Ein Verfahren zur Konstruktion anwendungsoptimierter Ultraschallsensoren auf der Basis von Schallkanälen

Aufgrund der Schlüsselstellung von Ultraschallsensoren in einer Vielzahl von Automatisierungsaufgaben einerseits und bisher unbefriedigender Einsatzerfahrungen andererseits wird mit vorliegender Untersuchung ein Beitrag zur anwendungsoptimierten Auslegung von Ultraschallsensoren erbracht. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der optimalen Gestaltung der Schallköpfe, die durch geeignete Elektronikfunktionen und Sensordatenverarbeitung in der Zielanwendung ergänzt werden. Ausgehend von einer detaillierten Analyse der Einsatzbereiche von Ultraschallsensoren werden im Vergleich mit technisch/physikalischen Grenzen die kritischen Punkte und Anforderungen für eine gute Schallkopfkonstruktion abgeleitet. Die verschiedenen Möglichkeiten zum Aufbau von Schallköpfen werden untersucht. Dabei stellt sich heraus, daß der Einsatz eines Schallkanals unter Verwendung industriell erhältlicher Wandler die aufgestellten Anforderungen am besten erfüllt. Voraussetzung hierfür ist allerdings die Untersuchung e iner Reihe von physikalisch/technischen Fragen zum Verständnis der auftretenden Effekte. Die Schallausbreitung ist durch die Ausbreitung in Gasen und die Reflexion an begrenzenden Flächen mit der Helmholtz-Gleichung beschrieben. An den Grenzflächen kann die Annahme, daß die Normalkomponente der Schallschnelle verschwindet, verwendet werden. Die entstehenden Schallfelder stellen Lösungen der Feldgleichungen dar, die durch die Randbedingungen der Grenzflächen bestimmt werden. Für die Gestaltung von Schallkanälen ist eine Auslegung der Hornkonstruktionen unter vereinfachenden Annahmen nicht zulässig, denn die Variation der Grenzflächengeometrie bewirkt eine Abweichung der realen Schallfelder von der ebenen Welle oder Kugelwelle. Diese Abweichung kennzeichnet gerade die praxistaugliche Konstruktion. Der physikalische Weg mit dem Bau und der Vermessung eines Labormusters wird ergänzt durch den simulationstechnischen Weg, der auch die Visualisierung der Schalldruckverteilung im Innern des S c