DE1938259A1

DE1938259A1 - Ohrenschuetzer mit frequenzabhaengiger Charakteristik

Info

Publication number: DE1938259A1
Application number: DE19691938259
Authority: DE
Inventors: Gorman Anthony Graham
Original assignee: Amplivox Ltd
Current assignee: Amplivox Ltd
Priority date: 1968-08-01
Filing date: 1969-07-28
Publication date: 1970-02-05
Also published as: FR2014846A1; CH496441A; DE1938259B2; SE352526B; NL6911432A; NL156042B; DE1938259C3; US3637040A

Description

AMPLIVOX LIMITSD, Beresford Avenue, Wembley. Middlesex, England

Ohrenschützer mit frequenzabhängiger Charakteristik

Die Erfindung betrifft Ohrenschützer, insbesondere Ohrenschützer mit frequenzabhängiger Charakteristik.

Ohrenschützer werden oft in Verbindung mit eines Kopfschutz, z.B. einem Schutzhelm,getragen. In solchen Fällen ist es oft schwierig den gesamten Kopfschute zu entfernen, wenn der Träger normale, durch Luftschall übertragene Laute hören will. Dem Stand der Technik gemäß wird diese Schwierigkeit bisher durch eine geeingnete Anordnung von einer oder mehreren öffnungen in der Muschel des Öhrenschützers reduziert, die auf Wunsch geöffnet oder geschlossen werden können . Wenn die Öffnungen geschlossen sind, besitzt der Ohrenschützer ein· maximale Dämpfung für durch Luftschall übertragene Laute und Geräusche; wenn jedoch die Öffnungen geöffnet sind, können durch Luftschall übertragene Laute die Ohren des Trägers auf ziemlich normale Weise erreichen.

Ohrenschützer dieser Art haben den Nachteil, daß ungewollte Geräusche durch Luftbewegungen über die öffnungen

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INSPECT£D

z.B. bei windigem Wetter, ungewünschte Geräusche erzeugt werden. Ferner neigen die dem Stand der Technik gemäßen Ohrenschützer dazu, die Frequenz des ursprünglichen Luftschalls zu verzerren. Aufgabe der Erfindung ist, einen verbesserten Ohrenschützer vorzuschlagen, der die genannten Nachteile vermeidet oder reduziert.

Erfindungsgemäß wird ein Ohrenschützer mit einer Muschel aus steifem Material, die ein vorgegebenes Luftvolumen um das Ohr des Trägers einschließt, und einer öffnung in " der Muschel als Durchlaß für Schallwellen in das Luftvolumen vorgeschlagen, der durch mindestens ein Element gekennzeichnet ist, das eine akustische Impedanz zwischen der öffnung und der Umgebung darstellt, wobei die Impedanz der akustischen Impedanz des Luftvolumens angepaßt ist, so daß ein akustischer Filter entsteht, der minde*- stens Schallkomponenten hoher Frequenz auf dem Weg zum Ohr des Trägers dämpft.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Äusführungeformen ausführlich erläutert. Ss zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Ausführungsform eines

erfindungemäßen Öhrenschützers; Fig. 2 eine Rückansicht des Ohrenschützers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine der akustischen Schaltung des Ohrenschützers gemäß Fig. 1 äquivalente elektrische Ersatzschaltung;

Fig. 4 eine Frequenzkennlinie des Ohrenschützers gemäß Fig. Ii

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Fig. 5 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ohrenschützers}

Fig. 6 bis IO mehrere den akustischen Schaltungen des Ohrenschützers gemäß Fig. 5 äquivalente elektrische Brsatzschaltungen;

Fig. 11 bis 15 Frequenzkennlinien der elektrischen Ersatzschaltungen gemäß Fig. 6 bis 10.

Gemäß Fig. 1 besteht eine Muschel 1 aus einem steifen und dichten Material, das ein vorgegebenes Luftvolumen u» das Ohr des Trägers (nicht dargestellt) einschließen kann. Sin Dichtring 2 dichtet die ringförmige Stirnfläche der Muschel gegenüber der Kopfseite des Trägers ab und verhindert akustische Lecks zwischen dem in der Muschel eingeschlossenen Luftvolumen und der Umgebungsluft. Der Dichtring 2 besteht vorzugsweise aus einem FlUseigkeits-gefüllten Schlauch. Alternativ kann der Schlauch mit einem elastischen Material, z.B. Schaumstoff gefüllt sein. Sie Muschel 1 und der Dichtring 2 stellen verglichen mit bekannten Prinzipien einen hochgradigen Schalldämpfer dar.

Die rückwärtige Stirnfläche der Muschel 1 iet mit öffnungen 3 ausgerüstet. Ferner liegt an der äußeren Oberfläche der rückwärtigen Stirnfläche der Muschel 1 eine Scheibe 4 mit öffnungen 5 an, die mit den öffnungen 3 der Muschel 1 fluchten, wenn die Scheibe 4 eine vorgegebene Stellung relativ zur rückwärtigen Stirnfläche der Muschel 1 einnimmt. Die Scheibe 4 ist mit Hilfe einer Achse 6 drehbar an der Muschel 1 befestigt, so daß durch eine geeignete Drehung der Scheibe 4 die öffnungen 3 und 5 ,außer Flucht gebracht werden. Die äußere Oberfläche der Scheibe 4 ist von einem Polster 7 aue einem geeigneten porösen Material, z.B. Filz oder vorzugsweise Schaumstoff überdeckt.

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Wenn die Scheibe 4 relativ zur rückwärtigen Stirnfläche der Muschel 1 so positioniert ist, daß die Öffnungen 3 und 5 nicht miteinander fluchten, besteht keine Luftverbindung zwischen der Ungebungsluft und dem v«n der Muschel 1 eingeschlossenen Luftvolumen. Unter diesen Bedingungen wird mit dem Ohrenschützer die volle Schalldämpfung erzielt.

Wenn die Scheibe 4 so verstellt wird, daß die öffnungen 3 und 5 miteinander fluchten, besteht zwischen der Umgebungsluft und dem von der Muschel 1 eingeschlossenen Luftvolumen eine Luftverbindung durch das Polster 7 und die öffnungen 3 und 5. Das Polster 7 besteht aus einem geeigneten Material und besitzt geeignete Abmessungen, um einen akustischen Widerstand zu bildtn. seine Aufgabe 1st, die akustische Energie jeder Turbulenz zu absorbieren, die durch Luftströmungen, z.B. Wind, erzeugt wird, denen der Ohrenschützer ausgesetzt ist, und dadurch das akustische Geräusch zu reduzieren» das anderenfalls durch solche !Turbulenzen erzeugt und das Ohr des Trägers erreichen würde. Ferner bildet der akustische Widerstand, der direkt im Weg der Schallwellen liegt, die von der Umgebungsluft das von der Muschel 1 eingeschlossene Luftvolumen 20 und damit das Ohr dee Trägers erreichen, ein Element eines RC-Tiefpasses. Dabei bildet das eingeschlossene Luftvolumen 20 das. kapazitive Element des Tiefpasses. Der Tiefpass ist in FIg. 3 dargestellt, dabei kennzeichnet P_A_ den lia^aagedruck des Systems und P_Qut den Auegangedruck des Syeteae. Di· Frequenzkennlinie des Tiefpasses ist in Fig« 4 Aargestellt. Der Sffektivwert des akustischen Widerstand» im Weg der auftretenden Schallwellen wird nieht ttme durch eine sorgfälltige Wahl des Materials und der Abmessungen dee Polsters 7 festgelegt sondern ai&ck ävucoä . ■

BAD ORIGINAL

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die Größe und Anzahl der Öffnungen 3 und 5. Gemäß den bekannten Betriebscharakteristiken von RG-Iiefpäseen ist es möglich den effektiven akustischen Widerstand des Bolsters 7 gegenüber auftretenden Schallwellen so festzulegen, daß die Übertragung der Schallwellen zum Ohr des Trägers bis zu einer vorgegebenen Frequenz f₁ weitgehend ungedämpft erfolgt, während dann oberhalb der Frequenz f -j die Übertragung mit ungefähr 6dB pro Oktave abnimmt. Wenn die Frequenz f., so gewählt wird, daß sie gleich derjenigen maximalen Frequenz, z.B. 3000 Hz ist, bei der der Schall der menschlichen Sprache weitgehend ungedämpft übertragen werden soll, stellt der erfindungsgemäß Ohrenschützer eine wesentliche Verbesserung der Verständlichkeit des Sprachempfangs in geräuschvoller Umgebung dadurch dar, das er weitgehend alle Geräusche und Laute eliminiert, die nicht im Frequenzbereich der verständliehen Sprache liegen.

Infolge seines Aufbaues benötigt das Polster 7 eine Schutz· kappe 8, die aus einem feinen Netz besteht. Falls «s, z.B. bei Regen, erforderlich ist,Feuchtigkeit auszuschließen, kann die Schutzkappe 6 aus einem dünnen Hetz aus einen geeigneten feuchtigkeitsabweisenden Material_s s»£. PoIyaethylen» bestehen. Die akustische Impedanz ein#s solchen Plastiknetzes kann im Vergleich zu den anSeren akustischen Impedanzen des Systems relativ klein gehalten werden« Sin äußeres Gehäuse 9 hält die einzelnen Elemente ssusamien und .bildet einen geeigneten Griffring für dim Teeatel— lung der' Scheibe 4. Bin© Feder 10 stellt sicher, daß, wenn das akustische Ventil geschlossen ist, die Scheibe 4 dicht an der rückwärtigen Stirnfläche der Muschel 1 anliegt, so daß jeglicher Eintritt von S'ohall durch einen ungewünschten Spalt zwischen der Seheibe 4 und der hinteren Stirnfläche der Muscheln 1 unterbunden wird.

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In der Muschel 1 ist ferner ein Kopfhörer Xl für den Empfang von Sprache oder anderen Signalen über ein elektrisches Kommunikationssystem angeordnet. Der Kopfhörer 11 ist so angeordnet, daß er den Schallweg von der Umgebungsluft zum Ohr des trägers nicht behindert, wenn das akustische Ventil offen ist.

Sine geeignete Menge akustisch^AbBorptionBmaterialö 12 ist in der Muschel 1 angeordnet, um alle akustischen Resonanzen in dem eingeschlossenen Luftvolumen wirksam su reduzieren oder zu eliminieren.

Einzelteile einer weiteren Auaführungsform. des erfindungsgemäßen Ohrenschützers gemäß Fig. 5, die Slnsselteil%der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 gleichen, sind durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet. Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 besitzt hinsichtlich der Muschel 1, des Dichtringes 2, der Offnungen 3, der Scheibe 4 und der Öffnungen 5 die gleiche Konstruktion wie die Ausführungsform gemäß Fig. 1.

Abweichend von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 besitzt die Ausführungsform gemäß Fig. 5 jedoch ein zusätzliches eingeschlossenes Luftvoluaien 13 und eine dünne elastische Membran, die mechanisch steif und träge ist. Mit Hilfe eines Hebels 15 ist die drehbare Scheibe 4 verstellbar. Ss können jedoch auch andere Verstellmittel vorgesehen werden, z.B. ein axial angeordneter Knopf.

Die Betriebsweise dieser AmsfÜhrungsform wird nachstehend anhand der Wirkungsweisen der einzelnen akustischen Elemente des Systems beschrieben.

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In einem elektrischen Brsatzseltaltbild wird das eingeschlossene Luftvolumen 20 durch eine Farallel-Kapasität C₁ dargestellt. Wie bereite "beschrieben, stellt P_in den Eingangsdruck des Systems und P_Qut den Ausgangedruck des Sjsteas dar. Es ist offensichtlich, daß in einem solchen System die Dämpfung Hull 1st» vorausgesetzt, daß die Quellimpedanz der Singangeenergie klein im Verhältnis *ur Impedanz der Kapazität C₁ ist'. Dies ist bei der Schallausbreitung in der freien Luft der Pail. Die Frequenzkennlinie eines solchen Systems ist in Fig. 11 dargestellt.

Wenn gemäß Pig. 7 eine Impedanz Cg eingefügt wird, besitzt das System eine von der Frequenz unabhängige Dampfung, deren Wert entsprechend den bekannten Gesetzen von * des Verhältnis G₁ zu Cg abhängig ist. Die Frequenzkennlinien eines solchen Systems ist in PIg. 12 dargestellt. Bei dieser Aueführungsform wird die Impedanz G₂ durch die Steifheit der Membran 14 gemäS Pig. 5 verwirklicht.

Wenn.gemäß Pig. 8 die Masse M₁ der Membran 14 in das Syeteot eingefügt wird, besitzt das System eine Frequenzkennlinie gemäS Pig. 13» deren Maximum bei einer Frequenz liegt» die durch dl* Impedanzen M₁, C₁ und C bestimmt ist. Ss ist offensichtlich» daß die Dampfung nun in eine* schmalen Frequenzband Hull oder geringer als Hull ist.

Pig. 9 ist ein Widerstand R₁, der, jedoch nicht notwendigerweise, durch eine Eigenschaft der Masbram 14 verwirklicht wird, in das System eingefügt werden, um die uiigewünschte Verstärkung des Systems gaaäö Pig. θ su reduzieren. Die Frequensskenalini® des Systems gemäS Fig. 9, die sich der Prequensskennlinie eines Bandpasses nähert, ist in Pig. 14 dargestellt. Wenn die Elastizität der

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Membran 14 gemäß Pig. 5 bo gewählt wird, daß sie eine gewünschte Dämpfung niedriger Frequenzen bewirkt, und wenn die Masse M₁ der Membran 14 gemäß Pig. 5 so gewählt wird, daß sie diese Dämpfung bei einer gewünschten Frequenz reduziert, erfolgt normalerweise die Filterung der höheren Frequenzen, bei unerwünscht niedrigen Werten.

Das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 10 enthält drei zusätzliche Elemente und zwar C,, das das eingeschlossene Volumen 13 gemäß Pig. 5 repräsentiert, M₂, das die akustische Trägheit der Öffnungen 3 und 5 gemäß Fig. 5 repräsentiert und R₂, das den akustischen ,Widerstand des Absorptionsmaterials repräsentiert. Das akustische Absorptionsmaterial dämpft ferner Resonanzen in den eingeschlossenen Luftvolumen 20 gemäß Fig. 5. Durch eine geeignete Abstimmung der gemäß Fig. 10 in dem erfindungsgemäßen System enthaltenen Elemente aufeinander kann die Übertragungsfähigkeit des Systeme für höhere Frequenzen noch etwas ausgedehnt werden, so daß sich eine Gesamt-Frequenzkennlinie A gemäß Fig. 15 ergibt. Bei der Frequenzkennlinie A ist das Verhältnis ^_0VL^/^i_n ⁱⁿ einem , bestimmten Frequenzband eins oder fast eins, so daß In diesem Frequenzband weitgehend keine Dämpfung auftritt. Bei niedrigen und höheren Frquenzen tritt jedoch eine ausgeprägte Dämpfung auf.

Der Frequenzbereich,der weitgehend dämpfungslos übertragen wird, wird geeigneter Weise so gewählt, daß er den für einen klaren Empfang der Sprache erforderlichen¹ Frequenzbereich, z.B. 1000 bis 3000 Hz,einschließt.Die Tatsache,daß sowohl niedrigere als auch höhere Frequenzen stark gedämpft werden,hat,wenn der Träger des erfindungsgemäßen Ohrenschützers in einer geräuschvollen Umgebung einem Gespräch zuhören will,eine wünschenswerte Verbesserung des Signal-Ge-

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rausch-Verhältnisses und der Bmpfangsklarheit zur Folge.

Wenn die Impedanz C₂ durch eine Erhöhung des Luftdruckes der Umgebung erhöht wird, besitzt das System eine Frequenzlinie B gemäß Fig. 15. Aus einem Vergleich der Frequenzkennlinien A und B ist ersichtlich, daß dadurch eine beträchtliche zusätzliche Dämpfung im unteren Frequenzbereich auftritt, durch die die Ohren des Trägers gegen Explosionsgeräusche geschützt werden, die eine solche Erhöhung des Luftdruckes hervorrufen.

Die Membran 14 besteht vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise aus einem geeigneten Kunststoff. Sie schützt ferner das akustische Ventil gegen das Eindringen von Feuchtigkeit und verhindert Unbequemlichkeiten für den !Präger, wenn er den Ohrenschützer in einer windigen Umgebung trägt.

Der erfindungsgemäße Ohrenschützer kann mit Hilfe eines Bügels auf den Kopf getragen oder an einem Schutzhelm, wie Ihn Flugmannschaften oder Mannschaften von Kampffahr zeugen getragen, befestigt werden.

Wenn die Impedanz von C- reduziert wird, indem die Membran 14 aus flexiblem Mat rial, beispielsweiser einer Polyäthylenplatte, in nichtgespannter Form befestigt wird, so daß ihre Impedanz verglichen mit den Impedanzen der anderen akustischen Elemente des Systems vernachlässigbar klein ist, dann kehrt sich das System in ein Tiefpaßfilter mit Eigenschaften um, die jenen der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Ausführung ähnlich sind. Wenn die Membran jedoch straff gespannt wird durch von Explosionsgeräuschen ansteigen-

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den Luftdruck, ist die Dämpfung selbsg größer, da anfänglich eine kleine Dämpfung der niedrigen Frequenzen herrschte. Der gleiche Effekt kann bei einer Modifikation der in Fig. 1 gezeigten Ausführung erreicht werden, bei der das Teil 8 eine in nichtgespannter Weis· befestigte Polyäthylenplatte ist. Sie hat eine geringe Impedanz verglichen mit derjenigen der anderen Elemente in dem System und bewirkt fast keine Dämpfung. Wenn der Luftdruck jedoch aufgrund von Explosionsgeräuschen stark ansteigt, dann wird die Platte gespannt und wirkt als eine wesentlich dämpfende Impedanz. In beiden Fällen, wenn das Teil gespannt ist, ist die Dämpfung im Ohrschützer ähnlich derjenigen, wenn das akustische Ventil beschlossen ist.

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Claims

Patentansprüche

Ohrenschützer mit einer steifen Muschel, die ein bestimmtes Luftvolumen um das zu schützende Ohr herum umschließt und mindestens eine Öffnung für den Durchlaß von Schallwellen zum Luftvolumen besitzt, gekennzeichnet durch mindestens ein Impedanzelement (7), dessen akustische Impedanz (R) zwischen dem Äußeren des Ohrenschützers und dem Durchlaß (3, 5) liegt und zusammen mit der akustischen Impedanz (C) des Luftvolumens als ein akustisches Filter mindestens die höherfrequenten, zum Ohr vordringenden Schallkomponenten dämpft.

2* Ohrenschützer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Impedanz (R) ein Widerstand ist und zusammen mit dem Luftvolumen (20) einen Tiefpaß bildet.

3. Ohrenschützer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß cjie akustische Impedanz (R) durch Elemente (14) gebildet wird, die einer akustischen Induktivität (M₁) in Serie mit einer akustischen Kapazität (C~) äquivalent sind und zusammen mit dem Luftvolumen (20) einen Bandpaß bilden.

4. Ohrenschützer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein akustischer Widerstand (R₁) in Serie mit der akustischen Induktivität .(M-) und der akustischen Kapazität (C-) angeordnet ist.

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5. Ohrenschützer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Impedanz (R) durch Elemente (3, 5, 7, 12, 13, 14) gebildet wird, die im Weg zu dem Durchlaß (3, 5) einer Reihenschaltung aus einer Kapazität (C₂) einer Induktivität (M₁) und einen Widerstand (R₁-), einer Shunt-Kapazität (C₃) und einer Reihenschaltung aus Induktivität (P^) und einem Widerstand (R₃) äquivalent sind.

6. Ohrenschützer nach Anspruch 3,'4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (3, 5, 7, 12, 13, 14) so aufeinander abgestimmt sind, daß ein Frequenzbereich von 1 kHz bis 3 kHz weitgehend ungedämpft bleibt.

7. Ohrenschützer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Dichtring (2) aus flexiblem Material, der die Muschel (1) gegen den Kopf des Trägers abdichtet. .

8. Ohrenschützer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (2) aus einem flüssigkeitsgefüllten Schlauch besteht.

9. Ohrenschützer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein akustisches Ventil (4, 6, 9, 15), das so betätigbar ist, daß es wahlweise die Öffnungen (3, 5) öffnet oder verschließt.

10. Ohrenschützer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Ventil (4, ...) aus einer drehbaren Scheibe (4) mit Öffnungen (5) besteht, die wahlweise mit zugeordneten Öffnungen (3) in einer feststehenden Scheibe ausrichtbar sind.

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11. Ohrenschützer nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine aus relativ flexib~ lern Material bestehende Membran (14), deren Steifheit bei ansteigendem Luftdruck derart zunimmt, daß die Schalldämpfung ansteigt.

12. Ohrenschützer nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen in ihm untergebrachten Kopfhörer (11).

13. Ohrenschützer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch in der Muschel (1) angeordnetes akustisches Absorptionsmaterial (12), das ungewünschte Resonanzen in dem eingeschlossenen Luftvolumen (20) reduziert.

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