DE102016014637A1

DE102016014637A1 - Kunstkopf zum Testen von Atemschutzgeräten

Info

Publication number: DE102016014637A1
Application number: DE102016014637.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Brodersen; Achim Volmer
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2018-06-14
Also published as: US10532233B2; CN108211159B; CN108211159A; US20180161605A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kunstkopf zum Testen von Atemschutzgeräten, der einen Kunstkopfkörper (2) mit einer künstlichen Mundöffnung (6) und einer dahinter im Kunstkopfkörper liegenden künstlichen Mundhöhle (4), in der ein Lautsprecher (8) angeordnet ist, und eine mit dem Lautsprecher verbundene Audioeinheit (20) zur Wiedergabe von Sprache über den Lautsprecher aufweist, wobei der Kunstkopf dadurch gekennzeichnet ist, dass eine mit der künstlichen Mundhöhle (4) in Verbindung stehende und in die künstliche Mundöffnung (6) mündende künstliche Luftröhre (10) und eine Luftfördereinrichtung (30) vorhanden ist, die dazu betreibbar ist, Luft durch die künstliche Luftröhre (10) und die künstliche Mundöffnung (6) strömen zu lassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kunstkopf zum Testen von Atemschutzgeräten, der einen Kunstkopfkörper mit einer künstlichen Mundöffnung und einer dahinter im Kunstkopfkörper liegenden künstlichen Mundhöhle, in der ein Lautsprecher angeordnet ist, und eine mit dem Lautsprecher verbundene Audioeinheit zur Wiedergabe von Sprache über den Lautsprecher aufweist.
Ein solcher Kunstkopf wird zur Evaluierung von Kommunikationssystemen eingesetzt. Neben der Bezeichnung Kunstkopf wird auch die Bezeichnung Kopf- und Torsosimulator oder die Abkürzung HATS (Head and Torso Simulator) verwendet. Die vorliegende Anmeldung betrifft Kunstköpfe für Atemschutzgeräte, die mit Kommunikationssystemen ausgerüstet sind.
Ein Atemschutzgerät weist eine Atemschutzmaske auf, und es gibt verschiedene Typen von Atemschutzgeräten, die sich durch verschiedene Arten der Zufuhr von Atemluft unterscheiden: Atmung von Umgebungsluft durch einen Filter, Zufuhr von Umgebungsluft durch ein Gebläse und einen Filter, und bei einem Pressluftatmer Zufuhr von Luft aus einer Pressluftflasche durch einen Lungenautomaten. Aus der Kombination von Atemschutzmaske und Luftquelle entstehen Atemschutzgeräte, die im US-amerikanischen Sprachgebrauch wie folgt bezeichnet werden:

- Air Purifying Respirator (APR): Atemschutzmaske + Filter
- Powered Air Purifying Respirator (PAPR): Atemschutzmaske + Gebläsefilter
- Self-Contained Breathing Apparatus (SCBA): Atemschutzmaske + Pressluftatmer.

Diese Atemschutzgeräte unterscheiden sich für den Anwender in erster Linie durch den bereitgestellten Schutzfaktor. Allen Atemschutzgeräten ist jedoch gemeinsam, dass sie das Sprechvermögen und die Hörbarkeit und Verständlichkeit des vom Atemschutzgeräteträger Gesprochenen mehr oder weniger stark beeinträchtigen.
Sprachliche Kommunikation ist eine der wichtigsten Arten der Kommunikation. Diese kann sich in der Lautstärke, Klangverhalten, Verzögerung, Sprachverständlichkeit und vielem mehr unterscheiden. Nicht immer ist eine behinderungsfreie Kommunikation möglich, was insbesondere für Träger von Atemschutzgeräten gilt. Daher werden elektronische Kommunikationssysteme zur Unterstützung eingesetzt. Ein solches Kommunikationssystem umfasst ein Mikrofon im Inneren der Maske, das die vom Atemschutzmaskenträger gesprochenen Wörter aufnimmt und über Lautsprecher an der äußeren Oberfläche der Atemschutzmaske wiedergibt. Ergänzend oder alternativ können die aufgenommenen Mikrofonsignale auch drahtlos zu einem Empfänger übertragen und dort über Lautsprecher oder Ohrhörer wiedergegeben werden. Um die Wirksamkeit solcher Kommunikationssysteme zu bewerten und zu optimieren, ist die Verwendung von künstlichen Sprechern, auch Kunstkopf genannt, bereits ein etabliertes Vorgehen. Damit kann ein Kommunikationssystem wiederholbar und objektiv bewertet werden. Dabei ahmt der Testaufbau die alltägliche Verwendung sehr gut nach und ermöglicht somit eine sinnvolle Bewertung. Die Kunstköpfe besitzen daher ein Kunstkopfkörper mit möglichst natürlicher Kopfform und darin eine künstliche Mundhöhle mit künstlicher Mundöffnung, hinter der ein Lautsprecher als Schallquelle in der künstlichen Mundhöhle eingebaut ist. Der Schall des Lautsprechers wird gebündelt aus der künstlichen Mundöffnung abgegeben, und somit können akustische Tests an Kommunikationssystemen unter reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt werden. Ein solcher Kunstkopf ist zum Beispiel das Gerät 4128-C des Unternehmens Brüel & Kjaer, das die Merkmale des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 aufweist.
Eine herausragende Rolle spielt die Sprachkommunikation vor allem für die Feuerwehr, da hier direkte und natürliche Kommunikation im Einsatz unter Lebensgefahr besonders effektiv funktionieren muss. Kommunikationssysteme werden im Atemschutzeinsatz besonders dringend benötigt, da die natürliche Sprache durch das Tragen einer Atemschutzmaske, die besonders hochfrequente Sprachanteile dämpft, deutlich beeinträchtigt wird. Wie angedeutet besitzen bekannte Kommunikationssysteme für Atemschutzmasken einen integrierten Sprachverstärker, der die Dämpfung der Maske kompensiert, indem die durch ein Mikrofon aufgenommene Sprache mittels an der Außenseite der Atemschutzmaske befindlicher Lautsprecher verstärkt wiedergegeben wird. Auf diese Weise wird die Sprachverständlichkeit verbessert.
Oft wird in ein Maskenkommunikationssystem zusätzlich eine Headset-Funktion für Funkkommunikation integriert. Ein analoges oder digitales Funkgerät wir dafür mit einem Kabel oder einer drahtlosen Schnittstelle (z.B. Bluetooth) an das Maskenkommunikationssystem angeschlossen. Eine deutliche Verbesserung gegenüber der Arbeit mit einem Handfunkgerät wird dabei durch die Integration des Mikrofons für das Senden des Sprachsignals in die Maske erreicht. Das Empfangssignal wird in derartigen Systemen über einen Ohrhörer abgespielt.
Die im Betrieb auftretenden Atemgeräusche werden ebenfalls durch das Mikrofon aufgenommen und durch die Lautsprecher verstärkt wiedergegeben. Diese Atemgeräusche stören jedoch die Kommunikation, und daher werden die Mikrofonsignale mittels digitaler Signalverarbeitung in einem Signalprozessor in der Kommunikationseinheit gefiltert, um die Atemgeräusche zu unterdrücken und damit möglichst nicht über die Lautsprecher wiederzugeben und nicht per Funk zu übertragen.
Während der Entwicklung stellt sich die Optimierung genau dieser Funktionalität der Atemgeräuschunterdrückung als Herausforderung dar. Dabei ist eine saubere automatische Trennung zwischen Atemgeräuschen und Sprache essentiell, um eine optimale, störungsfreie Kommunikation zu ermöglichen.
Mittels der oben vorgestellten Kunstköpfe, die nur die Sprache simulieren können, kann der zu optimierende Nutzungsfall nicht zufriedenstellend simuliert werden, da die Kunstköpfe die Atemgeräusche nur mittels des Lautsprechers wiedergeben können und diese sich von den realen Atemgeräuschen stark unterscheiden. Somit ist die Evaluierung von Atemschutzgeräten mit Kommunikationseinheiten nur bezogen auf die Sprache möglich, aber nicht unter realistischer Einbeziehung der Effekte der Atmung des Atemschutzgerätträgers realisierbar.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kunstkopf so auszugestalten, dass damit Atemschutzgeräte mit Kommunikationssystemen realistisch und reproduzierbar auf die Qualität der Kommunikationsfunktionen getestet und bewertet werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Kunstkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine in den Kunstkopfkörper führende, mit der künstlichen Mundhöhle in Verbindung stehende und in die künstliche Mundöffnung mündende künstliche Luftröhre und eine Luftfördereinrichtung vorhanden ist, die dazu betreibbar ist, Luft durch die künstliche Luftröhre und die künstliche Mundöffnung strömen zu lassen. Auf diese Weise kann ein Luftstrom durch die künstliche Luftröhre und die künstliche Mundhöhle und weiter durch die künstliche Mundöffnung in seiner Wechselwirkung mit der durch den Lautsprecher in der künstlichen Mundhöhle erzeugten Sprache realistisch simuliert werden. Beim Testen eines Atemschutzgerätes fließt der erzeugte Luftstrom dabei auch durch die Atemschutzmaske und simuliert daher auch die dadurch bedingten Geräusche realistisch. Dadurch können auch Filterprogramme in den Kommunikationssystemen der Atemschutzgeräte, die zum Unterdrücken der Atemgeräusche eingesetzt werden, getestet und auf Wirksamkeit überprüft werden. Der Kunstkopfkörper ist vorzugsweise ein Hohlkörper, der durch eine oder mehrere Trennwände unterteilt sein kann und durch den die künstliche Luftröhre bis zur künstlichen Mundöffnung an seiner Oberfläche verläuft. In dem Hohlkörper des Kunstkopfkörpers ist die künstliche Mundhöhle als weiterer Hohlkörper angeordnet, der in die künstliche Luftröhre mündet. In dem Hohlkörper des Kunstkopfkörpers kann ein Hohlraum um die künstliche Mundhöhle herum gebildet sein, der mit einem Volumen von 500 bis 1500 cm³ einen Resonanzraum für den Lautsprecher bildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Steuereinheit vorhanden, die dazu eingerichtet ist, den Betrieb der Luftfördereinrichtung in Bezug auf Strömungsrichtung und Volumenstrom der erzeugten Strömung durch die künstliche Luftröhre und Mundöffnung zu steuern. Dabei kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, die Luftfördereinrichtung zur Erzeugung einer Strömung mit vorgegebener Strömungsrichtung und vorgegebenem zeitlich konstantem Volumenstrom anzusteuern. Eine solche konstante Luftströmung durch die künstliche Luftröhre und die Mundöffnung liefert bereits eine praktisch verwendbare Simulation der Atemgeräusche. Eine solche konstante Luftströmung kann durch eine Luftfördereinrichtung in Form eines Gebläses erzeugt werden.
Alternativ können die Steuereinrichtung und die Luftfördereinrichtung zur Erzeugung einer bezüglich der Strömungsrichtung alternierenden, Inspirations- und Exspirationsphase simulierenden Strömung mit zeitlich variablem Volumenstromprofil unter Steuerung der Steuereinheit eingerichtet sein. Einen Bezug auf die Strömungsrichtung pendelnde, am Ende einer Exspirationsphase zum Erliegen kommende Luftströmung durch die künstliche Luftröhre und die künstliche Mundöffnung ermöglicht es, den Einfluss von Atemgeräuschen mit allen Phasen des Atemzyklus realistisch zu simulieren.
Diese realistische Simulation von Atemgeräuschen ermöglicht, dass Zubehör, beispielsweise Mikrofone, in der Atemmaske unter realistischen Bedingungen des Einsatzes von Atemschutzgerät und Atemschutzmaske getestet werden können. Darauf lassen sich dann beispielsweise Filterschaltungen, welche Anpassungen der mit dem Mikrofon erfassten Audiosignale zur Weiterverarbeitung für eine Weiterversendung, beispielsweise mittels einer Funkübertragung, an die Situation von Atemschutzmaske und Atemschutzgerät anpassen.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit dabei dazu eingerichtet, die Luftfördereinrichtung mit einem zeitlich variablen Volumenstromprofil zu betreiben, das zeitlich kürzere Inspirationsphasen mit höherem mittleren Volumenstrom und dem gegenüber zeitlich längeren Exspirationsphasen mit niedrigerem mittleren Volumenstrom aufweist.
Zeitlich kürzere Inspirationsphasen mit mittlerem Volumenstrom und zeitlich längere Exspirationsphasen mit niedrigerem Volumenstrom entsprechen dabei einer realistischen Atmung eines Trägers eines Atemschutzgerätes. Eine realistische Simulation von Inspiration und Exspiration hat den Vorteil, dass die Filterschaltungen, welche die Audiosignale für die Funkübertragung aufbereiten, auch auf sich zeitlich ändernde Intensitäten des Einflusses des Volumenstroms angepasst werden können und somit mithilfe dieser Ausgestaltung des Kunstkopfes eine Überprüfung der Filterschaltungen auf qualitativ hochwertige Weise ermöglicht ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Betrieb der Audioeinheit und der Luftfördereinrichtung so zu synchronisieren, dass Wiedergabe von Sprache über den Lautsprecher ausschließlich während Exspirationsphasen erfolgt. Dies entspricht den Verhältnissen bei natürlicher Sprache, die während Exspirationsphasen erzeugt wird.
Die Synchronisation von Exspirationsphasen mit der Wiedergabe von Sprache ermöglicht, dass in Inspirationsphasen die Signalverarbeitung auf eine andere Art und Weise ausgeführt werden kann. Damit ist es mit diesem Kunstkopf ermöglicht, eine Möglichkeit bereitzustellen, um für In- und Exspirationsphasen unterschiedliche Signalverarbeitungen oder Filterschaltungen zu überprüfen.
Die Luftfördereinrichtung kann ein in seiner Förderleistung von der Steuereinheit gesteuertes Gebläse in Verbindung mit der künstlichen Luftröhre aufweisen. Grundsätzlich kann auch ein in seiner Strömungsrichtung pendelnder Luftstrom durch ein Gebläse erzeugt werden, indem die Pumprichtung des Gebläses alternierend geändert wird.
Alternativ weist die Luftfördereinrichtung einen mit der künstlichen Luftröhre verbundenen Balg und einen Aktuator auf, der dazu ausgestaltet ist, gesteuert von der Steuereinheit auf den Balg einzuwirken, um dessen inneres Volumen als Funktion der Zeit so zu variieren, dass die durch die künstliche Luftröhre und die künstliche Mundöffnung fließende Strömung mit einem vorgegebenen, in Bezug auf die Strömungsrichtung alternierenden Strömungsprofil erzeugt wird.
Prinzipiell wirkt der Balg hier als eine künstliche Lunge, die durch den Aktuator periodisch komprimiert und wieder expandiert wird, um Luftströme zu erzeugen, die Exspirations- und Inspirationsphasen der Atmung zu simulieren.
Dadurch, dass die Wirkung des Balges mit dem Heben und Senken des Brustkorbs eines Atemschutzgeräteträgers nahezu identisch ist, ergibt sich mit der Luftfördereinrichtung die Möglichkeit, den Anwendungsfall sehr realistisch zu simulieren. Dies ist insofern vorteilhaft, dass sich dadurch in dem Mundraum, welcher in Form eines Resonanzraumes wirkt, Verhältnisse einstellen, welche vergleichbar mit den Verhältnissen von Thorax, Luftröhre und Mundraum sind, da der Balg als Teilelement des Resonanzraums ausgestaltet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat die künstliche Luftröhre einen ersten, durch einen Halsbereich des Kunstkopfkörpers führenden geraden Abschnitt und einen damit durch einen gebogenen Übergangsbereich verbundenen und senkrecht dazu stehenden zweiten geraden Abschnitt, dessen von dem ersten Abschnitt entferntes Ende die künstliche Mundöffnung bildet. Dadurch wird ein Luftstrom mit einer Umlenkung wie im natürlichen Rachenraum erzeugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die künstliche Mundhöhle trichterförmig, wobei der Lautsprecher in der künstlichen Mundhöhle an dem Ende mit größerem Durchmesser angeordnet ist und dieses im Wesentlichen abdeckt. Ferner steht die künstliche Mundhöhle mit der künstlichen Luftröhre in Verbindung, indem die trichterförmige künstliche Mundhöhle mit ihrem Ende mit kleinerem Durchmesser vor der künstlichen Mundöffnung in den zweiten Abschnitt der künstlichen Luftröhre einmündet. Die trichterförmige Ausgestaltung der künstlichen Mundhöhle ist vorteilhaft, da dadurch am Ende mit dem größeren Durchmesser eine Lautsprechermembran mit entsprechend größerem Durchmesser eingesetzt werden kann, deren größerer Durchmesser benötigt wird, um einen realistischen Schalldruckpegel zu erzeugen. Der Schalldruckpegel sollte dabei mindestens 97dB am Mundreferenzpunkt (mouth reference point - etwa 5 cm vor der künstlichen Mundöffnung) betragen. Der Durchmesser der Lautsprechermembran kann im Bereich von 50 bis 100 mm liegen. Der Lautsprecher soll Frequenzen im Bereich von 20 Hz bis 20 kHz erzeugen.
Die vom Lautsprecher erzeugten Frequenzen im Bereich von 20 Hz bis 20 kHz entsprechen dabei dem Frequenzbereich, welcher üblicherweise durch die menschliche Sprache, sowohl von männlichen wie auch von weiblichen Atemschutzgeräteträgern, genutzt wird.
Durch die trichterförmige Ausgestaltung der künstlichen Mundhöhle wird eine Einmündung in eine, gegenüber dem größeren Durchmesser der trichterförmigen künstlichen Mundhöhle, vom Durchmesser her kleinere künstliche Luftröhre möglich. Die trichterförmige Ausgestaltung der künstlichen Mundhöhle sorgt für eine Verkleinerung des Querschnitts vor der Einmündung in die künstliche Luftröhre, ohne dass Stufen oder Sprungstellen in der künstlichen Mundhöhle oder Luftröhre auftreten, was unerwünschte Schallreflexionen vermeidet.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der künstlichen Luftröhre röhrenförmig mit einem Durchmesser im Bereich 15 - 45 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat der erste Abschnitt der künstlichen Luftröhre eine Länge im Bereich 120 - 180 mm und der zweite Abschnitt eine Länge im Bereich 130 - 200 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform mündet die trichterförmige künstliche Mundhöhle an der dem ersten Abschnitt gegenüberliegenden Seite vor der künstlichen Mundöffnung schräg von oben oder koaxial in den zweiten Abschnitt der künstlichen Luftröhre ein, wobei die Längsachse der trichterförmigen Mundhöhle in einem Winkel im Bereich von 0 - 90° zur Längsachse des zweiten Abschnitts der künstlichen Luftröhre steht. Dabei bedeutet ein Winkel von 0°, dass die Längsachse der trichterförmigen künstlichen Mundhöhle parallel zur Längsachse des zweiten Abschnitts der künstlichen Luftröhre steht und die trichterförmige künstliche Mundhöhle mit ihrem Ende mit kleinerem Durchmesser in dem der künstlichen Mundöffnung gegenüberliegenden Endbereich des zweiten Abschnitts der künstlichen Luftröhre einmündet. Ein Winkel von 90° bedeutet, dass trichterförmige künstliche Mundhöhle senkrecht von oben in den zweiten Abschnitt der künstlichen Luftröhre einmündet.
Bevorzugt ist eine Orientierung der künstlichen trichterförmigen Mundhöhle im Bereich von 30 - 60° zur Längsachse des zweiten Abschnitts der künstlichen Luftröhre, so dass die künstliche Mundhöhle schräg von oben in den zweiten Abschnitt der Luftröhre einmündet, wobei erzeugter Schall eine auf die künstliche Mundöffnung gerichtete Komponente hat. Dabei mündet die trichterförmige künstliche Mundhöhle unmittelbar vor der künstlichen Mundöffnung in den zweiten Abschnitt der künstlichen Luftröhre.
Die beschriebenen Abmessungen (Durchmesser, Länge) des ersten und zweiten Abschnitts der künstlichen Luftröhre in Zusammenwirkung mit der Anordnung und Orientierung der künstlichen, trichterförmigen Mundhöhle zur Längsachse ergeben dabei den Vorteil, dass eine mittlere Geometrie von Mundröhre mit Resonanzraum bereitgestellt wird, welche sehr nahe an den anatomischen Gegebenheiten eines realen Kopfes mit Mundhöhle, Rachenraum und Luftröhre in Verbindung zur Lunge eines Geräteschutzträgers ist. In Zusammenwirkung mit dem geeigneten Frequenzbereich der Sprachübertragung und in Zusammenwirkung mit der Luftfördereinrichtung ergibt sich damit eine sehr realistische Nachbildung von Sprachkommunikation mit einer Atemmaske mithilfe dieses Kunstkopfes.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 einen Querschnitt durch einen Kunstkopfkörper einer Ausführungsform eines Kunstkopfes der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 einen Querschnitt wie in 1 zeigt, in dem die Bezugszeichen aus 1 fortgelassen sind und Abmessungen mit deren Bezeichnungen eingezeichnet sind, und
3 eine schematische Querschnittsdarstellung des Kunstkopfkörpers aus 1 mit zusätzlichen Komponenten des Kunstkopfes gemäß der Erfindung zeigt.

Der in 1 im Querschnitt dargestellte Kunstkopfkörper 2 ist überwiegend als Hohlkörper und vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt. In dem Kunstkopfkörper 2 ist eine künstliche Mundhöhle 4 vorgesehen, die in Verbindung mit einer künstlichen Mundöffnung 6 steht. Die künstliche Mundhöhle 4 ist trichterförmig ausgebildet, wobei das Ende 42 mit kleinerem Durchmesser der künstlichen Mundöffnung zugewandt ist und das Ende 41 mit größerem Durchmesser weiter von der künstlichen Mundöffnung 6 entfernt ist. An dem Ende 41 mit größerem Durchmesser ist ein Lautsprecher 8 angeschlossen, der das Ende 41 mit größerem Durchmesser abdeckt. Ferner ist in dem hohlen Kunstkopfkörper 2 eine künstliche Luftröhre 10 vorgesehen, die mit der künstlichen Mundhöhle 4 in Verbindung steht und die in die künstliche Mundöffnung 6 mündet. Die künstliche Luftröhre 10 hat einen ersten, durch einen Halsbereich des Kunstkopfkörpers 2 führenden geraden Abschnitt 10 und einen damit durch einen gebogenen Übergangsbereich 13 verbundenen und senkrecht zu stehenden zweiten geraden Abschnitt 12, dessen von dem ersten Abschnitt entferntes Ende die künstliche Mundöffnung 6 bildet.
Der Kunstkopfkörper 2 kann mehrteilig ausgebildet sein, z.B. aus zwei Teilen bestehen, die auseinandergenommen werden können. Im vorliegenden Beispiel ist der dem hinteren Schädeldeckenbereich des Kunstkopfkörpers entsprechende Teil ein separates Teil, das über lösbare Befestigungsmittel mit dem Rest des Kunstkopfkörpers 2 verbunden ist. Durch Lösen und Abnehmen des dem hinteren Schädeldeckenbereich entsprechenden Teils wird der Lautsprecher 8 zugänglich. Innerhalb des dem hinteren Schädeldeckenbereich entsprechenden Teils des Kunstkopfkörpers ist hinter dem Lautsprecher 8 ein Hohlraum vorhanden, der einen Resonanzraum für den Lautsprecher 8 bildet.
Wie erwähnt hat die künstliche Mundhöhle 4 die Form eines Trichters mit einem innenliegenden Ende 41 mit größerem Durchmesser, das durch den Lautsprecher 8 abgedeckt wird, und einem nahe der künstlichen Mundöffnung 6 liegenden Ende 42 mit kleinerem Durchmesser, das im an die künstliche Mundöffnung 6 angrenzenden vorderen Bereich der künstlichen Luftröhre in deren zweiten Abschnitt 12 schräg von oben einmündet. Die Trichterform der künstlichen Mundhöhle 4 hat einerseits den Vorteil, dass eine gewisse Fokussierung des Schalls in den an die künstliche Mundöffnung 6 angrenzenden Bereich der künstlichen Luftröhre erreicht wird. Ferner ermöglicht die Trichterform, dass an dem Ende 41 mit größerem Durchmesser ein Lautsprecher 8 mit entsprechend größerem Durchmesser eingesetzt werden kann. Ein Lautsprecher mit hinreichend großem Durchmesser, der vorzugsweise im Bereich von 50 bis 100 mm liegt, ist bevorzugt, um einen realistischen Schalldruckpegel zu erzeugen. Die Trichterform der künstlichen Mundhöhle 4 und Ausgestaltung des Lautsprechers 8 werden vorzugsweise so gewählt, dass am Mundreferenzpunkt (mouth reference point - etwa 5 cm vor der künstlichen Mundöffnung 6, ein Schalldruckpegel von wenigstens 97 db erzeugt wird.
Die trichterförmige Ausgestaltung der künstlichen Mundhöhle 4 ermöglicht ferner, dass diese mit ihrem Ende 42 mit kleinerem Durchmesser in die künstliche Luftröhre 10, die einen vergleichbaren Durchmesser wie das Ende 42 mit kleinerem Durchmesser hat, einmünden kann. Mit anderen Worten sorgt die trichterförmige Ausgestaltung der künstlichen Mundhöhle 4 für eine Anpassung von dem großen Durchmesser des Lautsprechers 8 an den kleineren Durchmesser am Ende 42, der etwa dem Durchmesser des zweiten Abschnitts 12 der künstlichen Luftröhre entspricht. Die Anpassung der Durchmesser des Endes 42 mit kleinerem Durchmesser der künstlichen Mundhöhle 4 und des Durchmessers des zweiten Abschnitts 12 der künstlichen Mundhöhle 10 ist bevorzugt, damit im Bereich des Übergangs keine Stufen oder Sprungstellen in der künstlichen Mundhöhle 4 oder der künstlichen Luftröhre 10 vorhanden sind, die unerwünschte Schallreflexionen erzeugen könnten.
Mit Bezug auf 3 werden nun weitere Komponenten des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kunstkopfes beschrieben. Der Kunstkopf 1 weist ferner eine Luftfördereinrichtung 30 auf, die dazu betreibbar ist, um Luft durch die künstliche Luftröhre 10 und die künstliche Mundöffnung 6 strömen zu lassen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Luftfördereinrichtung 30 einen Balg 32 und einen Aktuator 34 in Form eines Motors auf. Der Aktuator 34 wirkt über eine nicht näher dargestellte Übersetzung auf den Balg 32 ein, um diesen zu komprimieren und wieder expandieren zu lassen. Dadurch wird Luft durch die künstliche Luftröhre 10 ausgestoßen und wieder angesaugt, um so eine Exspirationsphase und eine Inspirationsphase zu simulieren. Der Betrieb der Luftfördereinrichtung 30 wird durch eine Steuereinheit 22 gesteuert, die den Aktuator 34 steuert. Dadurch können das Hubvolumen und die Dauern der Exspirations- und Inspirationsphasen sowie deren Volumenstromprofile als Funktion der Zeit durch in der Steuereinheit 22 auswählbar vorgegeben werden.
Die Steuereinheit kann mit verschiedenen zeitlichen Profilen für Inspirationsphasen und Exspirationsphasen versehen sei. Vorzugsweise weisen die Atemprofile zeitlich kürzere Inspirationsphasen mit höherem mittlerem Volumenstrom und demgegenüber zeitlich längere Exspirationsphasen mit niedrigerem mittlerem Volumenstrom auf. Es können auch verschiedene Atemprofile in der Steuereinheit 22 abgespeichert sein, um so unterschiedliche Atmungszustände bei verschiedenen körperlichen Belastungssituationen simulieren zu können. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, einem Bediener mit einer Eingabeeinheit die Möglichkeit zu geben, Parameter einzugeben, die das Atemprofil bestimmen, wie z.B. Dauern von Exspirations- und Inspirationsphasen, Atemvolumen, Volumenströme als Funktion der Zeit und dergleichen.
Es ist ferner eine Audioeinheit 20 vorhanden, in der Beispiele für Sprachsequenzen gespeichert sind. Die Audioeinheit 20 ist mit dem Lautsprecher 8 verbunden, um Sprachsequenzen über den Lautsprecher 8 wiederzugeben. Die Audioeinheit 20 kann auch in die Steuereinheit 22 integriert sein.
Die Steuereinheit 22 ist mit der Audioeinheit 20 verbunden und dazu eingerichtet, den Betrieb der Luftfördereinrichtung 30 mit dem des Lautsprechers 8 zu koordinieren. Vorzugsweise wird der Betrieb der Audioeinheit zur Wiedergabe von Sprachsequenzen über den Lautsprecher 8 mit dem Betrieb der Luftfördereinrichtung durch die Steuereinheit so synchronisiert, dass Wiedergabe von Sprache über den Lautsprecher 8 ausschließlich während Exspirationsphasen erfolgt.
Mit Bezug auf 2 werden bevorzugte Konfigurationen und Abmessungen des Kunstkopfkörpers 2 erläutert, wobei 2 die gleiche Querschnittsansicht wie 1 zeigt und statt der Bezugszeichen Markierungen zur Erläuterung von Abmessungen enthält.
In der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform mündet die trichterförmige künstliche Mundhöhle 4 an der dem ersten Abschnitt gegenüberliegenden Seite schräg von oben in den zweiten Abschnitt der künstlichen Luftröhre ein, wobei die Einmündungsstelle nahe an der künstlichen Mundöffnung 6 liegt. Die Längsachse der trichterförmigen künstlichen Mundhöhle nimmt einen Winkel α mit der Längsachse des zweiten Abschnitts der künstlichen Luftröhre ein, wobei der Winkel α in der dargestellten Ausführungsform etwa 45° beträgt. Eine Orientierung der Längsachse der künstlichen Mundhöhle zur Längsachse des zweiten Abschnitts der künstlichen Luftröhre unter einem Winkel α im Bereich von 30-60° ist bevorzugt. Grundsätzlich kann die Orientierung aber mit einem Winkel α im Bereich von 0-90° gewählt sein, wobei ein Winkel von 0° bedeutet, dass die künstliche Mundhöhle mit ihrem Ende mit kürzerem Durchmesser koaxial in den hinteren Endbereich des zweiten Abschnitts der künstlichen Luftröhre gegenüber der künstlichen Mundöffnung einmündet. Eine Orientierung von α < 90° ist bevorzugt, um eine auf die künstliche Mundöffnung gerichtete Abstrahlcharakteristik zu erhalten.
Die Abmessungen der künstlichen Luftröhre sind vorzugsweise folgendermaßen. Der erste, im Halsbereich des Kunstkopfkörpers liegende Abschnitt der künstlichen Luftröhre ist röhrenförmig und hat eine Länge L2 im Bereich von 120 - 180 mm und einen Durchmesser D2 im Bereich von 15 - 45 mm. Der senkrecht zu dem ersten Abschnitt stehende zweite Abschnitt der künstlichen Luftröhre ist vorzugsweise ebenfalls röhrenförmig und hat einen Durchmesser D1, der gleich dem Durchmesser D2 des ersten Abschnitts ist und vorzugsweise ebenfalls im Bereich von 15 - 45 mm liegt. Die Länge L1 des zweiten Abschnitts der künstlichen Luftröhre liegt vorzugsweise im Bereich von 130 - 200 mm.
Der Durchmesser der künstlichen Mundhöhle an deren Ende mit größerem Durchmesser D3 liegt vorzugsweise im Bereich von 50 - 100 mm.
Bezugszeichenliste

1: Kunstkopf
2: Kunstkopfkörper
4: künstliche Mundhöhle
6: künstliche Mundöffnung
8: Lautsprecher
10: künstliche Luftröhre
11: erster Abschnitt
12: zweiter Abschnitt
13: Übergangsbereich
20: Audioeinheit
22: Steuereinheit
30: Luftfördereinrichtung
32: Balg
34: Aktuator
41: Ende der künstlichen Mundhöhle mit größerem Durchmesser
42: Ende der künstlichen Mundhöhle mit kleinerem Durchmesser

Claims

Kunstkopf zum Testen von Atemschutzgeräten, der einen Kunstkopfkörper (2) mit einer künstlichen Mundöffnung (6) und einer dahinter im Kunstkopfkörper liegenden künstlichen Mundhöhle (4), in der ein Lautsprecher (8) angeordnet ist, und eine mit dem Lautsprecher verbundene Audioeinheit (20) zur Wiedergabe von Sprache über den Lautsprecher aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der künstlichen Mundhöhle (4) in Verbindung stehende und in die künstliche Mundöffnung (6) mündende künstliche Luftröhre (10) und eine Luftfördereinrichtung (30) vorhanden ist, die dazu betreibbar ist, Luft durch die künstliche Luftröhre (10) und die künstliche Mundöffnung (6) strömen zu lassen.
Kunstkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Luftfördereinrichtung (30) verbundene Steuereinheit (22) vorhanden ist, die dazu eingerichtet ist, den Betrieb der Luftfördereinrichtung (30) in Bezug auf Strömungsrichtung und Volumenstrom der erzeugten Strömung durch die künstliche Luftröhre (10) und Mundöffnung (6) zu steuern.
Kunstkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (22) dazu eingerichtet ist, die Luftfördereinrichtung (30) zur Erzeugung einer Strömung mit vorgegebener Strömungsrichtung und vorgegebenem, zeitlich konstantem Volumenstrom anzusteuern.
Kunstkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) und die Luftfördereinrichtung (30) dazu eingerichtet sind, eine bezüglich der Strömungsrichtung alternierende, Inspirations- und Exspirationsphasen simulierende Strömung mit zeitlich variablem Volumenstromprofil unter Steuerung der Steuereinheit zu erzeugen.
Kunstkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) dazu eingerichtet ist, die Luftfördereinrichtung (30) mit einem zeitlich variablen Volumenstromprofil zu betreiben, das zeitlich kürzere Inspirationsphasen mit höherem mittleren Volumenstrombetrag und demgegenüber zeitlich längere Exspirationsphasen mit niedrigerem mittleren Volumenstrombetrag aufweist.
Kunstkopf nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) dazu eingerichtet ist, den Betrieb der Audioeinheit (20) und der Luftfördereinrichtung (30) so zu synchronisieren, dass Wiedergabe von Sprache über den Lautsprecher (8) ausschließlich während Exspirationsphasen erfolgt.
Kunstkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfördereinrichtung (30) ein in seiner Förderleistung von der Steuereinheit gesteuertes Gebläse in Verbindung mit der künstlichen Luftröhre (10) aufweist.
Kunstkopf nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfördereinrichtung (30) einen mit der künstlichen Luftröhre (10) verbundenen Balg (32) und einen Aktuator (34) aufweist, der dazu ausgestaltet ist, gesteuert von der Steuereinheit (22) auf den Balg einzuwirken, um diesen zu komprimieren und wieder expandieren zu lassen und so dessen inneres Volumen als Funktion der Zeit so zu variieren, dass die durch die künstliche Luftröhre (10) und die künstliche Mundöffnung (6) fließende Strömung mit einem vorgegebenen, in Bezug auf die Strömungsrichtung alternierendem Strömungsprofil erzeugt wird.
Kunstkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die künstliche Luftröhre (10) einen ersten, durch einen Halsbereich des Kunstkopfkörpers (2) führenden geraden Abschnitt (10) und einen damit durch einen gebogenen Übergangbereich (13) verbundenen und senkrecht dazu stehenden zweiten geraden Abschnitt (12) hat, dessen von dem ersten Abschnitt entferntes Ende die künstliche Mundöffnung (6) bildet.
Kunstkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die künstliche Mundhöhle (4) trichterförmig ist, wobei der Lautsprecher (8) an dem Ende der künstlichen Mundhöhle (4) mit größerem Durchmesser angeordnet ist und die trichterförmige künstliche Mundhöhle mit ihrem Ende mit kleinerem Durchmesser vor der künstlichen Mundöffnung (6) in den zweiten Abschnitt (12) der künstlichen Luftröhre (10) mündet.
Kunstkopf nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (11) und der zweite Abschnitt (12) der künstlichen Luftröhre (10) röhrenförmig mit einem Durchmesser im Bereich 15-45 mm sind.
Kunstkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (11) der künstlichen Luftröhre eine Länge im Bereich 120-180 mm und der zweite Abschnitt (12) eine Länge im Bereich 130-200 mm hat.
Kunstkopf nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die trichterförmige künstliche Mundhöhle (8) an der dem ersten Abschnitt (11) gegenüberliegenden Seite vor der künstlichen Mundöffnung schräg von oben in den zweiten Abschnitt (12) der künstlichen Luftröhre (10) einmündet, wobei die Längsachse der trichterförmigen Mundhöhle in einem Winkel im Bereich 0-90° zur Längsachse des zweiten Abschnitts (12) der künstlichen Luftröhre (10) steht.
Kunstkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die trichterförmige künstliche Mundhöhle (8) in einem Winkel im Bereich 30-60° zur Längsachse des zweiten Abschnitts (12) der künstlichen Luftröhre (10) steht und unmittelbar vor der künstlichen Mundöffnung (6) in den zweiten Abschnitt (12) der künstlichen Luftröhre (10) einmündet.