DE19628849C2

DE19628849C2 - Akustischer Richtstrahler durch modulierten Ultraschall

Info

Publication number: DE19628849C2
Application number: DE19628849A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Raida; Oskar Bschorr
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1996-07-17
Filing date: 1996-07-17
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2016-07-18
Also published as: AU3801797A; US6016351A; WO1998002976A1; DE19628849A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Schallgenerator, der durch einen modulierten Ultraschall strahl gerichteten tieffrequenten Nutzschall generiert. Konventionelle Schallgeneratoren da gegen (z. B. Lautsprecher, Sirenen, Air-Modulated-Device, etc.) arbeiten im wesentlichen als Monopolquellen. Für eine akustisch wirkungsvolle Abstrahlung bei tiefen Frequenzen benötigen Lautsprecher in der Regel großvolumige Gehäuse. Gerichtete Abstrahlung bei mittleren und tiefen Frequenzen ist nur durch eine sperrige Array-Aufstellung von mehreren Monopolquellen möglich, wobei jedoch eine aufwendige, frequenzabhängige Steuerung der einzelnen Monopolquellen notwendig ist.

Als technologischen Hintergrund zeigt die Druckschrift DE 44 37 205 A1 eine Einrichtung zur Ultraschall-Wegmessung. Dabei wird ein Ultraschall-Trägersignal durch ein zweites Signal mo duliert und es erfolgt eine Messung des Weges durch Phasenvergleich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schallgenerator mit geringen Abmaßen zu entwickeln, der entlang eines beliebig langen, einstellbaren virtuellen Arrays wirkt und dadurch eine extrem gerichtete Nutzschallabstrahlung ermöglicht. Erfindungsgemäß sendet der Ultraschallgenerator einen Ultraschallkegel mit der Trägerfrquenz Ω aus, der zusätzlich mit der Modulationsfrequenz ω moduliert wird, wobei Ω << ω ist. Der Öffnungswinkel des Ultraschallkegels wird im folgenden klein angenommen, so dass die Querabmessungen des Kegels innerhalb des Wirkbereiches des Ultraschalles klein gegenüber der abzustrahlenden Wellenlänge sind. Während der Ausbreitung nimmt die vom Ultraschallgenerator emittierte Ultraschallleistung N₀ durch Absorption exponentiell ab. Die mit der Frequenz ω harmonisch modulierte Schallleistung entlang des Ultraschallstrahles lautet unter Berücksichtigung der laufzeitbedingten Retardierung

mit:
N(x,t): Schalleistung entlang des Ultraschallkegels
N₀(t): vom Richtstrahler emittierte Schalleistung
x: Wegkoordinate in Ausbreitungsrichtung
t: Zeit
c: Schallgeschwindigkeit
x/c: laufzeitbedingt Retardierung
α: Absorptionskoeffizient bei Trägerfrequenz Ω

Die Ultraschallleistung ist auf verschiedene Arten modulierbar. So kann die Ultraschall amplitude des Trägersignals moduliert werden. Je nach Modulationsgrad kann es zu uner wünschten Nebengeräuschen kommen, welche durch an sich bekannte Maßnahmen (z. B Vor verzerrung etc.) verhindert werden können. Eine weitere Möglichkeit ist die Frequenzmodulation, z. B. über zwei mit unterschiedlichen Frequenzen schwingenden Ultraschallgeneratoren. Die Ultraschalleistung kann auch moduliert werden, indem die Trägerfrequenz Ω und damit der Absorptionskoeffizient α moduliert werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Absorptionskoeffizient nicht linear von der Trägerfre quenz abhängt. Die Modulation kann auch durch reaktive oder resistive Beeinflussung des Ultraschalls z. B. durch Resonatoren und/oder Absorber vorgenommen werden. Die verschiedenen Modulationsarten sind kombinierbar. Die entlang der Wegstrecke dx absorbierte Ultraschalleistung beträgt

Die absorbierte Ultraschalleistung dN_abs(x,t) bewirkt eine örtliche Erwärmung und Vo lumenänderung des Umgebungsmediums (Monopolabstrahlung) sowie einen Strah lungsdruck, welcher eine Kraftwirkung auf das Umgebungsmedium ausübt (Dipolabstrahlung). Die Quellstärke des Monopols dQ(x,t) und die Kraft dF(x,t) des Di pols lauten

mit:
κ: Adiabatenexponent des Umgebungsmediums
p₀: Umgebungsdruck

Die Nutzschalldruckanteile der Monopol- und der Dipolquellen überlagern sich, wo durch es in Richtung der Ultraschallausbreitung zu einer Verstärkung, in Gegenrichtung zu einer Abschwächung der Nutzschallabstrahlung kommt. Im Falle eines engen Ultra schallkegels, im folgenden Ultraschallstrahl genannt, wirkt dieser, aufgrund der nur allmählichen Absorption wie ein langes, virtuelles Array einzelner Monopol- und Dipol quellen. Die charakteristische Arraylänge L und die Halbwertslänge L_0.5, innerhalb der die Ultraschalleistung zur Hälfte absorbiert ist, werden durch den Absorptionskoef fizienten α bestimmt

Für Ultraschallfrequenzen Ω = 10 . . . 200 kHz beträgt der Absorptionskoeffizient α = 0.03 . . . 1 m^-1, was einer charakteristischen Arraylänge einstellbar von L = 33 . . . 1 m entspricht. Dank der Laufzeit des Ultraschallstrahles strahlen die Bereiche des Arrays zueinander zeit versetzt ab, wodurch es zu einer, in Ausbreitungsrichtung des Ultraschallstrahls stark gerichteten Nutzschallabstrahlung kommt ("end fired line" Olson, Elements of Acousti cal Engineering, Nostrand Company, Mc. Princeton, 1957). Obertöne können gezielt genutzt werden, um die Absorption zu erhöhen und damit die charakteristische Ar raylänge L zu verkürzen. Neben einer einzelnen oder mehreren Trägerfrequenzen be steht ebenfalls die Möglichkeit, breitbandigen Ultraschall als Träger zu nutzen. Der re sultierende Nutzschalldruck an einem Aufpunkt im Freifeld (Fernfeldnäherung) folgt für eine wirksame Arraylänge l zu:

mit:
r: Entfernung Richtstrahler zu Aufpunkt
θ: Winkel zwischen Aufpunkt und Ultraschallstrahl

Der Nutzschalldruck p ist einerseits um die Zeit x/c (Laufzeit des Ultraschalles von dem Emissionspunkt x = 0 zum Abstrahlort x) sowie um die Zeit (r - xcosθ)/c (Laufzeit Abstrahl ort zu Aufpunkt) verzögert. Die nachfolgenden Formel werden allgemein für den asymptotischen Fall l → ∞ angegeben. Mit der absorbierten Schalleistung dN_abs(x,t) ergibt sich für den Nutzschalldruck (Fernfeldnäherung)

Die Richtcharakteristik R folgt zu

Durch eine nutzschallfrequenzabhängige Trägerfrequenz Ω wird erreicht, daß das Ver hältnis der charakteristischen Arraylänge L zur Nutzschallwellenlänge λ und damit die Nutzschallrichtcharakteristik R bei allen Frequenzen gleich ist. Im Gegensatz zum Freifeldfall ist beim Rohreinbau die Nutzschalldruckamplitude in Emissionsrichtung des Ultraschallkegels unabhängig von der Kreisfrequenz ω. Bei der Berechnung der Frei feldcharakteristik war vorausgesetzt worden, daß sich der Ultraschall entlang eines Strahles ausbreitet. Dieses Modell ist ausreichend, solange die Kegelweite des Strah les klein gegen die Wellenlänge des freigesetzten Nutzschalles ist. Bei größeren Ke gelweiten kommt es zu einer zusätzlichen Richtwirkung durch die nahezu konphas schwingenden Schnittebenen des Kegels senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Dieser Richteffekt ist umso stärker, je größer das örtliche Verhältnis Ultraschallkegelweite zu Modulationswellenlänge wird. Dieser Richteffekt wird verstärkt, wenn mehrere, parallel versetzte Ultraschallgeneratoren verwendet werden. Das Vorwärts-Rückwärts- Verhältnis des Nutzschalldruckes lautet

Es kann durch eine zusätzliche Monopolquelle beeinflußt werden. Der zusätzliche Mo nopol kann auch durch teilweise Absorption des Ultraschalles direkt am Emissionsort realisiert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die rückwärtige Dipolab strahlung durch bauliche Maßnahmen wie z. B. Kapselung zu beeinflussen. Dank der kurzen Ultraschallwellenlängen ist dies mit kleinvolumigen Maßnahmen zu realisieren. Wird der Richtstrahler in ein Rohr eingebaut, so berechnet sich der resultierende Nutz schalldruck (eindimensionale Wellenausbreitung vorausgesetzt) wie folgt:

Aufgrund der Tatsache, daß der Richtstrahler nicht als Punktquelle arbeitet, sondern entlang eines virtuellen Arrays abstrahlt, fällt der Nutzschalldruckpegel im Freifeld je nach Absorptionskoeffizient bzw. Trägerfrequenz, Bündelung oder Wellenausbreitung (ein-, zwei-, dreidimensionales Schallfeld) etc. in der Nähe der Ultraschallquelle nicht wie bei konventionellen Schallgeneratoren proportional l/r ab. Die Nutzschalldruck amplitude kann hingegen in Ausbreitungsrichtung jeden beliebigen Verlauf besitzen. Sie kann abfallen, über eine gewisse Strecke konstant gehalten werden oder zuneh men oder in einer bestimmten Entfernung ein Maximum besitzen. Bei eindimensionaler Wellenausbreitung (z. B. Rohr) nimmt die Nutzschalldruckamplitude mit der Entfernung zum Emissionspunkt zu. Zur Erzeugung hoher Ultraschalleistungen werden piezoelek trische Schallgeneratoren verwendet, welche zur Erhöhung der abgestrahlten Leistung an Resonatoren gekoppelt werden (Luftultraschallschwinger). Neben den an sich be kannten Ultraschallgeneratoren eignen sich insbesondere pneumatische Ultraschallge neratoren wie z. B. Galton-Pfeife, Hartmann-Generator, Boucher-Pfeife, Vortex-Pfeifen, Pohlmann-Pfeifen und Ultraschallsirenen zur Erzeugung hoher Ultraschalleistungen. Der Erfindungsgegenstand ist anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Ausführungsbeispiele

Fig. 1 Richtstrahler mit piezoelektrischen Elementen, Modulation durch Spannungs regelung

Fig. 2 Richtstrahler mit Ultraschallsirene, Axialverdichter, Lochscheiben-Modulation und Parabol-Reflektor

Fig. 3 Richtstrahler mit Ultraschallsirene, Radialverdichter und Drossel-Modulation

Fig. 4 Richtstrahler mit Seitenkanalverdichter und Drossel-Modulation

Fig. 5 Richtstrahler mit zwei drehenden Zahnrädern, Amplituden-Modulation durch schaltbare Absorberkammern, Bündelung des Ultraschalles durch Exponential-Horn

Fig. 6 Richtstrahler mit einem drehenden Zahnrad, Amplituden-Modulation durch Helmholtz-Resonator, Bündelung des Ultraschalles durch Parabol-Reflektor

Für alle Abbildungen geltende Bezeichnungen (für x ist die jeweilige Abbildungs nummer einzusetzen):
x1 Richtstrahler
x2 Ultraschallgenerator
x3 Modulationseinheit
x4 Rotor
x5 Stator
x6 Antrieb

Die weiteren Bezeichnungen mit höheren Nummern (x7, x8) beziehen sich auf Details der einzelnen Zeichnungen.

Beschreibung der Abbildungen

Fig. 1 Dargestellt ist ein Richtstrahler 11 als Megaphon. Die Ultraschallerzeugung ge schieht durch piezoelektrische Elemente 12. Der Antrieb 16 der Piezoelemente besteht aus einer Spannungsversorgung, welche gleichzeitig als Modulationseinheit 13 dient. Das auszusendende Sprachsignal des Sprechers 17 wird durch ein vorgeschaltetes Mikrofon 18 der Modulationseinheit 13 zugeführt wird.

Fig. 2 Der pneumatisch betriebene Richtstrahler 21 besteht hier aus einer, mit einem Axialverdichter bzw. -gebläse kombinierten Ultraschallsirene als Ultraschallgenerator 22. Der Axial-Verdicher wird durch einen Antrieb 26a angetrieben, welcher neben ei nem Laufrad einen Rotor 24 dreht. Der Rotor 24 und der Stator 25 modulieren den austretenden Volumenstrom mit der Trägerfrequenz Ω. Als Modulationseinheit 23 ist eine, durch einen zweiten Antrieb 26b angetriebene Lochscheibe 27 vorgesehen, wel che den austretenden Volumenstrom tieffrequent moduliert. Der Parabol-Reflektor 28 bündelt den Ultraschall.

Fig. 3 Der pneumatisch betriebene Richtstrahler 31 besteht hier aus einer, mit einem Radialverdichter bzw. -gebläse kombinierten Ultraschallsirene als Ultraschallgenerator 32. Der Radialverdichter besteht aus dem Rotor 34 und dem Antrieb 36. Um den aus tretenden Volumenstrom mit der Trägerfrequenz Ω zu modulieren, wird der Stator 35 nachgeschaltet. Als Modulationseinheit 33 dient hier eine vorgeschaltete Drosselklap pe, welche den Volumenstrom zum Radialverdichter tieffrequent moduliert.

Fig. 4 Der pneumatisch betriebene Richtstrahler 41 besteht hier aus einem Seitenka nalverdichter. Der Seitenkanalverdichter besteht aus einem, vom Antrieb 46 angetrie benen Laufrad 47, welches die Luft im Seitenkanal 48 in Pfeilrichtung fördert. Im Sei tenkanal bewirkt der sogenannte Unterbrecher 49, daß kein Rückstrom stattfindet. Die Trägerfrequenz Ω hängt von der Drehzahl und der Teilung des Laufrades ab. Die tief frequente Amplitudenmodulation wird durch eine nachgeschaltete Drosselklappe 43 realisiert.

Fig. 5 Der Richtstrahler 51 besteht hier aus zwei schnell drehenden Zahnrädern 52, welche einen Volumenstrom mit der Trägerfrequenz Ω pulsierend fördern. Zur tieffre quenten Amplitudenmodulation des Volumenstrom werden durch einen Schieber 53 die Öffnungen zu einem Absorber 57 geöffnet bzw. geschlossen. Durch das sich an schließende Horn 58 wird der emittierte Ultraschall gebündelt.

Fig. 6 Der Richtstrahler 61 besteht hier aus einem schnell drehenden Flügelrad 62, welches strömungsdynamisch einen Volumenstrom mit der Trägerfrequenz Ω pulsie rend fördert. Zur Amplituden-Modulation des austretenden Volumenstromes wird durch einen Schieber 63 die Öffnung zu einem Helmholtzresonator 67 geöffnet bzw. ge schlossen. Durch den sich anschließenden Parabol-Reflektor 68 wird der emittierte Ultraschall gebündelt.

Claims

1. Akustischer Richtstrahler zur gerichteten Schallerzeugung, gekennzeichnet dadurch, dass mit moduliertem Ultraschall tieffrequenter Nutzschall erzeugt wird, indem die, von einem Ultra schallgenerator emittierte und tieffrequent modulierte Ultraschallleistung während ihrer Aus breitung entsprechend dem frequenzabhängigen Absorptionskoeffizienten der Luft absorbiert wird, wodurch sich einerseits die Luft örtlich erwärmt, ausdehnt und als Monopolquelle abstrahlt, und andererseits der ebenfalls absorptionsabhängige Strahlungsdruck örtlich eine Kraft auf die Luft ausübt und als Dipolquelle abstrahlt, und die Überlagerung der Schalldruck anteile der örtlichen Monopol- und Dipolquellen und deren, durch die Laufzeit des Ultraschalles bedingte, zeitversetzte Abstrahlung eine gerichtete Nutzschallabstrahlung wie bei einem langen Array von Monopol- und Dipolquellen bewirken, und mit einem schmalen Ultra schallkegel nahezu unidirektionale gerichtete Nutzschallabstrahlung erreicht wird.

2. Akustischer Richtstrahler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die emittierte Ultraschallleistung durch eine Amplitudenmodulation- und/oder eine Frequenzmodulation moduliert wird.

3. Akustischer Richtstrahler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass zur Erzeugung von Ultraschall hoher Leistung neben den an sich bekannten Ultraschaller zeugern piezoelektrische Ultraschallerzeuger oder pneumatische Ultraschallerzeuger verwen det werden, wobei Unterbrecher- bzw. Modulationseinheit und Verdichtereinheit getrennt, gekoppelt betrieben oder in einem Bauteil integriert werden.

4. Akustischer Richtstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Richtcharakteristik durch eine zusätzliche Monopolquelle oder durch teilweise Unterdrück ung des rückwärtig wirkenden Dipolanteils durch z. B. bauliche Maßnahmen beeinflusst wird und durch mehrere Ultraschallkegel oder Richtstrahler jede beliebige Richtwirkung erzielt wird.

5. Akustischer Richtstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Schallgenerator zur Antischallerzeugung oder zur Sprach- oder Signalübertragung oder zur aktiven Kanalschalldämpfung oder zur Schalldämpfung in Ansaug- oder Abgasrohren von Ver brennungsmotoren eingesetzt wird.

6. Akustischer Richtstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass gegeneinander parallel verschobene Ultraschallgeneratoren verwendet werden.

7. Akustischer Richtstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass der Nutzschalldruck in der Nähe des Richtstrahlers entlang der Ausbreitungsrichtung einen be liebigen, einstellbaren Amplitudenverlauf besitzt.