CN1968660A - 用作听力保护装置的耳罩及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种被设计用作听力保护装置并适于封闭使用者外耳的耳罩(11)，其特征在于，该耳罩(11)包括至少一个减振重量元件(18；38a－b)，所述重量元件设置成至少部分地抑制在没有所述重量元件(18；38a－b)时会存在于耳罩(11)内的音频振动模式。本发明还涉及一种生产这种耳罩的方法以及这种耳罩的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种被设计用作听力保护装置并适于封闭使用者的外耳的耳罩(cap)。本发明还涉及一种生产这种耳罩的方法以及这种耳罩的应用。
背景技术
普通类型的听力保护装置包括通过头带连接的两个耳罩。头带适于放置在使用者的头上，而两个耳罩适于分别设置在使用者头部的一侧以便封闭使用者的两个外耳。耳罩依次包括通常由塑料制成的耳罩壳体、适于配合使用者头部的密封环以及设置在耳罩内的某种吸声材料。通常还设置所谓的底板，密封环连接到该底板并且该底板继而连接到耳罩壳体。这样底板定位在耳罩壳体和密封环之间。底板通常还用于将吸声材料保持在耳罩内的适当位置处。通常，密封环和底板相互成一体，即它们制成为一个部件。
听力保护装置的作用是吸收来自环境中的噪声源的噪声，使得噪声在没有首先被抑制到可接受程度的情况下不会到达使用者的耳朵。但是，一定频率的或一定频率范围内的噪声会在听力保护装置的耳罩内产生谐振现象，这大大损害了对这类噪声的抑制。
已知较大的耳罩重量可使尤其是在低频噪声范围内即低于大约1kHz的输入噪声更好地衰减。为了增加耳罩的重量，可增加材料的厚度即耳罩壳体的厚度。“向外”增加厚度具有使听力保护装置变得更大且更笨重的缺点。“向内”增加厚度具有使噪声衰减变差的缺点，这是因为内部体积变小，而高度的吸收不仅需要重量而且需要大的耳罩内部体积——耳罩内的空气压力的相对变化在空气体积变大时将变小。
US6,353,938 B1公开了一种带有由刚性塑料制成的外部耳罩壳体的听力保护器，所述外部耳罩壳体中添加了其形式为金属粉末的填充物以便增加耳罩的重量。但是，以这种方式增加重量是有限的，这是因为考虑到工具磨损、强度特性等可与塑料混合的金属的量存在上限。此外，耳罩壳体的重量的增加对低频噪声的影响最大。因此，仍存在抑制较高频率即高于大约1kHz的频率的谐振的问题。
US4,658,931公开了一种具有两个耳罩的听力保护器，所述耳罩各包括一外部耳罩壳体和一内部耳罩壳体，并且在所述外部和内部耳罩壳体之间设置有用于使噪声衰减的被抽空的空腔，该空腔内不存在传输介质。该文献提到，通过增加一个耳罩壳体的重量例如在封闭的空腔内添加额外重量，可使这一个耳罩壳体的谐振频率与另一个耳罩壳体的谐振频率分隔开。这样，这一个耳罩壳体的谐振频率减小，由此两个壳体的谐振频率被分隔开。因此如US6,353,938 B1中一样，这示出通过耳罩壳体重量的增加如何来改善噪声衰减，这对低频噪声的影响最大，但是仍没有提供对改善较高频率范围内的噪声衰减的问题的解决方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种被设计用作听力保护装置的耳罩，该耳罩与现有技术的听力保护耳罩相比具有改善的噪声衰减。
本发明的具体目的是改善听力保护耳罩在可听声范围内的高频率下即在大约1kHz至20kHz之间的噪声衰减。
这些以及其他目的可通过提供根据权利要求1的耳罩以及根据权利要求7的生产这种耳罩的方法来实现。
本发明的耳罩是作为本文导言部分所述的类型，并且其特征在于，该耳罩包括支承至少一个减振重量元件的耳罩壳体，所述重量元件设置成至少部分地抑制在没有所述重量元件时会存在于耳罩内的音频振动模式。
根据上文所述的背景技术，“耳罩”是指适于罩住使用者的耳朵并成对地连接到头带的整个“单元”，该头带因此接合两个这样的单元/耳罩。通常，耳罩包括耳罩壳体、密封环以及设置在耳罩内的某种吸声材料。通常在耳罩壳体和密封环之间还设置有底板，该底板通常将吸声材料保持在耳罩内的适当位置。如上所述，底板和密封环可结合成一体而成为一个单元。
“音频振动模式”在此被定义为声音频谱内的“谐振峰”，在此情况下即为耳罩的一种状态，其中由于耳罩具有与输入声波的频率相同的固有频率，耳罩与输入声波谐振地振荡或振动。耳罩通常沿频谱具有多个这种振动模式或谐振峰。在低于大约250Hz的频率下，耳罩的密封环通常能够通过该密封环用作谐振弹簧而产生一种振动模式。仅在高于大约1kHz的较高频率下，在耳罩壳体内才开始出现振动模式而不是刚体运动。在高于大约1kHz的各种振动模式中，耳罩壳体在其表面上分布有一些振动节点和波腹(antinode)。振动节点被定义为振荡系统内的振动并不明显的点、线或面，而波腹则相反，是指相对于相邻的点、线或面其振动为最大值的点、线或面。
抑制音频振动模式是指改变谐振特性，从而减小或消除声音频谱内的谐振峰。
与现有技术的听力保护耳罩相比，本发明的耳罩具有若干优点。
首先，本发明的耳罩使得在高频率即高于大约1kHz处的噪声衰减有所改善。根据本发明，通过将重量元件细致地安放/定位在耳罩内或耳罩上，由此选择性地抑制耳罩的一种或多种振动模式，可显著改善耳罩在高频率下的噪声衰减。至少对频谱内的最强的谐振峰的专门抑制可以在整个频谱上实现良好的噪声衰减。通过在耳罩内或耳罩上设置多个重量元件，可在整个可听声频率范围内优化衰减。在高频率下，就衰减效果而言，重量元件的位置比它们的重量更重要。
其次，可避免出现上述的工具磨损以及强度降低的问题，否则在向制成耳罩壳体的塑料中添加金属时会出现该问题。
再次，使用重量元件具有这样的优点，即在耳罩尤其是耳罩壳体的尺寸/体积保持不变或甚至减小的情况下可增加噪声衰减。因此，不会带来上述的耳罩的材料的厚度增加的问题。由此通过本发明可实现的较薄的耳罩壳体不仅使材料的成本更低，而且还大大缩短了注射模制过程中的冷却时间。冷却时间是生产时间中占主要部分的时间，通过缩短冷却时间，机器成本也可被更多的耳罩分担。机器成本正是注射模制中的很大成本。因此本发明可实现更低的材料成本、更短的输送时间以及更低的机器成本。
通过根据本发明的包括支承至少一个所述重量元件的耳罩壳体的耳罩，还可获得另一个优点。尤其是在从大约1kHz往上的较高频率下，由于来自环境的噪声，在耳罩的耳罩壳体中产生振动。通过将重量元件设置在耳罩壳体内或耳罩壳体上，可防止耳罩壳体内发生谐振。因此，谐振可以说是“被扼杀于萌芽状态”而不是必须被耳罩壳体内的吸声材料吸收。
本发明的优选实施例被限定在从属权利要求中。
根据本发明的一个实施例，通过将重量元件设置在耳罩的波腹上，可有效地抑制振动模式，所述波腹在没有所述重量元件时在所述振动模式下会存在于耳罩内。
根据另一个实施例，至少一个所述重量元件具有第一密度而所述耳罩壳体具有第二密度，所述第一密度高于所述第二密度。通过使重量元件的密度高于耳罩壳体的密度，可使用小体积的重量元件来实现有效的谐振衰减。因此，吸收所需的耳罩的内部体积无需很大。
在又一个实施例中，通过将至少一个所述重量元件至少部分地模制在耳罩壳体内来将所述重量元件附装在耳罩壳体上。通过模制来附装重量元件可实现重量元件的精确定位和可靠固定。
在另一个实施例中，耳罩包括承载至少一个所述重量元件的底板。在某些情况下，通过将重量元件设置在耳罩的底板之上或之内来抑制谐振振动是有利的。例如当底板本身发生谐振振动时，或者由于耳罩各部分相互连接，当通过将重量元件设置在耳罩壳体上难以抑制耳罩的特定振动模式，但是可通过将重量元件设置在底板之上或之内来抑制该振动模式时，会存在这种情况。
在又一个实施例中，至少一个所述重量元件的密度高于底板的密度。与上述关于耳罩壳体的方式一样，重量元件的密度高于在其之上或之内设置有该重量元件的底板的密度使得可通过小体积的重量元件来实现有效的谐振衰减。
根据本发明的另一方面，一种生产用作听力保护装置的耳罩的方法的特征在于包括以下步骤：提供被设计成封闭使用者外耳的耳罩，并将至少一个减振重量元件如此设置在耳罩之内或之上，使得所述重量元件至少部分地抑制在没有所述重量元件时会存在于耳罩内的音频振动模式，将所述重量元件设置在耳罩之内或之上的步骤包括将所述重量元件设置在耳罩的耳罩壳体之内或之上的步骤。与上述的本发明的耳罩一样，生产用于听力保护的耳罩的本发明方法与现有技术的生产听力保护耳罩的方法相比具有很多优点。如上所述，使用重量元件具有可增加噪声衰减而不改变耳罩体积的优点，这意味着不会带来耳罩的材料的厚度增加的问题。可避免工具磨损和强度减小的问题，否则在向制成耳罩壳体的塑料中添加金属时会出现该问题。此外，本发明的生产耳罩的方法使得通过将重量元件以抑制音频振动模式的方式设置在耳罩内，可改善在高频率下即高于大约1kHz的噪声衰减。
从从属权利要求中可清楚地看到本发明的生产耳罩的方法的优选实施例。本发明的生产耳罩的方法的这些实施例与本发明的耳罩的相应实施例具有相同的优点。
附图说明
现在将参考所附的示意图更详细地说明本发明，在附图中：
图1是带有根据本发明的耳罩的一实施例的听力保护器的俯视图，其中该听力保护器的左半部分以截面图形式示出；
图2和3是根据图1的耳罩的耳罩壳体的两个不同的透视图；
图4是根据图2和3的耳罩壳体的透视截面视图；
图5是用于同时生产根据图1至4的两个耳罩壳体的注射模具的截面视图；
图6是根据本发明的耳罩的另一个实施例的示意图；
图7示出根据图6的耳罩的衰减频谱；
图8是根据本发明的耳罩的另一个实施例的示意图；以及
图9示出根据图8的耳罩的衰减频谱。
具体实施方式
图1示出一听力保护器10，该听力保护器包括紧靠使用者头顶的头带12和根据本发明的要安装在头带各端从而封闭使用者外耳的耳罩11的一实施例。每个耳罩11包括耳罩壳体15、中间底板16和密封在使用者头部的密封环17。吸声材料(未示出)优选设置在耳罩外壳15和底板16之间，例如取泡沫塑料垫的形式。每个耳罩11通过位于耳罩壳体15的相对侧面上的悬挂销14安装在头带12的一端，所述销插入位于头带12各端的保持件13的对应孔内，从而耳罩11从头带12可枢转地悬挂。
根据本发明，每个耳罩11还包括减振重量元件18，该重量元件设置成至少部分地抑制在不存在所述重量元件时会存在于耳罩内的音频振动模式。根据上文中的定义，音频振动模式是声音频谱中的谐振峰，即耳罩的一种状态，其中耳罩与输入声波谐振地振荡或振动。如上所述，抑制音频振动模式是指减小或消除声音频谱内的谐振峰。
在图1所示的实施例中，重量元件18通过部分地模制在耳罩壳体15内而被设置。尤其是在从1kHz往上的较高频率下，由于环境噪声，在耳罩的耳罩壳体内正好产生振动。通过将重量元件18设置在耳罩壳体15内，可防止耳罩壳体15内发生在输入声音的特定频率下的谐振。
重量元件18的密度优选高于耳罩壳体15本身的密度。结果，可通过较小体积的重量元件18实现有效的谐振吸收。可这样提供密度差，即重量元件18由重材料例如金属，优选为锌或锌合金制成，而耳罩壳体15以常规方式由塑料制成。锌像许多其他金属例如铁一样，其密度远高于塑料的密度(大约高7倍)。另外，锌比较容易形成所期望的形状。
重量元件18形成为适合耳罩壳体15。重量元件18通过例如压铸、冲孔、锻造、车削、铣削、钻孔或冲压形成，其中可实现复杂形状的连续生产。
图2和3沿不同方向仅示出带有悬挂销14和重量元件18的耳罩壳体15。从图2可清楚地看到，重量元件18从耳罩壳体15的外部是不可见的。
在一可选实施例中，耳罩壳体可全部或部分地由透明材料例如透明塑料制成，这样可示出例如附着在耳罩壳体内并由此被保护不会受到耳罩壳体上的外部磨损的装饰、标志、公司标识、彩色编码或一些其他信息。根据本发明的重量元件可构成例如其形式为公司标识的这种标志，并因此通过耳罩壳体可见。在这种情况下，透明耳罩壳体对于使用者而言还意味着附加的安全性，这是因为使用者可检查减振重量元件是否正确地附装在耳罩壳体内。
图3还示出销29，该销是来自于包括重量元件18的耳罩壳体15的生产的支持部(rest)。销29还在图4中以截面形式示出，从图4还可清楚地看到重量元件18如何以这样的方式部分地模制在耳罩壳体15内，即重量元件18的突出的边缘部被与耳罩壳体15本身一体模制成的叠置边缘28所围绕。通过利用模制将重量元件18附装在耳罩壳体15上，可实现重量元件18的精确定位和可靠固定。
图5示出用于生产附装有金属制重量元件18的塑料制耳罩壳体15的注射模具的截面视图。注射模具包括限定了两个模腔21a-b的模具20，在所述模腔中适于供给塑料以形成两个耳罩壳体15。模腔21a-b的边界表面由外模具22a-b和内模具23a-b形成。塑料通过浇道24供给到模具20内部以及两个模腔21a-b。为了使塑料完全填充模腔21a-b，塑料在压力下以受热、可模制的状态供给。压力和温度的选择尤其取决于所使用的聚合材料的类型以及要注射成型的物体形状的复杂性。此外，形状和必要的压力将控制是否便于将外模具和/或内模具分成多个部分，以及控制在那种情况下沿什么方向和沿什么分型线便于将外模具和/或内模具分成多个部分。聚合材料的注射成型是市场上的公知技术，并且由于上述决定方式对本领域内的技术人员而言是显而易见的，所以仅以理解本发明所必需的详细程度来说明一个可选实施例。
图5示出如何调整内模具23a-b以使它们各包括专门设计的内部部分25a-b，所述内部部分继而包括保持器26a-b。保持器26a-b设置成将重量元件18保持在模腔21a-b的正确位置处，以便在塑料通过所述浇道24供给至模腔21a-b时重量元件18部分地模制在耳罩壳体4a-b内。内模具23a-b还形成有围绕每个所述重量元件18延伸的环形凹部27a-b。凹部27a-b将充满塑料，由此耳罩壳体15将形成有围绕每个所述重量元件18延伸的边缘28。重量元件18具有销29，所述保持器26a-b被设置成接合该销以将重量元件18保持在模腔21a-b内的适当位置处。
下面对除精密注射成型之外的其他一些用于将重量元件固定在耳罩上的方法进行说明。
粘接或使用胶带：重量元件可使用不同类型的胶粘物或粘合剂被粘接在耳罩的一部分例如耳罩壳体上，该胶粘物或粘合剂是根据制成该耳罩部分和重量元件的材料的特性选择的。所述部件还可通过胶带相接合。
通过加热进行接合：例如由金属制成的热重量元件可被压进由塑料制成的耳罩部分中。
铆接或螺纹连接：耳罩部分可被铆接或螺纹连接到重量元件上，反之亦然。
图1至5示出如何将重量元件设置在耳罩的耳罩壳体的内部。但是，重量元件也可设置在耳罩壳体的外部，或者设置在可与密封环17成一体的底板16之内或之上(见图1)。如上所述，在某些情况下，例如当底板本身发生谐振时，或者当将重量元件设置在耳罩壳体上难以抑制耳罩壳体的特定振动模式，但是通过将重量元件设置在底板内/上可抑制此振动模式时，通过将重量元件设置在底板之内或之上来抑制谐振振动是有利的。
优选地，设置在底板之内或之上的重量元件的密度也高于底板——任选地加上密封环——的剩余部分的密度。与上述有关耳罩壳体的方式一样，重量元件的密度高于底板的密度使得通过小体积的重量元件可实现有效的谐振吸收。
为了找出要将重量元件设置在耳罩之内或之上的什么位置以便抑制一种或多种振动模式，可使用两种根本不同的方法，下面将举例说明这两种方法：
●测试要将重量元件设置在什么位置，或者
●首先分析对于一种或多种振动模式耳罩波腹会在哪里出现，然后将重量元件设置在这些波腹处。
在两种方法中都必须用某种方式测量当重量元件设置在耳罩内/上时相对于没有重量元件时所获得的噪声衰减效果。这可通过不同方式来完成。一种方式是使用设置在人耳中或人造头部上的麦克风测量来自附近的扩音器的在沿可听声频谱的不同频率处的音量，首先在完全没有听力保护器的情况下测量作为参考，然后测量具有在麦克风之上设置在头部上的听力保护器的情况。在第一轮测量中，听力保护器没有重量元件。然后通过针对不同频率将没有听力保护器时测得的音量与具有听力保护器时测得的音量进行比较，利用计算机程序计算出具有听力保护器时相对于没有听力保护器时的衰减。通过对衰减的频率分析，可获得衰减频谱，其中可看出在哪些频率处的衰减不够充分，这最有可能是因为在这些频率处在听力保护器的耳罩内会产生谐振或振动模式。随后，在具有或没有听力保护器的情况下重复测量过程，但这次听力保护器的耳罩配备有重量元件。通过比较听力保护器在具有和没有重量元件时的衰减频谱，可看出是否能够利用重量元件来抑制一种或多种振动模式。
测试要将重量元件设置在哪里可按以下方式进行：
1.测量没有重量元件的耳罩的衰减频谱；
2.将重量元件设置在耳罩之内或之上；
3.测量安装有重量元件的耳罩的衰减频谱。是否已抑制了足够多的振动模式？如果没有，重复步骤1至3，将重量元件设置在其他位置或将多个重量元件设置在耳罩之内或之上。
图6示出耳罩，其中重量大约为10g的重量元件38设置在耳罩壳体35的中心。图7示出根据上文所述而测量出的衰减频谱，从中可看到重量元件38的布置的结果。在该频谱内，实曲线表示没有重量元件38的耳罩内的衰减，而虚线表示安装有重量元件38的衰减。从频谱中可见，振动模式A在大约3kHz处被重量元件38抑制。从衰减频谱可清楚地看到，耳罩沿频率范围具有多个振动模式，并且在高于大约1kHz处这些模式的位置相互之间基本上更加紧密。这是因为耳罩壳体本身的振动模式——指耳罩壳体不会作为刚体运动而是以内部波动的形式振动——在大多数情况下正好从大约1kHz处开始。
图8示出类似于图6的耳罩，但是在耳罩壳体35上设有多个重量元件38a和38b。设置在耳罩壳体35的中心的重量元件38a重约10g，而另一种重量元件38b重约5g。
图9示出根据图8的布置的衰减频谱的结果。从图中可见，不仅振动模式A被抑制，而且还抑制了另外的振动模式B、C、D和E。
如上所述，找出要将重量元件设置在耳罩之内以及之上的哪个位置的另一种方法包括首先分析在耳罩中的什么位置会出现波腹，然后将重量元件设置在这些波腹处。可通过制备衰减频谱以与上述相同的方式评价布置的结果。
对波腹会在哪里出现的这种分析可通过所谓的模态分析例如通过有限元计算或通过例如利用激光实现的振动测量来进行。这些进行模态分析的不同方式为声学领域内的技术人员所公知，因此从理解本发明的角度来看，无需对用于上述目的的这种方法的使用的示例进行说明，从而在此也没有给出此说明。
在耳罩的在特定振动模式下会出现的波腹的中心设置重量元件在大多数情况下不仅可抑制当前的振动模式，而且还可抑制其波腹与当前振动模式的波腹重合的其他振动模式。从图7和9可清楚地看到，耳罩通常沿频谱具有多个振动模式或谐振峰。在每个这种振动模式中，耳罩在例如耳罩壳体的表面上分布有预定数量的振动节点和波腹。
这种首先找出波腹位于哪里并且然后将重量元件设置在这些波腹处的方法可用于前述的测试方法失效的情况，或用于出于某种其他原因希望更容易地有效防止这类振动模式的情况。例如，如果要将重量元件模制在耳罩壳体内，则重量元件的位置正确尤其重要，因为制造新模具的成本太高。
应当理解，本领域内的技术人员可对上述系统和方法进行修改而不会背离本发明的精神和范围。
Claims (13)
1.一种被设计用作听力保护装置并适于封闭使用者外耳的耳罩，其特征在于，
该耳罩(11)包括支承至少一个减振重量元件(18；38a-b)的耳罩壳体(15；35)，所述重量元件设置成至少部分地抑制在没有所述重量元件(18；38a-b)时会存在于所述耳罩(11)内的音频振动模式。
2.根据权利要求1所述的耳罩，其特征在于，所述至少一个减振元件(18；38a-b)设置在耳罩(11)的波腹处，所述波腹在没有所述重量元件(18；38a-b)时在所述振动模式下会存在于耳罩内。
3.根据权利要求1所述的耳罩，其特征在于，至少一个所述重量元件(18；38a-b)具有第一密度而所述耳罩壳体(15；35)具有第二密度，所述第一密度高于所述第二密度。
4.根据权利要求1或3所述的耳罩，其特征在于，通过将至少一个所述重量元件(18；38a-b)至少部分地模制在耳罩壳体(15；35)内，将所述重量元件(18；38a-b)附装在耳罩壳体(15；35)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的耳罩，其特征在于，耳罩(11)还包括承载至少一个所述重量元件(18；38a-b)的底板(16)。
6.根据权利要求5所述的耳罩，其特征在于，至少一个所述重量元件(18；38a-b)的密度高于所述底板(16)的密度。
7.一种用于生产用作听力保护装置的耳罩的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
提供被设计成封闭使用者外耳的耳罩(11)，以及
将至少一个减振重量元件(18；38a-b)以如此方式设置在耳罩(11)之内或之上，使得重量元件(18；38a-b)至少部分地抑制在没有重量元件(18；38a-b)时会存在于耳罩(11)内的音频振动模式，将所述重量元件(18；38a-b)设置在耳罩(11)之内或之上的步骤包括将重量元件(18；38a-b)设置在耳罩(11)的耳罩壳体(15；35)之内或之上的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述重量元件(18；38a-b)设置在耳罩(11)之内或之上的步骤包括将重量元件(18；38a-b)设置在耳罩(11)的波腹处的步骤，所述波腹在没有重量元件(18；38a-b)时在所述振动模式下会存在于耳罩(11)内。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括使至少一个所述重量元件(18；38a-b)具有第一密度而使所述耳罩壳体(15；35)具有第二密度的步骤，所述第一密度高于所述第二密度。
10.根据权利要求7或9所述的方法，其特征在于，将所述重量元件(18；38a-b)设置在耳罩(11)之内或之上的步骤还包括通过将至少一个所述重量元件(18；38a-b)至少部分地模制在耳罩壳体(15；35)内来将所述重量元件(18；38a-b)固定在耳罩壳体(15；35)上的步骤。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述重量元件(18；38a-b)设置在耳罩(11)之内或之上的步骤包括将重量元件(18；38a-b)设置在耳罩(11)的底板(16)之内或之上的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还包括使至少一个所述重量元件(18；38a-b)的密度高于所述底板(16)的密度的步骤。
13.耳罩用作听力保护装置的应用，该耳罩(11)包括支承至少一个减振重量元件(18；38a-b)的耳罩壳体(15；35)，所述重量元件设置成至少部分地抑制在没有所述重量元件(18；38a-b)时会存在于耳罩(11)内的音频振动模式。
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