DE4123321C2 - Device for forming a control signal for a sound transducer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bilden eines Ansteuersignals für einen elektro- oder magnetostriktiven Schallwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.The invention relates to an apparatus for forming a control signal for an electric or magnetostrictive transducer in the preamble of Claim 1 mentioned type.

In der Wasserschalltechnik, in der Werkstoffprüfung und in der Ultraschalldiagnostik werden zum Aussenden von Schallwellen Schallwandler aus Stoffen mit elektro- oder magnetostriktiven Eigenschaften eingesetzt.In waterborne sound engineering, in material testing and in ultrasound diagnostics are used to send out Sound wave transducers made of fabrics with electro or magnetostrictive properties used.

Magnetostriktive Stoffe ändern bekanntlich in einem Magnetfeld ihre Abmessungen. Man unterscheidet Längen- und Volumenmagnetostriktion. Die Änderung erfolgt in Richtung der magnetischen Feldstärke. Da der Schallwandler proportional dem Quadrat des das Magnetfeld hervorrufenden Stroms schwingt, weisen die abgestrahlten Schallwellen die doppelte Erregerfrequenz auf. Zur Linearisierung wird der Schallwandler durch ein Gleichfeld vormagnetisiert, das wesentlich stärker als das Erregerwechselfeld ist. As is well known, magnetostrictive substances change in one Magnetic field their dimensions. A distinction is made between length and Volume magnetostriction. The change is made in the direction the magnetic field strength. Because the transducer proportional to the square of the magnetic field The current vibrates, the emitted sound waves indicate that double excitation frequency. For linearization, the Sound converter premagnetized by a constant field, which is much stronger than the alternating field.  

Dann ist die Frequenz des Wechselanteils des Erregerstroms gleich der Frequenz des ausgesendeten Signals. Die Grundlagen für die Wirkungsweise und Ansteuerung von Schallwandlern sind beispielsweise im Taschenbuch "Elektrotechnik", herausgegeben von E. Philippow, Band 3, Nachrichtentechnik, VEB Verlag Berlin Technik, 1967, auf Seite 1410 ff., beschrieben.Then the frequency of the alternating component of the excitation current equal to the frequency of the transmitted signal. The Basics for the mode of operation and control of Sonic transducers are in the paperback, for example "Elektrotechnik", edited by E. Philippow, Volume 3, Telecommunications, VEB Verlag Berlin Technik, 1967, on Page 1410 ff.

Analoge Betrachtungen können für ferroelektrische Stoffe angestellt werden, bei denen anstelle des magnetischen Feldes ein elektrisches Feld eine Längen- oder Volumenänderung hervorruft.Analogous considerations can be made for ferroelectric materials be employed where instead of the magnetic Field an electrical field a length or Changes in volume.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Bilden eines Ansteuersignals für einen elektro- oder magnetostriktiven Schallwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei der die Ansteuerung derart vereinfacht wird, daß sich eine Vorspannung oder Vormagnetisierung erübrigt und die Frequenz des ausgesendeten Signals trotzdem gleich der Frequenz des Erregersignals ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.It is an object of the present invention to Device for forming a control signal for a electro- or magnetostrictive transducers in the Generic preamble of claim 1 to create, at the control is simplified so that a Preloading or premagnetization is unnecessary and the Frequency of the transmitted signal is still the same Frequency of the excitation signal. This task will according to the invention in the characterizing part of Features mentioned claim 1 solved.

Das zeitvariable Signal, das vom Schallwandler abgestrahlt wird, ist vorgebbar und beispielsweise eine Sinusschwingung konstanter oder variabler Frequenz mit beliebiger, konstanter oder über der Zeit an- und abschwellender Amplitude. Es wird das Minimum des gesamten Signals bestimmt und von jedem zeitlichen Momentanwert des Signals subtrahiert. Das Ergebnis ist ein um den Betrag des Minimums verschobenes Zwischensignal, also ein Wechselsignal mit Gleichanteil, das nur positive Momentanwerte und beim Minimum des zeitvariablen Signals den Wert Null aufweist. Aus dem Zwischensignal wird die Wurzel gezogen. Das radizierte Zwischensignal ist das Ansteuersignal für den Schallwandler. Bei digitaler Signalverarbeitung werden die Digitalwerte des Ansteuersignals analog gewandelt und speisen nach einer gewünschten Verstärkung den Schallwandler, der das vorgegebene zeitvariable Signal in Form von Schallwellen abstrahlt.The time variable signal from the transducer is emitted, can be specified and, for example, a Sinusoidal oscillation with constant or variable frequency arbitrary, constant or over time on and declining amplitude. It becomes the minimum of the whole Signal determined and from each instantaneous value of the Signal subtracted. The result is one by the amount of the minimum shifted intermediate signal, i.e. a Alternating signal with DC component that is only positive Instantaneous values and at the minimum of the time-variable signal  has the value zero. The intermediate signal becomes the Rooted. The etched intermediate signal is that Control signal for the sound transducer. With digital Signal processing becomes the digital values of the Control signal converted to analog and feed to a desired amplification the transducer that the predefined time-variable signal in the form of sound waves emits.

Der Vorteil dieser Signalverarbeitung besteht darin, daß das abgestrahlte Signal selbst, dessen zeitlicher Verlauf vorgegeben wird, Grundlage für das Bilden des Ansteuersignals ist. Die Anhebung um den Betrag des Minimums bewirkt, daß der Magnetisierungsstrom oder die Spannung der erregenden elektrischen Feldstärke nur positive Werte annehmen kann. Durch das Radizieren wird bewirkt, daß die Auslenkung des Schallwandlers, die mit dem Quadrat des Erregerstroms oder der Spannung erfolgt, unmittelbar dem vorgegebenen zeitvariablen Signal folgt, so daß sich eine Linearisierung im Sinne einer Vormagnetisierung oder eines elektrischen Gleichfeldes erübrigt. Weiterhin ist von Vorteil, daß sich zum Bilden des Ansteuersignals einfache Bausteine verwenden lassen, die in der Signalverarbeitung heutzutage als integrierte Schaltungen oder Rechnerbaugruppen zur Verfügung stehen, und erst in der letzten Schaltungsstufe vor dem Schallwandler Leistungselektronik benötigt wird.The advantage of this signal processing is that the emitted signal itself, its course over time is given, the basis for forming the Control signal is. The increase by the amount of Minimum causes the magnetizing current or the Voltage of the exciting electric field strength only can take positive values. By etching causes the displacement of the transducer, the with the square of the excitation current or the voltage takes place, immediately the predetermined time-variable signal follows, so that a linearization in the sense of a Premagnetization or an electrical direct field superfluous. Another advantage is that to form let the control signal use simple components, which are now integrated in signal processing Circuits or computer modules are available, and only in the last stage before Sound converter power electronics is required.

Die vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 2 besteht darin, daß das Ansteuersignal nicht nur positive, sondern auch negative Werte annimmt und der für den Schallwandler verwendete Werkstoff günstiger ausgenutzt werden kann. Es wird aus der Steigung des Zwischensignals am Ausgang des Differenzbildners eine Umpolung des Ansteuersignals abgeleitet. Solange die Steigung positiv ist, nimmt das Ansteuersignal steigende positive Werte an. Im Maximum findet die Umpolung statt. Das Ansteuersignal springt auf einen gleich großen negativen Wert und durchläuft kleiner werdende negative Werte bis Null, wird umgepolt und erreicht über steigende positive Werte wieder das Maximum. Da beim magnetostriktiven Schallwandler der Erregerstrom unmittelbar nach Verstärkung dem Verlauf des Ansteuersignals gleicht, durchläuft das magnetostriktive Material seine Hysteresisschleife immer auf dem gleichen Ast, jedesmal vor Erreichen der Sättigung wird der Erregerstrom umgepolt. Da die Auslenkung proportional dem Quadrat des Erregerstroms ist, ist ihre Richtung unabhängig vom Vorzeichen des Erregerstroms, so daß die Umpolung keine Auswirkungen auf das Schwingungsverhalten des Schallwandlers hat. Sie bringt jedoch den entscheidenden Vorteil mit sich, daß ungewollte magnetische Sättigungen vermieden werden.The advantageous development of the invention Apparatus according to claim 2 is that Control signal not only positive, but also negative Assumes values and the one used for the sound transducer Material can be used more cheaply. It will be out the slope of the intermediate signal at the output of the  Difference generator a polarity reversal of the control signal derived. As long as the slope is positive, that takes Control signal increasing positive values. In the maximum the polarity reversal takes place. The control signal jumps up an equally large negative value and passes through smaller negative values that become zero are reversed and reaches the maximum again via increasing positive values. Since the excitation current in the magnetostrictive transducer immediately after reinforcement the course of the Control signal equals, passes through the magnetostrictive Material his hysteresis loop always on the same Branch, each time before saturation is reached Excitation current reversed. Because the deflection is proportional to that Square of the excitation current is their direction regardless of the sign of the excitation current, so that the Polarity reversal has no effect on the vibration behavior of the transducer. However, it brings the decisive advantage with that unwanted magnetic saturations can be avoided.

Durch das erfindungsgemäße Bilden des Ansteuersignals aus dem vorgebbaren zeitvariablen Signal, das als Schallwelle vom Schallwandler abgestrahlt wird, und die damit verbundene Magnetisierung kann die Bauweise des Schallwandlers vereinfacht werden, da die in Wärme umgewandelten Hysteresisverluste wesentlich kleiner sind als bei einem Betrieb mit Vormagnetisierung.By forming the control signal according to the invention the predefinable time-variable signal, which is called a sound wave is emitted by the transducer, and with it associated magnetization can affect the design of the Sound transducer can be simplified because of the heat converted hysteresis losses are significantly smaller than with operation with bias.

Analoge Betrachtungen sind für ferroelektrische Stoffe anzustellen, bei denen anstelle des Magnetfelds ein elektrisches Feld zur Ansteuerung des Schallwandlers benötigt wird. Das Ansteuersignal wird dann verstärkt als Spannung an den Schallwandler angelegt. Die bei der Elektrostriktion der ferroelektrischen Stoffe auftretenden Hysteresisverluste sind vergleichbar mit denen bei ferromagnetischen Stoffen, so daß durch die Erzeugung des Ansteuersignals die gleichen Vorteile erzielt werden.Analogous considerations are for ferroelectric materials to employ where instead of the magnetic field electric field to control the transducer is needed. The control signal is then amplified as Voltage applied to the transducer. The at the Electrostriction of the ferroelectric substances occurring  Hysteresis losses are comparable to those in ferromagnetic substances, so that by generating the Control signal the same advantages can be achieved.

Das Bilden des Ansteuersignals wird vorzugsweise digital durchgeführt. Besonders vorteilhaft werden seine Digitalwerte gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 3 abgespeichert und zum Senden aus dem Speicher ausgelesen, digital/analog gewandelt und verstärkt. Die Verstärkung richtet sich nach der abzustrahlenden Schallenergie. Insbesondere auch im niederfrequenten Bereich für Schallwandler aus z. B. Terfenol ist die erfindungsgemäße Ansteuerung vorteilhaft. Solche Schallwandler sind z. B. auf S. 136 ff. in "Power Sonic and Ultrasonic Transducers Design", Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Dr. Bernard Hamonic und Dr. Jean N. Decarpigny, 1988, beschrieben.The formation of the drive signal is preferably digital carried out. Its will be particularly advantageous Digital values according to the training according to claim 3 stored and read out from memory for transmission, digitally / analog converted and amplified. The reinforcement depends on the sound energy to be emitted. Especially in the low frequency range for Sound converter from z. B. Terfenol is the invention Control advantageous. Such transducers are e.g. B. on p. 136 ff. in "Power Sonic and Ultrasonic Transducers Design ", Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Dr. Bernard Hamonic and Dr. Jean N. Decarpigny, 1988.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zum Bilden eines Ansteuersignals für einen Schallwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on an embodiment for a device for forming a drive signal for a sound transducer in the preamble of claim 1 mentioned type explained in more detail. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild, Fig. 1 is a block diagram,

Fig. 2.1 bis Fig. 2.3 Diagramme für den zeitlichen Verlauf der auszusendenden Schallwellen und des Ansteuersignals mit und ohne Umpolung. Fig. 2.1 to Fig. 2.3 diagrams for the time course of the sound waves to be emitted and the control signal with and without polarity reversal.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild zum Bilden eines Ansteuersignals für einen Schallwandler 10 aus ferroelektrischem oder ferromagnetischem Stoff, beispielsweise Bariumtitanat oder Terfenol, zum Abstrahlen eines vorgebbaren, zeitvariablen Signals s(t) in Form von Schallwellen. Das zeitvariable Signal s(t) ist beispielsweise eine Sinusschwingung, deren Amplitude über der Zeit zunimmt, konstant bleibt und wieder abnimmt. Fig. 2.1 zeigt die ersten Kurvenzüge eines solchen Sinussignals s(t) über der Zeit mit konstanter Amplitude . Das Minimum s_min dieses Signals s(t) ist gleich der negativen Amplitude und wird in einem Differenzbildner 11 vom Signal s(t) abgezogen. Am Ausgang des Differenzbildners 11 ist ein Zwischensignal abzunehmen. Eine nachgeschaltete Schaltung 12 zum Radizieren liefert ein erstes Ansteuersignal, das in Fig. 2.2 gezeigt ist. Mit diesem Ansteuersignal, das nur positive Werte aufweist, ist der Schallwandler 10 bereits ansteuerbar. Fig. 1 shows a block diagram for forming a drive signal for a sound transducer 10 of ferroelectric or ferromagnetic material, such as barium titanate or Terfenol, for radiating a predetermined, time-variable signal s (t) in the form of sound waves. The time-variable signal s (t) is, for example, a sine wave whose amplitude increases over time, remains constant and decreases again. Fig. 2.1 shows the first curves of such a sinusoidal signal s (t) over time at a constant amplitude. The minimum s _{min of} this signal s (t) is equal to the negative amplitude and is subtracted from the signal s (t) in a difference former 11 . An intermediate signal is to be taken at the output of the difference former 11 . A downstream circuit 12 for etching supplies a first control signal, which is shown in FIG. 2.2. With this control signal, which has only positive values, the sound converter 10 can already be controlled.

Eine Verbesserung der Ansteuerung wird durch eine Differenzierschaltung 13 zum Bestimmen der Steigung des Zwischensignals erreicht, die dem Differenzbildner 11 nachgeschaltet ist. Bei positiven Steigungswerten wird ein Umpolungsschalter 14 derart angesteuert, daß an seinem Ausgang ein Signal "+1" ansteht, das in einem Multiplizierer 15 mit dem radizierten Zwischensignal verknüpft wird. Bei Feststellen einer negativen Steigung in der Differenzierschaltung 13 wird der Umpolungsschalter 14 umgesteuert und liefert ein Signal "-1" an den Multiplizierer 15. Am Ausgang des Multiplizierers 15 steht ein Ansteuersignal für den Schallwandler 10 an, das in Fig. 2.3 gezeigt ist. Dieses Ansteuersignal wird ggf. in einem Speicher 16 abgespeichert und, wenn die Signalverarbeitung bis dahin digital erfolgte, analog gewandelt und liefert über einen Verstärker 17 ein Erregersignal für den Schallwandler 10.An improvement in the control is achieved by a differentiating circuit 13 for determining the slope of the intermediate signal, which is connected downstream of the difference generator 11 . In the case of positive slope values, a polarity reversal switch 14 is driven in such a way that a "+1" signal is present at its output, which signal is linked in a multiplier 15 with the square-wave intermediate signal. If a negative slope is found in the differentiating circuit 13 , the polarity reversal switch 14 is reversed and supplies a signal "-1" to the multiplier 15 . At the output of the multiplier 15 there is a drive signal for the sound converter 10 , which is shown in FIG. 2.3. This control signal is possibly stored in a memory 16 and, if the signal processing has been digital up to that point, is converted to analog and supplies an excitation signal for the sound transducer 10 via an amplifier 17 .

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Bilden eines Ansteuersignals für einen elektro- oder magnetostriktiven Schallwandler zum Aussenden eines vorgebbaren, zeitvariablen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzbildner (11) mit dem zeitvariablen Signal (s(t)) und dessen Minimum (s_min) beaufschlagt ist und daß dem Differenzbildner (11) eine Schaltung zum Radizieren (12) nachgeordnet ist, an deren Ausgang das Ansteuersignal ansteht. 1. Device for forming a control signal for an electro- or magnetostrictive sound transducer for emitting a predefinable, time-variable signal, characterized in that a difference former ( 11 ) with the time-variable signal (s (t)) and its minimum (s _min ) is applied and that the difference former ( 11 ) is followed by a circuit for etching ( 12 ), at whose output the control signal is present. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Differenzbildner (11) eine Differenzierschaltung (13) zum Bestimmen der Steigung des zeitvariablen Signals (s(t)) und ein bei Vorzeichenumkehr der Steigung umsteuerbarer Umpolungsschalter (14) nachgeordnet sind, daß der Umpolungsschalter (14) und die Schaltung zum Radizieren (12) mit einem Multiplizierer (15) verbunden sind, an dessen Ausgang das Ansteuersignal ansteht.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the differentiator ( 11 ) is a differentiating circuit ( 13 ) for determining the slope of the time-variable signal (s (t)) and a reversible polarity reversal switch ( 14 ) reversing the sign that the Reverse polarity switch ( 14 ) and the circuit for square rooting ( 12 ) are connected to a multiplier ( 15 ), at whose output the control signal is present. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher (16) für das Ansteuersignal vorgesehen ist, aus dem das Ansteuersignal zur Verstärkung auslesbar ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that a memory ( 16 ) is provided for the control signal, from which the control signal can be read out for amplification.