DE102020005302A1 - Noise reduction with bone conduction speaker in headphones - Google Patents
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Abstract
Technisches Problem der Erfindung = technische Aufgabe und ZielsetzungDie komfortable Nutzung von Kopfhörern hängt nach wie vor auch von den akustischen Umgebungsbedingungen während des Gebrauchs ab. Üblicherweise erhöhen Kopfhörernutzer die Lautstärke des Gerätes bei steigender Umgebungslautstärke und erhöhen so auch die eigene auditive Belastung. Um dieser Lautstärkeerhöhung entgegen zu wirken, wurden bereits Geräuschunterdrückungstechnologien (Noise Control) entwickelt. Diese Technologien erzielen eine spürbare Geräuschreduktion. Es bleibt allerdings ein nach wie vor großer Anteil an Störgeräuschen bestehen, der über diese klassische Reduktion von Luftschall nicht reduziert werden kann.Lösung des Problems bzw. der technischen AufgabeEine deutliche Steigerung ist zu erwarten, wenn ein Kopfhörer mit zusätzlichen Knochenleitungslautsprechern ausgestattet wird. Dadurch erfolgt eine Reduktion der Nebengeräusche durch die Knochenschallübertragung. Die Umsetzung erfolgt durch die Integration eines oder mehrerer zusätzlicher Knochenleitungslautsprecher (Körperschallwandler) in den Kopfhörer.AnwendungsbeispielDie Technologie eignet sich für die Integration in alle momentan gängigen Kopfhörer- Bauformen:# In-Ear Kopfhörer# On-Ear Kopfhörer# Over-Ear KopfhörerTechnical problem of the invention = technical task and objective The comfortable use of headphones still depends on the acoustic environmental conditions during use. Usually, headphone users increase the volume of the device when the ambient noise level increases and thus also increase their own auditory stress. In order to counteract this increase in volume, noise suppression technologies (noise control) have already been developed. These technologies achieve a noticeable noise reduction. However, there is still a large proportion of background noise that cannot be reduced using this classic reduction of airborne noise. Solution to the problem or the technical task A significant increase can be expected if headphones are equipped with additional bone conduction loudspeakers. This reduces the background noise caused by the transmission of bone noise. The implementation is carried out by integrating one or more additional bone conduction loudspeakers (structure-borne sound transducers) in the headphones.Application exampleThe technology is suitable for integration in all current headphone designs:# in-ear headphones# on-ear headphones# over-ear headphones
Description
1 Einleitung1 Introduction
Mit diesem Dokument wird ein neues System zur Unterdrückung von Störgeräuschen bei Luftleitungskopfhörern mit Active Noise Cancelling (im Folgenden auch ANC genannt) beschrieben. Für dieses Verfahren soll bei Eignung ein entsprechender Patentantrag gestellt und eingereicht werden.This document describes a new noise suppression system for air conduction headphones with Active Noise Canceling (hereafter also called ANC). If this process is suitable, a corresponding patent application should be made and submitted.
Der Urheber und damit der Erfinder dieses Systems sind: Herr Jakob Meer und Herr Jürgen Meer.The author and thus the inventor of this system are: Mr. Jakob Meer and Mr. Jürgen Meer.
2 Stand der Technik2 State of the art
2.1 Ausgangssituation2.1 Initial situation
Bei der Verwendung von Kopfhörern in Geräuschvoller Umgebung erhöhen die meisten Nutzer bewusst oder Unbewusst die Lautstärke des Wiedergabegerätes um das Störgeräusch zu übertönen. Dadurch steigt die Auditive Belastung für den Träger des Kopfhörers und auch für alle anderen Menschen, die sich in der unmittelbaren Umgebung des KH- Trägers befinden an. NC-Kopfhörer senken die Umgebungsgeräusche ab, so dass die Wiedergabelautstärke auf einem niedrigeren Niveau bleiben kann. Dies ist der Grund weshalb sich die NC Kopfhörer steigender Beliebtheit erfreuen.When using headphones in a noisy environment, most users consciously or unconsciously increase the volume of the playback device to drown out the background noise. This increases the auditory load for the wearer of the headphones and also for all other people who are in the immediate vicinity of the KH wearer. NC headphones reduce ambient noise so playback volume can remain at a lower level. This is the reason why the NC headphones are enjoying increasing popularity.
Die mit den marktgängigen Kopfhörern erreichten Noise Cancelling Leistungswerte, können aber durch Einsatz zusätzlicher Technologie deutlich gesteigert werden. Zur Steigerung dieser Leistungswerte, wird ein zusätzlicher Knochenleitungslautsprecher in den Kopfhörer integriert.The noise canceling performance values achieved with the headphones on the market can be significantly increased by using additional technology. To increase these performance values, an additional bone conduction loudspeaker is integrated into the headphones.
2.2 Am Markt verfügbare Produkte2.2 Products available on the market
Der erste Kopfhörer, der über eine aktive Unterdrückung für externe Geräusche verfügte, wurde von dem amerikanischen Hersteller Bose in den 80er Jahren entwickelt und zur Marktreife gebracht. Die ersten damit hergestellten Kopfhörer-Produkte waren ausschließlich Piloten oder ähnlich wichtigen Einsatzfelder vorbehalten.The first headphones with active suppression of external noise were developed and brought to market by the American manufacturer Bose in the 1980s. The first headphone products made with it were reserved exclusively for pilots or similarly important fields of application.
Im Zuge einer fortschreitenden Technologieverbesserung sowie der zugehörigen Produktionsverfahren konnten diese Produkte preisgünstiger hergestellt werden und fanden dadurch auch ihren Zugang zum sogenannten Consumer-Markt. Mittlerweile gibt es neben dem Unternehmen Bose, gut ein Dutzend weiterer Herstellern für diese Kopfhörertechnologie.In the course of progressive improvements in technology and the associated production processes, these products could be manufactured more cheaply and thus also found their way into the so-called consumer market. In addition to the Bose company, there are now a dozen other manufacturers of this headphone technology.
Aktuell gibt es 3 verschiedene Bauformen für die Nutzung der ANC-Technologie in Kopfhörern:
- # In-Ear Kopfhörer
- # On-Ear Kopfhörer
- # Over-Ear Kopfhörer
- # In ear headphones
- # On ear headphones
- # Over-ear headphones
Das Grundprinzip der Geräuschunterdrückung ist bei allen oben angegebenen Kopfhörer-Varianten gleich. Die Umgebungsgeräusche werden über ein oder mehrere eingebaute Mikrofone aufgenommen. Das eingebaute DSP (DSP=Digital Signal Processing) des Kopfhörers verschiebt dabei die Phase der tiefen Frequenzen um 180°. Dadurch wird das Umgebungsgeräusch nahezu ausgelöscht und es wird vom Träger des Gerätes bei der akustischen Wiedergabe über den Luftleitungslautsprecher (im Folgenden auch LLL genannt) kaum wahrgenommen. Der größte Geräuschunterdrückungseffekt wird im Moment mit den sogenannten Over-Ear Kopfhörern erzielt. Die dabei erreichten, guten Unterdrückungswerte, sind auf die bei dieser Bauweise möglichen konstruktiven Ausführungen und Optimierungen zurückzuführen. Beispielsweise kann bei diesem Kopfhörertyp mehr Material für die passive Dämmung verbaut werden.The basic principle of noise cancellation is the same for all headphone variants mentioned above. The ambient noise is recorded by one or more built-in microphones. The headphones' built-in DSP (DSP=Digital Signal Processing) shifts the phase of the low frequencies by 180°. As a result, the ambient noise is almost eliminated and the wearer of the device hardly notices it during acoustic playback via the air line loudspeaker (also referred to below as LLL). The greatest noise suppression effect is currently achieved with the so-called over-ear headphones. The good suppression values achieved in this way can be attributed to the structural designs and optimizations that are possible with this design. For example, more material can be used for passive insulation in this type of headphone.
Aufgrund der physikalischen und menschlich anatomischen Gegebenheiten, gibt es trotzdem eine Möglichkeit, die Geräuschunterdrückung noch einmal deutlich zu verbessern.Due to the physical and human anatomical conditions, there is still a way to significantly improve the noise suppression.
3 Patentbeschreibung3 Patent Description
Die in den vorigen Kapiteln skizzierte Verbesserung wird durch Integration eines reinen Knochenleitungslautsprechers (im Folgenden auch KLL genannt) in das technisch, konstruktive Systemkonzept des Over-Ear Kopfhörers erreicht.The improvement outlined in the previous chapters is achieved by integrating a pure bone conduction loudspeaker (also referred to below as KLL) in the technical, constructive system concept of the over-ear headphones.
Diese Knochenleitungskopfhörer gibt es aktuell nicht mit ANC-Technologie. Das Haupteinsatzgebiet dieser Lautsprecher, liegt vor allem im Bereich des Wassersports. Das Grundprinzip des KLL erfolgt durch Nutzung eines geschlossenen Knochenschallwandlers. Dieser überträgt den Schall per Vibration an das Felsenbein (Felsenbein=Schädelknochen direkt hinter dem menschlichen Ohr). Der Schall gelangt so auf direktem Weg ins Innenohr.These bone conduction headphones are currently not available with ANC technology. The main area of application for these loudspeakers is in the area of water sports. The basic principle of KLL is based on the use of a closed bone sound transducer. This transmits the sound via vibration to the petrous bone (petrous bone = skull bone directly behind the human ear). The sound thus reaches the inner ear directly.
3.1 Physikalische und anatomische Ausgangssituation3.1 Initial physical and anatomical situation
Anatomisch werden extern auftretende (also außerhalb des menschlichen Körpers) Störgeräusche über zwei Kanäle an das Ohr übermittelt:
- # Kanal 1: Übertragung durch Luftschall
- # Kanal 2: Übertragung durch Knochenschall
- # Channel 1: Airborne transmission
- # Channel 2: transmission by bone conduction
Ab Pegeln jenseits von 50dB Hearing Level (Hearing Level = Hörschwelle) (im Folgenden auch HL genannt) werden die Geräusche nicht mehr ausschließlich über den Luftschallverbindungsweg Trommelfell-Mittelohr-Innenohr aufgenommen. Bei diesen Lautstärkepegeln beginnt immer auch eine Übertragung des Schalls über den Schädelknochen. Dieser sogenannte Knochenschall wird dabei über die Verbindung Felsenbein-Innenohr übertragen. Durch den Übertragungseffekt des zweiten Kanals, wird der Unterdrückungswirkung der ANC Kopfhörer eine natürliche, physikalische Grenze gesetzt.From levels beyond 50dB hearing level (hearing level = hearing threshold) (in the following also called HL) the sounds are no longer picked up exclusively via the airborne sound connection path eardrum-middle ear-inner ear. At these volume levels, the sound always begins to be transmitted via the cranial bones. This so-called bone sound is transmitted via the connection between the petrous bone and the inner ear. The transmission effect of the second channel sets a natural, physical limit to the suppression effect of the ANC headphones.
An diesem Punkt setzt die mit diesem Patent beschriebene Lösung an. Das bisher bekannte Geräuschunterdrückungsverfahren ANC wird mit einem knochenschallbasierten Verfahren ergänzt.This is where the solution described in this patent comes into play. The previously known ANC noise suppression process has been supplemented with a bone sound-based process.
Bei diesem Verfahren wird parallel zum ANC ein ebenso gegenphasiges Signal (Antischall) über den Knochenleitungslautsprecher wiedergegeben. Der KLL wird im hinteren bzw. vorderen Bereich der ohrumschließenden Lautprecherkapsel des Kopfhörers auf Höhe der gepolsterten Ohr-Auflagefläche integriert. Dabei ist wichtig, dass der KLL einen direkten Kontakt zum Schädelknochen im Bereich des Felsenbeins bzw. Wangenknochens bekommt.With this method, a signal that is also in phase opposition (anti-sound) is played back in parallel to the ANC via the bone conduction loudspeaker. The KLL is integrated in the rear or front area of the ear-enclosing loudspeaker capsule of the headphones at the level of the padded ear contact surface. It is important that the KLL has direct contact with the cranial bone in the area of the petrous bone or cheekbone.
3.2 Ergebnisse des Lösungskonzepts3.2 Results of the solution concept
Es ist geplant, dass der Kopfhörer über 2 Modi betrieben werden kann:
- 1. Antischall kommt klassisch über die Integrierten LLL und zusätzlich über den KLL. Dieser Modus ist für die maximal mögliche Unterdrückung der Umgebungsgeräusche ausgelegt.
- 2. Antischall kommt ausschließlich über den KLL. Dieser Modus ist für die bestmögliche Klangqualität bei aktivierter ANC Funktion gedacht.
- 1. Anti-noise comes classically via the integrated LLL and additionally via the KLL. This mode is designed for the maximum possible suppression of ambient noise.
- 2. Anti-noise comes exclusively via the KLL. This mode is intended for the best possible sound quality with the ANC function activated.
Die beiden Betriebsmodi führen zu folgenden Ergebnissen:The two operating modes lead to the following results:
Betrieb im Modus 1:Operation in mode 1:
Dieser Modus führt dazu, dass die mit dem klassischen ANC-Verfahren erzielbaren Geräuschunterdrückungswerte deutlich gesteigert werden. Diese Steigerung ist auf die Unterdrückung der Nebengeräusche bei der Knochenschallübertragung zurückzuführen. Der Modus ist zu empfehlen, wenn sich ein Kopfhörernutzer in einem Umfeld mit lauten, externen Geräuschen bewegt, beispielsweise Reisen mit dem Auto, der Bahn oder dem Flugzeug.This mode means that the noise reduction values that can be achieved with the classic ANC method are significantly increased. This increase is due to the suppression of background noise during bone conduction transmission. The mode is recommended when a headphone user moves in an environment with loud, external noise, such as traveling by car, train or plane.
Betrieb im Modus 2:Operation in mode 2:
Dieser Modus führt dazu, dass bei normalen externen Geräuschszenarien eine Verbesserung der mit dem LLL übertragenen Audiosignale, wie z.B. Musik, Sprache, etc.) Durch den zusätzlichen KLL wird der LLL von der Übertragung des Antischall- oder ANC-Signals entlastet. Dadurch wird das Audiosignal des LLL trotz aktivierter ANC-Funktion klarer und dynamischer. Das charakteristische Grundrauschen herkömmlicher Over-Ear Kopfhörer mit ANC Funktionalität wird dadurch ebenfalls deutlich reduziert. Dieser Modus ist zu empfehlen, wenn es um audiophile Anwendungen geht, beispielsweise ungetrübter Musikgenuss zuhause oder als aktiver Gehörschutz bei Orchestermusikern.This mode leads to an improvement in the audio signals transmitted with the LLL, such as music, speech, etc., in normal external noise scenarios. The additional KLL relieves the LLL of the transmission of the anti-noise or ANC signal. This makes the LLL's audio signal clearer and more dynamic despite the ANC function being activated. The characteristic background noise of conventional over-ear headphones with ANC functionality is also significantly reduced. This mode is recommended for audiophile applications, such as uninterrupted music enjoyment at home or as active hearing protection for orchestra musicians.
Claims (8)
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DE102020005302A1 true DE102020005302A1 (en) | 2022-03-03 |
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Family Applications (1)
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DE102020005302.5A Pending DE102020005302A1 (en) | 2020-08-29 | 2020-08-29 | Noise reduction with bone conduction speaker in headphones |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE102020005302A1 (en) |
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2020
- 2020-08-29 DE DE102020005302.5A patent/DE102020005302A1/en active Pending
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