DE102017220474A1

DE102017220474A1 - Vorrichtung zur luftschallakustischen Sensierung der Umgebung eines Fahrzeugs, Fahrzeug

Info

Publication number: DE102017220474A1
Application number: DE102017220474.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Fischer; Stephan Berneke; Hartmut Stetter; Udo Hermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2019-05-16
Also published as: US20190149934A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur luftschallakustischen Sensierung der Umgebung eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung (1) mindestens ein Mikrofon (2) umfasst, das in ein Gehäuse (3) integriert ist, das im Bereich des Mikrofons (2) mindestens eine Öffnung (4) für den Eintritt von Schallwellen aufweist. Erfindungsgemäß ist im Bereich der Öffnung (4) in einem Abstand zum Mikrofon (2) mindestens eine Folie oder Membran (5) angeordnet, die gemeinsam mit dem Mikrofon (2) und dem Gehäuse (3) ein Vorvolumen (6) begrenzt, dessen Querschnittsfläche von innen nach außen in Bezug auf das Gehäuse (3) zunimmt, so dass eine Querschnittsfläche (A) des Vorvolumens (6) angrenzend an die Folie oder Membran (5) größer als eine Querschnittsfläche (B) des Vorvolumens (6) angrenzend an das Mikrofon (2) ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur luftschallakustischen Sensierung der Umgebung eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
Stand der Technik
Fahrzeuge der heutigen Zeit sind mit einer Vielzahl von Assistenzsystemen ausgestattet, die vorrangig der Sicherheit der Fahrzeuginsassen sowie der übrigen Verkehrsteilnehmer dienen. Die Assistenzsysteme müssen hierzu mit Informationen aus der Umgebung des Fahrzeugs versorgt werden, das heißt, dass die Fahrzeugumgebung überwacht werden muss.
Aus der Offenlegungsschrift DE 102 34 611 A1 ist ein Verfahren zum Überwachen der Umgebung eines Fahrzeugs bekannt, bei dem Umgebungsgeräusche erfasst und ausgewertet werden. Die Umgebungsgeräusche dienen als eine Informationsquelle zur Analyse der Umfeldsituation des Fahrzeugs. Bei der Durchführung des Verfahrens findet ein Fahrerinformationssystem Einsatz, das mit mindestens einem Mikrofon sowie mit Mitteln zur Auswertung der vom Mikrofon erfassten akustischen Signale ausgestattet ist.
Zur Erfassung von Umgebungsgeräuschen muss das Mikrofon außen am Fahrzeug angeordnet werden. Das heißt, dass es Wind und Wetter sowie mechanischer Beanspruchung durch Hochdruckreiniger und/oder Steinschlag ausgesetzt ist. Je exponierter die Lage des Mikrofons ist, desto größer ist die Gefahr einer Beschädigung. Es sind daher bereits Mikrofone vorgeschlagen worden, die im Bereich mindestens einer Schalleintrittsöffnung eines Gehäuses, hinter der das Mikrofon angeordnet ist, eine Folie oder Membran zum Schutz des Mikrofons aufweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art dahingehend zu optimieren, dass eine zum Schutz eines Mikrofons im Bereich einer Schalleintrittsöffnung angeordnete Folie oder Membran die akustischen Eigenschaften möglichst wenig beeinflusst.
Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur luftschallakustischen Sensierung der Umgebung eines Fahrzeugs umfasst mindestens ein Mikrofon, das in ein Gehäuse integriert ist. Das Gehäuse weist im Bereich des Mikrofons mindestens eine Öffnung für den Eintritt von Schallwellen auf. Erfindungsgemäß ist im Bereich der Öffnung in einem Abstand zum Mikrofon mindestens eine Folie oder Membran angeordnet, die gemeinsam mit dem Mikrofon und dem Gehäuse ein Vorvolumen begrenzt, dessen Querschnittsfläche von innen nach außen in Bezug auf das Gehäuse zunimmt. Das heißt, dass eine Querschnittsfläche A des Vorvolumens angrenzend an die Folie oder Membran größer als eine Querschnittsfläche B des Vorvolumens angrenzend an das Mikrofon ist.
Die vorgeschlagene Geometrie des Vorvolumens verringert eine durch die Folie oder Membran bewirkte, unerwünschte akustische Beeinträchtigung der Mikrofonsensität. Insbesondere führt die vorgeschlagene Geometrie zu einer Verschiebung von Hohlraum-Resonanzen zu höheren Frequenzen. Die Resonanzen werden somit aus dem relevanten Frequenzbereich geschoben. Zugleich ermöglicht die vorgeschlagene Geometrie des Vorvolumens eine Vergrößerung der Folien- oder Membranfläche, was zur Folge hat, dass die Dämpfungswirkung der Folie bzw. Membran verringert wird.
Die optimale Geometrie des Vorvolumens hängt dabei vom benötigten Frequenzbereich und/oder von der verwendeten Folie bzw. Membran ab und ist dementsprechend hieran anzupassen.
Bevorzugt beträgt das Verhältnis der Querschnittsfläche A zur Querschnittsfläche B größer 1 und kleiner 10. Das Vorvolumen kann demnach insbesondere eine trichterförmige Geometrie aufweisen, die sich zum Mikrofon hin stark verjüngt.
Des Weiteren bevorzugt ist das Vorvolumen rotationssymmetrisch ausgebildet, beispielsweise konisch oder sphärisch geformt. Derartige Geometrien lassen sich besonders einfach und somit kostengünstig realisieren.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Querschnittsfläche A und/oder die Querschnittsfläche B kreisförmig, elliptisch, mehreckig oder als Mehreck mit gerundeten Ecken ausgeführt ist bzw. sind. Das heißt, dass das Vorvolumen auch eine nicht rotationssymmetrische Geometrie aufweisen kann. Die Geometrie kann somit optimal an den benötigten Frequenzbereich und/oder an die verwendete Folie bzw. Membran angepasst werden.
Darüber hinaus können die Querschnittsfläche A und die Querschnittsfläche B unterschiedlich geformt sein. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche A elliptisch und die Querschnittsfläche B kreisrund sein.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Querschnittsfläche A und die Querschnittsfläche B zueinander verdreht und/oder versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise können asymmetrische Geometrien des Vorvolumens geschaffen werden, um beispielsweise den Schall aus bestimmten Richtungen besser einfangen zu können.
Vorteilhafterweise ist die Folie oder Membran zumindest die eine Öffnung vollständig überdeckend außen am Gehäuse befestigt. Der Abstand der Folie oder Membran zum Mikrofon ist in diesem Fall maximal, so dass ferner eine maximale Folien- oder Membranfläche erreicht wird. Zugleich ist zumindest ein Teil des Gehäuses durch die Folie oder Membran mit geschützt. Um den Schutz des Gehäuses zu optimieren, kann dieses großflächig oder sogar vollständig von der Folie oder Membran abgedeckt werden.
Zur Befestigung der Folie oder Membran am Gehäuse, wird vorgeschlagen, dass die Folie oder Membran mit dem Gehäuse verklebt ist. Die Verklebung lässt sich einfach und kostengünstig realisieren. Zugleich kann über die Verklebung eine Abdichtung bewirkt werden, so dass ein Feuchtigkeitseintritt über die Öffnung in das Gehäuse bzw. in das Vorvolumen verhindert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Folie oder Membran zumindest die eine Öffnung vollständig überdeckend im Gehäuse eingespannt. Zum Einspannen kann das Gehäuse einen umlaufenden Absatz aufweisen, an dem die Folie oder Membran anliegt und mittels eines in das Gehäuse eingesetzten Rahmens gehalten wird. Die Folie oder Membran kann in diesem Fall einfach durch Entfernen des Rahmens ausgetauscht und ersetzt werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Mikrofon einseitig oder beidseitig federnd gelagert ist. Auf diese Weise wird eine Schwingungsentkopplung des Mikrofons erreicht. Die federnde Lagerung kann beispielsweise durch ein elastisch verformbares Material, insbesondere durch eine Elastomer- oder Polymerschaumschicht, ausgebildet sein. Derartige Schichten sind besonders weich, so dass eine optimale Schwingungsentkopplung bewirkt wird. In Abhängigkeit vom verwendeten Material kann zugleich eine Abdichtung erreicht werden, die einer parasitären Volumenerweiterung des Vorvolumens entgegenwirkt.
Eine federnde Lagerung und/oder Abdichtung kann zudem durch ein separates Dichtelement ausgebildet werden, das auf dem Mikrofon aufliegt und/oder das zwischen dem Mikrofon und dem Gehäuse angeordnet ist. Wird das Dichtelement auf der dem Vorvolumen zugewandten Seite des Mikrofons angeordnet, kann ein zwischen dem Mikrofon und dem Gehäuse verbleibender Spalt abgedichtet werden, der andernfalls zu einer parasitären Volumenerweiterung des Vorvolumens führen würde.
Darüber hinaus kann die federnde Lagerung und/oder Abdichtung durch eine zumindest bereichsweise Umspritzung und/oder durch eine Klebeschicht ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Mikrofon eine zumindest bereichsweise Umspritzung aufweisen, die ausreichend stark ist, so dass hierüber eine federnde Lagerung erzielbar ist.
Die zumindest bereichsweise Umspritzung des Mikrofons bildet zugleich eine weitere Schutzschicht aus.
Vorteilhafterweise ist das Mikrofon zwischen zwei Schichten und/oder Körpern zur federnden Lagerung eingespannt. Dadurch ist sichergestellt, dass zwischen dem Mikrofon und dem jeweils angrenzenden Bauteil kein Spalt verbleibt.
Das Mikrofon kann eine das Vorvolumen begrenzende Leiterplatte mit mindestens einer Schalleintrittsöffnung umfassen, hinter welcher ein Sensorelement angeordnet ist. Bei einem entsprechenden Aufbau des Mikrofons ist vorzugsweise die federnde Lagerung bzw. Abdichtung zwischen der Leiterplatte des Mikrofons und dem Gehäuse angeordnet. Zur Abdichtung zwischen der Leiterplatte und dem Sensorelement wird vorgeschlagen, dass das Sensorelement über eine Lötverbindung mit der Leiterplatte verbunden ist. Die Lötverbindung bewirkt einen Stoffschluss, so dass hierüber zugleich eine Abdichtung geschaffen wird.
Da der bevorzugte Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Fahrzeug ist, wird darüber hinaus ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur luftschallakustischen Sensierung der Umgebung vorgeschlagen. Die Vorrichtung ermöglicht die Erkennung einer Gefahrenquelle, so dass der Fahrer des Fahrzeugs oder das Fahrzeug selbst hierauf reagieren kann. Bei dem Fahrzeug kann es sich demnach insbesondere um ein autonom fahrendes Fahrzeug handeln.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
3 a)-f) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Darstellung möglicher Variationen der Geometrie des Vorvolumens, 4 a)-f) jeweils eine Draufsicht auf verschiedene Querschnittspaarungen,
5 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
6 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform,
7 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform und
8 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der 1 schematisch in einem Längsschnitt dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur luftschallakustischen Sensierung der Umgebung eines Fahrzeugs umfasst ein Mikrofon 2, das in ein Gehäuse 3 eingesetzt ist. Das Gehäuse 3 weist eine Öffnung 4 für den Eintritt von Schallwellen auf. Hinter der Öffnung 4 ist das Mikrofon 2 platziert. Über die Öffnung 4 erstreckt sich eine Membran 5, die gemeinsam mit dem Gehäuse 3 und dem Mikrofon 2 ein Vorvolumen 6 umschließt. Das Vorvolumen 6 weist eine Querschnittsfläche auf, die von innen nach außen größer wird. Das heißt, dass eine Querschnittsfläche A an der Membran 5 größer als eine Querschnittsfläche B am Mikrofon 2 ist. Da vorliegend die Querschnittsfläche in der Draufsicht kreisförmig ist (siehe 4a), ist der Durchmesser der Querschnittsfläche A größer als der Durchmesser der Querschnittsfläche B. Das Vorvolumen 6 weist demnach eine konisch geformte Geometrie auf, die eine große Membranfläche ermöglicht, so dass die Dämpfungswirkung der Membran 5 verringert wird. Um eine parasitäre Volumenerweiterung über einen freibleibenden Zwischenraum zwischen dem Mikrofon 2 und dem Gehäuse 3 zu vermeiden, ist zwischen dem Mikrofon 2 und dem Gehäuse 3 ein Dichtelement 8 angeordnet, das aus einem elastisch verformbaren Material besteht. Auf diese Weise wird über das Dichtelement 8 zugleich eine Schwingungsentkopplung des Mikrofons 2 gegenüber dem Gehäuse 3 bewirkt. Im Ergebnis steigt die Sensitivität des Mikrofons 2. Anstelle des Dichtelements 8 kann auch eine Elastomer- oder Polymerschaumschicht 7 zwischen dem Mikrofon 2 und dem Gehäuse 3 angeordnet werden.
Eine Abwandlung der Vorrichtung 1 ist in der 2 dargestellt. Hier wird das Mikrofon 2 aus einer Leiterplatte 9 und einem Sensorelement 11 gebildet, das hinter einer Schalleintrittsöffnung 10 der Leiterplatte 9 angeordnet und mit der Leiterplatte 10 verlötet ist. Das Dichtelement 8 ist in diesem Fall zwischen der Leiterplatte 10 und dem Gehäuse 3 angeordnet.
Wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, kann das Vorvolumen 6 unterschiedliche Geometrien aufweisen. Sie alle haben gemein, dass die Querschnittsfläche A größer als die Querschnittsfläche B ist. Die Geometrie kann insbesondere trichterförmig sein, und zwar mit geraden Kontur (siehe 3b, 3e und 3f) oder mit gebogenen Kontur (siehe 3a, 3c und 3d), wobei sowohl konkave als auch konvexe Krümmungen möglich sind. Ferner ist der 3 zu entnehmen, dass die Membran 5 außenliegend (siehe 3f) oder innerhalb der Öffnung 4 (siehe 3a bis 3e) angeordnet sein kann.
Die Querschnittsflächen A und B können, müssen aber nicht, konzentrisch angeordnet sein.
Ferner können sich die Querschnittsflächen A und B eine von der kreisförmigen Form abweichende Form aufweisen. Beispiele sind in den 4b bis 4f gezeigt. In der 4f sind die Querschnittsflächen A und B zueinander verdreht angeordnet. Alternativ oder ergänzend können die Querschnittsflächen A und B auch zueinander versetzt angeordnet sein (nicht dargestellt).
Weitere bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind den 5 bis 8 zu entnehmen. Diese unterscheiden sich im Hinblick auf die Lagerung des Mikrofons 2, wobei das Mikrofon 2 jeweils eine Leiterplatte 9 und ein Sensorelement 11 umfasst. Die Membran 5 ist zudem zwischen einem Absatz 12 des Gehäuses 3 und einem Rahmen 13 eingespannt, so dass die Membran 5 jeweils innerhalb der Öffnung 4 zu liegen kommt.
Bei der Ausführungsform der 5 erfolgt die Lagerung des Mikrofons 2 über eine Polymerschaumschicht 9, die zwischen dem Mikrofon 2 und dem Gehäuse 3 ausgebildet ist und zugleich eine Verklebung des Mikrofons 2 mit dem Gehäuse 3 bewirkt. Ein direkter Kontakt des Mikrofons 2 mit dem Gehäuse 3 besteht demnach nicht.
Bei der Ausführungsform der 6 ist das Mikrofon 2 beidseits federnd gelagert, da das Mikrofon 2 zwischen einer Polymerschaumschicht 7 und einem Dichtelement 8 eingespannt ist.
Bei der Ausführungsform der 7 erfolgt die Lagerung des Mikrofons 2 über beidseitig angeordnete Dichtelemente 8. Alternativ könnte es sich hierbei auch um beidseits ausgebildete Elastomer- oder Polymerschaumschichten 7 handeln (siehe Bezugszeichen in Klammern).
Bei der Ausführungsform der 8 wird die Lagerung des Mikrofons 2 zum Vorvolumen 6 hin durch eine die Leiterplatte 9 nicht vollständig abdeckende Polymerschaumschicht 7 und auf der dem Vorvolumen 6 abgewandten Seite durch kleinvolumige Dichtelemente 8 bewirkt, die nach innen gerückt sind.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen begrenzt. Vielmehr ergeben sich weitere Ausführungsformen durch Unterkombinationen von Merkmalen, die nicht allesamt dargestellt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10234611 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zur luftschallakustischen Sensierung der Umgebung eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung (1) mindestens ein Mikrofon (2) umfasst, das in ein Gehäuse (3) integriert ist, das im Bereich des Mikrofons (2) mindestens eine Öffnung (4) für den Eintritt von Schallwellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Öffnung (4) in einem Abstand zum Mikrofon (2) mindestens eine Folie oder Membran (5) angeordnet ist, die gemeinsam mit dem Mikrofon (2) und dem Gehäuse (3) ein Vorvolumen (6) begrenzt, dessen Querschnittsfläche von innen nach außen in Bezug auf das Gehäuse (3) zunimmt, so dass eine Querschnittsfläche (A) des Vorvolumens (6) angrenzend an die Folie oder Membran (5) größer als eine Querschnittsfläche (B) des Vorvolumens (6) angrenzend an das Mikrofon (2) ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche (A) zur Querschnittsfläche (B) größer 1 und kleiner 10 beträgt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorvolumen (6) rotationssymmetrisch ausgebildet ist, beispielsweise konisch oder sphärisch geformt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche (A) und/oder die Querschnittsfläche (B) kreisförmig, elliptisch, mehreckig oder als Mehreck mit gerundeten Ecken ausgeführt ist bzw. sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche (A) und die Querschnittsfläche (B) unterschiedlich geformt sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche (A) und die Querschnittsfläche (B) zueinander verdreht und/oder versetzt angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie oder Membran (5) zumindest die eine Öffnung (4) vollständig überdeckend außen am Gehäuse (3) befestigt ist, wobei vorzugsweise die Folie oder Membran (5) mit dem Gehäuse (3) verklebt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie oder Membran (5) zumindest die eine Öffnung (4) vollständig überdeckend im Gehäuse (3) eingespannt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofon (2) einseitig oder beidseitig federnd gelagert ist, wobei vorzugsweise die federnde Lagerung durch ein elastisch verformbares Material, insbesondere durch eine Elastomer- oder Polymerschaumschicht (7), durch ein elastisch verformbares Dichtelement (8), durch eine zumindest bereichsweise Umspritzung und/oder durch eine Klebeschicht, ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofon (2) eine das Vorvolumen (6) begrenzende Leiterplatte (9) mit mindestens einer Schalleintrittsöffnung (10) umfasst, hinter welcher ein Sensorelement (11) angeordnet ist, wobei vorzugsweise das Sensorelement (11) über eine Lötverbindung mit der Leiterplatte (9) verbunden ist.
Fahrzeug mit einer Vorrichtung (1) zur luftschallakustischen Sensierung der Umgebung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.