Hinweis: Wir geben hier nur eine sehr vereinfachende Darstellung der Funktionsweise von Ultraschall-Sensoren wieder; genauere Informationen findest du auf verschiedenen Seiten im Internet.
Piezoelektrischer-Effekt
Bei Ultraschall-Sensoren nutzt man den sogenannten piezoelektrischen-Effekt (piezein, griech.: drücken) aus, der durch die Gebrüder Curie im Jahre 1880 entdeckt wurde. In besonderen Kristallen tritt bei mechanischer Krafteinwirkung auf bestimmte Kristall-Flächen eine Deformation des Kristalls auf und damit verbunden eine Verschiebung der Ladungsschwerpunkte im Kristall. Infolgedessen kann an den Kristallflächen eine elektrische Spannung abgegriffen werden.
Hinweise
•Die Verschiebung der Ladungsschwerpunkte beim Piezoelektrischen-Effekt wird bei Wikipedia sehr schön dargestellt.
•Bei den Ultraschall-Sensoren im Auto wird häufig der keramische Werkstoff Blei-Zirkonat-Titanat benutzt.
Lässt man eine Schallwelle mit ihrer periodischen Abfolge von Stellen mit Überdruck bzw. Unterdruck auf einen Piezo-Kristall treffen, so kann an den Anschlüssen eine Wechselspannung abgegriffen werden.
Reziproker Piezoelektrischer-Effekt
Legt man umgekehrt an einen piezoelektrischen Kristall eine Wechselspannung, so führt dies zur Deformation der Kristallflächen. Diese periodisch deformierten Flächen haben eine ähnliche Wirkung wie die schwingende Membran eines Lautsprechers. Der piezoelektrische Kristall wird zu einer Quelle, welche die Umgebungsluft periodisch verdichtet und verdünnt. Der Kristall stellt also einen kleinen Lautsprecher dar.
Bei den Ulatraschallsensoren im Auto beträgt die Frequenz der Wechselspannung die an den Piezokristall gelegt wird meist 40kHz. Schall mit dieser Frequenz ist für den Menschen nicht mehr hörbar. In der Regel dient der Piezokristall sowohl als Sender als auch als Empfänger des Ultraschalls. Mit Hilfe des reziproken piezoelektrischen Effekts wird ein kurzer Ultraschallimpuls ausgesandt, der auf ein Hindernis trifft und von diesem reflektiert wird. Trifft der reflektierte Impuls dann auf den Sender, so bewirkt der ankommende Schallimpuls über den normalen piezoelektrischen Effekt einen Spannungsimpuls. Aus der Zeitdifferenz \(\Delta t\), die zwischen dem schallauslösenden Spannungsimpuls und dem vom Schallreflex verursachten Spannungsimpuls liegt, kann bei bekannter Schallgeschwindigkeit die Entfernung des Hindernisses ermittelt werden.
Die Intensität des vom Piezokristall ausgesandten Ultraschalls ist sehr gering. Um noch einen nachweisbaren Ultraschall-Reflex zu erhalten, klebt man das piezokeramische Plättchen auf eine metallische Membran, die gerade bei 40kHz besonders intensiv mitschwingt (Betrieb bei der Resonanzfrequenz der Membran). Somit erreicht man, dass das vom Hindernis reflektierte Signal noch sicher nachweisbar ist. Die folgende Abbildung zeigt (stark vereinfacht und schematisiert) ein Aufbau einer Ultraschall-Sende-Empfang-Einheit.