EP2881181A1 - Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Parametern einer Abstimmeinheit für einen Ultraschallwandler - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Parametern einer Abstimmeinheit für einen Ultraschallwandler Download PDF

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EP2881181A1
EP2881181A1 EP13196307.6A EP13196307A EP2881181A1 EP 2881181 A1 EP2881181 A1 EP 2881181A1 EP 13196307 A EP13196307 A EP 13196307A EP 2881181 A1 EP2881181 A1 EP 2881181A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
tuning unit
parallel
resistance
circuit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13196307.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Egbert Spiegel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elmos Semiconductor SE
Original Assignee
Elmos Semiconductor SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elmos Semiconductor SE filed Critical Elmos Semiconductor SE
Priority to EP13196307.6A priority Critical patent/EP2881181A1/de
Publication of EP2881181A1 publication Critical patent/EP2881181A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0215—Driving circuits for generating pulses, e.g. bursts of oscillations, envelopes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/30—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups with electronic damping

Definitions

  • the invention relates to a method for determining electrical parameters of a tuning unit for an ultrasonic transducer.
  • This ultrasonic transducer has a voltage transformer and is represented by an equivalent electrical circuit diagram with a series circuit consisting of an inductor, a capacitor and a resistor having a series resonant frequency, wherein the tuning unit has a parallel circuit with a capacitance and a resistor, which together with a parallel-connected inductance of the voltage transformer forms a parallel resonant frequency having a parallel resonant circuit.
  • Ultrasonic devices find use, for example, as parking aids or distance measurement for other purposes or for room monitoring.
  • Ultrasonic devices typically include an ultrasonic transducer that converts an electrical signal into an acoustic or vice versa.
  • An ultrasonic transducer can therefore be used both as transmitter and receiver.
  • ultrasonic transducers which are switched intermittently as a transmitter and receiver.
  • an ultrasound transducer has a resonant circuit in the form of a series resonant circuit which, in the equivalent circuit diagram of the ultrasound transducer, comprises an inductance, a capacitance and a resistor and defines a component-related series resonant frequency.
  • the overall systems of ultrasonic transducers sometimes include tuning units that include a tuning capacitance and a tuning resistor in parallel.
  • the tuning unit is connected between a voltage converter and the ultrasonic transducer itself. This is parallel to the tuning unit defined by the voltage transformer Inductance, so that the tuning unit forms a parallel resonance circuit together with this inductance.
  • an ultrasound transducer value is set to a power adaptation, i. Value on the tuning of the resonant frequencies of both resonant circuits, which should be as equal as possible.
  • the parallel resonant circuit is suitably damped by means of a resistor in order to favorably influence the decay process, that is, to be prepared as soon as possible after the end of the transmission operation for the reception of ultrasonic signals. Namely, if the ultrasonic transducer still oscillates while it is already exposed to incoming ultrasonic signals, these incoming ultrasonic signals can not be detected with sufficient reliability.
  • the object of the invention is therefore to be able to determine the electrical parameters of a tuning unit for an ultrasonic transducer with respect to the above criteria.
  • the inventive approach is to minimize the decay of the overall system of tuning unit and ultrasonic transducer (including voltage transformer), so that the settling time is reduced.
  • a (damping) resistor is integrated in the tuning unit, which is connected in parallel to a tuning capacity of the tuning unit, which compensates for example, in practice sometimes quite large temperature coefficient of the piezoelectric crystal of the ultrasonic transducer at least partially.
  • the frequency response should on the one hand be sufficiently narrow band in order to avoid interference of the received signal to a sufficient extent, but on the other hand not be too narrow band, as this adversely affects the frequency tolerance, which in particular when using the ultrasonic transducer for distance measurement in the application as eg motor vehicle Parking assistance may be a disadvantage.
  • the inductance of the parallel resonant circuit of the tuning unit is selected at a predetermined value for the capacity such that the parallel resonance frequency of the parallel resonant circuit of the tuning unit is equal to the series resonant frequency of the series circuit of the ultrasonic transducer.
  • the invention is particularly useful if the determination of the resistance is made in the event that the ultrasonic transducer is operated alternately in a transmitting module for emitting ultrasonic signals in the form of ultrasonic pulses and in particular ultrasonic pulse packets and in a receiving mode for receiving ultrasonic signals ,
  • Another method for determining the optimum value or resistance of the parallel resonant circuit is to determine the frequency response of the total system of tuning unit and ultrasonic transducer in the case of operation of the entire system in a receiving mode for a predetermined initial value of the resistance of the parallel resonant circuit and the value This resistance gradually or continuously or quasi continuously until a target value is reached, in which the frequency response has a maximum at which the second derivative after the frequency is equal to or substantially equal to zero.
  • the resistance value of the series circuit of the equivalent circuit of the ultrasonic transducer is selected as the initial value for the resistance of the parallel resonant circuit. If, for whatever reason, an error occurs in this procedure, for example because the two resonant circuits are out of tune, then the method should be terminated with an upper limit for the resistance of the parallel resonant circuit, this upper limit being, for example, 100 times the resistance value of the Series connection of the equivalent circuit of the ultrasonic transducer is.
  • the change in the value of the resistance of the parallel resonant circuit is varied so that the degree of change in the value of this resistor is selected in proportion to the degree of the previous change in the frequency response in the range of the maximum.
  • the target value for the resistance of the parallel resonance circuit is determined by successive approximation.
  • the inductance of the parallel resonant circuit of the tuning unit is selected at a predetermined value for the capacity such that the parallel resonance frequency of the parallel resonant circuit of the tuning unit is equal to the series resonant frequency of the series circuit of the ultrasonic transducer.
  • this tuning unit can also be used in an ultrasound transducer which can be operated alternately in a transmission module for emitting ultrasound signals in the form of ultrasound pulses and in particular ultrasound pulse packets and in a reception mode for receiving ultrasound signals.
  • Ultrasonic transducers 12 and transducers are usually controlled by means of a voltage transformer.
  • the inductance is designed so that the resonant frequency, together with the parallel-connected (parasitic) capacitance of the piezoelectric crystal, is equal to the resonant frequency of the transducer.
  • the decay behavior of the entire arrangement can be minimized by "damping" the parallel resonant circuit with the aid of this resistor.
  • Fig. 1 shows the equivalent circuit of an ultrasonic device 10 in the receive mode.
  • This ultrasonic device 10 has an ultrasonic transducer 12, which in Fig. 1 as an equivalent circuit diagram 14 with a series circuit 16 of an inductance L0, a capacitor C0 and a resistor R0 and with a power source Vin and a further capacitor CP (caused by the oscillator, eg piezoelectric crystal 18) is shown.
  • the energy source Vin generates an electrical voltage as a result of the ultrasonic waves acting on the ultrasonic transducer 12 in the receiving mode.
  • the ultrasonic transducer 12 is followed by a tuning unit 20 with a parallel circuit 22 of a capacitance CADD and the above-mentioned resistance RD, whereupon a transformer 24 follows, from which in Fig. 1 the inductance LT is shown in the equivalent circuit diagram.
  • Parallel to the parallel circuit 22 is the inductance LT, which forms a parallel resonant circuit 26 together with the parallel circuit 22.
  • the impedance given by the ultrasonic device 10 is composed of the interconnection of the aforementioned elements as shown in FIG Fig. 3 is reproduced.
  • FIGS. 1 and 2 can then derive the transfer functions of the ultrasonic device 10 for the transmission and the reception case, it is now possible to determine the optimal for these applications components.
  • this will be shown below at the resistor RD, where Fig. 4 shows the transfer function as a function of RD.
  • the ultrasound device 10 operates in the receive mode like a (bandpass) filter, which is tunable according to the invention by an adjustment unit (to be explained below).
  • the filter should have the widest possible bandwidth, as this determines the response time of the filter in the time domain and thus allows a good distance resolution.
  • the bandwidth of the filter should be chosen so that it is not too wide, because otherwise noise and other sources of acoustic interference fall within the transmission range of the filter and are detected as an echo. If this resistor RD is not present, the impedance matching function of the circuit is still present, but optimization of the required bandwidth of the filter can not be achieved without a resistor RD connected in parallel with the transformer.
  • the local maxima for the case RD ⁇ RD OPT or the local minima for the case RD> RD OPT are exactly at the resonance frequency of the entire system.
  • the curve is right-curved in this case for the case RD ⁇ RD OPT , left-curved for RD> RD OPT .
  • this means that the second derivative is less than zero for RD ⁇ RD OPT and greater than zero for RD> RD OPT .
  • the second derivative is zero.
  • y y - 1 - 2 ⁇ y 0 + y + 1 H 2 used.
  • y 0 is the value of the transfer function at resonant frequency.
  • Y -1 and Y +1 are two points to the left and right of it.
  • the value of RD is increased in small steps until a sign change of the second derivative occurs. It has proved to be reliable, as a starting value for RD the value RO of the transducer too use. In the case of a faulty input and highly detuned oscillating circuits, an upper limit of RD of eg 100 * RO makes sense.

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Abstract

Die Abstimmeinheit (20) für einen Ultraschallwandler (12) mit Spannungstransformator, der durch ein elektrisches Ersatzschaltbild (14) mit einer eine Serienresonanzfrequenz aufweisenden Reihenschaltung (16) aus einer Induktivität, einer Kapazität und aus einem Widerstand repräsentierbar ist, ist versehen mit einer Parallelresonanzschaltung (26) aus einer Induktivität, einer Kapazität und aus einem Widerstand, wobei die Parallelresonanzschaltung (26) eine Parallelresonanzfrequenz aufweist. Die Induktivität der Parallelresonanzschaltung (26) der Abstimmeinheit (20) bei vorgegebenem Wert für deren Kapazität ist derart gewählt, dass die Parallelresonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung (26) der Abstimmeinheit (20) gleich der Serienresonanzfrequenz der Reihenschaltung des Ultraschallwandlers (12) ist. Die Größe des Widerstandes der Parallelresonanzschaltung (26) der Abstimmeinheit (20) ist bestimmt, dass die zweite mathematische Ableitung des eine resultierende Gesamtresonanzfrequenz aufweisenden Frequenzgangs in einem Frequenzbereich, innerhalb dessen die Serien- bzw. Parallelresonanzfrequenz liegt, im Wesentlichen gleich null ist, wobei der Frequenzbereich eine untere Grenzfrequenz, die um einen ersten Wert von etwa 2 % bis 10 %, insbesondere 2 % bis 8 % bzw. bis 6 % bzw. bis 4 % der Gesamtresonanzfrequenz unterhalb dieser liegt, und eine obere Grenzfrequenz aufweist, die um etwa 2 % bis 10 % der Resonanzfrequenz oberhalb dieser liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Parametern einer Abstimmeinheit für einen Ultraschallwandler. Dieser Ultraschallwandler weist einen Spannungstransformator auf und ist durch ein elektrisches Ersatzschaltbild mit einer eine Serienresonanzfrequenz aufweisenden Reihenschaltung aus einer Induktivität, einer Kapazität und aus einem Widerstand repräsentierbar, wobei die Abstimmeinheit eine Parallelschaltung mit einer Kapazität und einem Widerstand aufweist, die zusammen mit einer parallel geschalteten Induktivität des Spannungstransformators eine eine Parallelresonanzfrequenz aufweisende Parallelresonanzschaltung bildet.
  • Ultraschallvorrichtungen finden beispielsweise Verwendung als Einparkhilfen oder Abstandsmessung für andere Zwecke oder aber auch zur Raumüberwachung. Ultraschallvorrichtungen weisen im Regelfall einen Ultraschallwandler auf, der ein elektrisches Signal in ein akustisches oder umgekehrt wandelt. Ein Ultraschallwandler kann demzufolge sowohl als Sender als auch Empfänger genutzt werden. Darüber hinaus existieren sogenannte Ultraschall-Transducer, die intermittierend als Sender und Empfänger geschaltet werden. Ein Ultraschallwandler weist im Regelfall einen Schwingkreis in Form einer Serienresonanzschaltung auf, die im Ersatzschaltbild des Ultraschallwandlers eine Induktivität, eine Kapazität und einen Widerstand umfasst und eine bauteilbedingte Serienresonanzfrequenz definiert.
  • Zusätzlich weisen die Gesamtsysteme von Ultraschallwandlern mitunter auch Abstimmeinheiten auf, die eine Abstimmkapazität und einen Abstimmwiderstand als Parallelschaltung umfassen. Die Abstimmeinheit ist zwischen einem Spannungswandler und dem Ultraschallwandler selbst geschaltet. Damit liegt parallel zur Abstimmeinheit die durch den Spannungstransformator definierte Induktivität, so dass die Abstimmeinheit zusammen mit dieser Induktivität eine Parallelresonanzschaltung bildet.
  • Um Ultraschallsignale mit möglichst großer Energie aussenden zu können, legt man im Sendemodus eines Ultraschallwandlers Wert auf eine Leistungsanpassung, d.h. Wert auf die Abstimmung der Resonanzfrequenzen beider Resonanzkreise, die möglichst gleich sein sollten. Der parallele Schwingkreis ist mit Hilfe eines Widerstandes geeignet zu bedämpfen, um den Ausschwingvorgang günstig zu beeinflussen, d.h., um möglichst kurzzeitig nach der Beendigung des Sendebetriebs für den Empfang von Ultraschallsignalen vorbereitet zu sein. Wenn nämlich der Ultraschallwandler noch ausschwingt, während er bereits ankommenden Ultraschallsignalen ausgesetzt ist, können diese ankommenden Ultraschallsignale nicht mit ausreichender Zuverlässigkeit detektiert werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die elektrischen Parameter einer Abstimmeinheit für einen Ultraschallwandler im Hinblick auf die obigen Kriterien bestimmen zu können.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Parametern einer Abstimmeinheit für einen einen Spannungstransformator aufweisenden Ultraschallwandler vorgeschlagen, wobei der Ultraschallwandler durch ein elektrisches Ersatzschaltbild mit einer eine Serienresonanzfrequenz aufweisenden Reihenschaltung aus einer Induktivität, einer Kapazität und aus einem Widerstand repräsentierbar ist und die Abstimmeinheit eine Parallelschaltung mit einer Kapazität und einem (Dämpfungs-)Widerstand aufweist, die zusammen mit einer parallel geschalteten Induktivität des Spannungstransformators einer eine Parallelresonanzfrequenz aufweisende Parallelresonanzschaltung bildet, wobei bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
    • die Größe des (Dämpfungs-)Widerstandes der Parallelresonanzschaltung der Abstimmeinheit bestimmt wird, indem der Frequenzgang des eine resultierende Gesamtresonanzfrequenz aufweisenden Gesamtsystems aus Abstimmeinheit und Ultraschallwandler bei verschieden großen Werten für den (Dämpfungs-)Widerstand der Parallelresonanzschaltung der Abstimmeinheit ermittelt wird, und zwar entweder messtechnisch oder durch Berechnung oder durch Simulation, wobei als (Dämpfungs-)Widerstand für die Parallelresonanzschaltung der Abstimmeinheit derjenige Wert gewählt wird, bei dem die zweite mathematische Ableitung des Frequenzgangs in einem Frequenzbereich, innerhalb dessen die Gesamtresonanzfrequenz liegt, im Wesentlichen gleich null ist, wobei der Frequenzbereich eine untere Grenzfrequenz, die um einen ersten Wert von etwa 2 % bis 10 %, insbesondere 2 % bis 8 % bzw. bis 6 % bzw. bis 4 % der Gesamtresonanzfrequenz unterhalb dieser liegt, und eine obere Grenzfrequenz aufweist, die um einen zweiten Wert von etwa 2 % bis 10 %, insbesondere 2 % bis 8 % bzw. bis 6 % bzw. bis 4 % der Gesamtresonanzfrequenz oberhalb dieser liegt.
  • Der erfindungsgemäße Ansatz geht dahin, das Ausschwingverhalten des Gesamtsystems aus Abstimmeinheit und Ultraschallwandler (einschließlich Spannungstransformator) zu minimieren, so dass die Ausschwingzeit verringert ist. Zu diesem Zweck wird in die Abstimmeinheit ein (Dämpfungs-)Widerstand integriert, der parallel zu einer Abstimmkapazität der Abstimmeinheit geschaltet ist, die beispielsweise die in der Praxis mitunter recht großen Temperaturkoeffizienten des Piezokristalls des Ultraschallwandlers zumindest teilweise kompensiert.
  • Es hat sich nun gezeigt, dass es hinsichtlich eines guten und insbesondere kurzen Ausschwingverhaltens (Betrachtung im Zeitbereich) von Vorteil ist, wenn sich im Frequenzbereich ein ausgewogener, flacher Frequenzgang ohne Überhöhung gegeben ist. Dabei sollte der Frequenzgang einerseits ausreichend schmalbandig sein, um Störungen des Empfangssignals in einem ausreichenden Maße vermeiden zu können, aber andererseits auch nicht zu schmalbandig sein, da dies die Frequenztoleranz negativ beeinträchtigt, was insbesondere beim Einsatz des Ultraschallwandlers zur Abstandsmessung in der Applikation als z.B. Kfz-Einparkhilfe von Nachteil sein kann.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann unter dem Aspekt der Leistungsanpassung vorgesehen sein, dass die Induktivität der Parallelresonanzschaltung der Abstimmeinheit bei vorgegebenem Wert für deren Kapazität derart gewählt wird, dass die Parallelresonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung der Abstimmeinheit gleich der Serienresonanzfrequenz der Reihenschaltung des Ultraschallwandlers ist.
  • Wie bereits oben erwähnt, ist die Erfindung insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Bestimmung des Widerstandes für den Fall erfolgt, dass der Ultraschallwandler alternierend in einem Sendemoduls zum Aussenden von Ultraschallsignalen in Form von Ultraschallpulsen und insbesondere Ultraschallpulspaketen und in einem Empfangsmodus zum Empfangen von Ultraschallsignalen betrieben wird.
  • Eine weitere Methode, den Optimal- bzw. Zielwert des Widerstandes der Parallelresonanzschaltung zu ermitteln, besteht darin, den Frequenzgang des Gesamtsystems aus Abstimmeinheit und Ultraschallwandler im Falle des Betriebs des Gesamtsystems in einem Empfangsmodus für einen vorgebbaren Anfangswert des Widerstandes der Parallelresonanzschaltung zu ermitteln und den Wert dieses Widerstandes schrittweise oder kontinuierlich bzw. quasi kontinuierlich solange bis zum Erreichen eines Zielwerts zu verändern, bei dem der Frequenzgang ein Maximum aufweist, bei welchem die zweite Ableitung nach der Frequenz gleich oder im Wesentlichen gleich null ist.
  • Hierbei kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass als Anfangswert für den Widerstand der Parallelresonanzschaltung der Widerstandswert der Serienschaltung des Ersatzschaltbildes des Ultraschallwandlers gewählt wird. Sollte sich bei dieser Vorgehensweise aus welchen Gründen auch immer ein Fehler einstellen, etwa weil die beiden Resonanzschaltungen verstimmt sind, sollte man bei einem oberen Grenzwert für den Widerstand der Parallelresonanzschaltung das Verfahren beenden, wobei dieser obere Grenzwert beispielsweise gleich dem 100-Fachen des Widerstandswerts der Serienschaltung des Ersatzschaltbildes des Ultraschallwandlers ist.
  • In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Veränderung des Werts des Widerstandes der Parallelresonanzschaltung dahingehend variiert wird, dass der Grad der Veränderung des Werts dieses Widerstandes proportional zum Grad der vorherigen Veränderung des Frequenzgangs im Bereich des Maximums gewählt wird. Schließlich kann auch vorgesehen sein, dass der Zielwert für den Widerstand der Parallelresonanzschaltung durch sukzessive Approximation ermittelt wird.
  • Die oben genannte Aufgabe wird u.a. auch durch eine Abstimmeinheit für einen Ultraschallwandler mit Spannungstransformator gelöst, der durch ein elektrisches Ersatzschaltbild mit einer eine Serienresonanzfrequenz aufweisenden Reihenschaltung aus einer Induktivität, einer Kapazität und aus einem Widerstand repräsentierbar ist, wobei diese Abstimmeinheit versehen ist mit
    • einer Parallelresonanzschaltung aus einer Induktivität, einer Kapazität und aus einem Widerstand, wobei die Parallelresonanzschaltung eine Parallelresonanzfrequenz aufweist,
    • wobei zweckmäßigerweise gilt, dass die Induktivität der Parallelresonanzschaltung der Abstimmeinheit bei vorgegebenem Wert für deren Kapazität derart gewählt ist, dass die Parallelresonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung der Abstimmeinheit gleich der Serienresonanzfrequenz der Reihenschaltung des Ultraschallwandlers ist, und
    • wobei die Größe des Widerstandes der Parallelresonanzschaltung der Abstimmeinheit bestimmt ist, dass die zweite mathematische Ableitung des eine resultierende Gesamtresonanzfrequenz aufweisenden Frequenzgangs in einem Frequenzbereich, innerhalb dessen die Serien- bzw. Parallelresonanzfrequenz liegt, im Wesentlichen gleich null ist, wobei der Frequenzbereich eine untere Grenzfrequenz, die um einen ersten Wert von etwa 2 % bis 10 %, insbesondere 2 % bis 8 % bzw. bis 6 % bzw. bis 4 % der Gesamtresonanzfrequenz unterhalb dieser liegt, und eine obere Grenzfrequenz aufweist, die um etwa 2 % bis 10 % der Resonanzfrequenz oberhalb dieser liegt.
  • Bei dieser Abstimmeinheit kann ferner mit Vorteil vorgesehen sein, dass die Induktivität der Parallelresonanzschaltung der Abstimmeinheit bei vorgegebenem Wert für deren Kapazität derart gewählt ist, dass die Parallelresonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung der Abstimmeinheit gleich der Serienresonanzfrequenz der Reihenschaltung des Ultraschallwandlers ist.
  • Schließlich kann auch diese Abstimmeinheit bei einem Ultraschallwandler eingesetzt werden, der alternierend in einem Sendemoduls zum Aussenden von Ultraschallsignalen in Form von Ultraschallpulsen und insbesondere Ultraschallpulspaketen und in einem Empfangsmodus zum Empfangen von Ultraschallsignalen betreibbar ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Im Einzelnen zeigen dabei:
    • Fign. 1 bis 3
    verschiedene Darstellungen der elektrischen Beschaltung einer Ultraschallvorrichtung bei deren Betrieb im Empfangs- und im Sendemodus sowie zur Darstellung der Impedanzfunktionsermittlung, und
    Fig. 4
    die Übertragungsfunktion einer für den Empfangsmodus optimierten Ultraschallvorrichtung in Abhängigkeit von RD.
  • Ultraschallwandler 12 bzw. -Transducer werden in der Regel mittels eines Spannungstransformators angesteuert. Die Induktivität wird dabei so ausgelegt, dass die Resonanzfrequenz zusammen mit der parallel geschalteten (parasitären) Kapazität des Piezokristalls gleich der Resonanzfrequenz des Transducers ist. Mit Hilfe eines zusätzlichen, parallel geschalteten (Dämpfungs)Widerstandes RD kann das Ausschwingverhalten der gesamten Anordnung minimiert werden, indem der parallele Schwingkreis mit Hilfe dieses Widerstandes bei geeigneter Wahl "bedämpft" wird. Eine analytische Lösung für dieses Problem ist mit vertretbarem Aufwand (wenn überhaupt) kaum möglich.
  • Daher wird nachfolgend ein Verfahren vorgestellt, mit dem sich der Widerstand RD schnell und effizient bestimmen lässt.
  • Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild einer Ultraschallvorrichtung 10 im Empfangsmodus. Diese Ultraschallvorrichtung 10 weist einen Ultraschallwandler 12 auf, der in Fig. 1 als Ersatzschaltbild 14 mit einer Reihenschaltung 16 aus einer Induktivität L0, einer Kapazität C0 und einem Widerstand R0 und mit einer Energiequelle Vin sowie einer weiteren Kapazität CP (hervorgerufen durch den Oszillator, z.B. Piezokristall 18) dargestellt ist. Die Energiequelle Vin erzeugt in Folge der im Empfangsmodus auf den Ultraschallwandler 12 einwirkenden Ultraschallwellen eine elektrische Spannung. An den Ultraschallwandler 12 schließt sich eine Abstimmeinheit 20 mit einer Parallelschaltung 22 aus einer Kapazität CADD und dem bereits oben angesprochenen Widerstand RD an, woraufhin ein Transformator 24 folgt, von dem in Fig. 1 die Induktivität LT im Ersatzschaltbild gezeigt ist. Parallel zur Parallelschaltung 22 liegt die Induktivität LT, die zusammen mit der Parallelschaltung 22 eine Parallelresonanzschaltung 26 bildet.
  • Die durch die Ultraschallvorrichtung 10 gegebene Impedanz setzt sich aus der Verschaltung der zuvor genannten Elemente zusammen, wie es in Fig. 3 wiedergegeben ist.
  • Aus den Fign. 1 und 2 lassen sich dann die Übertragungsfunktionen der Ultraschallvorrichtung 10 für den Sende- und den Empfangsfall ableiten, wobei es nun möglich ist, die für diese Einsätze optimalen Bauteile zu bestimmen. Exemplarisch soll dies nachfolgend am Widerstand RD dargestellt werden, wobei Fig. 4 die Übertragungsfunktion in Abhängigkeit von RD zeigt. Die Ultraschallvorrichtung 10 arbeitet im Empfangsmodus wie ein (Bandpass-)Filter, das erfindungsgemäß durch eine Abgleicheinheit (wird weiter unten erläutert) abstimmbar ist. Dabei sollte das Filter eine möglichst große Bandbreite aufweisen, da dies die Antwortzeit des Filters im Zeitbereich bestimmt und damit eine gute Entfernungsauflösung erlaubt. Auf der anderen Seite ist die Bandbreite des Filters so zu wählen, dass es nicht zu breit ist, weil sonst Rauschen und andere akustische Störquellen in den Übertragungsbereich des Filters fallen und als Echo erfasst werden. Wenn dieser Widerstand RD nicht vorhanden ist, ist die Impedanzanpassungsfunktion der Schaltung nach wie vor gegeben, aber eine Optimierung der erforderlichen Bandbreite des Filters lässt sich ohne einen parallel zu dem Transformator geschalteten Widerstand RD nicht erreichen.
  • Anhand von Fig. 4 soll nachfolgend weiter auf die Erfindung eingegangen werden.
  • Es hat sich gezeigt, dass für den Fall RD=RDOPT in der Praxis die Ausschwingzeit nahezu minimal ist. Im Folgenden wird kurz ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorgehensweise skizziert.
  • Die lokalen Maxima für den Fall RD<RDOPT bzw. die lokalen Minima für den Fall RD>RDOPT liegen genau bei der Resonanzfrequenz des Gesamtsystems. Der Kurvenverlauf ist in diesem Punkt für den Fall RD<RDOPT rechtsgekrümmt, für RD>RDOPT linksgekrümmt. Mathematisch bedeutet das, dass die zweite Ableitung kleiner null für RD<RDOPT und größer null für RD>RDOPT ist. Bei RD=RDOPT ist die zweite Ableitung gleich null. Grundsätzlich ist es möglich, die zweite Ableitung des Betrags der Übertragungsfunktion analytisch zu bestimmen. Dies ist aber sehr umfangreich. Hier wird die numerische Bestimmung der zweiten Ableitung mit Hilfe einer numerischen Näherung z.B. yʺ = y - 1 - 2 ⋅ y 0 + y + 1 h 2
    Figure imgb0001
    verwendet. Dabei ist y0 der Wert der Übertragungsfunktion bei Resonanzfrequenz. Y-1 und Y+1 sind zwei Punkte jeweils links und rechts davon.
  • Ausgehend von einem Startwert wird der Wert von RD in kleinen Schritten erhöht bis ein Vorzeichenwechsel der zweiten Ableitung auftritt. Es hat sich als zuverlässig erwiesen, als Startwert für RD den Wert RO des Transducers zu verwenden. Für den Fall einer fehlerhaften Eingabe und stark gegeneinander verstimmter Schwingkreise, ist eine obere Schranke für RD von z.B. 100*RO sinnvoll.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Ultraschallvorrichtung
    12
    Ultraschallwandler
    14
    elektrisches Ersatzschaltbild
    16
    Reihenschaltung
    18
    Piezokristall
    20
    Abstimmeinheit
    22
    Parallelschaltung
    24
    Spannungstransformator
    26
    Parallelresonanzschaltung
    CADD
    (Abgleich-)Kapazität
    LT
    Induktivität des Spannungstransformators
    RD
    (Dämpfungs-)Widerstand
    C0
    parasitäre Kapazität des Ultraschallwandlers
    L0
    parasitäre Induktivität des Ultraschallwandlers
    R0
    (Innen-)Widerstand des Ultraschallwandlers

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Parametern einer Abstimmeinheit für einen einen Spannungstransformator aufweisenden Ultraschallwandler (12), wobei der Ultraschallwandler (12) durch ein elektrisches Ersatzschaltbild (14) mit einer eine Serienresonanzfrequenz aufweisenden Reihenschaltung (16) aus einer Induktivität, einer Kapazität und aus einem Widerstand repräsentierbar ist und die Abstimmeinheit (20) eine Parallelschaltung (22) mit einer Kapazität und einem Widerstand aufweist, die zusammen mit einer parallel geschalteten Induktivität des Spannungstransformators einer eine Parallelresonanzfrequenz aufweisende Parallelresonanzschaltung (26) bildet, wobei bei dem Verfahren
    - die Größe des Widerstandes der Parallelresonanzschaltung (26) der Abstimmeinheit (20) bestimmt wird, indem der Frequenzgang des eine resultierende Gesamtresonanzfrequenz aufweisenden Gesamtsystems aus Abstimmeinheit (20) und Ultraschallwandler (12) bei verschieden großen Werten für den Widerstand der Parallelresonanzschaltung (26) der Abstimmeinheit (20) ermittelt wird, und zwar entweder messtechnisch oder durch Berechnung oder durch Simulation, wobei als Widerstand für die Parallelresonanzschaltung (26) der Abstimmeinheit (20) derjenige Wert gewählt wird, bei dem die zweite mathematische Ableitung des Frequenzgangs in einem Frequenzbereich, innerhalb dessen die Gesamtresonanzfrequenz liegt, im Wesentlichen gleich null ist, wobei der Frequenzbereich eine untere Grenzfrequenz, die um einen ersten Wert von etwa 2 % bis 10 %, insbesondere 2 % bis 8 % bzw. bis 6 % bzw. bis 4 % der Gesamtresonanzfrequenz unterhalb dieser liegt, und eine obere Grenzfrequenz aufweist, die um einen zweiten Wert von etwa 2 % bis 10 %, insbesondere 2 % bis 8 % bzw. bis 6 % bzw. bis 4 % der Gesamtresonanzfrequenz oberhalb dieser liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität der Parallelresonanzschaltung (26) der Abstimmeinheit (20) bei vorgegebenem Wert für deren Kapazität derart gewählt wird, dass die Parallelresonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung (26) der Abstimmeinheit gleich der Serienresonanzfrequenz der Reihenschaltung des Ultraschallwandlers (12) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Widerstandes für den Fall erfolgt, dass der Ultraschallwandler (12) alternierend in einem Sendemoduls zum Aussenden von UI-traschallsignalen in Form von Ultraschallpulsen und insbesondere Ultraschallpulspaketen und in einem Empfangsmodus zum Empfangen von Ultraschallsignalen betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgang des Gesamtsystems aus Abstimmeinheit (20) und Ultraschallwandler (12) im Falle des Betriebs des Gesamtsystems in einem Empfangsmodus für einen vorgebbaren Anfangswert des Widerstandes der Parallelresonanzschaltung (26) ermittelt wird und der Wert dieses Widerstandes schrittweise oder kontinuierlich bzw. quasi kontinuierlich solange bis zum Erreichen eines Zielwerts verändert wird, bei dem der Frequenzgang ein Maximum aufweist, bei welchem die zweite Ableitung nach der Frequenz gleich oder im Wesentlichen gleich null ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Anfangswert für den Widerstand der Parallelresonanzschaltung (26) der Widerstandswert der Serienschaltung des Ersatzschaltbildes (14) des Ultraschallwandlers (12) gewählt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Werts des Widerstandes der Parallelresonanzschaltung (26) dahingehend variiert wird, dass der Grad der Veränderung des Werts dieses Widerstandes proportional zum Grad der vorherigen Veränderung des Frequenzgangs im Bereich des Maximums gewählt wird.
  7. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zielwert für den Widerstand der Parallelresonanzschaltung (26) durch sukzessive Approximation ermittelt wird.
  8. Abstimmeinheit (20) für einen Ultraschallwandler (12) mit Spannungstransformator, der durch ein elektrisches Ersatzschaltbild (14) mit einer eine Serienresonanzfrequenz aufweisenden Reihenschaltung (16) aus einer Induktivität, einer Kapazität und aus einem Widerstand repräsentierbar ist, mit
    - einer Parallelresonanzschaltung (26) aus einer Induktivität, einer Kapazität und aus einem Widerstand, wobei die Parallelresonanzschaltung (26) eine Parallelresonanzfrequenz aufweist,
    - wobei die Größe des Widerstandes der Parallelresonanzschaltung (26) der Abstimmeinheit (20) bestimmt ist, dass die zweite mathematische Ableitung des eine resultierende Gesamtresonanzfrequenz aufweisenden Frequenzgangs in einem Frequenzbereich, innerhalb dessen die Serien- bzw. Parallelresonanzfrequenz liegt, im Wesentlichen gleich null ist, wobei der Frequenzbereich eine untere Grenzfrequenz, die um einen ersten Wert von etwa 2 % bis 10 %, insbesondere 2 % bis 8 % bzw. bis 6 % bzw. bis 4 % der Gesamtresonanzfrequenz unterhalb dieser liegt, und eine obere Grenzfrequenz aufweist, die um etwa 2 % bis 10 % der Resonanzfrequenz oberhalb dieser liegt.
  9. Abstimmeinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität der Parallelresonanzschaltung (26) der Abstimmeinheit (20) bei vorgegebenem Wert für deren Kapazität derart gewählt ist, dass die Parallelresonanzfrequenz der Parallelresonanzschaltung (26) der Abstimmeinheit gleich der Serienresonanzfrequenz der Reihenschaltung des Ultraschallwandlers (12) ist.
  10. Abstimmeinheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (12) alternierend in einem Sendemoduls zum Aussenden von Ultraschallsignalen in Form von Ultraschallpulsen und insbesondere Ultraschallpulspaketen und in einem Empfangsmodus zum Empfangen von Ultraschallsignalen betreibbar ist.
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