DE2830451C2

DE2830451C2 - Kopfhörer

Info

Publication number: DE2830451C2
Application number: DE2830451A
Authority: DE
Inventors: Nobuhisa Atoji; Mitsuhiro Kadoma Osaka Hasegawa; Shoichi Kusumoto; Takashi Matsumoto; Kazue Sato
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1977-07-11
Filing date: 1978-07-11
Publication date: 1983-01-20
Also published as: GB2000941B; DE2830451A1; GB2000941A; US4211898A

Description

3. Kopfhörer nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschiebereinrichtung ein Hochpaßfilter mit einer Resonanzfrequenz nahe 1 kHz aufweist das elektrisch mit der Erregungseinrichtung der Membranschwingungen verbunden ist

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kopfhörer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem solchen, z. B. aus der DE-OS 26 48 786 bekannten Kopfhörer weist das Kopfhörergehäuse an der Bückseite der Membran einen Hohlraum zur Bildung eines akustischen Blindwiderstands für die sich rückwärts ausbreitenden akustischen Wellen sowie eine öffnung in der Rückwand zur Bildung einer akustischen Ma&senreaktanz auf. die mit dem akustischen Blindwiderstand zur Erzeugung von zwei Resonanzspitzen in einem Frequenzbereich von 1 kHz bis 10 kHz zusammenwirkt Hierdurch wird ein Frequenzgang angestrebt der dem bei Lautsprecherwiedergabe erzielbaren Frequenzgang möglichst ähnlieh ist, jedoch läßt sich aufgrund von Laufzeitverzögerungen und dergleichen auch durch diese Maßnahmen keine völlig lautsprecheranaloge Tonwiedergabe erzielen.

Darüber hinaus ist bereits vorgeschlagen worden (DE-OS 27 38 773), einen zwei parallel beabstandete Membranen aufweisenden Kopfhörer mit einem rückwärtigen Hohlraum zu versehen, der eine öffnung im Kopfhörergehäuse aufweist. Mit Hilfe eines solchen

65 rückwärtigen Hohlraums läßt sich jedoch lediglich eine breitbandigere Frequenzcharakteristik erzielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kopfhörer der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß dem Zuhörer ein lautsprecheranaloges realistisches Hörereignis vermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst

Erfindungsgemäß ist somit eine Phasenschiebereinrichtung vorgesehen, die den akustischen Wellen im Bereich von 1 kHz eine Phasenvoreilung erteilt, wodurch der Phasen-Frequenzgang des Kopfhörers dem bei Lautsprecherwiedergabe erzielbaren Frequenzgang entspricht Der Hörer empfindet die Tonwiedergabe hierbei wesentlich naturgetreuer, da die Schallwellen von einem vom Hörer beabstandeten Lautsprecher und nicht von der schwingenden Membran im Kopfhörergehäuse zu stammen scheinen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Meßanordnung zur Messung von Schalldruck und Phasengang eines Lautsprechers am Trommelfell eines Zuhörers unter Verwendung eines Kunstkopfes,

F i g. 2 den mittels der Meßanordnung gemäß F ι g. 1 am Trommelfell des Zuhörers gemessenen Schaldruck-Frequenzgang,

Fig.3 eine Meßanordnung zur Messung von Schalldruck und Phasengang eines Kopfhörers am Trommelfell eines Zuhörers unter Verwendung eines Kunstkopfes,

Fig.4 eine vertikale Querschnittsansicht eines Kopfhörers, der zwei Resonanzspitzen im Tonfrequenzbereich erzeugt

F i g. 5 ein elektrisches Ersatzschaltbild des Kopfhörers gemäß F i g. 4.

Fig.6 den von dem Kopfhörer gsmäß Fig.4 am Trommelfell eines Zuhörers erzeugten Schalldruck-Frequenzgang,

Fig.7 den Phasen-Frequenzgang des Kopfhörers

gemäß F i g. 4,

F i g. 8 den Phasen-Frequenzgang der Lautsprecheranlage gemäß F i g. 1.

Fig.9 eine vertikale Querschnittsansicht eines Kopfhörers gernäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 10 ein elektrisches Ersatzschaltbild des elektroakustischen Systems des Kopfhörers gemäß F i g. 9.

F i g. 11 den Schalldruck-Frequenzgang des Kopfhörers gemäß F i g. 9,

Fig. 12 den Phasen-Frequenzgang des Kopfhörers gemäß F ig. 9, . .

Fig. 13 eine bei einem weiteren Ausrührungsbeispiel des Kopfhörers vorgesehene Phasenschieberschaltung,

Fig. 14A den Ausgangs/Eingangspotential-Frequenzgang der Phasenschicberschaltung gemäß

F i g. 14B den Phasen-Frequenzgang der Phasenschieberschaltung gemäß F i g. 13,

F i g. 15 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Phasenschieberschaltung,

Fig. 16A den Ausgangs/Eingangspotential-Frequenzgang der Phasenschieberschaltung gemäß

Fig. 15,
F i g. 16B den Phasen-Frequenzgang der Phasenschie-

berschaltung gemäß F i g. 15,

Fig. 17 den Schalldruck-Frequenzgang des mit der Phasenschieberschaltung versehenen Kopfhörers und

Fig. 18 den Phasen-Frequenzgang des mit der Phasenschieberschaltung versehenen Kopfhörers.

Zunächst sei erläutert, welchen Schalldruck-Frequenzgang ein Kopfhörer aufweisen muß, damit eine derart realistische Tonwiedergabe wie bei Verwendung einer Lautsprecheranlage erzielbar ist

In F i g. 1 ist schematisch ein Lautsprecher-Schalldruckmeßsystem dargestellt, bei dem ein Kunstkopf 1 Verwendung findet Der in seinen Dimensionen dem menschlichen Kopf entsprechende Kunstkopf I ist unter einem Winkel von 30° zu einem Lautsprecher 3 in einem Abstand von 2 m angeordnet Obwohl der Lautsprecher selbst einen im wesentlichen linearen Frequenz- und Phasengang aufweist, zeigt der Frequenzgang am Kunstkopf 1 zwei Resonanzspitzen, wie sie in der Frequenzgangkennlinie gemäß F i g. 2 dargestellt sind. Die erste Frequenzspitze wird durch Resonanzen im Gehörgang verursacht, während die zweite Resonanzspitze auf Beugungen am Kopf und äußeren Ohr beruht. In F i g. 3 ist schematisch ein Kunstkopf 1 veranschaulicht, der mit einem Kopfhörer 4 versehen kx. Wenn der Schalldruck-Frequenzgang gemäß Fig. 2 an der Membran des Mikrofons 2 reproduziert wird, vermittelt ein solcher Kopfhörer einem Zuhörer ein naturgetreues Hörereignis wie im Falle einer Lautsprecherwiedergabe.

F i g. 4 stellt eine vertikale Querschnittsaasicht eines Kopfhörers dar. Eine innerhalb eines Gehäuses 5 angebrachte Membran 9 bildet mit der Rückwand des Gehäuses 5 einen rückwärtigen Hohlraum 12. Das Gehäuse 5 ist mit zwei öffnungen 14 versehen, die jeweils eine akustische Massenreaktanz bilden. Die Membran 9 wird von geeigneten Abstandsstücken 8 gehalten und trägt eine z. B. aus Aluminium bestehende gedruckte Schwingspule (ohne Bezugszeichen). Eine Hörmuschel 7 ist an einer Seite einer mit einer öffnung (ohne Bezugszahl) versehenen Frontplatte 6 befestigt, die wiederum an ihrer anderen Seite fest an dem Gehäuse 5 angebracht ist. Zwei Joche 11 sind innerhalb des Gehäuses S derart angeordnet, daß sie die Abstandsstücke 8 zwischen sich festhalten. Die Joche 11 tragen jeweils mehrere plattenartige Magnete 10. Die Anordnung der Magnete 10 ist derart getroffen, daß die Polaritäten der jeweils einander gegenüberliegenden Magnete identisch sind, so daß bei Beaufschlagung der Schwingspule mit einem Strom der Induktionsfluß der Magnete 10 eine Schwingung der Membran 9 gemäß der sogenannten Dreifingerregel bewirkt. so

In F i ς. S ist ein elektrisches Ersatzschaltbild des elektroakustischer! Systems des Kopfhörers gemäß Fig.4 dargestellt. Eine von einer elektromotorischen Kraft F gebildete Spannungsquelle liegt in Reihe mit einem Widerstand Rv, einer Induktivität Mp und Kondensatoren Cn, Cd sowie O. Der Kondensator Cb ist außerdem einer weiteren Induktivität Mb parallel geschaltet. Die Elemente des elektrischen Ersatzschaltbildes gemäß F i g. 5 entsprechen in der nachstehend wiedergegebenen Weise den akustischen Funktionen des Kopfhörers gemäß F i g. 4:

F: mechanomotorische Kraft, Rv: elektromagnetischer Bremswiderstand durch die Schwingspule,

Mo: Masse im Schwingsystem,
C_D: reziproke Steifigkeit des Schwingsystems, Cb: akustischer Blindwiderstand des hinteren Hohlraums 12,
Cp akustischer Blindwiderstand des von der Membran 9 und dem äußeren Ohr des Zuhörers gebildeten

räumlichen Volumens,
Mb· akustische Massenreaktanz der öffnung 14.

In Fig.6 ist der am Trommelfell eines Zuhörers erzeugte Schalldruck-Frequenzgang des Kopfhörers gemäß F i g. 4 veranschaulicht der zwei Resonanzspitzen im Frequenzbereich von 1 kHz vis IO kHz aufgrund einer Parallelresonanz zwischen dem akustischen Blindwiderstand Cb und der akustischen Massenreaktanz Mb aufweist Da dieser Frequenzgang demjenigen gemäß Fig.2 weitgehend analog ist kann der Kopfhörer im Prinzip ein annähernd naturgetreues Hörereignis wie im Falle einer Tonwiedergabe über die Lautsprecheranlage gemäß F i g. 1 vermitteln, das sich jedoch in bezug auf den Phasen-Frequenzgang wesentlich verbessern läßt Der an der Membran des Mikrofons 2 gemäß Fig.3 f Trommelfell des Zuhörers auftretende Phasen-Frequer zgang ist für den Kopfhörer in F i g. 7 dargestellt während in F i g. 8 der Phasen-Frequenzgang der Lautsprecheranlage gemäß F i g. 1 veranschaulicht ist der eine gewisse Analogie zu dem Frequenzgang gemäß Fig.7 aufweist Da die Schallquelle des Kopfhörers gemäß Fig.4 von dem akustischen Blindwiderstand Cf gemäß F i g. 5 gebildet wird, tritt jedoch eine auf der Schallaufstrecke von der Membran 9 des Kopfhörers gemäß Fig.4 zu der Membran des Mikrofons 2 gemäß F i g. 3 beruhende Laufzeit bzw. Verzögerungszeit auf, die eine völlig realistische Tonwiedergabe wie bei einer Lautsprecheranlage verhindert

Im Vergleich zu dem Kopfhörer gemäß F i g. 4 läßt sich somit eine naturgetreue Tonwiedergabe erzielen, wenn der Phasen-Frequenzgang den in Fig.8 dargestellten Verlauf annimmt.

Zu diesem Zweck weist der erfiudungjgemäße Kopfhörer gemäß einem in F i g. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich einen weiteren Hohlraum 16 auf. der von einem hinzugefügten Gehäuseteil 15 sowie der Rückwand des Gehäuses 5 gebildet wird. Das Gehäuseteil 15 ist mit einer weiteren Öffnung 17 versehen, durch die der Hohlraum 16 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Außerdem steht der Hohlraum 16 über die öffnungen 14 mit dem Hohlraum 12 in Verbindung.

In Fig. 10 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild des Kopfhörers gemäß Fig.9 dargestellt. Wie den Fig. 10 und 5 zu entnehmen ist, sind dem Ersatzschaltbild gemäß F i g. 5 nunmehr eine Induktivität Mb und ein Kondensator Cb derart hinzugefügt, daß die neuen Ba. elemente in Reihe geschaltet sind und der Kondensator Cn der aus der Induktivität Mb und dem Kondensator Cb bestehenden Reihenschal: jng parallelgeschaltet ist. Wie in Verbindung mit dem Ersatzschaltbild gemäß F i g. 5 bereits vorstehend erläutert, erzeugt auch bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 10 die Parallelresonanz (nachstehend als erste Parallelresonanz bezeichnet) zwischen dem akustischen Blindwiderstand Cb und der akustischen MassenreaktatiZ M_B der öffnung 14 die beiden in Fig.6 veranschaulichten Resonanzspitzen. Außerdem wird die untere Resonanzspitze gemäß F<g. 6 steil ausgebildet, indem die Frequenz der zweiten Parallelresonanz zwischen dem akustischen Blindwiderstand CV und der Massenreaktanz Mb' unter der Frequenz der ersten Parallelresonanz gehalten wird, wodurch ein Phasen-Frequenzgang

mit einem F i g. 9 analogen Verlauf erhalten wird. Durch diesen Kopfhörer ist somit eine naturgetreue Tonwiedergabe wie bei Verwendung einer Lautsprecheranlage möglich, indem durch die zweite Parallelresonanz eine Phasenvoreilung der Tonphase an der ersten j Parallelresonanz erzielt wird.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel des Kopfhörers ist die Frequenz der zweiten Parallelresonanz z. B. auf den Bereich von 1 kHz eingestellt to

Nachstehend wird naher auf ein zweites Ausführungsbeispiel des Kopfhörers eingegangen, das dem Kopfhörer gemäß Fig.4 in bezug auf den Aufbau gleicht, jedoch einen Schalldruck-Frequenzgang und einen Phasen-Frequenzgang aufweist, die den Frequenzgän- is gen gemäß F i g. 2 bzw. F i g. 9 entsprechen. Dies wird dadurch erreicht, daß der Kopfhörer gemäß F i g. 4 mit einer Phasenschieberschaltung gemäß F i g. 13 versehen wird.

Bei der Phasenschieberschaltung gemäß Fig. 13 ist ein Widerstand Rt einem Kondensator G parallel geschaltet, der zusammen mit einem Reihenwiderstand R\ ein Hochpaßfilter bildet Das Verhältnis des Ausgangspotentials zum Eingangspotential ist hierbei durch folgende Gleichung gegeben:

1 +JvC₁R₂

In den F i g. 14A und 14B sind jeweils der Amplitudengang bzw. der Phasengang der Phasenschieberschaltung gemäß F i g. 13 dargestellt

In den Fig. 17 und 18 ist der Schalldruck-Frequenzgang bzw. der Phasen-Frequenzgang des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels des Kopfhörers wiedergegeben. Da die Frequenzgänge gemäß den Fig. 17 und 18 jeweils denjenigen gemäß Fig.2 bzw. F i g. 9 entsprechen, ist auch mit Hilfe dieses Ausführungsbeispiels des Kopfhörers die gleiche naturgetreue Tonwiedergabe wie bei Verwendung einer Lautsprecheranlage erzielbar.

In F i g. 15 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der bei diesem Kopfhörer verwendeten Phasenschieberschaltung veranschaulicht bei der ein Widerstand Äj einem Kondensator C₂ parallel geschaltet ist, der zusammen mit einer Induktivita' L\ und einem Widerstand Rt ein Hochpaßfilter bildet Das Verhältnis des Ausgangspotentials zum Eingangspotential ist durch folgende Gleichung gegeben:

In den Fig. 16A und 16B sind jeweils der Amplitudengang bzw. der Phasengang der Phasenschieberschaltung gemäß F i g. 15 dargestellt.

Ein entsprechender Schalldruck-Frequenzgang sowie Phasen-Frequenzgang tritt auch bei dem die Phasenschiebersohaltung gemäß F i g. 15 aufweisenden Ausführungsbeispiel des Kopfhörers an der Membran des

Mikrofons 2 gemäß F i g. 3 auf, so daß auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine naturgeti eue Tonwiedergabe

wie bei Verwendung einer Lautsprecheranlage erzielt wird.

In der Praxis erfolgt die Phasenvoreilung bzw.

Phasenvorverstellung des den Phasenschieberschaltungen gemäß Fig. 13 bzw. Fig. 15 zugeführten elektrischen Signals im Bereich von 1 kHz.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kopfhörer, mit einem Gehäuse mit mehreren , Löchern in der Vorderseite neben dem Ohr des Trägers, einer nach hinten von den Löchern beabstandeten Membran und einer Erregungseinrichtung, die die Membran zur Erzeugung akustischer Wellen in entgegengesetzten Richtungen in von einem elektrischen Signal abhängige Schwingungen versetzt, wobei das Gehäuse an der Rückseite der Membran einen Hohlraum zur Bildung eines akustischen Blindwiderstands für die sich rückwärts ausbreitenden akustischen Wellen sowie eine öffnung in dessen Rückwand zur Bildung einer akustischen Massenreaktanz aufweist, die mit dem akustischen Blindwiderstand zur Erzeugung von zwei Resonanzspitzen in einem Frequenzbereich von 'kHz bis 1OkHz zusammenwirkt, gekennzeichnet durch eine Phasenschiebereinrichtung (15,16,17; C₁. Ru Rr. C₂, U A₃, R*). die den akustischen Wellen im Bereich von 1 kHz eine Phasenvoreilung erteilt

2. Kopfhörer nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfhörer-Gehäuse einen zweiten Hohlraum (16) aufweist, der neben dem ersten Hohlraum 12) im Abstand zur Membran (9) angeordnet sowie mit dem ersten Hohlraum (12) über die öffnung (13*. 14) und mit der Atmosphäre über eine zweite öffnung (17) mit zur Erzeugung einer akustischen Massenreaktanz ausreichenden Abmessungen verbunden ist t,<d einen akustischen Blindwiderstand aufweis., der mit der akustischen Massenreaktanz der zweiten Öffnung (17) zur Bildung einer die Phasenvoreilung erzeugenden zweiten akustischen Parallelresonanz zusammenwirkt