与次级侧的电声换能器之间布置附加层。
在一个有利的设计方案中，相对应的电声换能器借助于增粘剂层、例如适合的粘合剂来与障碍物机械连接，其中增粘剂层具有适合的声阻抗或尽可能薄的层厚度。
还可能的是：与上述内容相对应地，初级侧具有分频器。
在此，分频器可用于：在初级侧一侧将来自次级侧的反馈应答与主载波信号分离并且不受主信号的强度干扰地评估该反馈应答。
在此，分频器可以优选地包括双信器或双工器。对于次级侧不具有降频器而是具有升频器、例如一个或多个倍频器的同样可能的情况来说，初级侧也可耦合输出和评估其频率高于主信号的频率的信号。
还可能的是：在该传输***中，初级侧被设置用于并且适合于给次级侧持续供应能量。在此，能量优选地以声能的形式被传输经过障碍物并且在次级侧例如借助于电声换能器来被转换成电能。
可能的是，只是单向地从次级侧到初级侧进行通信。在此，初级侧只将能量传输到次级侧。
但是有利的是：该传输***被设置用于并且适合于双向通信。那么，初级侧可以向次级侧传送信息。次级侧可以接收和评估这些信息。此外，次级侧可以向初级侧传送信息，并且初级侧可以评估所接收到的信息。
还可能的是：该传输***在初级侧具有匹配网络，而且该匹配网络包括：平衡信号输入端、不平衡信号输出端、供电连接端、两条信号线、三个电感性元件和6个电容性元件。
在此，匹配网络可以经由平衡信号输入端从外部电路环境接收信息。初级侧的匹配网络可以经由不平衡输出端相对应地将接收到的信息转发给外部电路环境。
在平衡信号线的情况下，存在两个导体元件，这两个导体元件以相反的幅度来传输同一信号。平衡信号线对共模干扰相对不敏感。
作为在该传输***处的“内部”（次级）侧的应用，也可包含用于记录和传输视听感知的装置（例如音频记录、图像记录、视频记录、图像和声音记录——即例如“经典”摄像机）。
这些装置可以借助于来自初级侧的所引入的信号、例如超声信号中的“收获”能量像也已经针对其它传感器所描述的那样来被运行。
在内部记录的数据——集例如声音、图像、视频、声音-图像视频——可以随后以数字数据的形式作为有效数据在所描述的传输***中经由声波再次向“外部”传输、也就是说被传输到初级侧。
原则上，可以以单色、灰度或者彩色图像来进行传输。
对于音频来说可以选择单声道或立体声。
换言之，可以选择任何类型的通常对于此类事物来说常见的传输。
总体而言，只通过具体选择的带宽和传输率来进行限制。
但是，尤其是在传输图像或运动图像时，重要的是如下机制，该机制将新图像的开头或者新图像行（在以点和行来扫描的情况下）的开头传输到初级侧，以便确保所传输的图像等等能成功呈现。
作为进一步的复杂性，对于彩色图像来说，每个图像点通常可以传输3个值或数据向量（红、绿、蓝）。这些信息必须与在硬件中提供的数据帧大小良好匹配。
尤其可能的是：硬件支持例如64字节的数据帧，这些数据帧一方面可以被填充处理后的图像数据，而另一方面将这些数据帧经由次级侧与初级侧之间的介质向外传递。
初级侧电路可以被设计成可拆卸或可移动的模块，或者可以包含可拆卸的模块。该模块可具有NFC天线和/或压电换能器元件。
以这种方式，可以使用NFC接口、例如移动电话的NFC接口，以便通过声波来控制或运行在次级侧的应用。
这意味着：该传输***可包含另一空气接口或者能容易被扩展另一空气接口。
因此，该传输***也可以通过“继电器”来被扩展或者能被扩展，该“继电器”由任意无线标准（例如蓝牙）的收发器和压电换能器元件以及储能器（电池组或者可再充电的蓄电池）和适合于在不同标准之间转换数据的电子设备来组成。
初级电路、例如传输***的初级电路可以包括如上所述的该初级侧的元件。相对应地，次级电路可以包括如上所述的在该传输***的次级侧的元件。
借助于声学传输***的传输方法可包括如下步骤：
- 借助于在初级侧的发射单元，将载波信号发送到在次级侧的接收单元；
- 通过该接收单元来接收该载波信号；
- 基于测量值来产生应答信号；
- 将该应答信号传送给初级侧。
还可能的是：该通信还包含次级部分的标识步骤。该标识可基于测量值。也可能的是：该标识使用其它的、例如附加的信息。用于标识的***也可包括多个次级部分。
为此，可能的是：初级侧持续输出在载波频率下或者接近载波频率的正弦信号。该正弦信号可在次级侧用于：持续获得电功率并且维持从易失性存储器出发的运行。还可能的是：初级侧对该持续的正弦信号进行零星调制，以传输用于标识的命令和/或值。
而次级侧通常可以持续为换能器提供一定的负载阻抗。接着，为了数据传输的目的，对负载阻抗进行零星调制。
在次级侧的压电换能器处的（电）负载的变化可能引起在初级侧的压电换能器处的（电）阻抗的变化，使得在初级侧能识别出次级侧的调制。
有利的是：在次级侧也执行该调制，使得（在次级侧）仍然可以持续地从由初级侧生成的载波正弦信号获得电功率。
初级侧可以为负载调制生成持续的正弦信号，该正弦信号允许：还能够不断地查明或测量在初级侧的压电换能器处的连接阻抗的变化。
可能的是：初级侧的信号源是电流源。那么，在电流源处的负载电阻的变化将导致附在该负载电阻上的电压的变化。该电压可以由读取器（也就是说由读入次级侧的声学应答信号以进行评估的初级侧）来测量和评估（其中的数据的调制和信道编码）。
可能的是：初级侧和次级侧密封地隔开和/或通过对于电磁信号来说不能穿透的障碍物来隔开。
可能的是：声波穿透初级侧与次级侧之间的障碍物并且传输信息和/或能量。
还可能的是：在初级侧与次级侧之间和/或在次级侧与初级侧之间的通信被点对点加密。
在此，可以考虑常用的加密方法作为加密方法。由此能够实现点对点加密。无论如何，这都可以作为附加的安全功能来被实现。
在此，可能的是：该通信使用密码方法。
这允许：借此，该通信的内容无法被第三方访问和/或无法被第三方有针对性地更改。借此，该加密区别于用于确定传输错误的方法。
然而，数据传输本身还可以具有识别被嵌入的传输错误的能力。例如通过使用奇偶校验位和/或识别和/或纠正数据帧中的各个传输错误的途径的机制，例如通过循环冗余校验机制，即CRC、例如CRC16或CRC32。
数据加密和/或错误保护和/或错误识别代表不同方面，并且能够单独或组合地实现。
可能的是：在一个或两个方向上经由数字信号来进行该通信。
可能的是：该通信单向地或双向地进行。在双向通信的情况下，该双向通信可以同时（全双工，例如频率双工，FDD）和/或在时间上依次以所限定的时间在中间没有通信的情况下（半双工，例如时间双工，TDD）进行。可能的是：借助于调制来传输信息，并且该调制选自：负载调制、幅度调制、相位调制、频率调制以及具有上述调制中的两种或更多种调制的混合形式的复合调制。
尤其是，在该调制的情况下可能的是，适用于从初级侧到次级侧的数据流方向。
可能的是：ISO/IEC14443-2_2010标准（也就是说2010版的ISO/IEC14443-2标准）的第8和9节的每种单独的调制都适合作为调制。
还可能的是：信息传输方法使用错误识别或错误纠正方法。
尤其可能的是：在此，数据包、例如数据帧（frames）根据需要从初级侧被寄送到次级侧并且由次级侧——相对应地也仅仅根据需要——来应答。
在此可能的是：在时间上在这种异步数据帧之间只有未经调制的载波频率从初级侧被发送到次级侧，也就是说中间的时间没有数据帧。
还可能的是：在8位有效数据之间按照ISO/IEC14443-3_2011标准（也就是说2011版的ISO/IEC14443-2标准）来发送奇偶校验位。
还可能的是：该传输使用循环冗余校验（CRC）机制。
循环冗余校验（CRC）可以是按照ISO/IEC14443-3_2011标准的CRC16校验或者CRC32校验。在此，最后的2x8位或者4x8位属于该校验。
可能的是：在次级侧将该次级侧从初级侧接收到的能量暂存。
可能的是：为了至少经过障碍物进行通信，使用穿过实心障碍物的声波。
可能的是：通过初级侧来控制该通信。这也可以说是“primary side talks first（初级侧先讲）”原则。
可能的是：初级侧与超过一个次级侧进行通信。这样，可能的是：在障碍物的另一边，多个传感器分别具有自己的能量与信息接收和传输***并且与初级侧进行通信。
为此，可能的是：该方法应用防冲突方法，以便避免不同次级侧的信号交叠。
可能的是：为了通信，使用具有在1 MHz与50 MHz之间的范围内的频率的声信号。
优选的频率根据障碍物的几何形状和所使用的材料以及所使用的材料的相对应的声阻抗来得出。
已经表明：大小为4 mm的障碍物厚度和由密度为7890 kg/m3、声速为5970 m/s的金属构成的障碍物材料、大小为9.4 MHz、9.9至10.1 MHz和10.7 MHz的频率足以进行成功通信。
原则上，一方面从由金属板的厚度所决定的谐振得出具有窄但足够宽的可用频率范围的频带。
另一方面，从由初级侧的声换能器的尺寸、例如压电盘的厚度所决定的谐振得出具有相对宽的可用频率范围的频带。
这里还包括压电盘的固定方式，例如粘接。
该较宽的频率范围能有利地被使用，原因在于对于读取器的调制信号的传输需要一定的带宽并且较窄的带宽会使信号更严重地失真。较宽的通带还允许：即使在没有特殊的应对措施的情况下，也容忍谐振频率随温度的移动，并且由此容忍生产中的发散。这是一种成本效益。
在电声换能器与障碍物之间的粘合剂的厚度、特别是平均厚度可以约为10 µm厚。沿声波的传播方向看，电声换能器可具有为205 µm的长度。
优选地，粘合剂的厚度在粘合面内尽可能均匀地分布。但是，传输通道表现得足够稳定，使得能容忍不均匀。实际上，甚至表明：允许存在压电盘直接接触声学介质的地方。
还适用：粘合层越薄，声学损失就越小。
因此，也可能并且甚至有利的是：例如通过压紧，将换能器直接安置在介质的材料上。
还可能且有利的是：电声通信使用在13.56 MHz NFC频率附近的频率范围，例如频率范围13.56 MHz ± 0.5 MHz。
在此有利的是：在初级侧与次级侧之间的声通道的元件与频率范围13.56 MHz ±0.5 MHz匹配。
在此，声通道的元件尤其可包括电声换能器、粘合层和介质。
可能的是：通信方法包含对载波频率和/或幅度的定期改变，以便例如补偿环境参数、例如温度、膨胀、压力等等的改变，或者补偿制造公差。尤其可能的是：初级侧向次级侧通知被改变的有利的频率。
在此可能的是：频率的改变针对初级侧从次级侧接收的所接收到的数字数据。
在此，次级侧首先准确接收来自初级侧的命令。
接着，次级侧然后可以向初级侧通知“好”或“差”频率。
在此，“好”和“差”频率的划分可基于误码率。
这是有利的，原因在于接着对于“好”和“差”频率的划分来说不需要附加的模拟电路元件，而且尤其是也不需要对幅度水平的评价。
相对应的声学传输***可以应用于查询在与初级侧密封地隔开和/或通过不透明的障碍物隔开的体积中的一个或多个测量值。
该***可以被用于测量温度、气体压力和/或湿度。
该***特别是可以在用于电流隔离的向外传输的高电压电容器中使用。
还可能的是：在该传输***中使用错误识别机制，以便找到调制的非常适合的载波频率、幅度和/或设置。
在此，错误识别机制或者相对应的错误识别方法可以在改变一个传输参数或者例如依次改变多个传输参数期间确定错误率。接着，具有低于预先给定的阈的错误率的参数组合可以被用作该***的实际工作的参数组合。
在此可能的是：次级侧在初级侧所发出的命令中识别出传输错误。次级侧将该信息经由声通道传输回到读取器。该读取器可以识别有利的值，在本地将这些值例如存储为表格，并且在需要时使用这些值作为设置。
当然，也可能的是：识别出在次级侧的所传输的信息中的错误并且对此做出反应。
重要的是初级侧拥有这些信息，原因在于优选地该初级侧控制通信的过程并且可以预先给定载波频率和其它参数的值。
这对于通信的持续监控来说也会是可能的，例如用于动态地检查中间其它参数是否还更有利。
可能的是：在声学传输***中使用四个或者更多个声学频率范围，在这些声学频率范围内传输相同信息。
由此改善了抗干扰性（例如在受到金属中的噪声影响的情况下或者在受到金属中的在统计上仅发生在一个频率范围内的显著谐振影响的情况下）。
这例如通过使用具有副载波的负载调制来给出。
在此可能的是：在负载调制的情况下使用两级调制方法。
在此，在第一步骤中，可以将数据、例如以曼彻斯特编码的数据调制到副载波上，并且接着可以在第二步骤中将信道中的副载波调制到载波频率上。
还可能的是：初级侧总是在相同时间并且在四个频带中并行地获得次级侧的信息，但是这四个频带相对于载波固定。
由此可能的是：即同时总是在四个频率范围内传输信息。
在示意图中更详细地阐述了所描述的在初级侧的器件、所描述的在次级侧的器件和相对应的***以及运行方法的中心方面以及优选的实施方式的细节。
附图说明
在附图中：
图1示出了关于传输***的重要元件的概览；
图2示出了在初级侧和在次级侧的可能的电路元件；
图3示出了声通道的更详细的视图；
图4示出了具有有利的频率的频谱；
图5示出了信号及其应答的幅度的随时间的变化过程；
图6示出了声信号的声学模型；
图7示出了可能的应答器前端电路；
图8示出了时间范围和所属的频率范围；
图9和10示出了用于在外部电路环境与初级侧之间的非接触式通信的途径。
具体实施方式
图1示出了障碍物B，该障碍物将在次级侧S2的体积V与初级侧S1隔开。如果在次级侧S2的体积V密封地被隔开并且障碍物B对于电磁信号以及也许磁信号来说不透明，则当在次级侧存在用于测量参数的传感器并且该传感器的信号应该在初级侧S1被评估时，在初级侧与次级侧之间的常用的通信方式不起作用。
但是，可能的是：使用障碍物B的材料作为声波的介质M，以便在初级侧S1与次级侧S2之间交换信息。
为此，该传输***在初级侧S1具有电声换能器EAW并且在次级侧S2具有第二电声换能器EAW。两个电声换能器EAW——例如借助于粘合剂——与障碍物B的介质M直接连接。由在初级侧S1的电声换能器EAW朝着介质M的方向发射的声波可以在次级侧被次级侧的电声换能器EAW接收。由于电声换能器能够在电信号与声信号之间进行转换，因此能够在障碍物B的两侧使用电信号并且仅针对跨障碍物B的信息传输来使用声信号。对声信号的传送也能够同时实现对能量的传送，使得次级侧S2能由初级侧S1供应能量。
在初级侧S1存在发射单元SE和接收单元EE。在次级侧布置有应答器TP。应答器TP用于与初级侧S1的通信，并且用作在次级侧的电声换能器EAW与在次级侧的逻辑电路LC之间的接口。在此，在次级侧的逻辑电路LC可以被用于操控传感器并且处理传感器信号。
图2示出了将发射单元SE和接收单元EE的元件组合的初级侧电路的一种可能的形式。这样，发射单元SE具有第一信号线SL1和第二信号线SL2。第一信号线SL1将第一发射连接端TX1与电声换能器的电极连接。第二信号线SL2将第二发射连接端TX2与电声换能器的第二电极连接。第一发射连接端TX1和第二发射连接端TX2是初级侧电路的平衡发射信号端口的两个连接端。第一和第二信号线分别包括由电感性元件和电容性元件构成的串联接线。在此，电感性元件分别接在输入连接端与节点A或B之间。电容性元件接在节点A或节点B与电声换能器的电极之间。此外，电感性元件使电声换能器的两个电极接线。
节点B经由电容性元件与接地连接。节点A同样经由电容性元件与接地连接。此外，节点A经由由电阻性元件和电容性元件构成的串联接线来与不平衡接收连接端RX连接。在供电连接端SUP与接收连接端RX之间接有电阻性元件。供电连接端经由另一电容性元件与接地接线。
在次级侧，电声换能器与具有两个磁耦合的电感性元件的变压器接线。该变压器的不与在次级侧的电声换能器直接接线的电感性元件与由电感性元件、电容性元件和逻辑电路LC构成的并联电路接线。
发射单元SE可以经由两个连接端TX1、TX2从外部电路环境接收输入信号。信号经由信号导体SL1、SL2被传送给初级侧的电声换能器。相对应的声波到达次级侧的电声换能器并且被该电声换能器转换成次级侧的电信号。该电信号借助于次级侧的变压器被转换到适合的电压和电流值，并且到达逻辑电路LC。这样，初级侧可以控制次级侧的活动。可能的应答信号被由次级侧的换能器和应答器TP构成的单元传送回到初级侧S1，并且可以经由输出端口RX被转发给外部电路环境。
在此，初级侧电路适合于给次级侧电路供应能量，例如通过持续发送的、基本上正弦形的载波频率信号来给次级侧电路供应能量，使得在次级侧不需要设置附加的储能器，否则这些附加的储能器必须定期被更换。
图3示出了声通道的元件。障碍物B的材料布置在两个电声换能器EAW之间，该材料用作用于在这些换能器之间传播声波的介质。每个换能器都经由声阻抗匹配元件AIA来与介质M连接。在此，声阻抗匹配元件AIA可以是具有适合的声阻抗的粘合剂。
有利的是：使用尽可能薄的粘合层或者甚至不使用粘合层。
在换能器与介质之间的特殊阻抗匹配是可能的，但不是必需的。相反，在信号传输时可以有利地使用反射。即，这里完全不值得追求“太好的”匹配。
图4示出了频谱，其中应答的信号强度针对在次级侧的变压器中的不同变压比被绘制为频率的函数。在此，VK表示接收信号的强度的临界信号强度，从该临界强度起，能够安全评估接收信号。已经表明：对于所使用的材料组合来说，9.4 MHz、10 MHz和10.9 MHz的工作频率适合于变压器中的两个变压比1:5和1:7。
在此，图5示出了在从初级侧到次级侧的通信和次级侧的相对应的应答的情况下的可能的幅度变化过程。在此，初级侧使用六个波包，这六个波包被传送给次级侧。在一定的等待时间（帧延迟时间（frame delay time））后，次级侧以特定的、取决于所确定的参数值的信号来进行应答。
图6示出了声信号的解析模型，借助于该解析模型可以理解信号传输。换能器EAW之间的声学活性元件（初级侧的声阻抗匹配元件、障碍物的介质、次级侧的声阻抗匹配元件）中的每个声学活性元件都可以通过复阻抗（Z）和复导纳（Y）值来被描述。根据在不同材料之间的分界面处的阻抗跳变，得出有效的反射因子，使得这些材料能容易选择，并且能够实现向声换能器的高程度的信号和能量传输。
图7示出了换能器（也就是说应答器）前端电路的一个可能的实施方式，该换能器（也就是说应答器）前端电路可以在次级侧插在电声换能器与次级侧的逻辑电路之间。其中的晶体管T1、T2、T3、T4、T5、T6形成整流器。该电路具有：第一输入连接端A1和第二输入连接端A2，以便记录大约10 MHz的载波频率的正弦交变信号；以及输出连接端SUP，以便给逻辑电路供应以直流电压和直流电流为形式的电功率。
该电路还具有四个电路节点A、B、C、D。在连接端A1与A2之间的电容是MOS晶体管的无法避免的寄生电容，以及必要时是电容性元件。两个晶体管T3和T4是开关，这些开关通过在其栅极连接端的电压（相对于在其源极或漏极连接端处的电压）来被控制导通或不导通。晶体管T1和T2以及晶体管T6和T7作为所谓的MOS二极管来运行（栅极连接端与漏极连接端连接），也就是说其功能是二极管的功能。总体而言，该构造得到整流器，该整流器在电路节点A和B处或者同样在电路节点A和D处产生直流电压，其中A是具有0伏特的参考或接地连接端，并且在B和D处形成相对于A更高的电压。
为了使该直流电压保持恒定，实现所谓的电压限制器。该电压限制器由运算放大器和晶体管T5组成。该运算放大器将在点C处的供电直流电压与恒定电压参考V_REF、例如带隙参考进行比较，该供电直流电压通过由电阻R1和R2构成的分压器从在点B处的电压得出。这形成了控制回路。如果在A1与A2之间的输入交变电压提高，则运算放大器的输出电压发生变化，使得晶体管T5会传导稍微更多的电流，也就是说该晶体管的在源极与漏极之间的附在点A和D处的阻抗变得欧姆稍低。由此，使点B处的电压相对于点A处的参考（GND）保持恒定。这样，对于在运行时具有随时间可变的电流需求的随后的逻辑电路的供电，恒定的供电电压至关重要。
但是，晶体管T5的阻抗变化也影响附在输入连接端A1与A2之间的阻抗。即使A1中的输入电流发生变化，例如变大，A1与A2之间的电压也基本上保持恒定。这一点相当于在点A1与A2之间的输入阻抗根据晶体管T5的调节而发生变化。
可以将该设计用于产生负载调制。为此，可以使用另一晶体管T8，该另一晶体管以其漏极和源极连接端与T5并联。现在，T8的栅极可以使用控制电压来被调制，该控制电压包含在副载波频率上的以信道编码（例如曼彻斯特编码）为形式的所要传输的数据。副载波频率例如可以是如下频率，该频率通过对在点A1与A2之间的载波频率交变电压的划分、例如由除以16倍或32倍来形成。该副载波频率又可以由例如以曼彻斯特编码的数据流来控制。
图8示出了在时间范围和频率范围内的可用信号，这些时间范围和频率范围通过彼此的相对应的转换来得出。特别是，该图的上方部分示出了随时间的变化过程。下方部分示出了所属的频率成分。
在图8的上方部分，最上方曲线示出了一定时长的有效数据位，特别是零、一和中间的转变。在下一行说明了所属的信道编码的变化过程。在第三行示出了所属的副载波的随时间的变化过程。在第四行示出了借助于信道编码来调制的副载波。在图8的上方部分的最后一行，示出了具有负载调制的载波。
图8的下方部分的第一行示出了在频率范围内的信道编码。图8的下方部分的第二行示出了在频率范围内的调制副载波。图8的下方部分的第三行示出了在载波上的负载调制的表示。
也就是说，通过适当调制的副载波，能够实现对传输频率范围的加倍或者——视频率间隔而定——对传输频率范围的翻两番。由此改善了抗干扰性（例如在受到金属中的噪声影响的情况下或者在受到金属中的在统计上仅发生在一个频率范围内的显著谐振影响的情况下）。
图9示出了该传输***的一种形式的元件，其中在初级侧提供具有空气接口、特别是具有NFC（NFC = Near Field Communication = 近场通信）的模块。由此，可以通过相对应的控制设备、例如像具有相对应的控制软件的移动电话那样的便携式通信终端设备来非接触式地控制初级侧。为此，在初级侧的模块具有电路板和天线，该电路板具有相对应的电子电路组件。在此，天线可以直接被形成为在电路板中或在电路板上的金属敷镀。
初级侧的这种非接触式连接可以作为唯一的连接或者除了一个连接之外通过另一连接、诸如线缆来实现。实际上，非接触式连接可以被用于：将在由多个初级侧组成的***中的各个初级侧的ID号分配给该***中的位置。
图10示出了其中在初级侧的该模块通过另一模块来被控制的变体。在此，该另一模块可以与外部逻辑电路、例如计算机的总线***接线。接着，该另一模块也包含用于与初级侧模块的非接触式通信的控制元件。
借助于上述电路和***，能够在次级侧轻松地并且电路花费和能量需求少地借助于声波来克服对于电磁信号来说不透明的通信障碍物。
附图标记清单
AIA： 声阻抗匹配元件
B： 障碍物
EAW： 电声换能器
RX： 接收连接端
EE： 接收单元
A1、A2： 第一、第二连接端
V： 密封封闭的体积
A、B、C、D： 相应的电路节点
VK： 临界输出电压
LC： 逻辑电路
M： 声波的介质
S1、S2： 初级侧、次级侧
T1, ..., T8： 第一……第八晶体管
TX1、TX2： 发射连接端
SE： 发射单元
SL1、SL2： 信号线
TP： 应答器
SUP： 供电连接端
V_MOD： 调制电压
V_REF： 恒定电压参考
Claims (86)
1.一种声学传输***，其
∙ 在初级侧包括：
- 发射单元，所述发射单元被设置用于并且适合于提供发射信号；
- 接收单元，所述接收单元被设置用于并且适合于接收响应于所述发射信号的接收信号；
- 电声换能器，所述电声换能器被设置用于并且适合于将所述发射信号转换成声信号并且将声信号转换成接收信号，
∙ 在次级侧包括：
- 应答器，所述应答器被设置用于并且适合于对接收信号进行接收并且对发射信号进行发送；
- 电声换能器，
∙ 在所述初级侧与所述次级侧之间存在对于声信号来说能透过的介质。
2.根据上一权利要求所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述次级侧还包括传感器。
3.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述次级侧还包括逻辑电路。
4.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述次级侧还包括调制器或MOSFET。
5.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述次级侧还包括用于对在次级侧的电声换能器处的电负载进行调制的调制器。
6.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述次级侧还包括整流器。
7.根据上述三个权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中所述整流器
- 接在所述电声换能器与所述调制器之间，和/或
- 直接与所述调制器接线。
8.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***包括晶体管（T8），所述晶体管的基极与用于负载调制的连接端（V_MOD）接线。
9.根据上一权利要求所述的声学传输***，
其中所述晶体管是MOSFET。
10.根据上述两个权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***包括在电声换能器与所述晶体管（T8）之间的整流器，
其中在为了所述负载调制而将所述晶体管（T8）短接的情况下，在所述电声换能器处的电压没有变为零。
11.根据上一权利要求所述的声学传输***，
其中在调制期间也能够从抵达的具有初级侧载波频率的声波推导出在所述次级侧的时钟。
12.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述次级侧还包括缓冲储能器。
13.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中所述应答器被设置用于并且适合于使用接收***的时钟作为***时钟。
14.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中所述次级侧没有用于反馈通信的振荡器。
15.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中所述次级侧没有振荡器。
16.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述次级侧还包括电阻抗匹配网络。
17.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述次级侧还包括降频器。
18.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述次级侧还包括电路单元，所述电路单元具有变压器和如下并联电路，所述并联电路具有电感性元件、电容性元件和逻辑电路。
19.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述次级侧还包括逻辑电路前端电路，所述逻辑电路前端电路具有：端口；供电连接端；运算放大器；四个电路节点（A、B、C、D）；和七个晶体管。
20.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述初级侧和/或在所述次级侧还包括声阻抗匹配和/或电阻抗匹配。
21.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述初级侧还包括分频器。
22.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中所述初级侧被设置用于并且适合于给所述次级侧供应能量。
23.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***被设置用于并且适合于单向通信或者双向通信。
24.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述初级侧还包括匹配网络，所述匹配网络具有：平衡输入端、不平衡输出端、供电连接端、两条信号线、三个电感性元件和6个电容性元件。
25.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述次级侧包括用于记录和/或传输声学和/或光学感知的装置。
26.根据上一权利要求所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述次级侧包括用于记录和/或传输音频记录、图像记录、视频记录、图像和声音记录的装置。
27.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中所述次级侧的元件能通过由所述初级侧传输的能量来运行。
28.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中在所述次级侧记录的信息能以数字数据的形式作为有效数据被传输到所述初级侧。
29.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中在所述次级侧记录的视频信息能以单色、灰度或者彩色图像来被传输到所述初级侧。
30.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中在所述次级侧记录的音频信息能作为单声道或立体声信号来被传输到所述初级侧。
31.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中在传输图像或运动图像时，能向外传输新图像行的开头。
32.根据上一权利要求所述的声学传输***，
所述声学传输***包括用于将新图像行的开头传输给所述次级侧的装置。
33.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中在将彩色图像从所述次级侧传输到所述初级侧时，对于每个图像点来说能传输3个值。
34.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中在将彩色图像从所述次级侧传输到所述初级侧时，对于每个图像点来说能传输3个值。
35.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述初级侧并且在所述次级侧各包括一个电路，该电路的数据帧的大小被设置用于并且适合于发送和接收所要传输的信息。
36.根据上一权利要求所述的声学传输***，
其中所述数据帧的大小是64字节。
37.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中所述初级侧包含具有天线的模块，或者所述初级侧能被扩展具有天线的模块。
38.根据上一权利要求所述的声学传输***，
所述声学传输***被设置用于并且适合于：经由空气接口连接来与外部通信设备进行通信。
39.根据上一权利要求所述的声学传输***，
其中所述外部通信设备是移动无线电终端设备。
40.根据上一权利要求所述的声学传输***，
其中所述初级侧和/或所述次级侧能够借助于外部通信设备来被控制。
41.根据上述三个权利要求中任一项所述的声学传输***，
其中所述空气接口选自经由无线标准的收发器的连接、NFC连接、蓝牙连接。
42.根据上述权利要求中任一项所述的声学传输***，
所述声学传输***在所述初级侧包括：
- 换能器元件，以及储能器和用于在不同传输标准之间转换数据的电路。
43.根据上一权利要求所述的声学传输***，
其中所述储能器是电池组或可充电的蓄电池。
44.一种初级电路，其包括在根据上述权利要求中任一项所述的传输***的初级侧的元件。
45.一种次级电路，其包括在根据上述权利要求1至20中任一项所述的传输***的次级侧的元件。
46.一种借助于声学传输***的传输方法，其包括如下步骤：
- 借助于在初级侧的发射单元，将载波信号发送到在次级侧的接收单元；
- 通过所述接收单元来接收所述载波信号；
- 基于测量值来产生应答信号；
- 将所述应答信号传送给所述初级侧。
47.根据上一权利要求所述的方法，
其中所述初级侧和所述次级侧密封地隔开和/或通过对于电磁信号来说不能穿透的障碍物来隔开。
48.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中声波穿透初级侧与次级侧之间的障碍物并且传输信息和/或能量。
49.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中通信被点对点加密。
50.根据上一权利要求所述的方法，
其中所述通信使用密码方法。
51.根据上一权利要求所述的方法，
其中数据被加密，以便所述数据的内容无法被第三方访问和/或无法被第三方有针对性地更改。
52.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中经由数字信号来进行通信。
53.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中单向地或双向地进行通信。
54.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中借助于调制来传输信息，所述调制选自负载调制、幅度调制、相位调制、频率调制、复合调制。
55.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中数据流方向包括从所述初级侧到所述次级侧的方向。
56.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中ISO/IEC14443-2_2010标准的第8和9节的每种单独的调制都适合作为调制。
57.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
所述方法使用错误识别或错误纠正方法。
58.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中数据帧根据需要从所述初级侧被寄送到所述次级侧并且由所述次级侧来应答。
59.根据上一权利要求所述的方法，
其中在异步数据帧之间只有未经调制的载波频率从所述初级侧被发送到所述次级侧。
60.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中在8位有效数据之间按照ISO/IEC14443-3_2011标准来发送奇偶校验位。
61.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中所述传输使用循环冗余校验（CRC）机制。
62.根据上一权利要求所述的方法，
其中所述循环冗余校验（CRC）是按照ISO/IEC14443-3_2011标准的CRC16校验或者CRC32校验，其中最后的2x8位或者4x8位属于所述校验。
63.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中在所述次级侧将能量暂存。
64.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中声纵波穿过实心障碍物。
65.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中通过所述初级侧来控制通信。
66.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其中初级侧与超过一个次级侧进行通信。
67.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
所述方法使用防冲突方法。
68.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
所述方法使用具有在1 MHz至50 MHz的范围内的频率的通信。
69.根据上一权利要求所述的方法，
其中电声通信使用在频率范围13.56 MHz ± 0.5 MHz内的频率。
70.根据上一权利要求所述的方法，
其中在所述初级侧与所述次级侧之间的声通道的元件与频率范围13.56 MHz ± 0.5MHz匹配。
71.根据上一权利要求所述的方法，
其中所述声通道的元件包括电声换能器、粘合层和介质。
72.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
所述方法还包括：改变频率和/或幅度，以便补偿环境参数的改变或者补偿制造公差。
73.根据上一权利要求所述的方法，
其中频率的改变针对所述初级侧从所述次级侧接收的所接收到的数字数据。
74.根据上一权利要求所述的方法，
其中所述次级侧首先准确接收所述初级侧的命令。
75.根据上一权利要求所述的方法，
其中所述次级侧然后向所述初级侧通知“好”或“差”频率。
76.根据上一权利要求所述的方法，
其中“好”和“差”频率的划分基于误码率。
77.根据上一权利要求所述的方法，
其中对于“好”和“差”频率的划分来说不需要附加的模拟电路元件，而且不需要对幅度水平的评价。
78.根据上述***权利要求中任一项所述的声学传输***的用于查询在与所述初级侧密封地隔开和/或电流隔开的体积中的测量值的应用。
79.根据上一权利要求所述的用于测量温度、气体压力和/或湿度和/或pH值和/或流体介质中的压力的应用。
80.根据这两个权利要求中任一项所述的在用于电流隔离的向外传输的高电压电容器中的应用。
81.错误识别机制在声学传输***中的应用，以便找到调制的非常适合的载波频率、幅度或设置。
82.声学传输***的用于使用其中传输相同信息的四个或者更多个声学频率范围的应用。
83.根据上一权利要求所述的应用，
其中在负载调制的情况下使用两级调制方法。
84.根据上一权利要求所述的应用，
其中
- 在第一步骤中将以曼彻斯特编码的数据调制到副载波上；并且
- 在第二步骤中将信道中的所述副载波重新调制到载波频率上。
85.根据上一权利要求所述的应用，
其中所述初级侧总是在相同时间并且在四个频带中并行地获得所述次级侧的信息，但是这四个频带相对于载波固定。
86.根据上一权利要求所述的应用，
其中即同时总是在四个频率范围内传输所述信息。
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