DE112021004930T5

DE112021004930T5 - Kopfhörer mit geräuschunterdrückung

Info

Publication number: DE112021004930T5
Application number: DE112021004930.5T
Authority: DE
Inventors: Peter McCutcheon
Original assignee: Ams International AG
Current assignee: Ams International AG
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2023-07-27
Also published as: US20240031729A1; TW202316865A; CN116584107A; TWI835030B; WO2022122361A1

Abstract

Ein Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung, der auf oder über dem Ohr eines Benutzers zu tragen ist, umfasst einen Lautsprecher (SP), ein Vorwärtsmikrofon (FF_MIC), das vorwiegend Umgebungsgeräusche erfasst, ein Fehlermikrofon (ERR_MIC), das vor dem Lautsprecher (SP) in einer primären Schallabstrahlungsrichtung des Lautsprechers (SP) angeordnet ist und eingerichtet ist, den vom Lautsprecher (SP) ausgegebenen Schall und Umgebungsschall zu erfassen. Eine Schallwand (BAF) ist zwischen dem Lautsprecher (SP) und dem Fehlermikrofon (ERR_MIC) in der primären Schallabstrahlungsrichtung angeordnet, so dass der vom Lautsprecher (SP) abgegebene Schall durch die Schallwand an einem Ort des Fehlermikrofons (ERR_MIC) verzögert wird. Ein adaptiver Geräuschunterdrückungscontroller (ANCC) ist eingerichtet, um eine Vorwärtsgeräuschunterdrückung auf der Grundlage eines mit dem Vorwärtsmikrofon (FF_MIC) aufgezeichneten und mit Vorwärtsfilterparametern gefilterten Vorwärtssignals durchzuführen und die Vorwärtsfilterparameter auf der Grundlage eines mit dem Fehlermikrofon (ERR_MIC) aufgezeichneten Fehlersignals anzupassen.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung, der auf oder über einem Ohr eines Benutzers getragen wird.
VERWEIS AUF FRÜHERE ANMELDUNGEN
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102020133139.8 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Heutzutage ist eine große Anzahl von Kopfhörern mit Geräuschunterdrückungstechniken ausgestattet. Solche Geräuschunterdrückungstechniken werden zum Beispiel als aktive Geräuschunterdrückung oder Umgebungsgeräuschunterdrückung bezeichnet, beide abgekürzt mit ANC. ANC nutzt im Allgemeinen die Aufnahme von Umgebungsgeräuschen, die durch Filter verarbeitet werden, um ein Anti-Rausch-Signal zu erzeugen, das dann mit einem nützlichen Audiosignal kombiniert wird, das über einen Lautsprecher des Kopfhörers wiedergegeben wird.
Bei verschiedenen ANC-Konzepten werden Rückkopplungsmikrofone (FB), Vorwärtsmikrofone (FF) oder eine Kombination aus Rückkopplungs- und Vorwärtsmikrofonen verwendet. Bei FF ANC wird das Vorwärtsmikrofon (FF) an der Außenseite des Kopfhörers angebracht, so dass es akustisch vom Kopfhörertreiber entkoppelt ist.
Einige Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung sind in der Lage, eine Anpassung des Filters der FF ANC auf der Grundlage eines Fehlersignals vorzunehmen, das von einem Fehlermikrofon aufgezeichnet wird, das sich in einem Volumen befindet, das direkt akustisch mit dem Trommelfell gekoppelt ist, üblicherweise nahe der Vorderseite des Kopfhörertreibers. Eine optimale Performance für die Anpassung würde jedoch an der Stelle des Trommelfells erreicht, die das gewünschte Ziel für die Auslöschung ist. In einem realen Kopfhörer ist es jedoch nicht möglich, ein Mikrofon im Gehörgang zu platzieren, um ein Signal am Trommelfell zu überwachen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein zu erreichendes Ziel ist es, ein verbessertes Konzept zur adaptiven Geräuschunterdrückung in einem Kopfhörer bereitzustellen.
Dieses Ziel wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs erreicht. Ausführungsformen und Weiterentwicklungen des verbesserten Konzepts sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das verbesserte Konzept bezieht sich auf einen Kopfhörer mit adaptiver Geräuschunterdrückung, der ein Anti-Rausch-Signal verfeinern kann, um Änderungen in der Kopfhörerakustik aufgrund von Variationen in der Kopfhörerpassform und aufgrund von Fertigungstoleranzen zu kompensieren. Solche Änderungen in der Akustik eines Kopfhörers, der auf oder über dem Ohr eines Benutzers getragen wird, können zum Beispiel auftreten, wenn sich eine Undichtigkeit von der Umgebung zum Kopfhörervolumen, das direkt akustisch mit dem Trommelfell gekoppelt ist, ändert.
Insbesondere basiert das verbesserte Konzept auf der Erkenntnis, dass eine Phasenbeziehung zwischen einem Schallweg von der Umgebung zum Trommelfell und einem Schallweg vom Lautsprecher oder Treiber zum Trommelfell nicht mit einer Phasenbeziehung zwischen einem Schallweg von der Umgebung zum Fehlermikrofon und einem Schallweg vom Lautsprecher oder Treiber zum Fehlermikrofon übereinstimmt. Daher schlägt das verbesserte Konzept vor, das Ausgangssignal des Kopfhörertreibers relativ zum Fehlermikrofon zu verzögern, so dass die Verhältnisse, die sich aus den am Fehlermikrofon erfassten Signalen ergeben, eher denen am Trommelfell-Referenzpunkt (DRP) entsprechen. Die Verzögerung wird durch eine Schallwand zwischen dem Lautsprecher und dem Fehlermikrofon erreicht. Dadurch kann ein adaptives Geräuschunterdrückungssystem die Signale am Trommelfell genauer überwachen, was zu einer genaueren Anpassung und besseren Geräuschunterdrückung führt.
Das verbesserte Konzept ist z. B. auf ohrumschließende Kopfhörer und/oder supra-aurale Kopfhörer anwendbar. Ohrumschließende Kopfhörer (manchmal auch als Vollkopfhörer oder Über-Ohr-Kopfhörer bezeichnet) haben runde oder ellipsenförmige Ohrpolster, die die Ohren umschließen. Da diese Kopfhörer das Ohr vollständig umschließen, können sie so konstruiert werden, dass sie den Kopf abdichten, um Außengeräusche zu dämpfen. Supra-aurale Kopfhörer oder Auf-Ohr-Kopfhörer haben Polster, die gegen die Ohren drücken, anstatt sie zu umschließen. Bei dieser Art von Kopfhörern werden Außengeräusche in der Regel weniger stark gedämpft.
Das FF-Ziel eines herkömmlichen Kopfhörers wird im Allgemeinen durch die folgende Formel dargestellt: $\frac{A E}{A F F M . D E},$
wobei AE die akustische Übertragungsfunktion zwischen Umgebung und Ohr, DE die akustische Übertragungsfunktion zwischen Treiber und Ohr und AFFM die akustische Übertragungsfunktion zwischen Umgebung und FF-Mikrofon ist. Am Fehlermikrofon wird dies zu: $\frac{A E r r}{A F F M, D E r r},$
wobei AErr die akustische Übertragungsfunktion von der Umgebung zum Fehlermikrofon und DErr die akustische Übertragungsfunktion vom Treiber zum Fehlermikrofon ist. Analysiert man die Signalwege eines Kopfhörers, wenn sich unter dem Ohrpolster ein akustisches Leck befindet, so wird deutlich, dass der Hauptunterschied zwischen den beiden FF-Zielen darin besteht, dass der Unterschied in der Weglänge zwischen den AE/DE-Signalen im Vergleich zu den AErr/DErr-Signalen erheblich ist, was zu einer signifikanten Phasendifferenz in den FF-Zielen führt. Die Verzögerung von DErr verringert diesen Unterschied.
Daher umfasst ein Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung, der auf oder über dem Ohr eines Benutzers getragen wird, gemäß dem verbesserten Konzept einen Lautsprecher, ein Vorwärtsmikrofon, das vorwiegend Umgebungsgeräusche erfasst, und ein Fehlermikrofon, das vor dem Lautsprecher in einer primären Richtung der Schallabstrahlung des Lautsprechers angeordnet ist. Das Fehlermikrofon ist so ausgelegt, dass es den vom Lautsprecher abgegebenen Schall und den Umgebungsschall erfasst. Der Kopfhörer umfasst ferner eine Schallwand, die zwischen dem Lautsprecher und dem Fehlermikrofon in der primären Schallabstrahlungsrichtung angeordnet ist, so dass der vom Lautsprecher abgegebene Schall durch die Schallwand an einem Ort des Fehlermikrofons verzögert wird. Der Kopfhörer ist eingerichtet, ein Vorwärtssignal mit dem Vorwärtsmikrofon und ein Fehlersignal mit dem Fehlermikrofon aufzuzeichnen und das Vorwärtssignal und das Fehlersignal einem adaptiven Geräuschunterdrückungscontroller zuzuführen.
Der adaptive Geräuschunterdrückungscontroller ist eingerichtet, eine Vorwärtsgeräuschunterdrückung auf der Grundlage des mit Vorwärtsfilterparametern gefilterten Vorwärtssignals durchzuführen. Der adaptive Geräuschunterdrückungscontroller ist ferner eingerichtet, die Vorwärtsfilterparameter auf der Grundlage des mit dem Fehlermikrofon aufgezeichneten Fehlersignals anzupassen.
Dementsprechend erfüllt die Schallwand die Funktion der Verzögerung der akustischen Übertragungsfunktion DErr zwischen Treiber und Fehlermikrofon. Dadurch wird das mit dem Fehlermikrofon aufgezeichnete Fehlersignal sowohl in Bezug auf den Umgebungsschall als auch auf den vom Lautsprecher ausgegebenen Schall besser an das gewünschte Ziel am Trommelfell des Benutzers angepasst.
Insbesondere ist die Schallwand so angeordnet, dass sie den Umgebungsschall, der vom Fehlermikrofon erfasst wird und in ein Luftvolumen zwischen dem Lautsprecher und einem Ohr eines Benutzers an einem Ohrpolster des Kopfhörers gelangt, nicht verzögert. Die Schallwand kann ferner so angeordnet sein, dass weder der vom Lautsprecher ausgegebene Schall noch der in das Luftvolumen zwischen dem Lautsprecher und einem Ohr des Benutzers am Ohrpolster eintretende Umgebungsschall auf seinem Weg zum Trommelfell des Benutzers verzögert wird.
In verschiedenen Ausführungsformen des Kopfhörers vergrößert die Schallwand beispielsweise den Schallweg oder den akustischen Ausbreitungsweg, z. B. die Laufzeit oder die Ausbreitungsdistanz, zwischen dem Lautsprecher und dem Fehlermikrofon, z. B. im Vergleich zu einem direkten Schallweg zwischen dem Lautsprecher und dem Fehlermikrofon ohne die Schallwand. Dementsprechend wird die Verzögerung des vom Lautsprecher ausgegebenen Schalls durch den verlängerten Schallweg des akustischen Signals erreicht.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Schallwand akustisch undurchlässig, so dass sich der vom Lautsprecher abgegebene Schall entlang der Schallwand zum Fehlermikrofon ausbreitet. Mit anderen Worten, um das Mikrofon zu erreichen, kann der vom Lautsprecher abgegebene Schall nicht durch die Schallwand gehen, sondern muss sich um die Schallwand herum ausbreiten, z. B. entlang einer Oberfläche der Schallwand.
In einigen Ausführungsformen ist die Schallwand eine akustisch durchlässige Schallwand oder eine Schallwand mit akustischem Widerstand, so dass sich der vom Lautsprecher abgegebene Schall auf dem Weg des geringsten Widerstands zum Fehlermikrofon ausbreitet, der durch die akustische Impedanz der Schallwand bestimmt wird. Wenn die Schallwand beispielsweise nicht vollständig akustisch undurchlässig ist, wird die von der Schallwand erzeugte Verzögerung verringert, wenn die Impedanz des Schallwandmaterials reduziert wird.
In verschiedenen Ausführungsformen befindet sich das Fehlermikrofon bzw. ein Bereich, in dem das Fehlermikrofon Schall empfängt, in der Mitte des Kopfhörers. Dadurch wird erreicht, dass eine Abweichung in der akustischen Übertragungsfunktion AErr zwischen Umgebung und Fehlermikrofon minimiert wird, wenn eine Undichtigkeit unter dem Ohrpolster von verschiedenen Stellen ausgeht.
Zum Beispiel ist ein Bereich des Schallempfangs des Fehlermikrofons im Allgemeinen äquidistant in Bezug auf ein Ohrpolster des Kopfhörers angeordnet, z. B. ein umlaufendes Ohrpolster. Generell äquidistant bedeutet zum Beispiel, dass eine Variation im Abstand zum Umfang des Ohrpolsters minimiert wird.
Beispielsweise ist der Bereich des Schallempfangs eine Öffnung eines Hohlraums, in dem das Fehlermikrofon eingeschlossen ist. Daher muss der gesamte Schall, der zum Fehlermikrofon gelangt, durch diesen Schallaufnahmebereich gehen, so dass die tatsächliche Position des Fehlermikrofons innerhalb des Hohlraums keine oder nur eine untergeordnete Rolle für den effektiven Schallweg oder den akustischen Ausbreitungsweg zum Fehlermikrofon spielt. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die verschiedenen Positionen wirksam, an denen Umgebungsschall in das Luftvolumen zwischen dem Lautsprecher und dem Ohr des Benutzers am Ohrpolster eindringen kann.
In verschiedenen Ausführungsformen deckt die Schallwand einen aktiven Bereich der Schallabstrahlung des Lautsprechers zumindest teilweise ab. So deckt die Schallwand beispielsweise zwischen 30 % und 95 % der aktiven Schallabstrahlungsfläche des Lautsprechers ab, z. B. zwischen 50 % und 80 %.
In verschiedenen Ausführungsformen befindet sich die Schallwand im Wesentlichen mittig vor der aktiven Schallabstrahlungsfläche des Lautsprechers. In einer solchen Ausführung kann das Fehlermikrofon oder zumindest der Bereich, in dem das Fehlermikrofon den Schall empfängt, in Bezug auf die Schallwand zentral angeordnet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der aktive Bereich der Schallabstrahlung einfach durch die Membran des Lautsprechers bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Membran des Lautsprechers jedoch in einem Hohlraum oder in einem Gehäuse des Lautsprechers angeordnet sein, wobei ein Auslass des Hohlraums oder des Gehäuses die aktive Fläche der Schallabstrahlung des Lautsprechers bestimmt. Der Auslass des Hohlraums oder des Gehäuses ist beispielsweise an ein Ohrkanalvolumen des Benutzers gekoppelt.
In einigen Implementierungen wird das Fehlermikrofon auch als Rückkopplungsmikrofon (FB) zur Durchführung der FB-Geräuschunterdrückung verwendet. Beispielsweise ist der adaptive Geräuschunterdrückungscontroller ferner eingerichtet, die FB-Geräuschunterdrückung auf der Grundlage des mit dem Fehlermikrofon aufgenommenen und mit FB-Filterparametern gefilterten Fehlersignals durchzuführen.
Aufgrund der durch die Schallwand verursachten Verzögerung kann die obere Bandbreite der FB-Geräuschunterdrückung jedoch reduziert sein. Dies kann zu einer Verringerung der Leistung der FB-Geräuschunterdrückung führen. Dies ist bei einer Reihe von Anwendungen aufgrund der verbesserten Vorwärtsgeräuschunterdrückung tolerierbar.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Kopfhörer jedoch auch ein Rückkopplungsmikrofon, das in der Nähe des Lautsprechers in der primären Richtung der Schallabstrahlung angeordnet ist und den vom Lautsprecher abgegebenen Schall sowie den Umgebungsschall erfasst. Der Kopfhörer ist ferner eingerichtet, ein Rückkopplungssignal mit dem FB-Mikrofon aufzuzeichnen und das Rückkopplungssignal an den adaptiven Geräuschunterdrückungscontroller zu liefern, der ferner eingerichtet ist, die FB-Geräuschunterdrückung auf der Grundlage des mit dem FB-Mikrofon aufgezeichneten und mit FB-Filterparametern gefilterten Rückkopplungssignals durchzuführen.
Während also das Vorhandensein der Schallwand zu einer Verzögerung der Tonausgabe des Lautsprechers und des Fehlermikrofons führt, tritt an der Position des Rückkopplungsmikrofons keine Verzögerung auf. Die Nähe des Rückkopplungsmikrofons zum Lautsprecher bedeutet, dass zumindest ein Bereich des Schallempfangs des Rückkopplungsmikrofons so nahe am Lautsprecher bzw. am Bereich der Schallemission des Lautsprechers liegt, dass zwischen Schallemission und Schallempfang nur eine geringe oder gar keine Verzögerung besteht.
Der adaptive Geräuschunterdrückungscontroller kann sich außerhalb des Kopfhörers befinden, z. B. in einem mobilen Gerät, an das der Kopfhörer angeschlossen ist, oder er kann vom Kopfhörer umfasst sein.
In allen oben beschriebenen Ausführungsformen kann ANC sowohl mit digitalen als auch mit analogen Filtern durchgeführt werden. Alle Audiosysteme können auch eine rückgekoppelte ANC beinhalten. Die Verarbeitung und Aufzeichnung der verschiedenen Signale wird vorzugsweise im digitalen Bereich durchgeführt.
Figurenliste
Das verbesserte Konzept wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Elemente, die die gleiche oder eine ähnliche Funktion haben, tragen in den Zeichnungen die gleichen Bezugsziffern. Daher wird ihre Beschreibung in den folgenden Zeichnungen nicht unbedingt wiederholt.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Kopfhörers;
2 eine weitere schematische Ansicht eines Kopfhörers;
3 Phasen-Frequenz-Diagramme in Verbindung mit einem Kopfhörer;
4 eine weitere schematische Ansicht eines Kopfhörers; und
5 eine weitere schematische Ansicht eines Kopfhörers in einer aufgerichteten Ansicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Implementierung eines Kopfhörers gemäß dem verbesserten Konzept, wobei der Kopfhörer über dem Ohr eines Benutzers getragen wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kopfhörer als ein ohrumschließender Kopfhörer mit einem Kopfhörerkörper BDY ausgeführt, der ein im Wesentlichen umlaufendes Polster ECU aufweist, das im Wesentlichen ein Luftvolumen zwischen einem inneren Abschnitt des Kopfhörers und dem Ohr des Benutzers abdichtet. Wie weiter unten näher erläutert wird, kann die Abdichtung zwischen dem Kopfhörer bzw. dem Polster ECU und dem Kopf des Benutzers variieren, z. B. aufgrund von Bewegungen des Benutzers oder des Kopfhörers, unterschiedlichen Formen verschiedener Benutzer, die den Kopfhörer tragen, oder Fertigungstoleranzen.
Der Kopfhörer umfasst einen Lautsprecher SP, der schematisch nur mit einem Hinweis auf eine Spule und einen Bereich der Schallabstrahlung des Lautsprechers SP dargestellt ist, z.B. eine Membran oder eine Öffnung oder ein Gehäuse des Lautsprechers SP, in dem die Membran angeordnet ist.
Der Kopfhörer ist als Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung ausgestattet und arbeitet mit einem adaptiven Geräuschunterdrückungscontroller ANCC und einem Vorwärtsmikrofon FF_MIC zusammen, das vorwiegend Umgebungsgeräusche erfasst. Zu diesem Zweck ist das Vorwärtsmikrofon FF_MIC im Gehäuse BDY angeordnet, das vom Kopfhörer weg bzw. in Richtung der Umgebungsgeräusche zeigt. Der adaptive Geräuschunterdrückungscontroller ANCC ist eingerichtet, eine Vorwärtsgeräuschunterdrückung auf der Grundlage eines mit dem Vorwärtsmikrofon FF_MIC aufgenommenen und mit Vorwärtsfilterparametern gefilterten Vorwärtssignals durchzuführen. Wie in der Technik bekannt, wird das gefilterte Signal über den Lautsprecher SP ausgegeben, um Umgebungsgeräusche, die das Ohr des Benutzers erreichen, mit einem Anti-Rausch-Signal auszulöschen oder zumindest zu kompensieren. Im vorliegenden Beispiel umfasst der Kopfhörer den adaptiven Geräuschunterdrückungscontroller ANCC. In anderen Ausführungsformen kann sich das adaptive Geräuschunterdrückungssteuergerät ANCC jedoch auch außerhalb des Kopfhörers befinden, z. B. in einem mobilen Gerät, mit dem der Kopfhörer verbunden ist.
Die Vorwärtsgeräuschunterdrückung funktioniert durch Anpassung eines elektronischen Filters, das durch die Parameter des Vorwärtsfilters definiert ist, an eine akustische Zielantwort, die hauptsächlich die passive Dämpfung des Kopfhörers und die Lautsprecherantwort kompensiert.
Bei sich ändernden Bedingungen, insbesondere bei sich ändernden Dichtungsbedingungen, ändert sich diese Zielantwort, so dass es wünschenswert ist, die Parameter des Vorwärtsfilters anzupassen, um die geänderten Bedingungen zu berücksichtigen. Zu diesem Zweck umfasst der Kopfhörer ein Fehlermikrofon ERR_MIC, das vor dem Lautsprecher SP in einer primären Richtung der Schallabstrahlung des Lautsprechers angeordnet ist. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, bedeutet dies, dass das Fehlermikrofon ERR_MIC irgendwo zwischen dem Lautsprecher und dem Ohr des Benutzers angeordnet ist, das durch die Ohrmuschel, einen Ohrkanal EC und das Trommelfell ED gebildet wird, das den Trommelfellbezugspunkt (DRP) definiert. Das Fehlermikrofon ERR_MIC ist so ausgelegt, dass es den vom Lautsprecher ausgegebenen Schall und den Umgebungsschall erfasst. Ein mit dem Fehlermikrofon ERR_MIC aufgezeichnetes Fehlersignal wird zur Einstellung der Parameter des Vorwärtsfilters verwendet.
Das Vorwärts-Ziel eines herkömmlichen Kopfhörers wird allgemein durch die folgende Formel beschrieben: $\frac{A E}{A F F M . D E},$
wobei AE die akustische Übertragungsfunktion zwischen einer Umgebungsgeräuschquelle und dem Trommelfell ED des Benutzers ist, DE die akustische Übertragungsfunktion zwischen dem Lautsprecher SP und dem Trommelfell ED des Benutzers ist und AFFM die akustische Übertragungsfunktion zwischen der Umgebungsgeräuschquelle und dem FF-Mikrofon FF_MIC ist.
Am Fehlermikrofon ERR_MIC wird dies zu: $\frac{A E r r}{A F F M, D E r r},$
wobei AErr die akustische Übertragungsfunktion zwischen der Umgebungsgeräuschquelle und dem Fehlermikrofon ERR_MIC ist und DErr die akustische Übertragungsfunktion zwischen dem Lautsprecher SP und dem Fehlermikrofon ERR_MIC ist.
Analysiert man die Signalwege in einem herkömmlichen Kopfhörer, wenn eine akustische Undichtigkeit unter dem Ohrpolster vorhanden ist, so stellt man fest, dass der Hauptunterschied zwischen den beiden FF-Zielen darin besteht, dass der Unterschied in der Weglänge zwischen den AE/DE-Signalen im Vergleich zu den AErr/DErr-Signalen erheblich ist, was zu einer signifikanten Phasendifferenz in den FF-Zielen führt.
Der Kopfhörer nach dem verbesserten Konzept umfasst jedoch zusätzlich eine Schallwand BAF, die zwischen dem Lautsprecher SP und dem Fehlermikrofon ERR_MIC in der primären Richtung der Schallabstrahlung angeordnet ist, so dass der vom Lautsprecher SP abgegebene Schall durch die Schallwand BAF an einer Stelle des Fehlermikrofons ERR_MIC verzögert wird.
Während bei herkömmlichen Kopfhörern, bei denen eine solche Schallwand BAF nicht vorhanden ist, der Schallweg vom Lautsprecher zum Fehlermikrofon recht kurz ist, ist der Schallweg vom Lautsprecher SP zum Fehlermikrofon ERR_MIC mit der Schallwand BAF länger, wodurch die Phasendifferenz zwischen AErr und DErr verringert wird, so dass sie den idealen Bedingungen am Trommelfell ED zwischen AE und DE besser entspricht.
Während der Schall des Lautsprechers durch die Schallwand am Ort des Fehlermikrofons ERR_MIC verzögert wird, verzögert die Schallwand BAF vorzugsweise nicht den vom Fehlermikrofon ERR_MIC erfassten Umgebungsschall, der in das Luftvolumen zwischen dem Lautsprecher SP und dem Ohr des Benutzers am Ohrpolster ECU gelangt ist.
Dementsprechend kann die Schallwand BAF den Schallweg bzw. akustischen Ausbreitungsweg zwischen dem Lautsprecher SP und dem Fehlermikrofon ERR_MIC erhöhen, insbesondere im Vergleich zu einem direkten Schallweg bzw. akustischen Ausbreitungsweg zwischen dem Lautsprecher SP und dem Fehlermikrofon ERR_MIC ohne Vorhandensein der Schallwand BAF. Die genaue Umsetzung der Montage des Fehlermikrofons ERR_MIC ist in der hier verwendeten schematischen Darstellung nicht dargestellt. Die in gezeigte Position des Fehlermikrofons ERR_MIC entspricht jedoch beispielsweise einem Schallempfangsbereich des Fehlermikrofons ERR_MIC, d. h. einem Bereich, durch den der das Fehlermikrofon ERR_MIC erreichende Schall hindurchgehen muss. Das Fehlermikrofon ERR_MIC ist z. B. in einem Gehäuse mit dem Kopfhörerkörper BDY oder in einem Hohlraum mit definierter Tiefe untergebracht, wobei eine Öffnung des Hohlraums den Bereich des Schallempfangs des Fehlermikrofons ERR_MIC darstellt.
Wie in zu sehen ist, befindet sich der Schallaufnahmebereich des Fehlermikrofons ERR_MIC im Allgemeinen äquidistant in Bezug auf das Ohrpolster ECU des Kopfhörers. Generell äquidistant bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Position gewählt wird, die sich im Wesentlichen mittig innerhalb des Umfangs des Ohrpolsters ECU befindet. Offensichtlich hängt eine solche zentrale Position von der Form und/oder Konstruktion des Ohrpolsters ECU ab. Durch die im Wesentlichen zentrale Position wird erreicht, dass mehr oder weniger unabhängig von einer genauen Leckageposition zwischen dem Ohrpolster ECU und dem Kopf und/oder Ohr des Nutzers der in das Luftvolumen innerhalb des Ohrpolster ECU eintretende Umgebungsschall einen vergleichbaren Schallweg bzw. akustischen Ausbreitungsweg zum Fehlermikrofon ERR_MIC hat.
Die Positionierung des Fehlermikrofons ERR_MIC kann auch die Wahrscheinlichkeit von Positionen berücksichtigen, an denen Umgebungsschall unter undichten Bedingungen in das Luftvolumen innerhalb der Ohrpolster-ECU eintritt. Wenn es beispielsweise wahrscheinlicher ist, dass der Umgebungsschall von der Unterseite in das Luftvolumen des Ohrpolsters eindringt, wie in dargestellt, kann dies bei der Positionierung des Fehlermikrofons ERR_MIC berücksichtigt werden.
In verschiedenen Implementierungen deckt die Schallwand BAF zumindest teilweise einen aktiven Bereich der Schallabstrahlung des Lautsprechers SP ab, wie in der Implementierung von 1 gezeigt wird. So deckt die Schallwand beispielsweise zwischen 30 % und 95 % einer aktiven Schallabstrahlungsfläche des Lautsprechers ab, z. B. zwischen 50 % und 80 %. Wie bereits erwähnt, kann eine Membran des Lautsprechers in einem Hohlraum oder einem Gehäuse des Lautsprechers SP angeordnet sein, wobei ein Auslass des Hohlraums oder des Gehäuses die aktive Schallabstrahlungsfläche des Lautsprechers SP bestimmt.
Mit Bezug auf 2 wird nun ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kopfhörers mit Geräuschunterdrückung gezeigt, das auf der Ausführung von 1 basiert. Während in 1 die Schallwand BAF dezentral vor dem Lautsprecher SP angeordnet ist, befindet sich die Schallwand BAF in der Umsetzung von 2 im Wesentlichen zentral vor einem aktiven Bereich der Schallabstrahlung des Lautsprechers SP.
Wenn z. B. das Fehlermikrofon ERR_MIC mittig angeordnet ist, kann die zentrale Anordnung der Schallwand besser sein, da das Treibersignal des Lautsprechers SP bei geöffneter Schallwand bereits dem Weg des geringsten Widerstands folgt, so dass das Öffnen der anderen Seite die Verzögerung nicht weiter verkürzt, sondern die Treiber-zu-Ohr-Antwort DE verbessert. Wenn die Schallwand BAF wie in 1 montiert ist, kann durch Verschieben des Fehlermikrofons ERR_MIC an den Rand mehr Verzögerung gewonnen werden, allerdings wird die Treiber-zu-Ohr-Antwort DE schlechter sein. Es besteht also ein Kompromiss zwischen der Qualität der Treiber-Ohr-Antwort, der Verzögerung zwischen Treiber und Fehlermikrofon und der Robustheit gegenüber Undichtigkeiten, die aus verschiedenen Richtungen eindringen, und die Platzierung der Schallwand variiert je nachdem, was Priorität hat.
Unter Bezugnahme auf 3 werden mehrere Phasenfrequenzdiagramme gezeigt, die jeweils eine frequenzabhängige Phase einer Zielantwort T_EAR am Trommelfell und einer Zielantwort T_ERR am Fehlermikrofon ERR_MIC darstellen. Die Zielantwort T_EAR am Trommelfell ED, die der idealen Übertragungsfunktion zur Minimierung von Umgebungsgeräuschen am Trommelfell ED entspricht, ist für alle drei Diagramme a), b) und c) gleich. In allen drei Diagrammen wird davon ausgegangen, dass sich unter dem Ohrpolster-ECU eine kleine undichte Stelle befindet, wie in 1 und 2 dargestellt.
Das obere Diagramm a) in entspricht dem Soll-Phasengang T_ERR ohne Verzögerung durch eine Schallwand BAF zwischen dem Lautsprecher SP und dem Fehlermikrofon ERR_MIC, d. h. wie bei einem herkömmlichen Kopfhörer. Es ist zu erkennen, dass insbesondere im Frequenzbereich zwischen 200 Hz und 3000 Hz eine hohe Abweichung zwischen dem idealen Soll-Phasengang T_EAR und dem tatsächlichen Soll-Phasengang T_ERR besteht, was zu einer suboptimalen Umgebungsgeräuschunterdrückung führt.
Im mittleren Diagramm b) von ist die Antwort DErr des Treibers auf das Fehlermikrofon ERR_MIC um 20 mm verzögert, d. h. um etwa zwei Fünftel des Durchmessers der Schallabstrahlungsfläche des Lautsprechers SP, der in diesen Beispielen etwa 50 mm beträgt. Wie aus dem Phasendiagramm ersichtlich ist, wird die Abweichung der Zielantwort T_ERR im Vergleich zum unverzögerten Fall ohne Schallwand BAF deutlich verringert. Dadurch werden die Wirksamkeit der Geräuschunterdrückung und/oder die Anpassungsfähigkeit erhöht.
Das untere Diagramm c) in zeigt den Soll-Phasengang T_ERR bei Vorhandensein einer Schallwand, die das Ansprechen des Treibers auf das Fehlermikrofon ERR_MIC um 40 mm verzögert, d. h. etwa vier Fünftel des Durchmessers der aktiven Schallabstrahlungsfläche des Lautsprechers SP. Es ist zu erkennen, dass die Abweichung zwischen der idealen Soll-Antwort T_EAR und der Ist-Antwort T_ERR weiter verringert wird, so dass die Wirksamkeit der Geräuschunterdrückung und/oder die Anpassungsfähigkeit weiter erhöht werden.
Zurück zu den 1 und 2: Die Schallwand BAF kann akustisch undurchlässig sein, so dass sich der vom Lautsprecher SP abgegebene Schall entlang der Schallwand BAF zum Fehlermikrofon ERR_MIC ausbreitet. Dies beruht insbesondere auf der Annahme, dass eine akustisch undurchlässige Schallwand verhindert, dass der Schall durch die Schallwand selbst dringt.
In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann die Schallwand BAF eine akustisch durchlässige Schallwand oder eine Schallwand mit akustischem Widerstand sein, die den durch die Schallwand dringenden Schall nicht vollständig blockiert, aber einen akustischen Widerstand bietet, der dennoch zu einer Verzögerung des jeweiligen Schalls beiträgt. Dies bewirkt, dass sich der vom Lautsprecher SP abgegebene Schall auf dem Weg des geringsten Widerstands, der durch die akustische Impedanz der Schallwand BAF bestimmt wird, zum Fehlermikrofon ERR_MIC ausbreitet. Wenn die Schallwand beispielsweise nicht vollständig akustisch undurchlässig ist, wird die von der Schallwand erzeugte Verzögerung verringert, da die Impedanz des Materials der Schallwand reduziert wird.
Die Anordnung des Kopfhörers in 1 und 2 ermöglicht es dem adaptiven Geräuschunterdrückungscontroller ANCC auch, eine zusätzliche FB-Geräuschunterdrückung durchzuführen. Zu diesem Zweck wird insbesondere das mit dem Fehlermikrofon ERR_MIC aufgezeichnete Fehlersignal mit rückgekoppelten Filterparametern gefiltert, um zu dem über den Lautsprecher ausgegebenen Anti-Rausch-Signal beizutragen. Aufgrund der Verzögerung, die durch die Schallwand BAF in Bezug auf die Position des Fehlermikrofons ERR_MIC entsteht, kann die Leistung der FB-Rauschunterdrückung jedoch reduziert sein.
Bezugnehmend auf 4 kann dies durch die zusätzliche Einführung eines speziellen FB-Mikrofons FB_MIC berücksichtigt werden, das in der Nähe des Lautsprechers SP in der primären Richtung der Schallabstrahlung angeordnet ist. Das FB-Mikrofon FB_MIC erfasst daher den vom Lautsprecher SP ausgegebenen Schall und den Umgebungsschall, der z. B. in das Luftvolumen innerhalb des Kopfhörers zwischen den Ohrpolstern ECU und dem Kopf und/oder Ohr des Benutzers eintritt. Abgesehen von dem zusätzlichen FB-Mikrofon FB_MIC entspricht der Kopfhörer aus im Wesentlichen dem aus . Der adaptive Geräuschunterdrückungscontroller ANCC in der Implementierung von 4 ist ferner so konfiguriert, dass er die FB-Geräuschunterdrückung auf der Grundlage eines Rückkopplungssignals durchführt, das mit dem FB-Mikrofon FB_MIC aufgenommen und mit Rückkopplungsfilterparametern gefiltert wurde.
Gemäß 5 wird eine aufrechte Ansicht eines Kopfhörers gemäß einer der beschriebenen Implementierungen gezeigt. Insbesondere zeigt 5 den Kopfhörer von oben auf den Kopf eines Benutzers gesehen, verglichen mit der Seitenansicht in 1, 2 und 4. zeigt eine mögliche Ausführung der Abmessungen der Schallwand BAF, z. B. die Abdeckung der gesamten Länge des Lautsprechers bzw. seiner Schallabstrahlungsfläche in dieser Dimension. Andere Abdeckungsverhältnisse sind, wie oben erläutert, nicht ausgeschlossen.
Während in den gezeigten Ausführungsformen des Kopfhörers der Kopfhörer als Über-Ohr-Kopfhörer oder ohrumschließender Kopfhörer dargestellt ist, kann das verbesserte Konzept mit der Schallwand BAF auch verwendet werden, wenn der Kopfhörer als Auf-Ohr-Kopfhörer oder ohrumschließender Kopfhörer ausgeführt ist, insbesondere wenn Ohrpolster eine Abdichtung zwischen einem Luftvolumen zwischen dem Lautsprecher des Kopfhörers und dem Ohr des Benutzers bilden.
Wenn die Schallwand BAF den Lautsprecher SP zumindest teilweise abdeckt, kann dies das Ansprechverhalten des Lautsprechertreibers beeinträchtigen. Zu diesem Zweck können verschiedene Abstände der Schallwand BAF vom Lautsprecher oder der Bereich der Schallabstrahlung des Lautsprechers SP in Betracht gezogen werden. Darüber hinaus kann, wie oben erwähnt, z. B. eine Schallwand mit akustischem Widerstand anstelle einer vollständig akustisch undurchlässigen Schallwand verwendet werden.
Außerdem kann die Schallwand BAF vor dem Lautsprecher SP den Raum in einem vorderen Luftvolumen für die Ohrmuschel verringern. Zu diesem Zweck kann der Lautsprecher ein wenig nach hinten versetzt werden, um den Raum zu vergrößern. Es wird jedoch deutlich, dass es viele alternative Anordnungen für das Fehlermikrofon ERR_MIC, den Lautsprecher SP und die Schallwand BAF gibt, die alle den vom Lautsprecher an der Stelle des Fehlermikrofons ERR_MIC ausgegebenen Schall verzögern.
Es wird deutlich, dass die Offenbarung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen und auf das, was hier gezeigt und beschrieben wurde, beschränkt ist. Vielmehr können Merkmale, die in einzelnen abhängigen Ansprüchen oder in der Beschreibung aufgeführt sind, vorteilhaft kombiniert werden. Darüber hinaus schließt der Umfang der Offenbarung jene Variationen und Modifikationen ein, die für den Fachmann offensichtlich sind und dem Geist der beigefügten Ansprüche entsprechen. Der Begriff „umfassen“, soweit er in den Ansprüchen oder in der Beschreibung verwendet wurde, schließt andere Elemente oder Schritte eines entsprechenden Merkmals oder Verfahrens nicht aus. Falls die Begriffe „ein“ oder „eine“ in Verbindung mit Merkmalen verwendet wurden, schließen sie eine Vielzahl solcher Merkmale nicht aus. Darüber hinaus sind alle Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als Einschränkung des Anwendungsbereichs zu verstehen.
Bezugszeichenliste

BDY: Kopfhörergehäuse
ECU: Ohrpolster
SP: Lautsprecher
ERR_MIC: Fehlermikrofon
FF_MIC: Vorwärtsmikrofon
FB_MIC: Rückkopplungsmikrofon
BAF: Schallwand
ANCC: adaptiver Geräuschunterdrückungscontroller
EC: Gehörgang
ED: Trommelfell
AE: akustische Übertragungsfunktion zwischen Umgebung und Ohr
DE: akustische Übertragungsfunktion zwischen Treiber und Ohr
AErr: akustische Übertragungsfunktion von der Umgebung zum Fehlersignal
DErr: akustische Übertragungsfunktion zwischen Treiber und Fehlersignal
T_EAR, T_ERR: Zielfunktionen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102020133139 [0002]

Claims

Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung, der auf oder über dem Ohr eines Benutzers getragen wird, wobei der Kopfhörer folgendes umfasst - einen Lautsprecher (SP); - ein Feed-Forward-Mikrofon (FF_MIC), das vorwiegend Umgebungsgeräusche aufnimmt; - ein Fehlermikrofon (ERR_MIC), das vor dem Lautsprecher (SP) in einer primären Richtung der Schallabstrahlung des Lautsprechers (SP) angeordnet ist und geeignet ist, den vom Lautsprecher (SP) ausgegebenen Schall und den Umgebungsschall zu erfassen; und - eine Schallwand (BAF), die zwischen dem Lautsprecher (SP) und dem Fehlermikrofon (ERR_MIC) in der primären Richtung der Schallabstrahlung angeordnet ist, so dass der von dem Lautsprecher (SP) abgegebene Schall durch die Schallwand an einem Ort des Fehlermikrofons (ERR_MIC) verzögert wird; - wobei der Kopfhörer eingerichtet ist, ein Vorwärtssignal mit dem Vorwärtsmikrofon (FF_MIC) und ein Fehlersignal mit dem Fehlermikrofon (ERR_MIC) aufzuzeichnen und das Vorwärtssignal und das Fehlersignal einem adaptiven Geräuschunterdrückungscontroller (ANCC) zuzuführen, der eingerichtet ist, eine Vorwärtsgeräuschunterdrückung auf der Grundlage des mit Vorwärtsfilterparametern gefilterten Vorwärtssignals durchzuführen und die Vorwärtsfilterparameter auf der Grundlage des Fehlersignals anzupassen.
Kopfhörer nach Anspruch 1, wobei die Schallwand (BAF) den Umgebungsschall, der von dem Fehlermikrofon (ERR_MIC) erfasst wird und in ein Luftvolumen zwischen dem Lautsprecher (SP) und einem Ohr eines Benutzers an einem Ohrpolster (ECU) des Kopfhörers eintritt, nicht verzögert.
Kopfhörer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schallwand (BAF) einen Schallweg zwischen dem Lautsprecher (SP) und dem Fehlermikrofon (ERR_MIC) erhöht, insbesondere im Vergleich zu einem direkten Schallweg zwischen dem Lautsprecher (SP) und dem Fehlermikrofon (ERR_MIC) ohne die Schallwand (BAF).
Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schallwand (BAF) akustisch undurchlässig ist, so dass sich der vom Lautsprecher (SP) abgegebene Schall entlang der Schallwand (BAF) zum Fehlermikrofon ausbreitet.
Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schallwand (BAF) eine akustisch durchlässige Schallwand oder eine Schallwand mit akustischem Widerstand ist, so dass sich der vom Lautsprecher (SP) ausgegebene Schall zum Fehlermikrofon entlang eines Pfades mit dem geringsten Widerstand ausbreitet, der durch eine akustische Impedanz der Schallwand (BAF) bestimmt wird.
Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Bereich für den Schallempfang des Fehlermikrofons (ERR_MIC) im Allgemeinen äquidistant in Bezug auf ein Ohrpolster (ECU) des Kopfhörers angeordnet ist, insbesondere ein umlaufendes Ohrpolster (ECU).
Kopfhörer nach Anspruch 6, wobei der Bereich des Schallempfangs eine Öffnung eines Hohlraums ist, in dem das Fehlermikrofon (ERR_MIC) eingeschlossen ist.
Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kopfhörer als ohrenumschließender Kopfhörer ausgeführt ist.
Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schallwand (BAF) einen aktiven Bereich der Schallabstrahlung des Lautsprechers (SP) zumindest teilweise abdeckt.
Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schallwand (BAF) zwischen 30 % und 95 % einer aktiven Schallabstrahlungsfläche des Lautsprechers (SP) abdeckt, insbesondere zwischen 50 % und 80 %.
Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Schallwand (BAF) im Wesentlichen mittig vor einer aktiven Schallabstrahlungsfläche des Lautsprechers (SP) angeordnet ist.
Kopfhörer nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei ein Diaphragma des Lautsprechers (SP) in einem Hohlraum oder einem Gehäuse des Lautsprechers (SP) angeordnet ist, und wobei ein Auslass des Hohlraums oder des Gehäuses den aktiven Bereich der Schallabstrahlung des Lautsprechers (SP) bestimmt.
Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der adaptive Geräuschunterdrückungscontroller (ANCC) ferner eingerichtet ist, eine Rückkopplungsgeräuschunterdrückung basierend auf dem mit Rückkopplungsfilterparametern gefilterten Fehlersignal durchzuführen.
Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der ferner ein Rückkopplungsmikrofon (FB_MIC) umfasst, das in der Nähe des Lautsprechers (SP) in der primären Richtung der Schallabstrahlung angeordnet ist und Schall, der von dem Lautsprecher (SP) ausgegeben wird, sowie Umgebungsschall erfasst, wobei der Kopfhörer ferner eingerichtet ist, ein Rückkopplungssignal mit dem Rückkopplungsmikrofon (FB_MIC) aufzuzeichnen und das Rückkopplungssignal an den adaptiven Geräuschunterdrückungscontroller (ANCC) zu liefern, der ferner eingerichtet ist, eine Rückkopplungsgeräuschunterdrückung auf der Grundlage des mit Rückkopplungsfilterparametern gefilterten Rückkopplungssignals durchzuführen.
Kopfhörer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der ferner den adaptiven Geräuschunterdrückungscontroller (ANCC) umfasst.