CN1325193A - 超声波发送/接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超声波发送/接收机,它至少在一个方向上的传送和接收范围相对较窄,并具有稳定的混响特性。当厚壁部分的厚度为t1,每个薄壁部分的厚度为t2,由薄壁部分延续而成的边缘部分的厚度为A并且x=t2/t1而y=A/t2时,本发明的超声波发送/接收机由下列方程式限定的x和y的值域所确定:0.50≤x≤0.64,0.75≤y≤1.75,y≤－(50/7)·x+163/26,y≥－(50/7)·x+135/28。

Description

超声波发送/接收机
本发明涉及一超声波发送/接收机，其用于，例如汽车领域中作为车辆的间距传感器和后部传感器。
迄今为止人们对超声波发送/接收机的了解是，其圆柱形外壳底部的内表面固定有一个压电振动器，而外壳底部的外表面则作为了超声波的发送/接收面。当此超声波发送/接收机作为传感器应用于汽车上时，如果在垂直方向上的发送/接收范围相对于地面而言太大时，所探测到的地面反射波只是一些噪音；如果在水平方向上发送/接收的范围过窄，此探测范围将出现一个盲点。这两者都是不能令人满意的。因此，本发明提出了一种超声波发送/接收机，通过调整其外壳的空心部分使其垂直方向长度增加而水平方向长度减少，进一步通过调整外壳底部的厚壁部分和薄壁部分，使其垂直方向上的传送和接收范围变窄而水平方向的发送/接收范围变宽。例如，在这样一中超声波发送/接收机上，当其外壳底部直径为16mm时，其厚壁部分厚度为0.75mm，而其薄壁部分厚度为0.3mm，并使其薄壁部分位于垂直方向上，所获得的垂直方向上的发送/接收范围将达到40°。
图9是显示了超声波发送/接收机1作为后部传感器在汽车上运用的一个例子。其中发送/接收范围由半极大值全圆角表示。半极大值全圆角系指由两个方向构成的一个夹角，即此角度方向为发送/接收感度开始出现的位置相对与底部相反方向(0°方向)上的发送/接收敏感度低20·Log0.5dB(约6dB)的方向。
然而在传统的超声波发送/接收机上，由于混响特性不稳定并且混响时间较长，由邻近超声波发送/接收机的物体反射回的超声波将受到混响的干扰，因此有时不能探测到邻近的物体和/或不能测定与邻近物体的距离。特别是当超声波发送/接收面附着有水滴时混响时间将会更长。因此当此超声波发送/接收机作为传感器用于汽车上并暴露于风雨中时，就会产生此类问题。
因此本发明的目的是提供一种超声波发送/接收机，其至少在一个方向上的发送/接收范围相对较窄并且具有稳定的混响特性。
按照本发明，将提供这样一种超声波发送/接收机，其包括一具有一底部的圆柱形外壳，一个固定于外壳底部内表面的压电振动器，并且超声波发送/接收面由外壳底部外表面所确定。在此超声波发送/接收机中，外壳底部包括一固定压电振动器的厚壁部分以及一比厚壁部分薄的薄壁部分。当厚壁部分的厚度为t1，薄壁部分的厚度为t2，薄壁部分延续而成的边缘部分的厚度为A，并且设等式x=t2/t1，以及y=A/t2，则本超声波发送/接收机由下列方程式规定的x和y的值域所确定：
0.50≤x≤0.64
0.75≤y≤1.75
y≤-(50/7)·x+163/28
y≥-(50/7)·x+135/28
参照附图，通过下面对本发明优选实施例的详细描述，本发明上述和其它目的、特点和优点将更明显。
附图将要说明
图1是根据本发明的一个实施例的一种超声波发送/接收机的横截面示意图；
图2A是图1中所示的超声波发送/接收机的外壳沿着与底部表面平行的平面所作的横截面图；图2B是沿着图2A中b-b线所作的纵截面图；
图3显示的是当A/t2变化时，t2/t1与半极大值全圆角之间的关系图；
图4显示的是当A/t2变化时，t2/t1与混响时间之间的关系图；
图5显示的是当t2/t1变化时，A/t2与半极大值全圆角之间的关系图；
图6显示的是当t2/t1变化时，A/t2与混响时间之间的关系图；
图7显示的是当x=t2/t1以及y=A/t2时，二者之间的理想数值范围图；
图8显示的是超声波发送/接收机的发送与接收敏感度；
图9显示的是本发明作为汽车的后部传感器时的探测范围图；
图10显示的是半极大值全圆角与探测距离之间的关系图。
图1是根据本发明的一个实施例的一种超声波发送/接收机的横截面图。该超声波发送/接收器10包括一大体为圆柱形的外壳12，该外壳为，例如铝制成。在外壳底部内侧面形成有一个厚壁部分14和一个薄壁部分16。压电振动器18固定在外壳12底部内侧面的厚壁部分14上。压电振动器18的一个电极与接地的外壳连接。在与外壳12底部内侧面相对的一面安放有一种声波吸收物质20，压电振动器18介于二者之间。
穿过吸收物质20在与压电振动器18相对的一面安放有一电容器22。在电容器22两侧安放有由硅胶或其类似物构成的固定件24。电容器22的一个电极与压电振动器18的另一电极通过导线26电连接。一外部接头28与电容器22的一个电极相连。电容器22的另一电极通过一根导线(图中未标出)与接地的外壳相连。外壳12也提供了一个外部接头(图中未标出)。
外壳12的底部内侧面填入一种例如，以硅为基质的第一粘合剂30，其具有相对较高的粘度。该第一粘合剂覆盖了声波吸收物质20和压电振动器18。使用高粘性的粘合剂的目的是使渗透到声波吸收物质中的粘合剂对声学特性的影响减至最小。当第一粘合剂30固化后，将电容器22两面上的固定件24放于其上。此外，在此处充填一种例如，以硅为基质的第二粘合剂32，其具有相对较低的粘度。使用低粘度粘合剂作为第二粘合剂是为了便于充填工作。
图2A是图1中所示的超声波发送/接收机10的外壳12沿着与底部表面平行的平面所作的横截面图；图2B是沿着图2A中b-b线所作的纵截面图。如图2A所示，在平面图中，外壳12的中空部分形成，例如一种大体上为椭圆的形状。在椭圆形的长轴方向上较厚壁部分14薄的薄壁部分16的两边由厚壁部分14构成。另一方面，所构成的厚壁部分14在椭圆形的短轴方向上有所延长。图1所示的超声波发送/接收机10使用的时候，使外壳12的横截面图的长轴被设置在与地面垂直的方向上，而其短轴被设置在与地面水平的方向上。在超声波发送/接收机10中，外壳12底部外侧面作为发送/接收面。在此，外壳12的横截面形状并不局限与椭圆形，也可以大体上为矩形，卵形或圆形。
通过改变图2中所示的厚壁部分14和每个薄壁部分16以及外壳薄壁部分16延续而成的边缘部分12的厚度，可测出使用此类外壳12的超声波发送/接收机10的半极大值全圆角和混响时间的值，测量结果列于表1至表10和图3至图6中。在此，实施例中的外壳12全由铝制成，直径为18mm。
[表1]
A/t2=0.75
                      t2/t1
0.43  0.50  0.57  0.64  0.71
半极大值全圆角(°) 平均 29  32  35   38  41
    混响时间(ms) 平均 2.18  1.56  1.35  1.22  1.07
最大 2.40  1.75  1.50  1.35  1.15
最小 2.05  1.45  1.25  1.15  1.00
[表2]
A/t2=1.00
                    t2/t1
0.43  0.50  0.57  0.64  0.71
半极大值全圆角(°) 平均 30  33  36  39  42
    混响时间(ms) 平均 2.15  1.53  1.32  1.19  1.07
最大 2.35  1.70  1.45  1.30  1.15
最小 2.00  1.40  1.20  1.10  1.00
[表3]
A/t2=1.25
                     t2/t1
0.43 0.50  0.57  0.64  0.71
半极大值全圆角(°) 平均 31  34  37  40  43
    混响时间(ms) 平均 2.12  1.50  1.29  1.17  1.07
最大 2.30  1.65  1.40  1.30  1.15
最小 1.95  1.35  1.15  1.10  1.00
[表4]
A/t2=1.50
                       t2/t1
0.43  0.50  0.57  0.64  0.71
半极大值全圆角(°) 平均 32  35  38  41  44
    混响时间(ms) 平均 2.10  1.48  1.27  1.15  1.07
最大 2.25  1.60  1.35  1.25  1.15
最小 1.90  1.30  1.10  1.05  1.00
[表5]
A/t2=1.75
    t2/t1
 0.43  0.50  0.57  0.64  0.71
半极大值全圆角(°) 平均     33     36     39     42     45
    混响时间(ms) 平均  2.08  1.46  1.25  1.14  1.07
最大  2.25  1.60  1.35  1.25  1.15
最小  1.90  1.30  1.10  1.05  1.00
[表6]
t2/t1=0.43
                 A/t2
 0.75  1.00  1.25  1.50  1.75
半极大值全圆角(°) 平均  29  30  31  32  33
    混响时间(ms) 平均  2.25  2.20  1.97  1.84  1.72
最大  2.60  2.35  2.10  1.90  1.75
最小  2.00  2.00  1.90  1.80  1.70
[表7]
t2/t1=0.50
                  A/t2
 0.75  1.00   1.25  1.50   1.75
半极大值全圆角(°) 平均  32  33   34  35   36
    混响时间(ms) 平均  1.85  1.80   1.49  1.38   1.32
最大  2.20  1.95   1.60  1.40   1.35
最小  1.60  1.60   1.40  1.35   1.30
[表8]
t2/t1=0.57
                 A/t2
 0.75   1.00   1.25   1.50   1.75
半极大值全圆角(°) 平均  35   36   37   38   39
    混响时间(ms) 平均  1.45   1.35   1.14   1.02   1.02
最大  1.70   1.45   1.20   1.05   1.05
最小  1.20   1.20   1.10   1.00   1.00
[表9]
t2/t1=0.64
                   A/t2
 0.75   1.00   1.25   1.50   1.75
半极大值全圆角(°) 平均  38   39   40   41   42
    混响时间(ms) 平均  1.37   1.29   1.09   1.02   1.02
最大  1.65   1.40   1.15   1.05   1.05
最小  1.15   1.15   1.05   1.00   1.00
[表10]
t2/t1=0.71
                        A/t2
 0.75  1.00   1.25   1.50   1.75
半极大值全圆角(°) 平均  41  42   43   44   45
    混响时间(ms) 平均  1.35  1.27   1.07   1.02   1.02
最大  1.65  1.40   1.15   1.05   1.05
最小  1.15  1.15   1.05   1.00   1.00
下面，表11和图10显示的是如图10所示作为汽车后部传感器的超声波发送/接收机10设定安装高度为40cm时，半极大值全圆角与垂直方向上探测距离的关系。
[表11]
             半极大值全圆角(°)
    40     50     60     70     80
  探测距离(cm)     110     85     70     60     50
超声波发送/接收机安装位置：距地面40cm以上
正如在表11和图10看到的，半极大值全圆角越小探测距离越大。特别是半极大值全圆角为40°时，探测距离是半极大值全圆角为60°时的1.5倍。然而，在超声波发送/接收机10中，发送/接收面是超声波的发送面又是超声波的接收面，除非发送超声波时在尽可能短的时间内隔绝振动，否则在发送超声波时反射波将被湮没在振动中，从而会抑制超声波发送/接收机的探测操作。因此除了要求半极大值全圆角要小之外，特别要求在发送/接收面附着有水滴的情况下混响时间不超过1.5ms。如果混响时间在发送/接收面附着有水滴的情况下小于1.5ms，在干燥条件下混响时间将更小。
因此表12显示的是通过以上结论得出的能同时满足半极大值全圆角小于40°和混响时间小于1.5ms的条件。
表[12]
                          t2/t1
  0.43  0.50   0.57   0.64   0.71
    A/t2  0.75   O/  O/   O/O   O/O    O/
 1.00   O/  O/   O/O   O/O    O/
 1.25   O/  O/O   O/O   O/O    O/
 1.50   O/  O/O   O/O   O/    O/
 1.75   O/  O/O   O/O   O/    O/
O/：半极大值全圆角等于或小于40°
/O：混向时间等于或小于1.5ms
正如表12中看到的，为获得本发明要达到的效果，薄壁部分16的厚度t2与厚壁部分14的厚度t1的比例为0.57时，边缘部分12a的厚度A与薄壁部分16的厚度t2的比例设为0.75至1.75较为理想。
薄壁部分16的厚度t2与厚壁部分14的厚度t1的比例为0.50时，边缘部分12a的厚度A与薄壁部分16的厚度t2的比例设为1.25至1.75较为理想。
同样，薄壁部分16的厚度t2与厚壁部分14的厚度t1的比例为0.64时，边缘部分12a的厚度A与薄壁部分16的厚度t2的比例设为0.75至1.25较为理想。
通过这些结果可推断出图7所显示的关系。即当x=t2/t1而y=A/t2时，厚壁部分14的厚度t1，每个薄壁部分16的厚度t2和边缘部分12a的厚度A已被设定，因此当x和y的值在下列方程式规定的范围之内时，就可以获得本发明要达到的效果。
0.50≤x≤0.64                                (1)
0.75≤y≤1.75                                (2)
y≤-(50/7)·x+163/28                         (3)
y≥-(50/7)·x+135/28                         (4)
按照本发明的实施例，当使用直径为18mm的铝制外壳时，图8中的实线显示的是超声波发送/接收机10在垂直和水平方向上的方向特性，其中，厚壁部分14的厚度t1为0.70mm，每一薄壁部分16的厚度t2为0.40mm，由薄壁部分延续而成的边缘部分12a的厚度A为0.40mm。
根据一个对比例，当使用直径为18mm的铝制外壳时，图8中的虚线显示的是超声波发送/接收机10在垂直和水平方向上的方向特性，其中，厚壁部分14的厚度t1为0.70mm，每一薄壁部分的厚度t2为0.30mm，由薄壁部分延续而成的边缘部分12a的厚度A为0.40mm。
从图8中可明显看出，根据本发明的实施例的超声波发送/接收机10的半极大值全圆角(约30°)较传统例子的半极大值全圆角(约60°)在垂直方向上的方向特性上要优异得多。
因此，根据本发明的实施例的超声波发送/接收机10因为在垂直方向上半极大值全圆角小于40°，其探测距离将更长。并且几乎不受来自地面的混响的影响。此外由于本实施例的发送/接收机10在发送/接收面附有水滴时混响时间小于1.5ms，因此可将发送波对反射波的影响降至最低。
从上述中可明显看出，根据本发明可获得这样一种超声波发送/接收机，其至少在一个方向上的传送和接收范围相对较窄，并具有稳定的混响特性。此超声波发送/接收机的探测距离较长；可用做性能优异的后部传感器。
虽然本发明是通过优选实施例的方式进行描述的，应了解在不背离本发明的总体实质的情况下，还可对其做出不同的改变和修改。因此，所附权利要求将在本发明的实际精神和范围内包括所有这些改变和修改。

Claims (1)

1．一种超声波发送/接收机，包适：
一个具有一底部的圆柱状外壳；
一个固定在该外壳底部内侧面的压电振动器；
一个由所述外壳底部外表面确定的超声波发送/接收面；
所述底部包括一固定所述压电振动器的厚壁部分，以及一比所述厚壁部分薄的薄壁部分；
当所述厚壁部分的厚度为t1，所述薄壁部分的厚度为t2，由薄壁部分延续而成的边缘部分的厚度为A时，设等式x=t2/t1,y=A/t2；
所述超声波发送/接收机由下列方程式限定的x和y的值域所确定：
0.50≤x≤0.64
0.75≤y≤1.75
y≤-(50/7)·x+163/28
y≥-(50/7)·x+135/28
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