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Der technische Hintergrund
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Heutzutage sind verschiedene Ohrsimulatoren auf dem freien Markt erhält. Diese werden verwendet um die Eingangs-/Übertragungsimpedanz des menschlichen Ohres nachzubilden. Angefangen bei einfachen 2cc Kupplern, welche ein Volumen von 2 cm^3 umfassen, bis hin zu fortschrittlicheren Ohrsimulatoren, den sogenannten 711 Kupplern, welche nach dem IEC60318-4 und ANSI S3.25 Standards designt werden. Diese 711 Ohrsimulatoren Typen verbinden typischerweise die Eingangs-/Übertragungsimpedanz eines durchschnittlichen Ohrkanals mit der durchschnittlichen Eingangs-/Übertragungsimpedanz des Trommelfells. Die Ohrsimulatoren bestehen hierbei typischerweise aus einer Bezugsebene am Eingang, einer Übertragungsstrecke mit wohldefinierten Resonatoren zur Nachbildung der Impedanzen und einem Messmikrofon in der Messebene am Ausgang. Zu vermessende Geräte (Kopfhörer, Hörgeräte, o.ä.) werden an der Referenzebene positioniert, um eine akkurate Nachbildung des menschlichen Ohrkanals und Trommelfells zu erreichen.
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Die Firma Brüel & Kjaer hat vor einigen Jahren mit der Patentanmeldung
EP2842346B1 einen Ohrsimulator beschrieben, welche den Ohrkanal eines durchschnittlichen Menschlichen Ohrkanals detailgetreuer nachstellt und weitreichende Verbesserungen insbesondere im Frequenzbereich über 7 kHz mit sich bringt. Unter anderem haben Sie eine separate Modellierung der durchschnittlichen Eingangs-/Übertragungsimpedanz von Ohrkanal und Trommelfell bzw. einem vorderen und einem hinteren Teil des Ohrkanals mit dem Trommelfell als Abschluss durchgeführt.
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Der vordere Teil des Ohrkanals, welcher vor allem von Knorpelgewebe umgeben ist, wird hierbei durch ein weiches Material nachgebildet und der hintere Teil des Ohrkanals, welcher vor allem von Knochen umgeben ist und durch das Trommelfell abgeschlossen wird, wird durch einen Kombinierten Element nachmodelliert.
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All diese Ohrsimulatoren haben inhärent keine Möglichkeit zur Erzeugung von Schall zwischen Referenz und Messebene, welches bei einem Menschen einer Schallerzeugung innerhalb des Ohrkanals entsprechen würde. Diese Funktion ist wünschenswert, da der Mensch, insbesondere beim Sprechen, zusätzlich zum hörbaren Luftschall in der Umgebung auch Körperschall erzeugt, welcher über verschiedene Übertragungspfade über Außen-, Mittel- und Innenohr wahrnehmbar ist.
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Als Körperschall werden im Rahmen dieser Erfindung Signale bezeichnet, welche durch Vibrationen oder einen mechanischen Zusammenprall eines menschlichen Körperteils mit einem anderen Gegenstand oder Boden ausgelöst werden. Der Körperschall breitet sich im menschlichen Körper über Knorpel und Knochengewebe aus und wird über verschiedene Mechanismen im Innen-, Mittel- und Außenohr wahrnehmbar. Der Fokus liegt auf den Einflüssen im Außenohr. Untersuchungen haben gezeigt, dass Körperschall zu einem messbaren Schalldruckpegel im Ohrkanal führen kann. Der Schalldruckpegel ist abhängig von dem Abschluss des Ohrkanals und ist bei abgeschlossenem Gehörgang deutlich erhöht. Als Mechanismus ist hierbei im Allgemeinen die durch den Körperschall vibrierende Ohrkanalwand anerkannt. zeigt eine schematische Darstellung des Menschlichen Außenohrs bis zum Trommelfell. Das Außenohr besteht aus der Pinna (3), dem Ohrkanal Eingang (4), dem Ohrkanal (6) und dem Trommelfell (14). Der Ohrkanal besteht Untersuchungen nach aus einem vorderen Bereich (2), welcher vor allem durch Knorpelanteile ausgebildet ist und einen hinteren Teil (1), welcher vor allem Knochen hinter der Haut der Ohrkanalwand hat.
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Der Abschluss des Ohrkanals führt auf den aus Hörgeräten allgemein bekannten Okklusionseffekt, welcher die dumpfe Wahrnehmung der eigenen Stimme bei abgeschlossenem Ohrkanal bezeichnet. Der Abschluss des Ohrkanals führt zu einer veränderten akustischen Impedanz des Ohrkanals gesehen von der Schallquelle des vibrierenden Ohrkanalwände. Dies führt dazu, dass der im Ohrkanal vorherrschende und über das Trommelfell wahrnehmbare Schalldruckpegel ausgelöst durch den Körperschall stark erhöht ist. Die Verstärkung tritt in tiefen Frequenzenbereichen, typischerweise zwischen 80 und 600 Hz mit einer Erhöhung von bis zu 30dB abhängig vom Abschluss auf.
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Zur akkuraten Nachbildung der Menschlichen Sprache ist eine Nachbildung dieser Körperschallanregung sinnvoll, weil nur so eine adäquate Messung von menschlicher Eigenstimmanregung bei abgeschlossenen Ohrkanälen durchgeführt werden kann. Aktuelle Vorgehensweise zur Betrachtung dieser Effekt fokussiert sich aufgrund fehlender Nachbildungsmöglichkeiten auf Probanden für Messungen. Die vorgestellte Erfindung ermöglicht die Nachbildung von Körperschall ausgelöst vornehmlich durch Sprechen aber auch durch Kauen, Schlucken oder Trittschall beim Gehen oder Laufen in einem künstlichen Ohrsimulator.
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Weiterhin enthalten aktuelle Kopfhörer oft eine Vorrichtung zur Erkennung der Stimme des Sprechers durch einen Beschleunigungssensor in dem Gerät. Dieser erkennt Vibrationen. So eine Erkennung ist bislang an Ohrsimulatoren nicht nachweisbar. Im Rahmen der Erfindung wird auch auf diese Komponente der Stimmübertragung eingegangen.
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Die Aufgabe der Erfindung
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Die vorgestellte Erfindung bietet grundlegende Vorteile bei der Untersuchung von Körperschall und des Okklusionseffekt, durch eine akkurate Modellierung innerhalb eines Ohrkanalsimulators.
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Insbesondere können Designeinflüsse auf Körperschall strukturiert untersucht werden und bieten somit neue Möglichkeiten zur Optimierung von Kopfhörern und Hörgeräten. Diese können hinlänglich eines möglichst geringen Okklusionseffektes durch gezieltes Design optimiert wird. Weiterhin können System zur aktiven Unterdrückung des Okklusionseffektes untersucht und verglichen werden.
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Zum Vergleich unterschiedlichen Methoden zur Okklusionsunterdrückung (aktiv, passiv) kann die vorgestellte Erfindung genutzt werden, um gleichbleibende Messbedingungen zu schaffen. Diese können schließend genutzt werden, um objektive Metriken zur Unterdrückung dieses Effektes zu berechnen. Die Erfindung löst hierbei ein grundlegendes Problem bei Messungen am Probanden. Die ideale Betrachtung des Okklusionseffektes wäre der Vergleich von offenem zu geschlossenem Ohr. Hierbei wird exakt dasselbe Anregungssignal für diese zwei Wiederholungen benötigt. Bei einer Stimmanregung als Messsignal ist hierbei die Wiederholbarkeit ein grundlegendes Problem. Die Variabilität bei menschlichen Ohren macht außerdem eine Messung mit einem offenen und einem geschlossen Ohr unpraktikabel. Hierbei löst die vorgestellte Erfindung dieses Problem durch eine exakte Wiederholbarkeit der Messung.
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In dem präferierten Ausführungsbeispiel wird der Körperschall über Vibrationsanreger erzeugt, welche über Vibrationen der künstlichen Ohrkanalwände ein Schallsignal innerhalb des künstlichen Ohrkanals erzeugen. Diese Vibration kann über Beschleunigungssensoren in Kopfhörern und Hörgeräten erfasst werden. Dies führt zu einer sehr realitätsnahen Nachbildung der menschlichen Stimmanregung.
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Die erfindungsgemäße Lösung
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Signalen in Ohrsimulatoren zur Nachbildung der Körperschallsignale im Menschlichen Außenohr beschrieben. Diese Vorrichtung enthält einen oder mehrere Schallerzeuger, welche Schall in einen Ohrsimulator in das Volumen zwischen Referenzebene, auf welcher Kopfhörer oder das Hörgerät gesetzt werden und Messebene, welche das Messmikrofon zur Aufnahme die simulierten Signale am Trommelfell enthält. Die Impedanz der Apparatur zwischen Referenz- und Messebene sollte hierbei vornehmlich einem durchschnittlichen Menschlichen Ohr entsprechen.
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Das akustische Signal, welche innerhalb des Ohrs erzeugt wird, kann durch gezielte Verarbeitung durch ein analoges oder digitales Filter F verändert werden, sodass die akustischen Signale einem menschlichen Körperschallsignal entsprechen. Hierbei wird das analoge oder digitale Anregungssignal x mit dem Filter F gefiltert, um ein verbessertes Signal x' zu erzeugen. Dieses Signal x' wird anschließend über den Schallerzeuger abgespielt. Das vornehmliche Ziel des Filter F ist die Entzerrung der Charakteristik des Schallerzeugers (17).
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Das Anregungssignal x kann hierbei zur Messung erzeugt werden, z.B. ein Rauschsignal oder ein gesweepter Sinus sein, oder aus einer Datenbank entnommen werden, welche aufbereitete Aufnahmen von Sprache, Kaugeräuschen, Schluckgeräuschen, Kiefergeräuschen, Trittschall o.ä. enthält.
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In einem präferierten Ausführungsbeispiel wird der Schallerzeuger durch einen Vibrationsanreger (7) ausgeführt. Dieser Vibrationsanreger ist vornehmlich an die Ohrkanalwand angekoppelt. Die Ohrkanalwände werden hiermit zur Vibration angeregt und erzeugen eine, dem Menschen Nachempfundene, Anregung von Schall innerhalb des Ohrkanals über die vibrierenden Ohrkanalwände als Volumenschallquelle. Die Ankopplung erfolgt vornehmlich über den vorderen, oftmals aus weichem Material hergestellten, Teil des Ohrkanals. Die Vibrationen breiten sich weiterhin über die Pinna aus. Ein Kopfhörer oder Hörgerät (15), welches in der Pinna (3) platziert wird, wird so ebenfalls über Vibrationen angeregt. Zur Integration von größeren Vibrationsanregern, kann der Vibrationsanreger (7) über ein oder mehrere Verbindungselemente (16) angekoppelt werden.
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In alternativen Ausführungsbeispielen kann der Schallerzeuger über einen dynamischen (11), magnetischen (13), einen MEMS (19) oder einen elektrostatischen Treiber (21) ausgeführt werden. Dieser Treiber ist entweder direkt in die Ohrkanalwand integriert ( ) oder über einen ( ) oder mehrere ( ) Schallkanäle an das Ohrkanalvolumen angekoppelt. Der Treiber kann durch ein dahinter liegendes Volumen mit optionalen Ventilationsöffnungen in eine vordefinierte akustische Umgebung gebracht werden, um die akustischen Eigenschaften gezielt vorzugeben.
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Figurenliste
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- - Menschliches Ohr (Skizze)
- - Ohrsimulator mit Trommelfellsimulator (State-of-the-art)
- - Ohrsimulator mit Kombinierten Trommelfell und Knochenanteil Simulator (State-of-the-art)
- - Ohrsimulator mit Trommelfellsimulator und Schallerzeuger (17)
- - Ohrsimulator mit kombinierten Trommelfell und Knochenanteil Simulator und Schallerzeuger (17)
- - Ohrsimulator mit Schallerzeuger (17) und Vorfilterung F
- - Ohrsimulator mit Vibrationsanreger (Exiter)
- - Ohrsimulator mit Vibrationsanreger (Exiter) und Verbindungselement
- - Ohrsimulator mit zwei Vibrationsanregern (Exitern)
- - Ohrsimulator mit dynamischem Treiber direkt an Ohrkanalwand
- - Ohrsimulator mit dynamischem Treiber und einem Kanal zur akustischen Ankopplung
- - Ohrsimulator mit dynamischem Treiber und mehreren Kanälen zur akustischen Ankopplung
- - Ohrsimulator mit magnetischem Treiber und einem Kanal zur akustischen Ankopplung
- - Ohrsimulator mit MEMS Treiber
- - Ohrsimulator mit Vibrationsanreger (Exiter) und einem beispielhaft angebundenen In-Ear Kopfhörer
- - Ohrsimulator mit dynamischem Treiber und mehreren Kanälen zur akustischen Ankopplung des Lautsprechers sowie einem beispielhaft angebundenen In-Ear Kopfhörer
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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zeigt die Skizze eines menschlichen Ohres bestehen aus Pinna (3), Ohrkanaleingang (4), Ohrkanal (6) und Trommelfell (14). Der Ohrkanal (6) ist im vorderen Teil umgeben von Knorpelgewebe (2) und im hinteren Teil vornehmlich von Knochen (1). Untersuchungen haben gezeigt, dass messbarere Teile des menschlichen Körperschalls vor allem über den vorderen, knorpelhaltigen Teil in den Ohrkanal einkoppeln. Dies führt unter anderem zu sogenannten „Deep-fit“ Hörgeräten, welche den knorpelhaltigen Teil des Ohrkanals abdecken, um den Okklusionseffekt zu unterdrücken.
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zeigt eine Skizze eines state-of-the-art Ohrsimulators mit Pinna (3), Ohrkanaleingang (4), Ohrkanal (6) und Trommelfellsimulator (5). Die Pinna (3) und der vordere Teil des künstlichen Ohrkanals (9) ist hierbei typischerweise aus einem Silikonguss gefertigt. Der hintere Teil des künstlichen Ohrkanals (10) ist aus festem Material, typischerweise Metall.
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zeigt eine Skizze eines state-of-the-art Ohrsimulators mit Pinna (3), Ohrkanaleingang (4), Ohrkanal (6) und kombinierten Trommelfell und Knochenanteil Simulator (20). Die Pinna (3) und der vordere Teil des künstlichen Ohrkanals (9) ist hierbei typischerweise aus einem Silikonguss gefertigt.
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zeigt eine allgemeine Darstellung für einen Ohrsimulator (nach ) mit einem Schallerzeuger (17), wobei der Schallerzeuger vornehmlich im vorderen Teil des künstlichen Ohrkanals zur Schallerzeugung beiträgt. Der Schallerzeuger wird mit dem Anregungssignal x versorgt, um einen dem Menschen nachgebildeten Körperschallsignal y innerhalb des künstlichen Ohrkanals (6) zu erzeugen.
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zeigt eine allgemeine Darstellung für einen Ohrsimulator (nach ) mit einem Schallerzeuger (17), wobei der Schallerzeuger vornehmlich im vorderen Teil des künstlichen Ohrkanals zur Schallerzeugung beiträgt. Der Schallerzeuger wird mit dem Anregungssignal x versorgt, um einen dem Menschen nachgebildeten Körperschallsignal y innerhalb des künstlichen Ohrkanals (6) zu erzeugen.
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zeigt eine allgemeine Darstellung für einen Ohrsimulator (nach ) mit einem Schallerzeuger (17), wobei das Anregungssignal x mit einem Filter F gefiltert wird, um ein verbessertes Signal x' zu erzeugen. Der Schallerzeuger wird mit dem verbesserten Signal x' versorgt. Das Filter F wird hierbei zur gezielten Veränderung des Anregungssignal x verwendet, um beispielsweise die Abstrahlcharakteristik des Schallerzeugers (17) insofern kompensieren, dass Frequenzbereiche, in denen eine Resonanz auftritt, abgeschwächt und andere Frequenzbereiche angehoben werden, um einen möglichst flachen oder einen anderweitig gewünschten Magnitudengang für das abgestrahlte Körperschallsignal y zu erzeugen.
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zeigt ein präferiertes Ausführungsbeispiel bei dem der Schallerzeuger (17) durch ein Vibrationsanreger (7) ausgeführt wird. Dieser Vibrationsanreger erzeugt eine Vibration die über die Ohrkanalwände des künstlichen Ohrkanals (6) in diesen als Körperschallsignal y einkoppelt. Die Vibration breitet sich vornehmlich innerhalb des vorderen, vornehmlich weichen Teils des Ohrsimulators aus. Das Filter F wird hierbei zur gezielten Veränderung des Anregungssignal x verwendet, um beispielsweise die Abstrahlcharakteristik des Schallerzeugers (17), wie unter erläutert, zu kompensieren. Der Vibrationsanreger (7) kann beispielsweise über eine Klebe- oder eine Schraubverbindung an die Ohrkanalwände angekoppelt werden. Neben der sehr akkuraten Anregung, welche sehr nah an dem menschlichen Vorbild ist, hat dieser Ansatz den Vorteil, dass das innere Volumen im Ohrkanal durch die Ankopplung des Vibrationsanregers nicht verändert wird. Dies führt dazu, dass die Impedanz des Ohrkanals nicht verändert wird.
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zeigt ein Ausführungsbeispiel basierend auf , wobei die Ohrkanalwand durch ein Verbindungselement mit dem Vibrationsanreger (7) verbunden ist. Hierbei ermöglicht diese gezielte Verbindung den Einsatz eines größeren Vibrationsanregers.
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zeigt die beispielhafte Integration von zwei oder mehreren Vibrationsanregern, um eine gleichmäßigere Anregung der Ohrkanalwände zu erzeugen.
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zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei der Schallerzeuger (17) durch einen dynamischen Treiber (11) realisiert wird. Dieser dynamische Treiber ist direkt an der Ohrkanalwand angebracht, um ein Schallsignal zu erzeugen. Der dynamische Treiber lässt sich durch Einbau in kontrollierte Volumina gezielt in seiner Abstrahlcharakteristik beeinflussen. Zur weitergehenden Kompensation der Charakteristik wird das Filter F zur gezielten Veränderung des Anregungssignal x verwendet.
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zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei der Schallerzeuger (17) durch einen dynamischen Treiber (11) realisiert wird, welcher über einen Kanal (12) mit dem Ohrkanal verbunden ist. Die Integration eines Kanals ermöglich den Schutz des dynamischen Treibers vor mechanischer Beschädigung.
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zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei der Schallerzeuger (17) durch einen dynamischen Treiber (11) realisiert wird, welcher über mehrere Kanäle (12) mit dem Ohrkanal verbunden ist. Die Integration eines Kanals ermöglich den Schutz des dynamischen Treibers vor mechanischer Beschädigung. Eine größere Anzahl von Kanälen ermöglicht es die Schalleinkopplung über einen größeren Bereich zu Verteilen.
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zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei der Schallerzeuger (17) durch einen magnetischen Treiber (13) realisiert wird. Magnetische Treiber haben den Vorteil, dass Sie ein sehr kleines Volumen haben und hierdurch die Impedanz des Ohrkanals nur minimal beeinflussen.
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zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei der Schallerzeuger (17) durch einen MEMS Treiber (13) realisiert wird. MEMS Treiber haben des Vorteil, dass sie sehr dünn sind und einfach am Rand des Ohrkanals angebracht werden können.
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zeigt ein Ausführungsbeispiel basierend auf , wobei beispielhaft ein In-Ear Kopfhörer (15) an den Ohrkanal angekoppelt ist. Der In-Ear Kopfhörer verdeckt hierbei teilweise die vibrierenden Ohrkanalwände und interagiert so mit der Körperschall in dem Ohrkanal. Hierbei ändert sich das Körperschallsignal y innerhalb des Ohrkanals durch den passiven Einfluss des Kopfhörers. Weiterhin wird die Vibration auch in den Kopfhörer (15) eingekoppelt und ermöglicht hierbei eine adäquate Nachbildung der Menschen Stimme, welche einen Körperschallanteil im Kanal über Vibration enthält.
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zeigt ein Ausführungsbeispiel basierend auf , wobei beispielhaft ein In-Ear Kopfhörer (15) an den Ohrkanal angekoppelt ist. Der In-Ear Kopfhörer verdeckt hierbei teilweise Kanäle (12), über welche der vom dynamischen Treiber (11) erzeugte Schall in den Ohrkanal eingekoppelt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Knochenanteil des Ohrkanals
- 2
- Knorpelanteil des Ohrkanals
- 3
- Pinna
- 4
- Ohrkanal Eingang
- 5
- Trommelfell Impedanz Simulator
- 6
- Ohrkanal
- 7
- Vibrationsanreger aus Hauptrichtung
- 8
- Vibrationsanreger Unterstützung
- 9
- Weicher Bereich des Ohrkanalsimulators zur Repräsentation des Knochenanteils
- 10
- Steifer Bereich des Ohrkanalsimulators zur Repräsentation des Knorpelanteils
- 11
- Dynamischer Treiber angekoppelt an den Ohrkanal
- 12
- Einer oder mehrere Öffnungen zur akustischen Ankopplung des Lautsprechers
- 13
- Magnetischer Treiber zur Erzeugung von Körperschallgeräuschen
- 14
- Trommelfell
- 15
- In-Ear Kopfhörer
- 16
- Verbindungselement zur Ankopplung des Exiters an den weichen Teil des Ohrkanals
- 17
- Schallerzeuger
- 18
- Filter zur Vorverarbeitung des Anregungssignals
- 19
- MEMS Treiber zur Erzeugung von Schallwellen
- 20
- Kombinierter Trommelfell- und Ohrkanal- Impedanz Simulator
- 21
- Elektrostatischer Treiber zur Erzeugung von Schallwellen
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Erläuterung der Signale
- x
- Anregungssignal für Vibrationsanreger
- x'
- Anregungssignal für Vibrationsanreger
- y
- Resultierendes akustisches Signal vom Schallerzeuger
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REFERENZEN
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- IEC 60318-4: Akustik -Simulatoren des menschlichen Kopfes und Ohres - Teil 4: Simulator für den abgeschlossenen Gehörgang zur Messung an mittels Ohreinsätzen an das Ohr angekoppelten Ohrhörern (IEC 60318-4:2010);
- EP2842346B1 SIMULATOR EINES MENSCHLICHEN OHRS
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2842346 B1 [0002, 0034]
