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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Dämpfungsvorrichtung für Hörgerätegehäuse aus
mehreren Materialien bzw. einem Verbundmaterial.
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Hörsysteme,
insbesondere solche höherer Leistungsklassen,
zeigen trotz enormer Anstrengungen bei der Signalverarbeitung immer
noch störende Resonanzphänomene,
die sich durch akustisches Feedback (Rückkoppeln) als Pfeifen negativ
bemerkbar machen. Derartige Rückkopplungen
entstehen in erster Linie durch Körperschall, der vom Hörer beziehungsweise
Lautsprecher des Hörgeräts zum Mikrofon
zurückgekoppelt
wird.
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Hörsysteme
sind in der Regel mechanisch passiv, und Korrekturen, z. B. durch
Rückkopplungsunterdrückung, finden
lediglich durch Anpassung der akustischen Signale während der
Signalverarbeitung statt. Teilweise werden Gehäusekomponenten aber auch mit
elastomeren Dämmungseinsätzen ausgekleidet,
die einzelne Teile mechanisch entkoppeln sollen. Dabei besteht aber
nach wie vor das Risiko von Resonanzphänomenen bei geringer Dämpfung und
Steifigkeit. Eine weitere bekannte Lösung des Rückkopplungsproblems bei Hörgerätegehäusen liegt
im Einsatz aktiver Elemente, wie z. B. PVDF-Folien. Diese Lösungsansätze sind
jedoch nur bedingt umsetzbar. Die Gründe hierfür liegen in dem geringen elektromechanischen
Wirkungsgrad, dem komplexen Aufbau sowie dem verhältnismäßig hohen Energieverbrauch.
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Aus
der Patentschrift
DE
199 08 854 C1 ist ein Gehörgangseinsatz bekannt, bestehend
aus einem von einem Schallkanal durchsetzten elastischen Körper, der
im Weg des Schallkanals einen Cerumenschutz aufweist, wobei der
Körper
lösbar
auf ein zum Gehörgang
gerichtetes Teil des Schallkanals aufsetzbar ist. Der Körper besteht
aus einem Kern und einem den Kern wenigstens teilweise umfassenden
Mantel, wobei zwischen dem Kern und dem Teil eine verrastbare Verbindung
besteht und wobei in dem Körper
der Cerumenschutz integriert ist. Der Kern besteht aus einem Kunststoff
mit einer Shore-Härte > 35, während der
darauf mittels einer festen Materialverbindung aufgebrachte Mantel
eine Otoplastik bildet, deren Shore-Härte < 30 ist.
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Weiterhin
zeigt die Druckschrift
DE
199 10 516 A1 eine Schallschutzkapselung zur Abschirmung einer
Schallquelle. Die Schallschutzkapselung besitzt ein Gehäuse mit
einer innenseitigen Absorptionsschicht, beispielsweise einem Schaumstoff.
Das Gehäuse
besteht aus zumindest drei Schichten eines Materials mit hohem Elastizitätsmodul,
die durch Dämpfungsschichten
miteinander Verbindung haben. Durch die Kombination harter und weicher Dämpfungsschichten
steht sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen zumindest
eine Dämpfschicht
zur Dämpfung
niederfrequenter Schwingungen zur Verfügung.
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Darüber hinaus
offenbart die Patentschrift
DE
29 09 802 C1 die Verwendung eines Schichtenelements zur
Körperschalldämpfung.
Dabei erfolgt eine besondere Abstimmung zwischen den Flächengewichten
eine Faserschicht einerseits und einer Metallfolie andererseits.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Rückkopplungen
bei Hörgeräten zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
eine Dämpfungsvorrichtung
für Hörgerätegehäuse aus
einem Werkstoff, der mehrere Materialien umfasst, wobei der Werkstoff
in einer Richtung mindestens einen Übergang von einem ersten Material mit
einem ersten Elastizitätsmodul
auf ein zweites Material mit einem niedrigeren zweiten Elastizitätsmodul
und einen Übergang
von dem zweiten Material auf ein drittes Material mit einem dritten
Elastizitätsmodul,
das größer ist
als das zweite Elastizitätsmodul,
aufweist. Dabei besitzt das erste und/oder dritte Material eine
negative Poisson-Zahl.
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Ferner
ist erfindungsgemäß vorgesehen eine
Dämpfungsvorrichtung
für Hörgerätegehäuse, das
einen Werkstoff mit negativer Poisson-Zahl aufweist, in dem piezoelektrische
Elemente zur Erhöhung
der Steifigkeit angeordnet sind.
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Schließlich ist
auch ein Verfahren zur Herstellung eines obigen Hörgerätegehäuses vorgesehen,
wobei das gesamte Hörgerätegehäuse oder
ein Teil davon durch ein Lasersinterverfahren erzeugt wird. Dieses
Verfahren erlaubt es, auch kompliziertere 3D-Strukturen herzustellen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Hörgerätegehäuse durch seine Werkstoffeigenschaften
zu dämpfen.
Hierfür
kann durch weiche Materialien ein schnelles Abklingen von Resonanzspitzen
erzwungen werden. Gleichzeitig oder alternativ kann die Amplitude
einer Resonanzschwingung durch sehr steife Materialien verringert
werden. Die damit fertigbaren schwingungsdämpfenden Strukturen werden
beispielsweise in Schalen oder Fixierungen von Mikrofonen beziehungsweise
Hörern
integriert und erzielen eine nennenswerte Erhöhung der mechanischen Dämpfung und
gegebenenfalls eine Entkopplung sensitiver Komponenten.
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Vorteilhafterweise
besitzt das erste Material des Hörgerätegehäuses eine
negative Poisson-Zahl. Die Poisson-Zahl beschreibt das Verhältnis von Querkürzung zur
Dehnung eines Werkstoffs bei mechanischer Zug- oder Druckbeanspruchung.
Dies bedeutet, dass dieses Material mit negativer Poisson-Zahl bei Längsdehnung
eine Querausweitung erfährt.
Derartige Materialien werden üblicherweise als
Strukturen mit im Wesentlichen ebener Natur hergestellt. Sie bestehen
aus einem Netz, dessen Zellen durch eine "rückspringende" Form gekenn zeichnet sind.
Die Stege zu Nachbarzellen, über
welche die angreifende Kraft übertragen
wird, treffen auf einen konkav gekrümmten Rand der Zelle. Bei Zug
bläht sich
die Zelle und mit ihr die ganze Struktur auf. Analog faltet sie
sich unter Druck zusammen. Die Stärke einer solchen Struktur
mit negativer Poisson-Zahl kann unter 0,5 mm, derzeit bis 0,1 mm,
liegen. Somit bietet sich die Möglichkeit,
dieses Material auch für Hörgerätegehäuse zu verwenden.
Für weitere
Details zu diesen Materialien sei auf die Zeitschrift "Physik in unserer
Zeit" in Heft 1
des Jahrgangs 2000 verwiesen. Da sich diese Mikrostrukturen mit
negativer Poisson-Zahl durch verhältnismäßig hohe Steifigkeit auszeichnen,
gewährleisten
sie eine Reduktion der Resonanzschwingungsamplitude.
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Das
Hörgerätegehäuse kann
aus einem geschichteten Werkstoff bestehen. Vorzugsweise sind drei
Schichten vorgesehen: Eine steife, eine weiche dämpfende und nochmals eine steife
Schicht. Dieser Sandwichaufbau ist als CLD-System (constrained-layer
damping), das eine sehr steife Strukturen darstellt, bekannt. Die
mittlere, weiche Schicht wird als Dämpfungsschicht bezeichnet.
Wird das CLD-System während
einer Schwingung gebogen, entstehen in der Dämpfungsschicht Scherverformungen.
Hierdurch kommt es zu starken Energieverlusten und somit zu hohen
Dämpfungen.
Diese breitbandigen Dämpfungen
können
bis zu 30 % betragen.
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In
vorteilhafter Weise besteht die CLD-Schicht des Gehäuses aus
einer Außenschale, einer
viskoelastischen Dämpfungsschicht
und einer darunter liegenden Schicht mit negativer Poisson-Zahl.
Die Außenschicht
wird hierbei so gewählt, dass
sie sowohl eine hohe Steifigkeit als auch die notwendige Bioverträglichkeit
besitzt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung kann auch darin bestehen, dass das Hörgerätegehäuse aus
einem Material mit hoher Steifigkeit besteht, in das Einschlüsse aus
weichem Material eingebracht sind. Damit ist das erste Material
mit dem ersten Elastizitätsmodul
identisch mit dem dritten Material, das durch das dritte Elastizitätsmodul
gekennzeichnet ist. Auch diese dämpfenden
Einschlüsse
beziehungsweise Inlays, die in die Matrix des umgebenden steifen
Materials eingespritzt bzw. eingemischt sind, entsprechen im Prinzip
einer CLD-Schicht.
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Das
Material mit den dämpfenden
Einschlüssen
kann auch dazu verwendet werden, um das Hörgerät mit den jeweiligen elektrischen
Komponenten vollkommen auszugießen
beziehungsweise einzuschäumen.
Dadurch brauchen für
die einzelnen elektrischen Komponenten keine gesonderten Halterungen
in der Hörgeräteschale
vorgesehen zu werden. Je nach funktionellem Bedarf können unterschiedliche
Abschnitte des Hörgerätegehäuses aus
unterschiedlichen Werkstoffen geformt werden. So können beispielsweise
die Außenwände mit
einer relativ dicken CLD-Schicht
und Halterungen für
den Hörer mit
einer dünnen
Schicht aus einem Material mit negativer Poisson-Zahl (PS-Material)
geformt werden.
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Vorzugsweise
besteht die dämpfende,
weiche Schicht aus einem viskoelastischen Material. Dies erlaubt
eine verhältnismäßig hohe
Dämpfung gegenüber anderen
elastischen Materialien.
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Vorzugsweise
wird das Hörgerätegehäuse mit
einem Lasersinterverfahren hergestellt. Dieses Verfahren ermöglicht ohne
weiteres die Herstellung komplizierter dreidimensionaler Gebilde.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 eine
Querschnittsskizze eines erfindungsgemäßen Hörgerätegehäuses;
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2 eine
Querschnittsskizze durch eine alternative Ausführungsform eines Hörgerätegehäuses;
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3 eine
Querschnittsskizze durch eine weitere alternative Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Hörgeräts;
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4 eine
Skizze eines Ausschnitts einer noch weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Hörgerätegehäuses;
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5 eine
Querschnittsansicht durch einen Abschnitt eines weiteren alternativen
Hörgerätegehäuses; und
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6 einen
weiteren Querschnitt durch einen Abschnitt eines Hörgerätegehäuses gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Die
nachfolgenden Ausführungsbeispiele stellen
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hörgerätegehäuses 1.
Die Wand des Hörgerätegehäuses 1 besitzt
eine dreischichtige CLD-Struktur.
Denkbar ist selbstverständlich
auch eine fünf-
oder siebenschichtige Mehrfach-CLD-Struktur. Die Außenhülle 2 besteht
aus einem steifen, biokompatiblen Material. Die darunter liegende
weiche Schicht 3 ist aus einem viskoelastischen Dämpfungsmaterial
hergestellt. Die Innenschale 4 des Hörgerätegehäuses 1 ist ebenfalls aus
einem steifen Material gefertigt, das nur verhältnismäßig geringe Schwingungsamplituden überträgt. D.h.
die Dämpfungsschicht 3 weist
gegenüber
der Außenschale 2 beziehungsweise
der Innenschale 4 ein wesentlich niedrigeres Elastizitätsmodul
auf, so dass die guten Dämpfungseigenschaften
von CLD-Schichten erzielt werden.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform, bei
der das Hörgerätegehäuse 1 aus
einer Matrix 5 besteht, die aus einem verhältnismäßig steifen Grundwerkstoff
gebildet ist. In die Matrix 5 sind dämpfende Inlays bzw. Einschlüsse 6 aus
einem wei chen, nicht steifen Material eingespritzt beziehungsweise
eingebracht. Dieses dämpfende
Material in den Einschlüssen 6 besitzt
ein wesentlich niedrigeres Elastizitätsmodul als das der Matrix 5.
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Der
typische Sandwichaufbau einer CLD-Schicht ist sowohl bei der ersten
als auch bei der zweiten Ausführungsform
gegeben. Insbesondere ergibt bei der zweiten Ausführungsform
ein Schnitt durch einen Einschluss beziehungsweise ein Inlay 6 die
Materialfolge steif – weich – steif.
Somit erzeugen Schwingungen des Hörgerätegehäuses 1 auch hier Scherverformungen
in den dämpfenden
Inlays 6, wodurch eine sehr starke Dämpfung erzeugt wird, die die
Schwingungen rasch abklingen lässt.
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Eine
dritte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Hörgeräts ist in 3 im
Querschnitt dargestellt. In einer nicht dargestellten Gussform werden
die elektronischen Komponenten des Hörgeräts 1, wie beispielsweise
der Hörer 7,
mit einer Masse 8 eingegossen beziehungsweise eingeschäumt. Diese
Masse 8 besteht ebenfalls aus einem Material wie das Hörgerätegehäuse 1 der
zweiten Ausführungsform.
Dämpfende
Inlays beziehungsweise Einschlüsse
befinden sich in der Matrix des Grundwerkstoffs. Der Grundwerkstoff
härtet
nach dem Ausgießen
beziehungsweise Ausschäumen
aus und weist eine gegenüber
den dämpfenden
Inlays hohe Steifigkeit beziehungsweise ein hohes Elastizitätsmodul auf.
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Eine
vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 4 wiedergegeben.
Die Gehäusewand 9 des
Hörgerätegehäuses 1 besteht
im Wesentlichen wie die des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1 aus
einer CLD-Schicht. Eine in dem Hörgerätegehäuse 1 angeordnete
Hörerummantelung 10 besteht
aus schwingungstechnischen und/oder fertigungstechnischen Gründen aus
einer dünnen
PS-Schicht (Schicht mit negativer Poisson-Zahl). Diese steife Ummantelung sorgt
dafür, dass
Körperschall
nur mit geringen Schwingungsamplituden zum nicht dar gestellten Mikrofon
des Hörgeräts übertragen
wird. Das PS-Material verfügt bei
sehr geringer Schichtdicke von 1 mm oder darunter über eine
verhältnismäßig hohe
Steifigkeit. Diese. steigt progressiv an und zeigt damit starkes
nichtlineares Verhalten.
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Eine
weitere, fünfte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 5 dargestellt.
Insbesondere ist ein Ausschnitt aus dem Hörgerätegehäuse 1 vergrößert dargestellt,
der den Schichtaufbau besser verdeutlicht. In diesem Fall besteht
das Hörgerätegehäuse 1 aus
einer CLD/PS-Schichtkombination. Die Außenschale 2 und die
viskoelastische Dämpfungsschicht 3 sind
identisch mit denen aus der ersten Ausführungsform gemäß 1.
Die Innenschale hingegen wird durch eine sehr steife PS-Schicht 11 gebildet.
Diese ist ausgesprochen steif gegen Biegespannungen und Zugbeanspruchungen.
Al-ternativ kann
auch die Außenschale 2 aus
einer PS-Schicht bestehen oder eine PS-Schicht zwischen der Außenschale 2 und
der viskoelastischen Dämpfungsschicht 3 vorgesehen
sein. Ebenso kann die Außenschale
aus einer PS-Schicht mit negativer Poisson-Zahl und die Innenschale
aus einer beliebigen anderen steifen Schicht aufgebaut sein.
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Eine
sechste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 6 schematisch
wiedergegeben. Unter einer Außenschale 2 ist
eine PS-Schicht 11 vorgesehen. Diese besitzt, wie bereits erwähnt, eine
Zellstruktur aus konkav geformten Zellen, deren Zellwände 12 in 6 sichtbar
sind. In den Zellen sind piezoelektrische Elemente 13 angeordnet,
die aktiv für
zusätzliche
Dämpfung
sorgen. Hierzu können
die Elektroden jedes Piezoelements 13 über einen Widerstand kurzgeschlossen
oder die Piezoelemente 13 über eine Regelung 14 aktiv
angesteuert werden.
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Für alle Ausführungsformen
gleichermaßen lässt sich
feststellen, dass durch den Einsatz strukturintegrierter schwingungsdämpfender
Elemente – seien
es dämpfende
Schichten, dämpfende Einschlüsse oder
aktiv dämpfende
Piezoelemente – folgende
Vorteile erzielt werden können:
- – Die
aufgezeigten Strukturen besitzen einen sehr hohen mechanischen Wirkungsgrad,
da die aktiven Substanzen – was
Dämpfung
und Steifigkeit anbelangt – direkt
in die Struktur integriert sind und bei Verformung unmittelbar ihre
Wirkung entfalten. So wird beispielsweise eine Dämpfungserhöhung durch Umlenkung einer
Schwingungsbewegung in eine Tangential- beziehungsweise Schubverformung
erzielt.
- – Die
gewählten
Strukturen ermöglichen
eine einfache und kostengünstige
Herstellung sowie einen sehr einfachen und robusten Aufbau des Hörgeräts.
- – Hinsichtlich
kritischer Resonanzfrequenzen können
die vorgestellten Strukturen entsprechend schmalbandig ausgelegt
werden und so Schwingungsfrequenzen selektiv dämpfen.
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Zusammenfassung
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Dämpfungsvorrichtung für Hörgerätegehäuse
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Hörgeräte sollen
bezüglich
Resonanzen besser gedämpft
werden. Hierzu wird vorgeschlagen, dass das Hörgerätegehäuse (1) aus einem
sogenannten CLD-Werkstoff gefertigt wird, der zwei mechanisch steife
Schichten (2 und 11) und eine dazwischenliegende
weiche Schicht (3) besitzt. Die Dämpfung erfolgt dadurch, dass
die Schwingungen in Scherverformungen der weichen Schicht (3)
umgewandelt werden. Bei einer Weiterbildung besteht die Schicht
(11) aus einer sogenannten PS-Struktur mit negativer Poisson-Zahl.
Diese Schicht besitzt bei verhältnismäßig geringer
Dicke eine hohe Steifigkeit und vermindert dadurch die Schwingungsamplitude.