本发明涉及一种用于发送和/或接收声学信号的声传感器。
背景技术：
在声传感器中，典型地借助于电声换能器来激励膜片。由此使膜片振动，由此从膜片发出声学信号。以相应的方式，也可以通过膜片接收声学信号。在此，电声换能器布置在膜片的中心处，以便在该膜片的整个表面上均匀地激励该膜片。
在此，也已知的是，膜片通过接片与电声换能器连接。以该方式，电声换能器的机械延展通过杠杆臂来增强并且因此实现膜片的大的行程，由此发送更强烈的声学信号。wo2013117437a1公开了这种声传感器。然而在该声传感器中出现了膜片的非常高的点负载。
技术实现要素：
根据本发明的、用于发送和/或接收声学信号的声传感器包括：具有第一表面和第二表面的膜片，其中，第一和第二表面形成膜片的对置侧并且通过它们的边缘限定一个共同的周面；壳体，该壳体承载膜片并且在声传感器运行时至少限制膜片的周面的延展；和第一电声换能器，该第一电声换能器布置在膜片的第一表面的第一部分区域上，其中，第一部分区域位于膜片的第一表面的面积重心旁边。
膜片的周面在它的延展方面被如下限制：周面在膜片通过电声换能器激励时不变化。在此，膜片尤其在它的周面上被壳体围住。在此，第一电声换能器偏心地布置在第一表面上。因此，第一电声换能器不位于膜片的面积重心上。因此，第一部分区域完全位于膜片的第一表面的面积重心外部。在此，第一部分区域也可以具有孔，膜片的第一表面的面积重心位于该孔中，其中，第一电声换能器在膜片上布置在该孔旁边。面积重心是膜片的中心。如果膜片具有例如圆盘的形状，则圆心是膜片的面积重心。第一和第二表面基本上是平的。
根据本发明的声传感器是有利的，因为电声换能器的小的运动已经转化为膜片的强烈的运动。在此，通过第一电声换能器在膜片上的、根据本发明的布置，建立膜片的特别大面积的区域，在所述区域中没有布置电声换能器。所述区域能够以特别小的阻尼阻力振动并且通过第一声换能器来冲击式地激励。因此，在激励时通过第一电声换能器的小的运动实现膜片的特别大的行程，并且因此建立特别有效的声传感器。因此，根据本发明，由于杠杆原理建立膜片的大的行程。
从属权利要求示出本发明的优选扩展方案。
优选地，膜片的刚性在邻接于第一部分区域的区域中从第一部分区域出发持续地减小。这意味着，膜片在布置有第一电声换能器的区域中具有比在邻接于第一部分区域的区域中更高的刚性。膜片的刚性尤其减小，因为膜片的厚度减小。因此，膜片的厚度尤其在邻接于第一部分区域的区域中从第一部分区域出发持续地减小。因此，在邻接于第一部分区域的区域中，膜片的弯矩和复位力矩特别小并且该膜片在邻接的第一部分区域受小的激励时以大的行程做出反应并且因此以大的振幅振动。这导致高的辐射声功率并且因此导致声传感器的高效率。
此外有利的是，声传感器包括多个电声换能器，其中，所述电声换能器中的每个电声换能器分别布置在膜片的第一表面的对应的部分区域上，其中，这些对应的部分区域彼此不相交，并且其中，对应的部分区域位于膜片的第一表面的面积重心旁边。换言之，这意味着，多个电声换能器并列地布置在第一表面上。在此，多个是两个或更多个电声换能器。在此，第一声换能器是由多个电声换能器组成的电声换能器中的一个电声换能器。以该方式，位于电声换能器之间的区域从多个侧出发特别有效地受激励。电声换能器尤其通过不同的电信号来激励。以该方式，由单独一个膜片建立传感器阵列。
也有利的是，膜片在位于两个电声换能器的对应的部分区域之间的区域中的刚性小于在这些电声换能器的对应的部分区域中的刚性。在此，膜片的刚性尤其较小，因为膜片的厚度较小。由此，刚好在由多个电声换能器激励的区域中使膜片的弯矩和复位力矩最小化，由此又实现膜片的大的振动行程。
优选地，多个电声换能器布置在一个共同的电路板上。在此，电声换能器中的每个电声换能器固定在该电路板上。因此，防止电声换能器相对彼此的运动。因此，提高膜片在电声换能器之间的区域中的行程，因为膜片不能够沿其他方向偏移，因为该膜片在电声换能器的区域中被保持在它的初始位置中。优选地，为此多个电声换能器与膜片机械连接。
也有利的是，第一电声换能器是环形的电声换能器并且以它的孔盘形的表面布置在膜片的第一表面上。环形的电声换能器尤其具有孔盘的形状。在此，电声换能器尤其与膜片机械连接。由此能够实现膜片在环形的电声换能器内部的特别强烈的振动，因为膜片在通过电声换能器激励时在环的内部从所有的侧受激励并且尤其不能向侧面偏移。因此，建立特别有效的声传感器。
此外优选地，膜片在布置有环形的电声换能器的第一部分区域中的刚性大于在由环形的电声换能器围住的部分区域中的刚性。在此，膜片的刚性尤其较小，因为膜片的厚度较小。因此，膜片的弯矩在该被围住的部分区域中降低并且该被围住的部分区域被激励产生特别强烈的振动。在此，特别强烈的振动的特征在于辐射声压的特别大的振幅。
也有利的是，膜片具有凹部，该凹部沿着膜片的边缘走向并且围绕所有布置在膜片上的电声换能器。凹部是膜片的减薄部位。通过这种凹部的相应尺寸设计可以调节膜片的最大行程和该膜片的共振频率。
同样有利的是，声传感器还包括支撑元件，该支撑元件布置在膜片的第一表面的侧上并且形成止挡，该止挡限界膜片的最大振幅。支撑元件尤其具有表面轮廓，该表面轮廓在其走向方面相应于膜片的第一表面的表面轮廓。也有利的是，支撑元件是电路板。以该方式，膜片可以被保护免受例如由于钝性撞击引起的过度延展。在此，膜片的最大振幅是膜片的最大行程。
此外有利的是，电声换能器是压电元件或双金属。压电元件以及双金属可以快速地并且以大的力实施小的运动。因此，可以建立具有特别大的杠杆臂的声传感器，其中，电声换能器施加足够的力，以便通过该杠杆激励膜片。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明的实施例。在附图中示出：
图1根据本发明的第一实施方式的声传感器，
图2根据本发明的第二实施方式的声传感器的膜片，
图3根据本发明的第三实施方式的声传感器，
图4根据本发明的第四实施方式的声传感器，
图5根据本发明的第五实施方式的声传感器，和
图6根据本发明的第六实施方式的声传感器。
具体实施方式
图1示出根据本发明的第一实施方式的声传感器10。声传感器10包括膜片20、壳体30和第一电声换能器40。
在该第一实施方式中，膜片20具有圆盘的形状，其中，圆盘具有可变的厚度。膜片20的两个相对置的表面21、22是第一表面21和第二表面22。因此，第一表面21和第二表面22形成膜片的对置侧。在此，第二表面22位于膜片20的一侧上，在该侧中声学信号从声传感器10发出到该声传感器的周围环境中，以便感测声传感器10的周围环境。通过第一表面21的边缘和第二表面22的边缘限定膜片20的一个共同的周面。在该第一实施方式中，膜片的该周面是圆盘形的膜片20的圆形的外周。膜片20的厚度是第一表面21和第二表面22之间的间距。膜片20由柔性材料制成。膜片20可以由任意材料例如铝、纤维复合材料、橡胶、塑料和类似材料制成并且根据指示通过注塑、挤压和/或通过再加工例如磨削、钻孔、激光加工产生。
在该第一实施方式中，壳体30具有罐的形状。在此，膜片20跨越该罐的开口并且因此跨越壳体30的开口。在此，膜片20的边缘与壳体30焊接。壳体30由具有小于膜片20的弹性的材料制成。因此，膜片20的周面的延展局限于壳体30的开口的延展之内。与膜片20在声传感器10运行期间如何受激励无关地，该膜片的周面不进一步延展，因为该膜片受到壳体30的限制。因此，膜片20的周面的延展在声传感器10运行时至少是受限的。在此，膜片的边缘保持在膜片20的基面中，该基面在该第一实施方式中是一平面，圆盘形的膜片20位于该平面中。
因此，膜片20在侧面被夹紧在壳体30中。通过施加电压到第一电声换能器40上所引起的第一电声换能器40的长度变化迫使膜片20弯曲并且因此产生从壳体向外的偏移运动。膜片20在面积重心23外部受激励，由此使杠杆最大化，通过该杠杆产生膜片20的行程。
在该第一实施方式中，电声换能器40是压电元件或双金属。第一电声换能器40布置在膜片的第一表面21的第一部分区域24上。因此，第一表面21的第一部分区域24是在膜片20的第一表面21上的被第一电声换能器40遮盖的区域。第一部分区域24完全位于膜片20的第一表面21的面积重心23之外。在该第一实施方式中，第一表面21是圆形表面。因此，面积重心23是第一表面的中心点，其中，在面积重心23和膜片20的边缘之间存在恒定间距d1。间距d1是圆盘形膜片20的和由此第一表面21的半径。第一电声换能器40布置在膜片20的边缘和第一表面21的面积重心23之间。在该第一实施方式中，第一电声换能器40是圆盘形的构件，该构件具有小于间距d1的直径。
膜片20的刚性在邻接于第一部分区域24的区域中从第一部分区域24出发持续减小。这在该第一实施方式中通过以下方式实现：膜片20在第一部分区域24中的厚度大于在膜片20的其余区域中的厚度，其中，在第一部分区域24和膜片20的其余区域之间建立持续的过渡部。因此，膜片20在第一部分区域中具有恒定的第一厚度。在第一部分区域24旁边，膜片20的厚度持续减小，直到该厚度减小为第二厚度，该第二厚度小于第一厚度。具有第一厚度的第一部分区域24在图1的左侧示出，并且具有第二厚度的区域在图1的右侧示出。在这些具有不同厚度的区域之间存在邻接于第一部分区域24的区域，在该区域中膜片20的厚度持续减小。
图2示出根据本发明的第二实施方式的声传感器10的膜片20。第二实施方式基本上相当于第一实施方式。然而在该第二实施方式中，多个电声换能器40、41、42布置在膜片20上。电声换能器40、41、42中的每个电声换能器布置在膜片20的第一表面21的分别对应的部分区域24、25、26上。因此，第一电声换能器40布置在第一部分区域24中，第二电声换能器41布置在第二部分区域25中并且第三电声换能器42布置在第三部分区域26中。对应的部分区域24、25、26彼此不相交。
在该第二实施方式中，区域27位于第一电声换能器40和第二电声换能器41之间并且因此位于第一部分区域24和第二部分区域25之间。膜片20在位于对应的部分区域24、25之间的该区域27中的刚性小于在第一部分区域24和第二部分区域25中的刚性。这通过以下方式实现：膜片的厚度从第一部分区域出发持续地变小并且从第一部分区域和第二部分区域之间的一半距离处才开始重新变大。因此，膜片20在它的横截面中形成在第一电声换能器40和第二电声换能器41之间的弧。以相应的方式，膜片20形成在第二电声换能器41和第三电声换能器42之间的弧。以该方式，可以将任意数量的电声换能器40、41、42布置在膜片上并且因此建立传感器阵列。
参照图2阐述适用于所描述的每个实施方式的作用原理。通过在该第一电声换能器的边缘处示出的第一箭头60表明第一电声换能器40在第一电声换能器受电信号激励时的运动。根据第一电声换能器40的选择，第一电声换能器40在受激励时弯曲、延展或弯曲并且延展。假设第一电声换能器40在受激励时弯曲。由此膜片的布置在第一电声换能器40的外边缘上的区段62被加载以转矩，该转矩通过第一箭头60表明。在此，膜片的区段62是膜片的从第一电声换能器40出发远离第一电声换能器40延伸的区域。可看出，当考察区段62的相对于第一电声换能器40具有间距的端部时，第一电声换能器40的小的运动已经导致膜片20的明显较大的运动。这在图2中通过第二箭头61表明。因此，通过膜片20的区段62建立杠杆臂，该杠杆臂将电声换能器40的小的机械运动转化为膜片20的大的行程。这导致，当膜片通过电声换能器40激励产生振动时，膜片20的振幅或行程在电声换能器40、41、42旁边的区域中明显比在对应的部分区域24、25、26中大，电声换能器40、41、42布置在所述部分区域上。
当这样选择第一电声换能器40，使得该第一电声换能器沿着第一表面21延展时，该作用原理也适用。因为膜片20在它的周面的延展方面被壳体30限界，因此，该膜片通过相应于第二箭头61的行程从膜片20的基面偏移。因此，也通过第一电声换能器40的小的机械运动产生膜片20的大的行程。
图3示出根据本发明的第三实施方式的声传感器10。本发明的第三实施方式相当于本发明的前述实施方式。在此，声传感器10包括第一电声换能器40和第二电声换能器41并且由此包括多个电声换能器。在此，第一电声换能器40布置在第一部分区域24上并且第二电声换能器41布置在第二部分区域25上。在此，位于对应的部分区域24、25之间、即位于第一部分区域24和第二部分区域25之间的区域27相应于第二实施方式地具有比第一部分区域24和第二部分区域25小的刚性。第一部分区域24以及第二部分区域25位于膜片20的面积重心23和膜片20的边缘之间。因此，附属于第一和第二电声换能器40、41的部分区域完全位于膜片20的第一表面21的面积重心25之外。第一部分区域24和第二部分区域25彼此不相交。
在该第三实施方式中，膜片20具有凹部29，该凹部沿着膜片20的边缘走向并且环绕所有布置在膜片20上的电声换能器40、41。在此，凹部29是膜片20的厚度的变细部。因此，由于凹部29，一沟在膜片20的第一表面21上延伸，该沟具有沿着膜片20的边缘的圆形走向。电声换能器40、41布置在凹部29的该环形走向内部。
通过膜片20的构型可以在不改变电声换能器40、41、42的情况下调节声传感器10的方向特性和最大行程、共振频率和其他参数。这也通过凹部29实现。因此，通过凹部29使膜片20的运动对中，这在声振动行程较大时引起较大的开口角度。如果取消凹部29，并且电声换能器进一步向外地定位在膜片20上，那么得到膜片20的较大的声辐射面积并且由此在声行程较小的情况下得到更窄的方向特性。
此外，电声换能器40、41之间的区域具有另外的凹部，所述凹部在图3中未示出。
图4示出根据本发明的第四实施方式的声传感器10。本发明的第四实施方式相当于本发明的第一至第三实施方式，但该声传感器仅包括第一电声换能器40而不包括多个电声换能器。在此，第一电声换能器实施为环形的电声换能器43，该电声换能器基本上具有孔盘的形状。环形的电声换能器43以它的孔盘形表面布置在膜片20的第一表面上。在此，环形的电声换能器43和由此第一部分区域24环绕膜片20的第一表面21的面积重心23。
在此，膜片20在布置有环形的电声换能器43的第一部分区域24中的刚性大于在由环形的电声换能器43围住的部分区域28中的刚性。因此，该部分区域28是膜片20的位于电声换能器43的内环周边内部的区域。在此，膜片20在该部分区域28中的厚度小于在第一部分区域24中的厚度。
此外，环形电声换能器43内部的区域可以具有另外的凹部，所述凹部在图4中未示出。
图5示出根据本发明的第五实施方式的声传感器10。第五实施方式相当于本发明的第一至第四实施方式。在此，声传感器10还包括支撑元件50，该支撑元件布置在膜片20的第一表面21的一侧并且形成止挡，该止挡限界膜片20的最大振幅并且由此限制最大行程。支撑元件50布置在声传感器10的内部。在此，支撑元件50的位于膜片20的侧上的表面这样成形，使得在支撑元件50布置在声传感器10中的情况下在支撑元件50和带有电声换能器40、41的膜片20之间产生间隙，该间隙具有基本上恒定的间隙厚度。该间隙在它的延展方面仅在电声换能器40、41的区域中可以最小化，以便能够实现电声换能器40、41的触点接通。对此有利的是，支撑元件50同时是电路板。那么触点接通可以通过布置在支撑元件50上的电路板实现。尤其在所述间隙中布置有弹性的隔绝材料51。支撑元件50在它相对于壳体30的位置方面是固定的。如果出现到膜片20的第二表面22上的钝性的撞击，则膜片20朝着支撑元件50的方向受压并且搁靠在该支撑元件上。因此，膜片20可以不过度延展并且不断裂。
图6示出根据本发明的第六实施方式的声传感器10。在基本上相当于第二、第三和第五实施方式的该第六实施方式中，多个电声换能器40、41布置在一个共同的电路板70上。由此，电声换能器40、41相对彼此的位置固定。因此，第一电声换能器40和第二电声换能器41可以在激励膜片20时不彼此挤压。因此，当在第一电声换能器40和第二电声换能器41之间的区域受第一和第二电声换能器40、41激励时，膜片20在该区域中被强制以较大振幅振动。
对于所有实施方式适用地，有利的是，膜片20的刚性通过膜片20的厚度来适配。在此得出，声传感器10的布置有电声换能器40、41、42的敏感区域通过比声传感器10的其余区域更厚并且由此稳固的膜片来保护。同时，膜片20的没有布置电声换能器40、41、42的区域是低质量的并且因此可以大面积地产生窄的方向特性。
膜片20的刚性在本发明的所有实施方式中也可以通过以下方式适配：膜片20由不同材料成形。这能够实现具有恒定厚度的膜片20的、根据本发明的传感器。
在其他优选实施方式中，膜片20由不同层组成。在此，电声换能器可以布置在膜片20的两个层之间。
包括上述公开在内，详细地参阅附图1至6的公开。