本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于激励超声波换能器的方法。该方法包括：激励至少一个超声波换能器，所述超声波换能器被构造成用于产生声波并且具有用于限定换能器频率范围的工作频率。此外，所述方法还使用与超声波换能器电连接的发生器。这里，所述发生器被构造成用于产生具有可变激励频率的电驱动信号。
背景技术：
已知，压电晶体被用作超声波换能器，在本申请中，所述超声波换能器也简称为换能器。这种晶体可以借助电信号进行振荡，并由此发出位于超声波范围内的声波。所发出的声波例如可以用于从构件上清除污物。优选地，所述换能器在相应的结构相关的谐振频率下工作。通常，使用多个压电换能器，这些压电换能器的谐振频率在一定程度上较为明显地彼此不同。由此，一方面希望实现换能器较大的频率带宽，以便能够清除不同大小的污物，因为脱落的污物的大小与换能器的谐振频率成比例。另一方面，具有不同谐振频率的换能器的振动的叠加使得声波场总体上更为均匀，这可以对清洁质量产生积极的影响。
已知，用于使压电换能器工作的激励频率不是静态的，而是激励频率是随着时间变化的。这就是所谓的扫描调制。目前为止，已知的应用使用具有一定频率分布的扫描调制，这种频率分布在确定的预先规定的扫描范围内重复。这里已知这样的频率分布，其中，激励频率随着时间线性地变化。这里，激励频率的信号可以是锯齿形的或者是三角形的。
ep1997159b1公开了一种兆声波处理装置和相关的操作方法，所述兆声波处理装置使用在至少300khz的基本谐振频率下工作的压电换能器。在所描述的方法中，为了使压电换能器工作，激励频率在一定范围内变化，所述范围包括所使用的压电换能器的所有基本谐振频率。这里，扫描调制的区域在由压电换能器的基本谐振频率限定的频率范围(“换能器范围”)上上下移动。重要的是，在扫描调制期间，激励频率对称地向上或向下超过换能器范围。这是为了确保所有基本谐振频率都被驱动信号激励。特别地，应考虑到以下事实，也即，压电换能器的谐振频率可能会由于温度或老化的影响而改变。
从文献us2005/0003737a1、us2005/0098194a1以及us7004016b1中也已知类似的装置或方法。在这些文献中，分别记载了高于或低于换能器频率的范围的扫描调制。这里，高于和低于换能器范围的程度分别被设计成是对称的。
根据现有技术的扫描调制方法中已知的问题是，扫描调制具有较大的频率偏移(frequenzhub)，以便实现对称地高于或低于换能器频率。然而，这种大的频率偏移会导致发生器的、提供必要的驱动信号的功率部件中的损失增加。由此在发生器中产生大量的热损失，这种热损失可能会限制扫描调制中最大可实现的频率偏移。此外，随着频率偏移的增加，声波换能器(超声波转换器、超声波元件、超声波换能器或类似物)的机械负荷也会增加。此外，在窄带或高端系统中还会出现这样的问题，也即扫描调制的频率偏移不允许过大，否则可能会激励发生不希望的谐振频率或振动模式。在最不利的情况下，由此可能会损坏或破坏整个系统。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种改进的用于激励超声波换能器的方法，这种方法有效地利用了扫描调制的优点并且同时避免了前面所述的问题。
这个目的通过具有权利要求1的特征的方法和通过具有权利要求11的特征的声源装置来实现。有利的改进方案由从属权利要求给出。
本发明的申请人已经认识到，当在一定数量的频率扫描(扫描调制)中最小频率与目标频率之间的第一频率差在幅度上不同于最大频率与目标频率之间的第二频率差时，根据本发明的用于激励换能器的方法是特别有利的，其中在最小频率时开始频率扫描，在最大频率时结束频率扫描。目标频率在这里通常被定义为在幅度上处于最小频率与最大频率之间的频率。最小频率和/或最大频率和/或目标频率在至少一次频率扫描之后被改变，使得针对已执行的所有频率扫描求得的第一频率差的算术平均与同样针对已执行的所有频率扫描求得的第二频率差的算术平均在幅度上基本相等。
这里，激励频率的频率扫描是在最小频率与最大频率之间执行，其中在频率扫描过程中激励频率基本上至少一次具有最小频率与最大频率之间的所有值。因此，下面情况位于本发明的范围内，也即激励频率在频率扫描开始时在幅度上等于最小频率，而在频率扫描结束时在幅度上等于最大频率。相反的情况也是可能的。同样位于本发明范围内的是，在频率扫描过程中，激励频率多次在幅度上等于最小频率和/或最大频率。
为了产生声波，在根据本发明的方法的范围内，可以使用单个换能器，优选是压电换能器。换能器可能会由于制造工艺而在层厚上具有不规则性，使得相同结构类型的换能器的相应谐振频率可能会彼此略有不同。此外，单个换能器的不同区域可能会受到不同的温度影响，由此，其谐振频率可能会被分解为彼此不同的分谐振频率。由此，单个换能器也可以在上述意义上定义换能器频率范围或换能器。
扫描调制的频率偏移被定义为最大频率与最小频率之间的差。与本发明相关的、最小频率、最大频率和/或目标频率随着频率扫描总数中一定数量的频率扫描的变化具有这样的优点，也即，频率偏移基本上在所有频率扫描中都被设计成小于现有技术中描述的频率偏移。由此，可以使产生功率的发生器中的温度损失最小化，并且同时降低换能器的故障几率。
优选地，在至少一次频率扫描结束之后改变最小频率和/或最大频率。由此可以实现频率扫描围绕目标频率的变化。在控制技术方面，最小或最大频率的变化可以容易地实现，并且不需要增加电路复杂性。
根据本发明方法的优选实施方式，最小频率、最大频率和目标频率被选择，以使得在第一频率扫描中，第一频率差具有第一值(a)，而第二频率差具有第二值(b)。在此后的频率扫描中，至少这样改变目标频率，以及优选地也改变最小频率和最大频率，使得第一频率差具有第二值(b)，而第二频率差具有第一值(a)，第一值和第二值优选是不同的(a≠b)。申请人认为，这种频率差围绕目标频率的交替对称选择是特别有利的。在这种情况下，激励频率可以在每次频率扫描之后重新从最小频率开始增加到最大频率，使得激励频率的时间曲线是锯齿形的。因此，频率差在多次频率扫描上的序列可以具有例如值(ab-ba-ab-ba-ab-ba)。也可以在每次频率扫描之后改变激励频率变化的“运行方向”，例如可以在达到最大频率之后使激励频率再次减小，从而使得激励频率的时间曲线是三角形的。提供这两种变形或甚至其他变形的组合也属于本发明的范围。这里重要的是，在各次频率扫描期间频率差可以具有上面所述的值的组合。
特别优选的是，在至少一次频率扫描结束之后改变目标频率。当期望的目标频率不是确切已知的、而是必须在所述方法的进程中或在频率扫描过程中被确定时，扫描调制的这种变化形式是特别有利的。以这种方式，可以灵活地并且根据具体要求的类型来确定至少一个超声波换能器的期望工作点。
根据替代的实施方式，在至少一次频率扫描过程中、优选地在所有频率扫描过程中，改变驱动信号的激励频率，以使得驱动信号在第一时刻(t1)具有最小频率，在第二时刻(t2)具有目标频率，而在第三时刻(t3)具有最大频率，其中第二时刻处于第一时刻与第三时刻之间，并且第一时刻与第二时刻之间的第一时间差和第二时刻与第三时刻之间的第二时间差在幅度上相等。
换言之，这意味着，在一次频率扫描期间，可以在频率扫描的整个持续时间的恰好一半之后基本上达到目标频率。相反地，这也意味着，如果目标频率不是恰好位于最小频率和最大频率之间的中点上，则驱动信号f(t)的时间曲线在第一时刻和第二时刻之间以及在第二时刻和第三时刻之间具有彼此不同的斜率。虽然在根据本发明的方法的范围内，不需要第一时间差和第二时间差在大小上相等。然而，当通过谐波载波信号、例如通过正弦载波信号来产生或触发扫描调制的重复率时，在大小上相等是特别有利的。在这种情况下，第一时刻、第二时刻和第三时刻有利地落在谐波载波信号的特征点上，例如落在转折点或极值点上。
驱动信号在第二时刻的范围内的频率变化可以是连续的(用数学的方式表达：可微分的)，但所述频率变化也可以被设计成在数学上的跳跃不连续点。
原则上，激励频率在频率扫描过程中几乎可以具有任意的时间曲线。
当第一和第二时间差在大小上相等时，则得到根据本发明的方法的一个特别有利的改进方案。然而，根据本发明的方法绝不是仅限于此，而是通过适当地选择最小频率、最大频率和目标频率也可以使第一和第二时间差在大小上是不同的。
优选地，选择频率扫描，以使得在至少一次频率扫描期间，优选在所有频率扫描期间，激励频率的一阶导数(或者激励频率的频率变化率)在第一时刻与第二时刻之间具有恒定的第一导数值，而在第二时刻与第三时刻之间具有恒定的第二导数值。与激励频率不具有恒定数值的导数或时间上的变化相比，这在电路技术方面能更容易地实现。
根据优选的实施方式，选择频率扫描，以使得在至少一次频率扫描过程中，优选在所有频率扫描过程中，第一导数值与第二导数值不同。
如果驱动信号f(t)的时间曲线在第一时刻与第二时刻之间以及在第二时刻与第三时刻之间具有彼此不同的斜率，则在f(t)图示中具有相应的图形显示，也即在频率与时间的通常线性相关中出现了转折点。相关的转折角度可以小于或大于180°。
特别优选的是，在多个、优选在所有频率扫描期间，至少一个换能器、优选地多个换能器、最优选地所有换能器在各自的谐振频率下被激励。由此可以提高激励效率。
特别优选的是，在多个、优选在所有频率扫描期间，至少一个换能器、优选地多个换能器、最优选地所有换能器在各自的同阶谐振频率下、优选在各自的基本谐振频率下被激励。在所述方法的这个实施方式中，有利的是，在激励具有同阶谐振频率的所有换能器时，这些换能器的操作参数是相近的，从而提高了所输出的声波场的均匀性。如果换能器在不同阶的谐振频率下被激励，则可能形成具有不同谱宽度的谐振模式，从而由各个换能器输出的声波的叠加有时可能会导致声场出现不均匀性。
在本发明的特别优选的实施方式中，基本上根据至少一个换能器的谐振频率、优选地基本谐振频率来选择目标频率，和/或根据换能器频率范围中的频率、优选根据由换能器频率范围中的至少单个的、优选所有谐振频率的算术平均求得的频率来选择目标频率。这样选择目标频率的优点在于，在一次频率扫描过程中或在多次频率扫描过程中尽可能地覆盖所有谐振频率或一阶中的所有谐振频率。这再次提高了换能器的激励效率。
附图说明
本发明的其他优选特征和实施方式由下面参考附图对几个实施例的说明得出。
图1示出了根据本发明的声源装置的示意图；
图2借助于阻抗-频率图示出根据现有技术的扫描调制；
图3借助于相关频率-时间图示出图1的扫描调制；
图4借助于阻抗-频率图示出根据本发明的扫描调制；
图5示出与图4相关的根据本发明的扫描调制的频率-时间图；
图6借助于阻抗-频率图示出图4的根据本发明的扫描调制的另一方面；
图7示出与图6相关的频率-时间图；
图8示出根据本发明的扫描调制的流程图；
图9借助于阻抗-频率图示出根据本发明的扫描调制的另一实施方式；
图10借助于阻抗-频率图示出图9的根据本发明的扫描调制的另一方面；以及
图11用频率-时间图示出根据本发明的另一扫描调制。
具体实施方式
图1参考第一实施例示出根据本发明的声源装置，其可以使用根据本发明的方法，但本发明并不仅限于这个应用。在填充有水或其他适当的清洁介质5的池4中存在要清洁的部件6，该要清洁的部件6带有污物。至少一个超声波换能器7(实线)与池4和位于池中的水(清洁介质)5相耦合，所述超声波换能器7被构造成用于产生超声波并向介质5传输超声波。所述超声波按本身已知的方式实现从部件6上清洗掉污物。在本发明范围内的是，不仅可以设有一个超声波换能器7，而且可以设有多个超声波换能器(在图1中用虚线相应地示出)。
超声波换能器7与(频率)发生器9(通过线路8)进行电连接和信号连接。发生器9具有信号单元10，所述信号单元被构造成产生具有可变激励频率1的高频激励信号。所述激励信号由信号单元10或发生器9经由电连接8、例如经由信号线路传输给超声波换能器7。超声波换能器7由此被激励，以产生(超)声波，所述声波相应地被输入介质5中，以便清洁部件6。
在图2中，示意性地示出根据现有技术的用于调制超声波换能器7的激励频率1的方法。图2示出超声波换能器7(如在本文中通常具有的超声波换能器7)的阻抗曲线3。由发生器9产生的激励频率1在最小频率fmin和最大频率fmax之间变化。目标频率fziel位于最小频率fmin和最大频率fmax之间。在图2的当前示例中，阻抗曲线3在目标频率fziel的范围内具有局部极大值2。在这种情况下，也涉及超声波换能器7在局部极大值2的位置处的谐振频率。超声波换能器7在其谐振频率附近的激励增加了针对给定激励功率的振动幅度，并且由此增加了声波转换的效率。已知的是，超声波换能器7在其谐振频率的范围内被激励，以便实现尽可能高的效率。
在图2中，最小频率fmin与目标频率fziel之间的第一频率差δf1在幅度上等于最大频率fmax与目标频率fziel之间的第二频率差δf2。在现有技术中认定，最小频率fmin和最大频率fmax围绕目标频率fziel的这种对称的、幅度上相等的设置会带来特别好的结果。
图3用频率-时间图示出激励频率1的时间相关性。类似于图2，这种相关性可以从现有技术中获得。可以看出，与图2中相同，第一频率差δf1和第二频率差δf2在幅度上是相等的。
时刻tziel被定义为激励频率1在幅度上对应于频率fziel的时刻。时刻tmin被定义为激励频率1在幅度上对应于频率fmin的时刻。时刻tmax被定义为激励频率1在幅度上对应于频率fmax的时刻。第一时间差δt1由时刻tziel和时刻tmin之间的差计算得出。第二时间差δt2由时刻tmax和时刻tziel之间的差计算得出。在图3中，第一时间差δt1在幅度上等于第二时间差δt2。
一次频率扫描在时刻tmin处开始并在时刻tmax处结束，反之亦然。因此，在图3中，激励频率1在一次频率扫描期间具有直线的形状。
根据现有技术，已知有各种方法来执行这种频率调制。如果激励频率1在频率扫描结束后被重置为最小频率fmin，则得到锯齿形调制。如果激励频率1在频率扫描结束之后没有被重置为最小频率fmin，而是从最大频率fmax开始线性地减小，则得到三角形调制。在已知的方法中，激励频率1绕目标频率的对称调制使得激励频率1的一阶导数在一次频率扫描期间在幅度上是恒定的。根据现有技术，在一次频率扫描结束后，最小频率fmin、最大频率fmax以及目标频率fziel通常不会改变。由此会产生前面所述的涉及发生器9的缺点，其中所述发生器9产生激励频率1或提供激励信号。这些缺点主要在于在发生器9中产生的热损失增加，并且与扫描调制所使用的频率偏移成比例关系：较大的频率偏移会导致较大的热损失。
图4示出了根据本发明的用于调制激励频率1以使超声波换能器7工作的方法。如前面参考图2说明的那样，在当前实施例中，目标频率fziel位于超声波换能器7的阻抗曲线3的局部极大值2的区域内。最小频率fmin在幅度上小于目标频率fziel，最大频率fmax在幅度上大于目标频率fziel。如此选择最大频率fmax和最小频率fmin，以使得第一频率差δf1在幅度上小于第二频率差δf2。因此，目标频率fziel不在最小频率fmin与最大频率fmax之间的中心上。
对应于图4的频率-时间图在图5中示出。时刻tziel与时刻tmin之间的第一时间差δt1和时刻tmax与时刻tziel之间的第二时间差δt2在幅度上相等。这意味着，激励频率1在tmin与tziel之间的区间中的一阶时间导数至少在算术平均上小于激励频率1在tziel与tmax之间的区间中的一阶时间导数。根据图4，激励频率1在从时刻tmin到时刻tziel的区间内以及在从时刻tziel到时刻tmax的区间内随时间的变化分别具有直线的形式。这里，在当前情况下，在tziel和tmax之间的区间内的直线斜率在幅度上大于在tmin和tziel之间的区间内的斜率。换言之，这意味着，在相同的时间内，超声波换能器7在tmin与tziel之间的第一区间内、在比tziel与tmax之间的区间内的频谱小的频谱上被激励。也可以说，tmin与tziel之间的第一区间内的频率变化率与tziel与tmax之间的第二区间内的频率变化率相比更小。
由于驱动信号(激励频率f(t))的时间曲线在第一时刻tmin与第二时刻tziel之间以及在第二时刻tziel与第三时刻tmax之间具有不同的斜率，因此在f(t)图示的相应图形显示中，形成了转折点。根据图5中的实施方式，相对应的转折角小于180°。
图6用阻抗-频率图示出超声波换能器7的、与图4相同的阻抗曲线3。目标频率fziel也位于超声波换能器7的阻抗曲线3的局部极大值2的区域内。可以看出，在图6中，与图4相反，第一频率差δf1在幅度上大于第二频率差δf2。这可以在图7的频率-时间图中看到。同样地，两个时间差δt1和δt2在幅度上是相等的。激励频率1随着时间的变化在tmin和tziel之间的第一区间内以及在tziel与tmax之间的第二区间内再次具有直线的形式。然而，与图5不同，激励频率1在tmin和tziel之间的第一区间内的一阶时间导数在幅度上大于在tziel与tmax之间的第二区间内的一阶时间导数。换言之，在图7中，tziel与tmax之间的区间内的直线斜率在幅度上小于tmin和tziel之间的区间内的直线斜率。
由于驱动信号(激励频率f(t))的时间曲线在第一时刻tmin与第二时刻tziel之间以及在第二时刻tziel与第三时刻tmax之间具有不同的斜率，因此在f(t)图示的相应图形显示中形成了转折点。根据图7中的实施方式，相对应的转折角大于180°。
图4和5中示出的最小频率fmin、最大频率fmax和目标频率fziel之间的关系以及超声波换能器的阻抗曲线3平均在大致一半的所有频率扫描中使用。在大约另一半的频率扫描中，使用根据图6和图7的相应参数的组合。
图8中示出了根据本发明的方法的各个步骤的示例性时间序列。首先，选择最小频率fmin、目标频率fziel和最大频率fmax，使得第一频率差δf1的值等于a，而第二频率差δf2的值等于b。在第一次频率扫描中，通过发生器9的信号单元10产生具有等于最小频率fmin的激励频率1的驱动信号并将其传输给超声波换能器7(或各超声波换能器)。在第一次频率扫描的过程中，激励频率1一直增加到最大频率fmax。在第一次频率扫描结束之后，改变最小频率fmin、目标频率fziel和/或最大频率fmax，使得第一频率差δf1的值现在是b，而第二频率差δf2的值现在是a。现在激励频率1从最大频率fmax重新降低到最小频率fmin。由此得到驱动信号或者驱动信号的激励频率1的三角形曲线。如前面所述，如果激励频率在第一次频率扫描结束之后再次从最小频率fmin开始增加，则所述曲线也可以是锯齿形的。
显然，最大频率fmax或者频率扫描范围内的任意其他频率都可以用作激励频率1调制的起点。
在第二次频率扫描结束后，将两个频率差的值再次选择成δf1＝a和δf2＝b。在第三次频率扫描结束后，相应地再次有δf1＝b和δf2＝a，以此类推。
因此，在涉及所有频率扫描的算术平均中，第一频率差δf1和第二频率差δf2在幅度上相等并各自具有值
在频率-时间图中，激励频率1的变化不仅可以具有直线的形式，而且还可以具有其他形式的形状或曲线。例如激励频率1可以随时间平方地变化，即f＝f(t2)。
图9和10分别用阻抗-频率图示出了根据本发明的用于调制激励频率1的另一方法。与图2、4和6不同，目标频率fziel不是大致等于超声波换能器7的阻抗曲线3的局部极大值2。相反地，目标频率fziel和相应的最小频率fmin以及最大频率fmax可以位于阻抗曲线3上的任意位置处。
图11示出了在第一时间差δt1和第二时间差δt2在幅度上彼此不同的情况下激励频率1的变化的时间曲线。在第一时间差δt1和第二时间差δt2之间存在确定的关系时，在一次频率扫描之内，激励频率1的变化的时间曲线也可以具有没有转折点的直线形状，虽然第一频率差δf1和第二频率差δf2在幅度上彼此不同。