DE1938259B2

DE1938259B2 - Ohrenschützer

Info

Publication number: DE1938259B2
Application number: DE1938259A
Authority: DE
Inventors: Anthony Graham Ruislip Middlesex Gorman (Grossbritannien)
Original assignee: Amplivox Ltd., Wembley, Middlesex (Grossbritannien)
Priority date: 1968-08-01
Filing date: 1969-07-28
Publication date: 1973-11-08
Also published as: NL156042B; FR2014846A1; NL6911432A; CH496441A; SE352526B; US3637040A; DE1938259A1; DE1938259C3

Description

Die Erfindung betrifft einen Ohrenschützer gegen Störgeräusche, mit einer das Ohr umgebenden und ein Lulftvolumen einschließenden Muschel sowie mit einem an der Muschel angeordneten und Umwelt mit Luftvolumen verbindenden Schallübertrager.

Aus der USA.-Patentschrift 2976 948 ist ein Ohrenschützer bekannt, der eine das Ohr einschließende Muschel, einen mit Luft gefüllten Kanal sowie einen Schall übertrager besitzt. Der Schallübertrager besteht bei diesem Stand der Technik aus einem an der Außenseite der Muschel angeordneten Mikrofon, einer Übertragungsstange und einem Kopfhörer, der

ίο innerhalb der Muschel angeordnet ist. Sinn dieser bekannten Anordnung ist es, akustische Nutzsignale gegenüber einem stärkeren Hintergrundgeräusch anzuheben, dabei aber die Nachteile elektrischer Signalverstärkereinrichtungen zu vermeiden. Das hierzu verwendete Druckgradientenmikrofon mit mechanisch angekoppeltem Membranempfänger verstärkt selektiv nur die Schallwellen mit bestimmtem Druckverhalten und hebt diese dadurch gegenüber einem Hintergrundgeräusch hervor, welches ein anderes Druck verhalten besit/.l.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen frequenzabhängigen Ohrenschützer zu schaffen, der als Tiefpaßfilter wirkt und insbesondere Geräusche mit hoher Frequenz sowie Windgerausche dämpft, denen der Ohrenschützer ausgesetzt ist Ausgehend von einem Ohrenschützer der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Schallübertrager mindestens einen, die Wand der Muschel durchsetzenden Luftkanal und eine mit mindestens einer Bohrung versehene Scheibe aufweist, die aus einer ersten Stellung, in der Bohrung und Luftkanal fluchten, in eine zweite Stellung bewegbar ist, in der sie den Luftkanal verschließt und daß der aus Luftkanal und Bohrung gebildete Durchlaß an seiner umweltseitigen Off llung mit einer Dämpfungseinrichtung überdeckt ist, die gemeinsam mit dem Luftvolumen ein akustisches Filter bildet.

Auf diese Weise wird die gestellte Aufgabe mit einfachen Mitteln gelöst und das Ohr in der gewünschten Weise entlastet. Von besonderem Vorteil ist darüber hinaus, daß die Lösung eine mechanische Umschaltungfür zwei verschiedene Dämpfungsstufen besitzt: In dem Fall, in dem der Luftkanal mit der Bohrung außer Deckung ist, besitzt der Ohrenschützer seine volle Dämpfung; wenn Luftkanal und Bohrung fluchten, tritt die Wirkung des akustischen Filters ein. das einenTiefpaß darstellt und dadurch die unei wünschte Schallenergie absenkt.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Dämpfungseinrichtung eine mit Abstand von der Muschel angebrachte Membran auf, welche gegenüber der dem Luftvolumen entgegengesetzten Seite des Durchlasses ein Zusatz-Luftvolumen eingrenzt, das einen zusätzlichen Teil des akustischen Filters bildet. Die Membran besteht vorzugsweise aus einem flexiblen, eine bestimmte Steifigkeit besitzenden Material und ist ohne Vorspannung so eingebaut, daß sie unter Einwirkung von durch explosive Geräusche erhöhtem Luftdruck einen gespannten Zustand einnimmt. Die Flexibilität des für die Membran verwandten Materials und der Einbau der Membran in einem schlaffen Zustand führt dazu, daß ein schneller Druckanstieg stark abgebaut wird. Versuche haben gezeigt, daß die Verwendung von elastischem Material für die Membran und ein Einbau unter Vorspannung zu einer geringeren Dämpfung führen würde.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher

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erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt einer A.usführungsform des Ohrenschützers,

Fi g. 2 eine Rückansicht des Ohrenschützers aemäß

Fig. 1,

Fig. 3 eine der akustischen Schaltung det Ohrenschützers gemäß Fig. 1 äquivalente elektrische Ersatzschaltung,

Fig. 4 eine Frequenzkennlinie des Ohrenschützers gemäß Fig. 1,

Fig. 5 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des Ohrenschützers.

Fi g. 6 bis 10 mehrere den akustischen Schaltungen des Ohrenschützers gemäß Fig. 5 äquivalente elektrische Ersatzschaltungen, und

Fig. 11 his 15 Frequenzkennlimen der ErsatzschallbiJder gemäß den Fig. 6 bis 10.

Eine aus einem steifen und dichten Material bestehende Muschel 1 umschließt ein bestimmtes Luftvokimen um das Ohr des (nicht dargestelltem Trägers. Zum Abdichten der ringförmigen Stirnfläche der Muschel 1 gegenüber der Kopfseite des Trägers dient ein Dichtring 2. der das Auftreten von akustischen Lecks zwischen dem in der Muschel eingeschlossenen Luftvolumcnund der Umwelt verhindert. Der Dichtring 2 besteht vor?ugsweise aus einem mit Flüssigkeit gefüllten Schlauch. Alternativ kann der Schlauch mit einem elastischen Material, /. B. Schaumstoff gefüllt sein. Die Muschel 1 und der Dichtring 2 bewirken eine Dämpfung der in das Ohr gelangenden SchaHer.er

An der rückwärtigen Stirnflache der Muschel 1 sind Öffnungen 3 vorgesehen. Ferner liegt an der äußereii Oberfläche der rückwärtigen Stirnfläche der Muschel 1 eine Scheibe 4 mit Bohrungen 5 an, die mit die Muschel 1 durchsetzenden Luftkanälen 3 fluchten, wenn die Scheibe 4 eine bestimmte Steilun« einnimmt. Die Scheibe 4 ist um eine Achse 6 drehbar an der Muschel 1 befestigt und kann dadurch aus einer Stellung, in der die Luftkanäle 3 mit den Bohrungen 5 fluchten, in eine Stellung verdreht werden, in der der Durchgang von den Luftkanälen zu den Bohrungen unterbrochen ist. Die äußere Oberfläche der Scheibe 4 is«, von einem Polster 7 aus porösem Material, /B. Filz oder vorzugsweise Schaumstoff überdeckt. Sofern die Scheibe 4 mit den in ihr befindlichen Bohrungen 5 soweit gegenüber den Luftkanälen 3 verdreht ist, daß zwischen der Umwelt und dem eir.ge schlossenen Luflvolumen kein Durchgang besteht, besitzt der Ohrenschützer seine volle Schalldämpfwir-

kung.

In derjenigen Stellung der Scheibe 4, in der ihre Bohrungen 5 mit den Luftkanälen 3 fluchten, besteht zwischen der Umwelt und dem von der Muschel 1 umschlossenen Luftvolumen eine Verbindung durch das Polster 7. die Luftkanäle 3 und die Bohrungen 5. Das Polster 7 stellt einen akustischen Widerstand dar. dessen Aufgabe es ist. die akustische Energie zu absorbieren, die von Luftströmungen, z. B. Wind, erzeug! wird und anderenfalls das Ohr des Trägers erreiche!! würde. Der akustische Widerstand des Polsters 7. der direkt im Wege der Schallwellen von der Umwelt zum ()hr 'ios Trägers liegt, ist ein Element eines Tiefpasses, bin weiteres Element des Tiefpasses .vird \uii Jcm in der Muschel 1 eingeschlossenen Luflvolumen gebildet. In das elektrische Ersatzschallbild gemäß Fi g. 3 übertragen, wird erkennbar, daß das Luft volume η 20 das kapazitive Element C und das Poistcr das Widerstandselement R eines RC-Tiefpasses darstellt. Mit P sind der Eingangs- bzw. Ausgangsdruck des Systems bezeichnet. Die Frequenzkennlinie dieses Tiefpasses zeigt Fig. 4. Der Effektivwert des akustisehen Widerstandes im Wege der eintreffenden Schallwellen wird nicht nur durch sorgfältige Wahl des Materials und der Abmessungen des Polsters 7 festgelegt, sondern auch durch Größe und Zahl der Luftkanäle 3 und Bohrungen 5. Wegen der bekannten Eigenschaften von RC-Tiefpässen ist es möglich, den effektiven akustischen Widerstand des Polsters 7 so festzulegen, daß die Übertragung der Schallwellen bis zu einer vorgegebenen Frequenz /, weitgehend ungedämpft erfolgt, während oberhalb dieser Frequenz /, •5 eine Dämpfung von ungefähr 6 dB pro Oktave eintritt. Wird die Frequenz/., so gewählt, daß sie der maximal gewünschten Übertragungsfrequenz von z.B. 3000 Hz ist, so führt die erläuterte Ausbildung des Ohrenschützers dazu, daß die oberhalb von 3000 Hz, d.h. oberhalb der üblichen Sprachfrequenzen liegende Signale weitgehend eliminiert werden.

Auf Grund seines Aufbaus benötigt das Polster 7 eine aus einem feinen Netz bestehende Schutzkappe 8 Als Material für das Netz kommt insbesondere zur Vermeidung von Feuchtigkeitseinflüssen ein Polyäthylen odi.r ein anderes feuchtigkeitsabweisendes Material in Frage. Die akustische Impedanz eines solchen Kunststolfnetzes kann im Vergleich zu den anderen im System wirksamen akustischen Impedanzen relativ klein gehalten werden.

Die einzelnen Elemente werden von einem außen angeordneten Gehäuse 9 zusammengehalten, das gleichzeitig einen Griffring für die Verstellung der Scheibe 4 darstellt Mit Hilfe einer Feder 10 wird erreicht, daß Jie Scheibe 4 dicht an der rückwärtigen Stirnfläche .ί·τ Muschel 1 anliegt, so daß jeder unerwünschte Schalleintritt durch Spaltbildung zwischen der Scheibe 4 und der Muschel 1 unterbunden wird. Weiterhin ist in der Muschel 1 ein Kopfhörer 11 zum Empfang von Informationen über eine nicht dargestellte Anschlußleitung angeordnet. Dci Kopfhörer 11 ist dabei so eingesetzt, daß er die Schallübertragung von der Umwelt zum Ohr nicht behindert.

In der Muschel 1 befindet sich weiterhin eine bestimmte Menge eines Absorptionsmaterials 12, das der Reduktion oder Beseitigung akustischer Resonanzen innerhalb der Muschel 1 dient.

Bei der in Fig. 5 gezeigten weiteren Ausführungsform des Ohrenschützers sind mit dem ersten Ausführungsbeispiel vergleichbare Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Die beiden Ausführungsbeispiele stimmen hinsichtlich der Konstruktion von Muschel 1. Dichtring 2, Luftkanälen 3, Scheiben und Bohrungen 5 überein.

Das weitere Ausführungsbeispiel besitzt eine aus einem relativ flexiblen Material bestehende Membran 14, die ein zusätzlich eingeschlossenes Luftvolumen 13 begrenzt. Alternativ kann bevorzugt werden, die Membran 14 mechanisch steif und träge sowie ela-6u stisch auszuführen. Die Scheibe 4 ist mit Hilfe eines Hebels 15 verdrehbar, andere Verstellmittel, beispielsweise ein axial angeordneter Knopf können vorgesehen sein.

Die Wirkungsweise der zweiten Ausführungsform ist nachstehend an Hand der akustischen Elemente des Systems erläutert, wobei zur Vereinfachung der Darstellung elektrische Ersatzschaltbilder der Beschreibung zugrunde gelegt sind. Das eingeschlossene

Luftvolumen 20 entspricht der Parallel-Kapazität C₁; mit P_1n und P_aul sind der Eingangs- bzw. Ausgangsdruck bezeichnet. Wenn die Quellimpedanz der Eingangsenergie klein im Verhältnis zur Impedanz der Kapazität C₁ ist, ist die Dämpfung in einem solchen System null; dies ist bei der Schallausbreitung in der freien Luft der Fall. Die Frequenzkennlinie eines solchen Systems zeigt Fig. 11.

Fig. 7 enthält eine zusätzliche Kapazität C₂, mit deren Impedanz das System eine von der Frequenz unabhängige Dämpfung mit einem Wert erhält, der in bekannter Weise von dem Verhältnis C₁ zu C₂ abhängig ist. In dem Ausführungsbeispiel entspricht die Kapazität C₂ der Steifheit der in Fig. 5 gezeigten Membran 14. Die Frequenzkennlinie eines solchen Systems ist in Fig. 12 dargestellt.

Wenn die Masse M₁ der Membran 14 in das System eingeführt wird (Fig. 8), besitzt das System eine Frequenzkennlinie gemäß Fig. 13, deren Maximum bei einer durch die Impedanzen M₁, C₁, C₂ festgelegten Frequenz liegt. Es ist erkennbar, daß die Dämpfung nur in einem schmalen Frequenzband null oder kleiner als null ist.

Wenn in das System gemäß Fig. 9 ein Widerstand R_] eingeführt wird, der - wenn auch nicht notwendigerweise - durch eine Eigenschaft der Membran 14 verwirklicht werden kann, läßt sich die unerwünschte Verstärkung des Systems nach Fig. 8 bzw. 13 reduzieren. Eine Frequenzkennlinie für eine Anordnung gemäß Fig. 9 zeigt Fig. 14. Es ist erkennbar, daß diese Frequenzkennlinie einem Bandpaß angenahen ist. Wählt man die Elastizität der Membran 14 so, daß sie niedrigere Frequenzen bedämpft, und wählt man die Masse M₁ der Membran so, daß sie die Dämpfung bei einer gewünschten Frequenz reduziert, resultiert normalerweise eine Filterung der höheren Frequenzen bei unerwünscht niedrigen Werten.

Das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 10 enthält drei zusätzliche Elemente: Die Kapazität C₃ entspricht der Wirkung des eingeschlossenen Volumens 13, M₂ entspricht der akustischen Trägheit der Luftkanäle 3 und Bohrungen S, und der Widerstand R₂ entspricht dem akustischen Widerstand des Absorptionsmatcrials, das außerdem Resonanzen im Bereich des Luftvolumens 20 dämpft. Durch Abstimmung der im System gemäß Fig. 10 enthaltenen Elemente läßt sich die Übertragbarkeit höherer Frequenzen noch etwas ausdehnen, so daß sich eine Gesamt-Frequenzlinie A ergibt, wie sie in Fig. 15 dargestellt ist. Das Verhältnis P₀^IPi_n ist bei der Frequenzkennlinie A in einem bestimmten Frequenzband 1 oder nahezu 1. Das bedeutet, daß in diesem Frequenzband im wesentlichen keine Dämpfung auftritt, während bei niedrigeren oder höheren Frequenzen eine ausgeprägte Dämpfung vorhanden ist.

Der weitgehend dämpfungslos übertragene Dämpfungsbercich wird so gewählt, daß er im Bereich der Sprachfrequenzen von beispielsweise 1000 bis 3000 Hz liegt. Hierdurch und durch die Dämpfung der niedrigeren und höheren Frequenzen wird bewirkt, daß eine wünschenswerte Verbesserung des Signal/ Geräuschverhältnisses und eine Verbesserung der Empfangsklarheit eintritt.

Wenn die Impedanz der Kapazität C₂ durch eine Erhöhung des Luftdruckes in der Umgebung erhöht

ίο wird, besitzt das System eine Frequenzkennlinie B gemäß Fig. 15. Ein Vergleich der Kennlinien A und B zeigt, daß dadurch eine beträchtliche Zusatzdämpfung im unteren Frequenzbereich eintritt, durch die die Ohren des Trägers gegen Explosivgeräusche ge-

¹S schlitzt werden, die eine solche Erhöhung des Luftdruckes hervorrufen.

Die Membran 14 besteht vorzugsweise, wenn auch nicht notwendigerweise, aus Kunststoff. Sie hat darüber hinaus den Zweck, den Schallübertrager gegen das Eindringen von Feuchtigkeit zu schützen, und sie verhindert Unbequemlichkeiten für den Träger, wenn er den Ohrenschützer in einer windigen Umgebung benutzt.

Mit Hilfe eines Bügels läßt sich der Ohrenschützer

*5 auf dem Kopf oder in einem Schutzhelm tragen, wie er von Flugzeugbesatzungen oder den Besatzungen von Kampffahrzeugen benutzt wird.

Reduziert man die Impedanz der Kapazität C-, durch Verwendung eines flexiblen Materials für die Membran 14, beispielsweise durch Verwendung einer Polyäthylenplatte und befestigt man die Membran 14 in einem schlaffen, d. h. nicht gespannten Zustand, so wird ihre Impedanz vernachlässigbar klein im Verhältnis zu den Impedanzen der anderen akustischen Elemente des Systems, dann nimmt das System die Eigenschaften eines Tiefpaßfilters an, die jenen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ähnlich sind. Wenn die Membran jedoch durch Explosionsgeräusche straff gespannt wird, ist die Dämpfung größer, da anfänglich eine kleine Dämpfung der niedrigen Frequenzen vorherrschte. Der gleiche Effekt läßt sich bei einer Modifizierung der Ausführungsform gemäß Fig. 1 erreichen, wenn die Schutzkappe 8 von einer schlaff eingespannten Polyäthylenplatte gebildet wird.

Sie hat eine gegenüber den anderen Elementen des Systems geringe Impedanz und bewirkt dadurch fast keine Dämpfung. Wenn der Luftdruck jedoch auf Grund von Explosionsgeräuschen ansteigt, wird die Platte gespannt, so daß ihre Impedanz mit dem Ergebnis einer wesentlich erhöhten Dämpfung wächst Wenn die Platte in beiden Ausführungsbeispielen gespannt ist, stellt sich eine Gesamtdämpfung ein, die der Dämpfung bei geschlossenem Schallübertragei entspricht, d. h. in einer Stellung der Scheibe 4, in dei deren Bohrungen nicht mit den Luftkanälen 3 fluchten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ohrenschützer gegen Störgeräusche, mit einer das Ohr umgebenden und ein Luftvolumen einschließenden Muschel sowie mit einem an der Muschel angeordneten und Umwelt mit I.uftvolumen verbindenden Schallübertrager, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallübertrager mindestens einen, die Wand der Muschel (1) durchsetzenden Luftkanal (3) und eine mit mindestens einer Bohrung (5) versehene Scheibe (4) aufweist, die aus einer ersten Stellung, in der Bohrung (5) und Luftkanal (3) fluchten, in eine zweite Stellung bewegbar ist, in der sie den Luftkanal (3) verschließt und daß der aus Luftkanal (3) und Bohrung (5) gebildete Durchlaß an seiner umweltseitigen Öffnung mit einer Dämpfungseinrichiung (7: 14) überdeckt ist, die gemeinsam mit dem Lultvolumen (20) ein akustisches Filter bildet.

2. Ohrenschützer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (4) mittels einer Feder (10) abdichtend an die Muschel (1) angedrückt ist.

j. Ohrenschützer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die D.impfungseinrichtung (7: 14) eine mit Abstand von der Muschel

(1) angebrachte Membran (14) aufweist, welche gegenüber der dem Luftvolumen (20) entgegengesetzten Seite des Durchlasses (3. 5) ein Zusatz-Luftvolumen (13) eingrenzt, das einen zusätzlichen Teil des akustischen Filters bildet.

4. Ohrenschützer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit seinem einen Ende an der Scheibe (4) befestigtes Betätigungselement (15) durch eine öffnung der Membran (14) und durch das Zusatz-Luftvolumen (13) hindurchgeführt ist.

5. Ohrenschützer nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung ein poröses Kissen (7) aufweist.

6. Ohrenschützer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (14) aus flexiblem, eine bestimmte Steifigkeit besitzendem Material besteht und ohne Vorspannung so eingebaut ist, daß sie unter Einwirkung von durch explosive Geräusche erhöhtem Luftdruck einen gespannten Zustand einnimmt.

Ohrenschützer nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kante der Muschel (1) - wie an sich bekannt - zu deren Abdichtung gegenüber dem Kopf eines Benutzers mit einem Dichtring

(2) aus einem flexiblen Material besetzt ist.

S. Ohrenschützer nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Muschel (1) eine Schicht aus schallabsorbierendem Material (12) trägt.