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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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1. Technisches Gebiet
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Die Offenbarung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren (im Allgemeinen als „System“ bezeichnet) zur aktiven Geräusch- und Wahrnehmungsregelung in einem Helm.
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2. Verwandte Technik
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Das Hörvermögen eines Motorradfahrers während des Fahrens ist in einer modernen Umgebung ein kritischer Sicherheitsfaktor. Leider kann das Hörvermögen des Motorradfahrers u. a. durch Geräusche wie Motorlärm, Windgeräusche und Geräusche, die aufgrund des Helmdesigns auftreten, eingeschränkt werden. Hohe Lärmpegel, wie sie beispielweise ein Motorradfahrer wahrnimmt, können die Müdigkeit verstärken, die Reaktionszeiten beeinträchtigen und die Aufmerksamkeit herabsetzen, so dass die Sicherheit der Motorradfahrer und der anderen Verkehrsteilnehmer eingeschränkt wird. Darüber hinaus kann intensiver Lärm über einen längeren Zeitraum langfristige Folgen für das Hörvermögen eines Motorradfahrers haben. Bei Autobahngeschwindigkeiten kann der Lärmpegel leicht 100 dB(A) überschreiten, auch wenn ein herkömmlicher Helm getragen wird. Dies ist besonders ärgerlich für täglich wie auch beruflich das Motorrad nutzende Fahrer, wie etwa Polizisten, aber auch Piloten, Soldaten und Motorradbegeisterte, die einen Helm tragen.
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Um Lärm zu bekämpfen, wird in manchen Motorradhelmen schalldämpfendes Material im Ohrbereich verwendet. Andere Motorradfahrer bevorzugen Ohrstöpsel, um Lärm zu reduzieren und einem lärmbedingten Hörverlust vorzubeugen. Eine weitere Möglichkeit, Lärm zu mindern, sind integrierte aktive Geräuschunterdrückungssysteme. In allen Fällen kann die Geräuschminderung in manchen Situationen zu stark sein, sie kann beispielsweise gewünschten Schall mindern oder unterdrücken wie etwa bis zu einem gewissen Grad das Motorrad des Motorradfahrers selbst oder andere Fahrzeuge, Sirenen, Hupen und andere Warnsignale in der Umgebung des Motorradfahrers. Oder die Geräuschminderung ist zu schwach für unerwünschten Schall in anderen Situationen, z. B. wenn der Schall von des Motorradfahrers eigener Maschine oder andere Geräusche zu laut sind. Die Situation kann noch komplizierter werden, wenn der Motorradfahrer Musik hört, bei der es sich in manchen Situationen um gewünschten Schall handelt, der jedoch nicht erwünscht ist, wenn wichtigerer, gewünschter Schall, wie etwa von anderen Fahrzeugen, Sirenen, Hupen und anderen Warnsignalen erzeugter Schall um den Motorradfahrer herum auftritt.
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Die Veröffentlichung
US2001/0046304A1 offenbart Techniken, bei denen manuelle und automatische Mechanismen das Ändern des Ausmaßes der von einem Headset bereitgestellten Schallisolation erlauben. Töne in der Umgebung, auf die der Nutzer aufmerksam gemacht werden möchte, können als Schallauswahlmerkmale gespeichert werden. In Reaktion auf die Korrelation der gespeicherten Schallauswahlmerkmale mit Geräuschen in der Umgebung verringert das Headset die akustische Isolation, indem Signale von einem oder mehreren externen Mikrofonen an die Audiokonvertierungselemente in den Ohrhörern gekoppelt werden. Alternativ kann die Vorrichtung auf zu blockierende Geräusche reagieren, indem die akustische Isolation erhöht wird.
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Die Veröffentlichung
US2014/0044269A1 offenbart Techniken, bei denen Umgebungsschall überwacht und mit einem voreingestellten Satz von Schalleigenschaften verglichen wird, um wichtige oder kritische Hintergrundgeräusche zu erkennen. Wenn ein kritischer Hintergrundton erkannt wird, wird entweder ein Benachrichtigungssignal oder ein Teil des Umgebungshintergrunds in einen Audiostream mit eingeflochten, um so einen Benutzer vor einem wichtigen Schall oder Ereignis, das in seiner unmittelbaren Umgebung auftritt, zu warnen.
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Die Veröffentlichung
US2014/0185828A1 offenbart ein System mit einem Speicher, in dem eine Audio-Injektion-Anwendung abgelegt ist. Die Anwendung umfasst ein Equalizer-Modul zum Analysieren von Klangeigenschaften einzelner digitaler Audio-Samples, ein Auswahlmodul zum Anwenden einer Auswahlheuristik, um das diskrete Signal aus den einzelnen digitalen Audio-Samples basierend auf den SchallEigenschaften auszuwählen, und ein Audiomodul, das ein Einfügesignal, das gemäß dem durch die Auswahlheuristik ausgewählten diskreten Signal erzeugt wird, an einem Ausgang bereitstellt.
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Die Veröffentlichung JPH07-95681A offenbart ein System, bei dem ein von einem Schallwandler erfasster Schall um einen geeigneten Pegel verstärkt und ein charakteristischer Wert durch ein Extraktionsmittel extrahiert wird. Ein Unterscheidungsmittel vergleicht den charakteristischen Wert mit einem charakteristischen Bedingungswert, der in einem Bedingungsspeichermittel gespeichert ist. Wenn der charakteristische Bedingungswert erreicht ist, wird er als ein Ton erkannt, der eine Gefahr anzeigt. Wenn die charakteristische Bedingung erfüllt ist, gibt ein Signalsteuermittel über ein Tonwiedergabemittel einen Ton an einen Zuhörer aus.
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Die Veröffentlichung JPH01-93797A offenbart eine Schallwellenerkennungsvorrichtung mit einem Frequenzanalysemittel, einer Amplitudenformanalysemittel und einem Frequenzanalysemittel. Das Frequenzanalysemittel analysiert die Frequenz eines von einem Mikrofon eingegebenen Schallwellensignals und das Amplitudenformanalysemittel sowie das Frequenzanalysemittel analysieren Amplitudenform und Periode basierend auf dem Frequenzanalyseergebnis und aus einem Speichermittel ausgelesenen Referenzdaten. Ein Beurteilungsmittel beurteilt anhand der jeweiligen Analyseergebnisse und der Referenzdaten, ob ein zu erkennender Ton im Eingangston enthalten ist oder nicht.
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Die Veröffentlichung
JP2007-36608A offenbart ein Kopfhörerset mit einem linken und einem rechten Seitenlautsprecher, mehreren Richtmikrofonen, einem Mikrofon in der Nähe des linken Ohrs, einem Mikrofon in der Nähe des rechten Ohrs und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit gibt an den linken und rechten Lautsprecher Signale aus auf der Basis von Signalen von einem Musikabspielgerät und einem Mobiltelefon. Die Steuereinheit invertiert die Phase des Geräusches, das von den Mikrofonen in der Nähe des linken und rechten Ohrs erhalten wird, und überlagert die resultierenden Signal mit den Signalen für den linken und rechten Lautsprecher, um Lärm zu reduzieren.
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Aufgabe ist es, Anordnungen und Verfahren bereitzustellen, die eine bessere Erkennung bestimmter Umgebungsschalle ermöglicht.
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ÜBERSICHT
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Ein aktives Geräuschminderungssystem beinhaltet einen Helm mit einer steifen Schale, die so ausgestaltet ist, dass sie ein Schaleninneres von einer Schalenaußenseite trennt, und mindestens einen aktiven Kanal für die Geräuschregelung, der dazu ausgestaltet ist, mindestens ein gewünschtes Schallsignal zu empfangen, welches mindestens ein bestimmtes Schallmuster, das an der Schalenaußenseite auftritt, repräsentiert und auf Basis des mindestens einen gewünschten Schallsignals einen Antischall erzeugt, der so ausgestaltet ist, dass er mit dem internen Schall, der im Schaleninnern durch Überlagerung auftritt, interagiert. Der interne Schall beinhaltet erste interne Schallkomponenten und zweite interne Schallkomponenten, wobei die ersten internen Schallkomponenten nicht mit dem mindestens einen bestimmten Schallmuster übereinstimmen und die zweiten internen Schallkomponenten mit dem mindestens einen bestimmten Schallmuster übereinstimmen. Der Antischall ist ferner dazu ausgebildet, die ersten internen Schallkomponenten abzuschwächen und die zweiten internen Schallkomponenten zu verstärken, nicht abzuschwächen oder in einem geringeren Maße als die ersten internen Schallkomponenten abzuschwächen. Das System umfasst ferner ein Signalmuster-Erkennungsmodul, das dazu ausgebildet ist, mindestens ein Umgebungsschallsignal, das repräsentativ für den Schall ist, welcher an der Schalenaußenseite auftritt, zu empfangen und zu verarbeiten, um mindestens ein gewünschtes Schallsignal zur Verfügung zu stellen.
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Ein aktives Geräuschminderungsverfahren für einen Helm mit steifer Schale, die ein Schaleninneres räumlich von einem Schalenäußeren trennt, umfasst Empfangen von mindestens einem gewünschten Schallsignal, das repräsentativ ist für mindestens ein bestimmtes Schallmuster, welches an der Schalenaußenseite auftritt, und Erzeugen eines Antischalls auf der Grundlage von mindestens dem gewünschten Schallsignal, wobei der Antischall so ausgebildet ist, dass er mit dem internen Schall, der im Schaleninnern durch Überlagerung entsteht, interagiert. Der interne Schall umfasst erste interne Schallkomponenten und zweite interne Schallkomponenten, wobei die ersten internen Schallkomponenten nicht mit dem mindestens einen bestimmten Schallmuster übereinstimmen und die zweiten internen Schallkomponenten mit dem mindestens einen gewünschten Schallmuster übereinstimmen. Der Antischall ist ferner dazu ausgebildet, die ersten internen Schallkomponenten abzuschwächen und die zweiten internen Schallkomponenten zu verstärken, nicht abzuschwächen oder in geringerem Maße als die ersten internen Schallkomponenten abzuschwächen. Das Verfahren umfasst ferner eine Signalmustererkennungsprozedur, die dazu ausgebildet, mindestens ein Umgebungsschallsignal, das repräsentativ für den Schall ist, welcher an der Schalenaußenseite auftritt, empfängt und verarbeitet, um mindestens ein gewünschtes Schallsignal bereit zu stellen.
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Ein Computerprogramm ist dazu ausgebildet, in Verbindung mit einer geeigneten Hardware ein aktives Geräuschminderungsverfahren für einen Helm mit steifer Schale, deren Schaleninneres räumlich vom Schalenäußeren getrennt ist, auszuführen. Das Geräuschminderungsverfahren umfasst Empfangen von mindestens einem gewünschten Schallsignal, das repräsentativ ist für mindestens ein bestimmtes Schallmuster, das an der Schalenaußenseite auftritt und auf mindestens einem gewünschten Schallsignal basiert, und Erzeugen eines Antischalls, der dazu ausgebildet ist, mit dem internen Schall, der im Schaleninnern durch Überlagerung auftritt, zu interagieren. Der interne Schall beinhaltet erste interne Schallkomponenten und zweite interne Schallkomponenten, wobei die ersten internen Schallkomponenten nicht mit mindestens einem bestimmten Schallmuster übereinstimmen und die zweiten internen Schallkomponenten mit mindestens einem bestimmten Schallmuster übereinstimmen. Der Antischall ist ferner konfiguriert, um die ersten internen Schallkomponenten abzuschwächen und die zweiten internen Geräuschkomponenten zu verstärken, nicht abzuschwächen oder in geringerem Maße als die ersten internen Schallkomponenten abzuschwächen. Das Verfahren umfasst ferner eine Signalmustererkennungsprozedur, die dazu ausgebildet, mindestens ein Umgebungsschallsignal, das repräsentativ für den Schall ist, welcher an der Schalenaußenseite auftritt, empfängt und verarbeitet, um mindestens ein gewünschtes Schallsignal bereit zu stellen.
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Andere Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile werden bei der Untersuchung der folgenden Figuren und detaillierten Beschreibung dem Fachmann sichtbar. Es ist beabsichtigt, dass all diese zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile in diese Beschreibung aufgenommen werden, somit den Umfang der Erfindung bilden und sie durch folgende Patentansprüche zu schützen.
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Figurenliste
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Das System ist besser verständlich, wenn auf folgende Zeichnungen und eine Beschreibung Bezug genommen wird. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich, stattdessen liegt die Betonung auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten.
- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Motorradhelmes mit einem aktiven Geräuschregelsystem.
- 2 ist ein Signalflussdiagramm eines exemplarischen aktiven Geräuschreglers bei dem in 1 gezeigten Helm.
- 3 ist ein Signalflussdiagramm eines Kanals des aktiven Geräuschreglers, wie in 2 gezeigt.
- 4 ist ein Signalflussdiagramm eines ersten exemplarischen aktiven Geräuschregelprozessors bei dem in 3 gezeigten aktiven Geräuschregelprozessor.
- 5 ist ein Signalflussdiagramm eines zweiten exemplarischen aktiven Geräuschregelprozessors bei dem in 3 gezeigten aktiven Geräuschregelprozessor.
- 6 ist eine perspektivische Ansicht einer exemplarischen Mikrofon-Lautsprecher-Kombination, die bei dem Helm in 1 verwendet wird.
- 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Wangenstücks zur Verwendung in dem in 1 gezeigten Helm, wobei das Wangenstück beinhaltet eine Mikrofon-Lautsprecher-Kombination wie in 6 gezeigt.
- 8 ist ein Prozessflussdiagramm zur Veranschaulichung eines exemplarischen aktiven Geräuschregelverfahrens im aktiven Geräuschregelsystem nach 2.
- 9 ist ein Prozessflussdiagramm zur Veranschaulichung eines exemplarischen Wahrnehmungsverfahrens für einen Helm.
- 10 ist ein Prozessflussdiagramm zur Veranschaulichung eines automatischen Geräuschregelverfahrens für einen Helm.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In der folgenden Beschreibung beziehen sich alle gezeigten Beispiele auf den Fahrer eines Motorrads, finden jedoch auch Anwendung auf andere Fahrer, die einen Helm tragen und irgendeine eine Art von Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen steuern. Mit Geräusch/Lärm wird hierin unerwünschter Schall bezeichnet. Ein Geräusch, das auf einen Motorradfahrer einwirkt, kann viele Quellen haben, z. B. Motorenlärm, Straßenlärm, Windgeräusche und andere Geräusche in einem Fahrzeug. Bei zunehmender Geschwindigkeit eines Fahrzeugs ist typischer Weise der Wind die herausragende Geräuschquelle. All diese Geräuschquellen, die ein Motorradfahrer wahrnimmt, haben gemeinsam, dass Schwingungen ihren Weg zum Ohr des Motorradfahrers nehmen. In manchen Fällen kann ein Helm die wahrgenommene Geräuschamplitude verstärken, indem er die Schwingungen aus der Umgebung direkt ins Ohr des Motorradfahrers überträgt. Wenn zum Beispiel ein Motorradfahrer schneller fährt, erzeugt der Wind, der auf die Schale seines Helmes auftrifft, wiederum mehr Schwingungen, welche der Motorradfahrer als Geräusch wahrnimmt. Dieser Effekt verstärkt sich dramatisch mit zunehmender Geschwindigkeit.
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Ein herkömmlicher Helm kann aus verschiedenen Schichten bestehen, z. B. einer Schale, einer stoßdämpfenden Schicht und einer Komfortschicht. Die Schale eines Helmes ist die äußerste Schicht und besteht meist aus elastischen, wasserabstoßenden Materialien, wie etwa Plastik und Faserverbund. Die Schale trennt (in gewissem Maße) räumlich das Schaleninnere vom Schalenäußeren. Die stoßdämpfende Schicht eines Helmes, die in erster Linie eine Sicherheitsschicht ist, kann aus einem steifen, jedoch stoßdämpfenden Material, z. B. einem expandierbaren Polystyrolschaum gefertigt sein. Obwohl nicht typisch, kann eine feuerfeste Helmschicht mitintegriert und aus geschlossenzelligem Material, wie Vinylnitril, gefertigt sein, welches sowohl feuerfest als auch wasserdicht ist. Darüber hinaus kann diese Schicht geräusch- und wärmeisolierende Eigenschaften besitzen und alternativ als Akustikschicht bezeichnet werden. Schließlich kann die Komfortschicht eines Helmes aus einem weichen Material bestehen, das in Kontakt mit der Haut des Motorradfahrers kommt, wie Baumwolle oder andere in der Technik bekannte Fasergemische. Andere Schichten können ebenfalls vorhanden sein, und einige der zuvor erwähnten Schichten können weggelassen oder kombiniert werden.
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Helme können mit Ohrschalen ausgestattet sein, die in die steifen Bereiche des Helmes wie etwa der Schaumstoffschicht eingegossen sind. Die Ohrschalen können statisch sein, so dass nur Platz für die Ohren des Motorradfahrers und/oder die Lautsprecher ist, so dass der Motorradfahrer Musik hören oder über ein elektronisches Kommunikationssystem kommunizieren kann. In manchen Fällen können die Ohrschalen an der Helmschale befestigt sein, so dass sie beweglich sind und Motorradfahrern einen besseren Komfort bieten. Die Ohrschalen sind entweder in einem steifen Material ausgeformt, das beweglich an der Helmschale befestigt ist, oder die Ohrschalen sind direkt an der Helmschale befestigt. In beiden Fällen werden Schwingungen des Windes oder anderer Geräuschquellen leicht von der Schale auf den Helm und die Ohrschale und dann auf die Ohren des Motorradfahrers übertragen. Die Schwingungskopplung erzeugt wiederum irritierende Geräusche für den Motorradfahrer.
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines exemplarischen Motorradhelmes 100. Der Helm 100 umfasst eine Außenschale 101, eine Akustikschicht 102, eine Schaumstoffschicht 103 und eine Komfortschicht 104. Die Akustikschicht 102 kann (in Verbindung mit der Schaumstoffschicht 103 und/oder der Komfortschicht 104) so aufgebaut sein, dass sie ein passives Geräuschminderungssystem bildet. Der Helm 100 umfasst weiterhin Ohrschalen 105 und 106, die an der Innenseite des Helmes 100, dort wo sich die Ohren des Nutzers befinden, angebracht sind, wenn der Nutzer den Helm 100 trägt. Es ist zu beachten, dass in 1 nur eine Ohrschale 105 sichtbar ist. Es ist jedoch eine identische Ohrschale 106, die in gestrichelten Linien dargestellt ist, an der gegenüberliegenden Seite von Helm 100 vorhanden. Die Ohrschale 105 ist (ebenso wie die Ohrschale 106) an der Schale 101 des Helmes 100 durch eine Isolationshalterung 107 isoliert. Die Isolationshalterung 107 kann aus einem schwingungsdämpfenden Material bestehen. Das schwingungsdämpfende Material verhindert, dass Schalenschwingungen das Ohr des Nutzers erreichen und verringern somit, dass der Nutzer die Schwingungen als Geräusch wahrnimmt. Wird daher die Ohrschale 105 an einer anderen Schale als der Schale 101 des Helmes montiert und von steifen Materialien, die leicht Schwingungen übertragen, entkoppelt, kann das auf die Ohrschale 105 übertragene Geräusch passiv reduziert werden.
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Jede Ohrschale 105, 106 kann beispielsweise einen Lautsprecher 108, 109 oder eine andere Art von Schallgeber oder elektroakustischem Wandler oder eine Gruppe von Lautsprechern, die in die Ohrschale 105, 106 eingebaut sind, zum Teil umschließen. Darüber hinaus kann der Helm 100 einen oder mehrere akustische Sensoren, wie etwa Mikrofon-Arrays 110 und 111 mit einer Vielzahl von (beispielsweise vier) einzelnen Mikrofonen, die im Kreis um die Ohrschalen 105 und 106 im Schaleninneren angeordnet sind, umfassen. Anordnen einer Vielzahl von Mikrofonen in der Nähe der (z.B. um die) Ohrschalen oder Lautsprecher erlaubt eine akustische Anpassung an verschiedene Ohrpositionen wie etwa bei unterschiedlichen, den Helm tragenden Personen. Die Mikrofon-Arrays 110 und 111 erfassen Geräusche und unterdrücken diese aktiv in Verbindung mit den Lautsprechern 108 und 109 und dem Audio-Signalprozessor 112 an den Positionen der Mikrofon-Arrays 110 und 111, z. B. in jeder Ohrschale 105 und 106. Die Lautsprecher 108 und 109 und die Mikrofon-Arrays 110 und 111 sind mit einem (analogen und/oder digitalen) Audio-Signalprozessor 112, der eine aktive Geräuschreduzierfunktion aufweisen kann, verbunden. Auf diese Weise lassen sich die Vorteile einer passiven Geräuschminderung (wie oben erwähnt) mit denen der aktiven Geräuschminderung kombinieren. Der Audio-Signalprozessor 112 kann teilweise oder vollständig in der Schale 101 angebracht werden (d. h. im Schaleninneren) und ist schwingungsmäßig von der Schale 101 mittels Schwingungsdämpfungsmaterial isoliert.
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Alternativ dazu ist der Audio-Signalprozessor 112 vollständig an der Außenseite des Helmes 100 angebracht, und die Lautsprecher 108, 109 und die Mikrofon-Arrays 110 und 111 sind über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung mit dem Audio-Signalprozessor 112 gekoppelt. Darüber hinaus kann der Audio-Signalprozessor 112 - unabhängig davon, wo er angebracht ist - über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung an ein Audio-Signal-Bus-System und/oder ein Datenbus-System (beides nicht in 1 gezeigt) gekoppelt werden. Der Audio-Signalprozessor 112 kann außerdem mit mindestens einem (weiteren) akustischen oder nicht-akustischen Sensor, z. B. Beschleunigungssensoren 113 und 114, die mechanisch an (der Innen- oder Außenseite) der Schale 101 befestigt sind, verbunden und an gegenüberliegenden Seiten des Helmes 100 angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ zu den nicht-akustischen Sensoren (Beschleunigungssensoren 113 und 114) kann mindestens ein akustischer Sensor, z. B. akustischer Sensor 115, akustisch mit einer äußeren Oberfläche der Schale 101 (z. B. auf die Schalenumgebung gerichtet) gekoppelt sein.
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2 ist ein Signalflussdiagramm des Systems, das oben in Verbindung mit dem in 1 abgebildeten Helm 100 beschrieben ist. Die Mikrofon-Arrays 110 und 111 senden dem Audio-Signalprozessor 112 elektrische Signale, die den Schall repräsentieren, der von den Mikrofon-Arrays 110 und 111 an ihren jeweiligen Stellen aufgenommen wird. Die Beschleunigungssensoren 113 und 114 (und/oder der akustische Sensor 115) senden dem Audio-Signalprozessor 112 elektrische Signale, die die Schwingungen der Schale 101 repräsentieren und von den Beschleunigungssensoren 113 und 114 an ihren jeweiligen Stellen aufgenommen werden. Der Audio-Signalprozessor 112 verarbeitet die Signale der Mikrofone 110, 111 und der Beschleunigungssensoren 113, 114 und generiert daraus Signale, die zum Lautsprecher 108 und 109 übertragen werden. Der Audio-Signalprozessor 112 kann außerdem Daten- und/oder Audio-Signale über den Datenbus 201 und/oder den Audio-Signal-Bus 202 senden oder empfangen. Es können beispielsweise Audio-Signale, die über den Datenbus 201 oder den Audio-Signal-Bus 202 übertragen werden, zur Wiedergabe von Musik oder Sprache im Schaleninnern verwendet werden.
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3 zeigt einen ANC-Kanal 300 des Audio-Signalprozessors 112, der oben in Verbindung mit 2 beschrieben ist. Der andere Kanal (nicht gezeigt) kann identisch implementiert und an den jeweils anderen Lautsprecher, an Mikrofone oder einen Beschleunigungssensor angeschlossen werden, empfängt und überträgt jedoch ähnliche Arten von Signalen. Der ANC-Kanal 300 beinhaltet einen ANC-Prozessor 301, der ein Filtereingangssignal von einem einzelnen Mikrofon, einem Mikrofon-Array oder einem Kombinierer 302 empfängt, der einer Vielzahl von Mikrofonen oder einem Mikrofon-Array nachgeschaltet ist. Der Kombinierer 302 kann ein Summierer sein, der die Signale aus einer Vielzahl, z. B. einem Array aus Mikrofonen, wie die Mikrofon-Arrays 110 und 111, die in 1 gezeigt werden, kombiniert (aufsummiert). Der Kombinierer 302 kann, wie oben erwähnt, ein einfacher Summierer oder eine andere Art von Kombinierer sein, z. B. ein Wichtungs- und/oder Filtersummierer, ein Mehrfachkoppler oder (intelligenter) Schalter etc.
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Darüber hinaus überträgt der ANC Prozessor 301, der ein fixes Filter oder einen adaptives Filter beinhalten kann, ein Filterausgangssignal an den Lautsprecher 108 (oder 109). Der Lautsprecher 108 (oder 109), das Mikrofon-Array 110 (oder 111) einschließlich des Kombinierers 302 und der ANC-Prozessor 301 können eine ANC-Rückkopplungsstruktur oder einen Teil einer kombinierten Mitkopplungs-/Rückkopplungsstruktur bilden, wobei der elektrische Pfad zwischen dem Mikrofon-Array 110 (oder 111) und dem Lautsprecher 108 (oder 109) einschließlich des ANC-Prozessors 301 das Signal des Mikrofon-Arrays 110 (oder 111) filtert bevor es zum Lautsprecher 108 (oder 109) übertragen wird, so dass der vom Lautsprecher 108 (oder 109) erzeugte und zum Mikrofon-Array 110 (oder 111) über einen akustischen Pfad zwischen dem Lautsprecher 108 (oder 109) und dem Mikrofon-Array 110 (oder 111) übertragene Schall den Schall aus anderen Quellen, der an der Stelle des Mikrofon-Arrays 110 (oder 111) auftritt, reduziert oder unterdrückt.
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Zusätzlich zur Geräuschminderungsstruktur, kann der ANC-Kanal 300 einen Korrelator 303 (der mindestens eine Kreuzkorrelierungs- oder Auto-Korrelierungsoperation durchführt) beinhalten, der mindestens eines der Signale des Beschleunigungssensors 113 (oder 114) empfängt sowie ein Signal, das die Motorradkennwerte, wie Umdrehungen pro Minute (U/min) des Motors darstellt. Das Signal, das die Motorradkennwerte repräsentiert, kann über einen drahtgebundenen oder drahtlosen Datenbus 310 übertragen werden und U/min-Daten, die mit den Umdrehungen pro Minute (U/min) des Motors übereinstimmen, enthalten. Diese U/min-Daten können vom Motor-Klangsynthesizer 304 in ein elektrisches Schallsignal umgewandelt werden, welches das Schallsignal repräsentiert, das vom Motorrad erzeugt wird (z. B. von dessen Motor), wenn das Motorrad mit einer bestimmten Umdrehung pro Minute gefahren wird. Alternativ dazu kann das elektrische Schallsignal, das vom akustischen Schallsignal, welches der Motor generiert, wenn er mit einer bestimmten Umdrehungszahl pro Minute läuft, repräsentiert wird, von einem anderen Mikrofon (nicht gezeigt), welches den Original-Motorschall in der Nähe des Motors aufnimmt, generiert und mithilfe des Datenbuses 310 zum Korrelator 303 übertragen werden.
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Der Korrelator 303 kann das im Wesentlichen harmonische Signal vom Motor-Klangsynthesizer 304 mit einem Signal vom Beschleunigungssensor 113 (oder 114), welches ein Signal ist, das harmonische Signalkomponenten und nicht harmonische Komponenten enthält, kreuzkorrelieren. Alternativ oder zusätzlich kann eine Auto-Korrelierungsoperation auf das Signal des Sensors 113 (oder 114), z. B. vor der Kreuzkorrelation, angewendet werden. Der Beschleunigungssensor 113 (oder 114) bildet in Verbindung mit der Außenschale nicht nur einen Schwingungssensor, sondern ist auch eine Art von Mikrofon, das den Umgebungsschall in der Nähe des Helmes 100 und den Schall, der vom Helm erzeugt oder am Helm 100 auftritt, erfasst. Der Beschleunigungssensor 113 (oder 114) ist in Verbindung mit der Außenschale weniger empfindlich auf direkte Windgeräusche, die zu ungenauen Messungen des tatsächlichen Umgebungsschalles führen können, wenn herkömmliche Mikrofone verwendet werden.
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Der Korrelator 303 gibt Signale aus, die harmonische Signale sind oder mit dem harmonischen Motorschall korrelieren (als korrelierte Komponenten bezeichnet) und nicht harmonische Signale oder solche, die nicht mit dem harmonischen Motorschall korrelieren (als nicht-korrelierte Komponenten bezeichnet). Die korrelierten Komponenten entsprechen dem harmonischen Motorschall, das im Signal des Beschleunigungssensors 113 (oder 114) enthalten ist. Diese Motorschallkomponenten können in einer gedämpften und/oder gefilterten Weise durch ein Verstärkungs-/Filtermodul 305 dem Signal, mit dem der Lautsprecher 108 (oder 109) über den ANC-Prozessor 301 gespeist wird, hinzugefügt werden, so dass dieses Signal dem Nutzer, der den Helm 100 trägt, als hörbar, jedoch angenehm empfunden dargeboten wird. Das Verstärkungs-/Filtermodul 305 verfügt über verschiedene Betriebsarten, die von einem Signal gesteuert werden und es dem Nutzer erlauben, den ihm dargebotenen Schall anzupassen. Optional kann die nicht korrelierte Komponente des von dem Beschleunigungssensor 113 (oder 114) stammenden Signals, welches Schall enthält, der im Signal des Beschleunigungssensors 113 (oder 114) enthalten ist, an den ANC-Prozessor 301 gesendet werden, um eine Mitkopplungsstruktur oder eine Kombination aus Rückkopplungs- und Mitkopplungsstruktur, wie unten detailliert erklärt, zu implementieren.
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Alternativ oder zusätzlich zum Signal, welches den Motorschall repräsentiert, kann ein Signal, das andere gewünschte harmonische Komponenten mit spezifischen Frequenzeigenschaften von Fahrzeugen, anderen Motorrädern, Hupen oder Sirenen repräsentiert, die Grundlage für die Korrelationsoperation bilden. Dieses Signal kann von einem speziellen Warnton-Synthesizer 306 generiert werden, der über verschiedene Betriebsarten verfügen kann, um unterschiedliche Schallsituationen, wie variierende Warnsignale in verschiedenen Ländern etc. verarbeiten zu können und der mithilfe eines Signals MOD2, das dem Fahrer erlaubt, den von ihm gewünschten Warnton zu wählen, abgestimmt werden kann. Signal MOD 1 ermöglicht wiederum, den Schall, der dem Fahrer dargeboten wird, abzustimmen. Zusätzlich oder als Alternative können verschiedene Steuersignale in einem Speicher gespeichert oder über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung, je nach Position, in der sich der Helm gerade befindet, übertragen werden. Die Position kann z. B. durch ein Global Positioning System (GPS) 307 bestimmt werden und dazu verwendet werden, die gewünschten harmonischen Komponenten für eine spezielle Position auszuwählen, die aus dem Signal des Beschleunigungssensors 113 (oder des Beschleunigungssensors 114 oder Mikrofons 115) extrahiert werden sollen, z. B. Warnsignale, die typisch für die jeweilige Position sind, eventuell in Verbindung mit jeweiligen Steuerdaten, die als Signal MOD2 von einem Datenspeicher 309 oder über einen Datenbus 308 bereitgestellt werden.
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Unter Bezugnahme auf 4, kann bei einem ANC-Prozessor 400 vom Rückkoppelungstyp, der verwendet wird, um eine Rückkopplungsstruktur oder einen Teil einer kombinierten Mitkopplungs-/Rückkopplungsstruktur im ANC-Prozessor 301 bei der in 3 gezeigten Anordnung zu bilden, ein Störsignal d[n], das auch als Geräuschsignal bezeichnet wird, über einen Primärpfad 401 zu einem Hörort, z. B. das Ohr des Benutzers, übertragen (ausgestrahlt) werden. Der Primärpfad 401 hat eine Übertragungscharakteristik von P(z). Außerdem wird ein Eingangssignal v[n] von einem Lautsprecher, z. B. Lautsprecher 108 (oder 109), über einen Sekundärpfad 402 zum Hörort übertragen (ausgestrahlt). Der Sekundärpfad 402 hat eine Übertragungscharakteristik von S(z). Ein Mikrofon oder ein Array von Mikrofonen, z. B. Mikrofon 110 (oder 111), das sich am Hörort befindet, empfängt die von dem Lautsprecher 108 (oder 109) stammenden Signale und das Störsignal d[n]. Das Mikrofon 110 (oder 111) stellt ein Mikrofonausgangssignal y[n] zur Verfügung, das die Summe dieser empfangenen Signale darstellt. Das Mikrofonausgangssignal y[n] wird als Filtereingangssignal u[n] an das Rückkopplungs-ANC-Filter 403 gesendet, das ein Fehlersignal e[n] an einen Addierer 404 ausgibt. Das Rückkopplungs-ANC-Filter 403, das ein adaptives Filter sein kann, hat eine Übertragungscharakteristik von W(z). Der Addierer 404 empfängt vom Korrelator 303 zudem das gedämpfte oder vorgefilterte, korrelierte Signal als Eingangssignal x[n] und sendet ein Ausgangssignal v[n] an den Lautsprecher 108 (oder 109). Zusätzlich zum Addierer 404 oder anstelle des Addierers 404 kann ein Subtrahierer 405 das Eingangssignal x[n] vom Mikrofonausgangssignal y[n] subtrahieren, um das Eingangssignal u[n] des Rückkopplungs-ANC-Filters zu bilden. Damit ist es möglich, das gewünschte, korrelierte Geräusch entweder über den Addierer 404 oder den Subtrahierer 405 oder über beide, den Addierer 404 und den Subtrahierer 405, in die Rückkopplungsschleife einzuspeisen. Optional kann das gedämpfte oder vorgefilterte, korrelierte Signal, welches das Eingangssignal x[n] bildet, mit einem zusätzlichen Filter 406 mit einer Übertragungsfunktion H(z), z. B. einer Tiefpassfiltercharakteristik, gefiltert werden, bevor es in den Subtrahierer 405 eingespeist wird.
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Die Signale X(z), Y(z), V(z), E(z) und U(z) repräsentieren im Frequenzbereich (z-Domäne) die (diskreten) Zeitbereichssignale x[n], y[n], v[n], e[n] und u[n], so dass die Differentialgleichungen, die das System in
4 beschreiben, wie folgt lauten:
und unter der Annahme, dass H(z) ≈S(z) ergibt sich E(z) = W(z)•U(z) ≈ W(z)•(Y(z)-S(z)-X(z)).
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Optional kann ein gewünschtes Signal, z. B. Musik oder Sprache, mit dem ANC-Prozessor 400 wiedergegeben werden, indem beispielsweise mithilfe eines Addierers 408 ein gewünschtes Signal m[n] aus einer Quelle 407 den korrelierten Signalen hinzuaddiert wird, um das Eingangssignal x[n] zu bilden. Das gewünschte Signal m[n] kann mithilfe eines steuerbaren (Soft-) Schalters 409 gedämpft werden, wenn ein Demodulator 410 korrelierte Signale erkennt. Wenn beispielsweise ein Warnsignal, z. B. eine Hupe oder Sirene, von einem ANC-Prozessor 400 wiedergegeben werden soll, schaltet der Schalter 409 die Musik stumm, d. h. schaltet (weich) die Musik (z. B. dargestellt durch das gewünschte Signal m[n]) so lange aus, wie das Warnsignal präsent ist.
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5 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Mitkopplungs-ANC-Prozessors 500, der den gefilterten-x Least-Mean-Square Algorithmus (fxLMS) verwendet und der als oder im ANC-Prozessor 301 in 3 verwendet werden kann. In 5 sind der Primärpfad wiederum mit P(z), der Sekundärpfad (oder Vorwärtspfad) wiederum mit S(z), die Schätzung des Sekundärpfades mit S(z), die Übertragungsfunktion des adaptiven Filters mit W(z), das Eingangssignal mit x[n], der Ausgang des adaptiven Filters mit y[n], das primäre Geräuschsignal mit d[n] und das Fehlersignal mit e[n] bezeichnet.
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Im Mitkopplungs-ANC-Prozessor, der in
5 gezeigt wird, werden die korrelierten Signale vom Korrelators 303 und das abgeschwächte oder vorgefilterte, korrelierte Signal vom Verstärkungs-/Filtermodul 305 mittels eines Addierers 506 aufsummiert, um ein Eingangssignal x[n] zu liefern, das in das adaptive Filter 501 und ein Filter 503 eingespeist wird. Das adaptive Filter 501 überträgt das Signal y[n] zum Lautsprecher 108/109 und hat die Übertragungsfunktion W(z), die vom Least-Mean-Square-Modul (LMS-Modul) 502 gesteuert wird. Das LMS-Modul 502 empfängt das Fehlersignal vom Mikrofon 110/111 und ein Signal vom Filter 503. Das Signal vom Filter 503 repräsentiert das Eingangssignal x[n], das mit einer Übertragungsfunktion, die eine Schätzung des Sekundärpfades S(z) ist, gefiltert wird. Die Zeitbereichssignale x[n], y[n], d[n] und e[n] des Systems in
5 entsprechen den z-Domäne-Signalen X(z), Y(z), D(z) und E(z). In der Annahme, dass das adaptive Filter ein zeitlich unveränderliches Filter ist, können die Signale des Systems in
5 wie folgt in der z-Domäne beschrieben werden:
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Ziel des adaptiven Filters 501, d.h. der Übertragungsfunktion W(z), ist es, den Fehler E(z) zu minimieren, der im idealen Fall nach der Konvergenz der Übertragungsfunktion W(z) gleich Null ist. Wird daher in der obigen Gleichung E(z) = 0 gesetzt, ergibt sich für das optimale Filter: W(z) = -P(z)/S(z).
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6 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Mikrofon-/Lautsprecherkombination 601, die in dem in 1 gezeigten Helm anstelle der Ohrschalen 105 und 106 verwendet wird. Im Gegensatz zu den Ohrschalen 105 und 106, wird die Mikrofon-/Lautsprecherkombination 601 direkt in der Schale montiert, ohne dass es einer Geräuschdämpfungskapselung bedarf. Die Mikrofon-/Lautsprecherkombination 601 beinhaltet ein Gehäuse 602, in dem ein Lautsprecher 603 untergebracht ist. Der Lautsprecher 603 ist im Innern des Gehäuses 602 angeordnet und hat eine Vorderseite, die eine Öffnung 604 im Gehäuse 602 abdeckt. An der Außenseite der Öffnung 604, d. h. vor dem Lautsprecher 603, kreuzt ein Steg 605 die Öffnung 604. Der Steg 605 lagert ein einzelnes Mikrofon 606, das parallel zur Öffnung 604 ausgerichtet ist. Anstelle eines einzelnen Mikrofons kann ein Array von Mikrofonen verwendet werden. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Wangenstücks 701 zur Verwendung im Innern des in 1 gezeigten Helmes. Das Wangenstück 701 kann aus Plastik, z. B. EPS, hergestellt und von einem weichen Gewebe (hier nicht gezeigt) bedeckt sein. Die Mikrofon-/Lautsprecherkombination 601 kann passgenau in das Wangenstück 701 an der Position des Ohres des Helmnutzers eingepresst sein, ohne dass es weiterer Dämpfungsmaßnahmen bedarf.
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8 zeigt exemplarisch ein aktives Geräuschminderungsverfahren für einen Helm, das bei dem in den 1-7 gezeigten System angewendet werden kann. Der Helm hat eine steife Schale, die das Innere der Schale von der Außenseite der Schale räumlich trennt. In einem Prozess 801 wird mindestens ein gewünschtes Schallsignal, das mindestens ein gewünschtes Schallmuster repräsentiert, welches an der Schalenaußenseite auftritt, empfangen. In einem Prozess 802, wird auf der Grundlage von mindestens einem gewünschten Schallsignal Antischall erzeugt, der so ausgebildet ist, dass er mit dem internen Schall, welcher im Schaleninnern auftritt, durch Überlagerung interagiert. Der interne Schall umfasst erste interne Schallkomponenten und zweite interne Schallkomponenten, wobei die ersten internen Schallkomponenten nicht mit dem mindestens einen gewünschten Schallmuster übereinstimmen und die zweiten internen Schallkomponenten mit dem mindestens einen gewünschten Schallmuster übereinstimmen. Der Antischall ist ferner so gestaltet, um die ersten internen Schallkomponenten abzuschwächen und die zweiten internen Schallkomponenten zu verstärken, nicht abzuschwächen oder in geringeren Maße als die ersten internen Schallkomponenten abzuschwächen.
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9 zeigt exemplarisch ein Wahrnehmungsverfahren für einen Helm mit einer steifen Schale, der das Schaleninnere räumlich von der Schalenaußenseite trennt. In einer Prozedur 901 wird mindestens ein Wiedergabe-Schallsignal empfangen. In einer Prozedur 902 wird aus mindestens einem Wiedergabe-Schallsignal ein der Wiedergabe entsprechender Schall im Schaleninneren generiert. Eine Prozedur 903 beinhaltet das Empfangen und Verarbeiten von mindestens einem Umgebungsschallsignal, das einen Schall repräsentiert, welcher an der Schalenaußenseite auftritt, um mindestens ein gewünschtes Schallsignal zu erkennen. Die Erzeugung von mindestens einem Wiedergabe-Schall wird gestoppt, wenn mindestens ein gewünschtes Schallmuster erkannt wird (Prozedur 904).
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10 zeigt beispielhaft ein automatisches Lärmbekämpfungsverfahren für einen Helm mit einer steifen Schale, die so gestaltet ist, dass sie das Schaleninnere von der Schalenaußenseite räumlich trennt und in Verbindung mit mindestens einem Lautsprecher, der im Schaleninneren angeordnet ist, Antischall im Schaleninnern erzeugt, der auf mindestens einem Eingangssignal (Prozedur 1001) basiert. Der Antischall ist so ausgebildet, dass er den Schall, der im Schaleninnern auftritt durch destruktive Überlagerung abschwächt. Eine Prozedur 1002 beinhaltet die Bereitstellung von mindestens einem Eingangssignal durch mindestens eines von: Aufnehmen eines Geräusches in der Nähe des Lautsprechers im Schaleninnern (Prozedur 1003); Aufnehmen von Schwingungen der Schale (Prozedur 1004); und Aufnehmen von Schall in der Nähe der Schalenaußenseite (Prozedur 1005).
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Der Helm, das System, das Verfahren und die Software wie hierin beschrieben ermöglichen die Abschwächung, Reduzierung oder Unterdrückung von nichtharmonischem Schall, z. B. von Geräuschen, die durch Wind oder Regen verursacht werden. Es werden jedoch alle oder ausgewählte harmonische Signale, z. B. Motorradmotorschall, Sirenen und Hupen nur reduziert auf einen angenehmen Lärmpegel. Darüber hinaus kann Musik stummgeschaltet werden, wenn Warnsignale etc. auftreten, um die Aufmerksamkeit des Fahrers vollständig auf das Warnsignal zu lenken.
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Es ist anzumerken, dass alle oben gezeigten Filter feste, geregelte oder adaptive Filter sein können und wie alle anderen signalverarbeitenden Teile in den obigen Beispielen in analoger oder digitaler Hardware oder Software realisiert werden können. Die Filter können jeden Filtertyp und jede Struktur haben (z. B. Filter mit oder ohne Signalrückführung). Die Anzahl der verwendeten Lautsprecher, Mikrofone und ANC-Kanäle ist unbegrenzt, sie können in jeder möglichen Konstellation angeordnet werden (z. B. zwei Gruppen zu jeweils vier Mikrofonen in Verbindung mit zwei ANC-Kanälen, zwei nicht akustische Sensoren und zwei Lautsprecher oder zwei Gruppen mit jeweils zwei Mikrofonen in Verbindung mit einem ANC-Kanal pro Mikrofon, ein nicht akustischer Sensor und zwei Lautsprecher etc. Die ANC-Kanäle können jede geeignete Struktur aufweisen, z. B. eine Rückkopplung, eine Mitkopplung oder eine kombinierte Mit-/Rückkopplung. Darüber hinaus ist anstatt der Kreuzkorrelation im Signal des nicht-akustischen Sensors und des Signals, das die Motor- oder Motorradcharakteristika darstellt, eine Kreuzkorrelation nur für das Signal des nicht-akustischen Sensors möglich. Anstelle von nicht-akustischen Sensoren können akustische Sensoren verwendet werden. Zu den hier beschriebenen Motorradhelmen gehören alle Helmtypen, die in ähnlicher Weise verwendet werden können. Darüber hinaus können das oben beschriebene System und die Verfahren für alle Arten der aktiven Lärmbekämpfung verwendet werden.
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Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, ist es für Fachleute offensichtlich, dass es im Rahmen der Erfindung noch mehr Ausführungsformen und Implementierungen geben kann. Ein Fachmann wird insbesondere die Austauschbarkeit der zahlreichen Merkmale aus verschiedenen Ausführungsformen erkennen. Obwohl diese Techniken und Systeme im Zusammenhang mit bestimmten Ausführungsformen und Beispielen offenbart worden sind, versteht es sich, dass diese Techniken und Systeme über die speziell offenbarten Ausführungsformen hinaus auf andere Ausführungsformen und/oder Anwendungen und offensichtlichen Modifikationen davon ausgedehnt werden können. Demzufolge ist die Erfindung nicht eingeschränkt, außer in Anbetracht der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente.
