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Die
Erfindung betrifft einen Schutzhelm sowie eine Vorrichtung zur aktiven
Störschallunterdrückung.
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Es
sind verschiedene Arten von Schutzhelmen, wie beispielsweise Motorradhelme,
Fahrradhelme, Helme, die von Piloten getragen werden, Schutzhelme,
die auf Baustellen getragen werden, und Schutzhelme für
Panzerfahrer bekannt. Diese Helme haben insbesondere die Aufgabe,
die Köpfe ihrer Träger vor Stößen
und Unfällen zu schützen. Im Regelfall werden
solche Helme in einer Umgebung eingesetzt, in der neben einer erhöhten
Stoßgefahr auch ein erhöhter Lärm oder
Störschall vorhanden ist. In solchen Umgebungen stellt
eine Störschallunterdrückung, insbesondere zum
Schutz eines Heimträgers vor Störschall, und auch
das störungsfreie Verwenden von Kommunikationsmitteln,
insbesondere von Kommunikationsmitteln zum Hören oder zum
Sprechen, eine technische Herausforderung dar.
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US 6,683,965 B1 zeigt
einen Kopfhörer zur Geräuschreduktion innerhalb
des Ohres. An dem Hörer befindet sich ein Kissen mit einem
Hohlraum, das in dem Ohr eines Nutzers angeordnet wird. In dem Hohlraum
befinden sich ein Lautsprecher und ein Mikrofon, das an dem Lautsprecher
angebracht ist. Diese Kopfhörerkonstruktion wird dann zur
Geräuschreduktion verwendet.
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Es
ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen Schutzhelm vorzusehen,
der neben seiner Schutzfunktion auch Kommunikationsfunktionen, wie beispielsweise
Hören eines Schallsignals eines Lautsprechers, aufweist.
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Es
ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
vorzusehen, mit der ein zeitveränderlicher Störschall
unterdrückt werden kann.
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Diese
Aufgaben werden durch einen Schutzhelm gemäß Anspruch
1 und einer Vorrichtung zur aktiven Störschallunterdrückung
gemäß Anspruch 14 gelöst.
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Somit
wird ein Schutzhelm mit einer Helmaußenschale, stoßdämpfendem
Material und einem elektro-akustischen Wandler zur Abgabe eines Schallsignals
vorgesehen. Das stoßdämpfende Material hat eine
Außenseite und ist innerhalb der Helmaußenschale
mit der Außenseite benachbart zur Helmaußenschale
angeordnet. Der elektro-akustische Wandler ist dabei an der Außenseite
des stoßdämpfenden Materials angeordnet.
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Der
Schutzhelm dient insbesondere zur Stoßdämpfung.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung weist der Schutzhelm ein erstes Mikrofon zur
Aufnahme eines Referenzschalls auf. Das erste Mikrofon kann insbesondere
der Aufnahme eines Störschalls dienen. Es ist beispielsweise
innerhalb oder außerhalb des Schutzhelms angeordnet.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung weist der Schutzhelm ein zweites Mikrofon zur
Aufnahme eines Sprachsignals auf. Das zweite Mikrofon ist beispielsweise
so angeordnet, dass es, wenn der Schutzhelm getragen wird, benachbart
zu dem Mund des Trägers liegt. Ein solcher Schutzhelm weist
demnach auch die Funktionalität eines Headsets auf.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist das erste Mikrofon an einer Innenseite
des stoßdämpfenden Materials befestigt, die der
Außenseite gegenüberliegt. Die Befestigung des
ersten Mikrofons an dem stoßdämpfenden Material
hat den Vorteil, dass im Falle eines Stoßes, der auf den
Schutzhelm einwirkt, ein Bewegen des Mikrofons von der Innenseite in
Richtung der Helmaußenschale erreicht wird.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das erste Mikrofon an der
Innenseite des stoßdämpfenden Materials an einer
Stelle angeordnet, die beim Tragen des Schutzhelms an einem Ohreingang
anliegt.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist das stoßdämpfende Material
hinter dem ersten Mikrofon geschwächt. Alternativ zu der
Schwächung kann das Material auch hinter dem ersten Mikrofon
eine Bohrung aufweisen. Die Schwächung bzw. die Bohrung dient
dazu, dass das stoßdämpfende Material im Falle
eines Stoßes, der auf den Schutzhelm einwirkt, das Mikrofon
aufnehmen zu können. Verletzungen am Kopf, die durch das
Mikrofon verursacht werden, können so vermieden werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung verbindet wenigstens ein akustischer
Kanal durch das stoßdämpfende Material den elektro-akustischen
Wandler und einen Innenbereich des Schutzhelms akustisch. Der wenigstens
eine akustische Kanal dient dazu, den Schall, den der elektro-akustische Wandler
abgibt, durch das stoßdämpfende Material in einen
Innenbereich des Helms zu transportieren. Bevorzugt soll der Schall
so transportiert werden, dass er beim Tragen des Schutzhelms zu
dem Ohr des Trägers geleitet wird. Die Kanäle
können so ausgebildet sein, dass ein Volumen zwischen dem
Ohr und dem Schallwandler minimiert wird. Als Medium, das sich in
dem wenigstens einen akustischen Kanal befindet, wird bevorzugt
Luft oder ein Medium mit geringer Schalldämpfung bevorzugt.
Der wenigstens eine akustische Kanal wird in das stoßdämpfende Material
eingebracht. Das verbleibende stoßdämpfende Material
wirkt weiterhin stoßdämpfend zwischen Ohr bzw.
Kopf und Helmschale.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung berührt der elektro-akustische
Wandler die Helmaußenschale nicht. Dadurch, dass der elektro-akustische
Wandler die Helmaußenschale nicht berührt, ist
der elektro-akustische Wandler von der Helmaußenschale
akustisch entkoppelt. Das heißt beispielsweise, dass der
Schall, den der elektroakustische Wandler abgibt, von der Helmaußenschale
abgeschirmt wird und demnach nicht oder nur erschwert nach außen
dringen kann. Der Schall kann insbesondere von dem Wandler über
akustische Kanäle zu einem Ohr gelangen. Auf diese Weise
wird der überwiegende Teil der Schallleistung zum Ohr abgeführt
und nur ein möglichst geringer Teil der Schallleistung
wird abgestrahlt.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung weist der Schutzhelm wenigstens ein Ohrpolster
auf, das ausgebildet ist, ein Ohr akustisch abzudichten. Ein solches
Ohrpolster vermindert zum einen den Störschall, der von
außen an das Ohr gelangt, wenn der Schutzhelm getragen
wird. Weiterhin wird durch ein entsprechendes Ohrpolster vermieden,
dass ein zu großer Schallanteil, der von dem elektro-akustischen Wandler
durch das Ohrpolster zu dem Ohr gelangt, den Bereich des Ohres verlässt.
Dieses akustische Abdichten wird beispielsweise dadurch erreicht,
dass am Rand des Ohrpolsters eine Gummischicht angebracht ist, die
beim Tragen des Schutzhelms um das Ohr herum an dem Kopf des Trägers
anliegt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung verbindet wenigstens ein akustischer
Kanal den elektro-akustischen Wandler und einen Innenbereich des
Ohrpolsters akustisch. Die akustische Verbindung bedeutet beispielsweise,
dass Schall von dem elektroakustischen Wandler über den
akustischen Kanal in den Innenbereich des Ohrpolsters gelangen kann.
Beim Tragen des Schutzhelms ist ein Volumen zwischen dem elektroakustischen
Wandler und einem Ohreingang beschränkt. Durch die Beschränkung
dieses Volumens wird eine effiziente Übertragung von dem
Schall, den der elektro-akustische Wandler abgibt, zu dem Ohreingang
erreicht.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur aktiven Störschallunterdrückung
mit einem elektro-akustischen Wandler zur Abgabe eines Kompensationsschalls
und ein erstes Mikrofon zur Messung eines Referenzschalls auf. Der
elektro-akustische Wandler ist dabei entfernt von dem ersten Mikrofon
angeordnet.
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Die
Vorrichtung zur aktiven Störschallunterdrückung
weist ferner eine Signalverarbeitungseinheit auf, die ausgebildet
ist, den elektro-akustischen Wandler so zu steuern, dass ein Störschall
an der Stelle des ersten Mikrofons kompensiert wird. Der Störschall
ist im Allgemeinen zeitveränderlich und entsteht entfernt
von dem ersten Mikrofon. Das erste Mikrofon nimmt den Störschall
an einem bestimmten Ort in einer bestimmten Umgebung auf. Dieser
aufgenommene Störschall wird als Referenzschall bezeichnet.
Aufgabe einer aktiven Störschallunterdrückung
ist es nun, den elektro-akustischen Wandler so anzusteuern, dass
er einen Kompensationsschall abgibt, der den Störschall
an dem Ort des ersten Mikrofons möglichst kompensiert.
Insbesondere ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet, auf
Basis des vom ersten Mikrofon aufgenommenen Referenzschalls den
elektro-akustischen Wandler entsprechend der genannten Vorgabe anzusteuern.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen Hörer mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur aktiven Störschallunterdrückung.
Insbesondere bei einem Hörer ist es möglich, die
Vor richtung zur aktiven Störschallunterdrückung
so anzuordnen, dass das Mikrofon möglichst nah zu einem
Ohr liegt, während der elektro-akustische Wandler möglichst
weit von dem Ohr entfernt ist.
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Weiterbildungen
der Erfindung werden in den Unteransprüchen definiert.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren
beschrieben, wobei
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1 einen
Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Schutzhelms
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
zeigt und
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2 einen
Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur aktiven Störschallunterdrückung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
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1 zeigt
einen Ausschnitt eines Schutzhelms 1 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel, der eine Außenhelmschale 2 und
einen Innenbereich 11 des Schutzhelms aufweist. Der Schutzhelm 1 ist mit
einem stoßdämpfenden Material 3 ausgekleidet. Dieses
weist eine Außenseite 4 und eine Innenseite 8 auf.
Die Außenseite 4 des stoßdämpfenden
Materials 3 liegt benachbart zur Helmaußenschale 2.
Die Außenseite 4 des stoßdämpfenden
Materials 3 kann optional eine Einbuchtung 12 aufweisen.
In dieser Einbuchtung 12 kann ein elektro-akustischer Wandler 5 angeordnet
werden. Der elektro-akustische Wandler 5 berührt
vorzugsweise die Helmaußenschale 2 nicht. Der
Schall, der von dem elektro-akustischen Wandler abgegeben wird,
kann über einen akustischen Kanal 10 zu einem
Ohr 14 gelangen. Bei dem akustischen Kanal 10 handelt
es sich um eine Bohrung bzw. um mehrere Bohrungen durch das stoßdämpfende
Material 3. Das Ohr 14 ist in einem Innenbereich 15 eines
Ohrpolsters 13 angeordnet. Optional kann ein erstes Mikrofon 6 an
dem stoßdämpfenden Material 3 so befestigt
werden, dass es sich beim Tragen des Schutzhelms 1 mittig
an einem Ohreingang 9 befindet. Hinter dem ersten Mikrofon 6 kann
eine Bohrung 18 zur Aufnahme des ersten Mikrofons 6 vorgesehen
werden. Weiterhin ist eine Störschallquelle 16 dargestellt,
die einen Störschall abgibt, und eine Stoßeinwirkung 17,
die einen Stoß auf die Helmaußenschale 2 darstellt.
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Bei
einer Stoßeinwirkung 17 auf die Helmaußenschale 2 wird
die Helmaußenschale auf die Einbuchtung 12 gedrückt,
so dass die Stoßeinwirkung über Kanten der Einbuchtung 12 auf
das stoßdämpfende Material 3 einwirkt.
Das stoßdämpfende Material 3 wird zusammen
mit dem optionalen ersten Mikrofon 6, dem elektro-akustischen
Wandler 5 und der Helmaußenschale in Richtung
des Ohrs 14 gedrückt. Dabei komprimiert sich das
Ohrpolster 13, und eine vollständige Breite 19 des
stoßdämpfenden Materials 3 kann der Stoßeinwirkung 17 entgegenwirken.
Bei der Stoßeinwirkung wird das optionale erste Mikrofon 6 von
der Bohrung 18 aufgenommen, so dass eine Verletzung am
Ohr 14, die durch das erste Mikrofon 6 verursacht
werden könnte, vermieden wird. Durch die Anordnung des
elektro-akustischen Wandlers 5 an der Außenseite 4 des
stoßdämpfenden Materials 3 wirkt im Wesentlichen
die gesamte Breite des stoßdämpfenden Materials 3 stoßdämpfend
bei einer Stoßeinwirkung 17. Eine Anordnung des
elektro-akustischen Wandlers 5 an der Innenseite 8 des stoßdämpfenden
Materials 3 würde die effektive Breite des stoßdämpfenden
Materials 3 verringern und damit die stoßdämpfenden
Eigenschaften des Schutzhelms 1 mindern. Ebenso würde
eine Anordnung des elektroakustischen Wandlers 5 mittig
in dem stoßdämpfenden Material 3 die
stoßdämpfende Eigenschaft des stoßdämpfenden
Materials 3 verringern.
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Die
Anordnung des elektro-akustischen Wandlers 5 und des optionalen
ersten Mikrofons 6 in dem Schutzhelm 1 dient der
Unterdrückung eines Störschalls am Eingang des
Ohres 14. Ein Störschall wird von der Störschallquelle 16 außerhalb
der Helmaußenschale 2 abgegeben. Durch das Ohrpolster 13 sowie
den Schutzhelm 1 ist bereits eine Dämpfung des
Störschalls erreicht worden. Der verbleibende Störschall
am Ohreingang 9 wird von dem optionalen ersten Mikrofon 6 aufgenommen.
Dieses aufgenommene Referenzsignal wird beispielsweise einer Signalverarbeitungseinheit
zur Verfügung gestellt, die den elektro-akustischen Wandler 5 steuert. Der
elektro-akustische Wandler 5 gibt dann einen Kompensationsschall
ab, der den Störschall an dem ersten Mikrofon 6 kompensieren
soll. Auf diese Weise wird eine aktive Störschallunterdrückung
erreicht. Der Kompensationsschall des elektro-akustischen Wandlers 5 gelangt über
akustische Kanäle 10 zu dem Ohr 14. Der
Innenbereich 15 des Ohrpolsters 13, die akustischen
Kanäle 10 und der elektro-akustische Wandler 5 sowie
ein das Ohr 14 umgebender Teil des Kopfes eines Schutzhelmträgers
begrenzen ein Volumen, das der Schallübertragung von dem elektroakustischen
Wandler 5 zu dem Ohreingang 9 dient. Durch diese
Volumenbegrenzung wird eine gute akustische Übertragung
des Kompensationsschalls vom elektroakustischen Wandler 5 zum
Ohreingang 9 erreicht. Durch die Begrenzung des Volumens
ist eine nur sehr geringe Kompensationsschallleistung erforderlich.
Zudem wird durch das abgegrenzte Volumen erreicht, dass der Störschall
nicht leicht nach außen dringen kann, also das begrenzte Volumen
nicht leicht verlassen kann. Weiterhin berührt der elektro akustische
Wandler die Helmaußenschale 2 nicht, so dass hier
keine akustische Kopplung vorliegt. Mit den in 1 dargestellten
Prinzipien kann eine aktive Störschallunterdrückung
erreicht werden, ohne die stoßdämpfende Eigenschaft
des stoßdämpfenden Materials 3 deutlich
zu verringern.
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Bei
dem Schutzhelm 1 gemäß der Erfindung kann
es sich beispielsweise um einen Motorradhelm, um einen Fahrradhelm,
um einen Helm, wie er für gewöhnlich auf Baustellen
getragen wird, um einen Helm für einen Piloten oder um
einen Helm für einen Panzerfahrer oder vergleichbare Helme
handeln. Solche Helme weisen im Allgemeinen eine Helmaußenschale
auf, die mit stoßdämpfendem Material ausgekleidet
ist. Der elektroakustische Wandler 5 dient beispielsweise
der Abgabe eines Sprachsignals, das beispielsweise von einem Mobiltelefon empfangen
wurde, oder eines Musik- oder Radiosignals. Der elektro-akustische
Wandler 5 kann an der Außenseite 4 des
stoßdämpfenden Materials 3 angeordnet
werden. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass die Außenseite 4 des
stoßdämpfenden Materials 3 eine Bohrung
aufweist, in der der elektroakustische Wandler untergebracht ist.
Der elektro-akustische Wandler 5 liegt dann innerhalb der Helmaußenschale 2 an
der Außenseite 4 des stoßdämpfenden
Materials 3. Dies hat den Vorteil, dass die Stoßdämpfung
des Schutzhelms 1 nicht oder nur geringfügig vermindert
wird. Ein Anordnen des elektro-akustischen Wandlers 5 beispielsweise
an der Innenseite 8 würde die Stoßdämpfung
des Schutzhelms hingegen vermindern. Der beschriebene Schutzhelm 1 stellt
somit eine Funktion zum Hören von Schallsignalen bereit,
ohne die Stoßdämpfung merklich zu verringern.
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Das
durch das erste Mikrofon 6 aufgenommene Referenzsignal
kann beispielsweise einer Signalverarbeitungseinheit zugeführt
werden, die auf Basis des Referenzsignals den elektro-akustischen Wandler 5 so
steuert, dass er einen Kompensationsschall zur Verminderung des
Störschalls abgibt. Ein solcher Schutzhelm ist demnach
dafür geeignet, eine Störschallunterdrückung
bereitzustellen, ohne die stoßdämpfenden Eigenschaften
des Schutzhelms merklich zu verringern.
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Bei
der Anordnung des ersten Mikrofons 6 im Bereich des Ohreingangs 9 wird
das Referenzsignal beim Tragen des Schutzhelms 1 in der
Nähe des Ohres 14 aufgenommen. Eine aktive Störschallunterdrückung
soll insbesondere den Störschall am Eingang des Ohres 14 unterdrücken.
Es ist vorteilhaft, ein Referenzsignal an dieser entsprechenden
Stelle aufzunehmen, da auf Basis dieses Referenzsignals eine gute
Störschallunterdrückung erreicht werden kann.
Demnach wird das erste Mikrofon 6 vorzugsweise so angeb racht,
dass es beim Tragen des Schutzhelms 1 mittig im Bereich
des Ohreingangs 9 liegt. Für das zweite Ohr kann
ein weiteres Referenzmikrofon verwendet werden, das ein zweites
Referenzsignal aufnimmt. Zusätzlich zu dem zweiten Referenzmikrofon
kann ein zweiter elektro-akustischer Wandler für das zweite
Ohr angeordnet werden. Eine Störschallunterdrückung
kann so für jedes Ohr einzeln durchgeführt werden.
Bei einer solchen Anordnung wird bei der Einwirkung eines Stoßes
das erste Mikrofon zusammen mit Kopf und Ohr in Richtung Helmschale
ausweichen können.
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Der
elektro-akustische Wandler 5 kann eine inverse Kalotte
aufweisen. Es ist besonders bevorzugt, den Schallwandler möglichst
flach aufzubauen, da auf diese Weise das stoßdämpfende
Material nur eine dünne Bohrung aufweisen muss, um den
Schallwandler aufnehmen zu können. Die Stoßdämpfung wird
dann nur minimal beeinflusst. Eine flache Bauform eines elektroakustischen
Wandlers ist insbesondere durch die Verwendung einer inversen Kalotte möglich.
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Der
elektro-akustische Wandler 5 kann in einer Einbuchtung 12 der
Außenseite 4 des stoßdämpfenden
Materials 3 angeordnet. Bevorzugt befindet sich die Position
der Einbuchtung 12 gegenüber dem Ohr 14 eines
Trägers, wenn der Helm getragen wird. Auf diese Weise kann
beispielsweise die benötigte Länge des wenigstens
einen akustischen Kanals 10 verringert werden, und die
Schallleistung, die nicht zum Ohr 14 bzw. zu einer für
das Ohr 14 vorgesehenen Position gelangt, minimiert werden.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 21 zur aktiven Störschallunterdrückung
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Sie weist eine Signalverarbeitungseinheit 22 auf, die mit
einem ersten Mikrofon 6 und einem elektro-akustischen Wandler 5 verbunden
ist. Eine Entfernung 23 zwischen dem ersten Mikrofon 6 und
dem elektro-akustischen Wandler 5 ist einstellbar und beträgt
bevorzugt mehr als 1 cm, besonders bevorzugt mehr als 2 cm, insbesondere
bevorzugt mehr als 3 cm. Die Signalverarbeitungseinheit 22 steuert
den elektro-akustischen Wandler 5 so, dass ein Störsignal,
das von einer Störschallquelle 16 abgegeben wird,
an dem ersten Mikrofon 6 kompensiert wird. Die Signalverarbeitungseinheit 22 verwendet
dazu ein Referenzsignal, das von dem ersten Mikrofon 6 aufgenommen
wird. Die Vorrichtung 21 zur aktiven Störschallunterdrückung ist
insbesondere geeignet, in einen Schutzhelm eingebaut zu werden.
Durch die veränderliche Entfernung 23 zwischen
dem ersten Mikrofon 6 und dem elektroakustischen Wandler 5 besteht
beispielsweise die Möglichkeit, den elektroakustischen
Wandler 5 an der Außenseite eines stoßdämpfenden
Materials anzubringen, während das erste Mikrofon an der
Innenseite des stoßdämpfenden Materials angebracht werden
kann. Die Vorrichtung 21 zur aktiven Störschallunterdrückung
ist demnach in einen Schutzhelm so integrierbar, dass ein Schutzhelm
gemäß 1 erhalten wird. Alternativ
kann die entsprechende Vorrichtung 21 zur aktiven Störschallunterdrückung
aber auch in einem Hörer angeordnet werden.
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Die
Entfernung 23 zwischen dem ersten Mikrofon und dem elektro-akustischem
Wandler beträgt bevorzugt wenigstens 1 cm, besonders bevorzugt wenigstens
2 cm, insbesondere bevorzugt wenigstens 5 cm. Das erste Mikrofon 6 wird
bevorzugt in der Nähe eines Ohres angeordnet, während
der elektro-akustische Wandler 6 bevorzugt von dem Ohr weiter
entfernt ist als das erste Mikrofon 6. In den Raum zwischen
dem ersten Mikrofon 6 und dem elektro-akustischen Wandler 5 kann
beispielsweise stoßdämpfendes Material eingebracht
werden. Eine entsprechende Vorrichtung kann beispielsweise in einen
Schutzhelm integriert werden. Bevorzugt ist die Vorrichtung 21 zur
aktiven Störschallunterdrückung Bestandteil eines
erfindungsgemäßen Schutzhelms oder geeignet, zusammen
mit einem bekannten Schutzhelm einen erfindungsgemäßen
Schutzhelm zu bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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