DE2836937A1

DE2836937A1 - Kopfhoerer

Info

Publication number: DE2836937A1
Application number: DE19782836937
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Goerike
Original assignee: AKG Akustische und Kino Geraete GmbH
Current assignee: AKG Acoustics GmbH
Priority date: 1977-08-31
Filing date: 1978-08-24
Publication date: 1979-03-15
Also published as: JPS585637B2; US4278852A; DE2836937B2; JPS5448228A

Description

AKG Akustische u. Kino-Geräte GmbH

Btunhildengasse 1, Wien 15, Österreich

"Kopfhörer"

Gegenstand der Erfindung ist ein Kopfhörer mi t Ghrpolster und wenigstens je einem elektroakustisehen Wandler mit flächenförmig angetriebener hembran, beispielsweise nach dem orthodynamisehen oder elektrostatischen Umwandlungsprinzip.

Derartige Kopfhörer besitzen gute Ubertregungseigenschaften und werden daher im allgemeinen zur binaurolen Übertragung von Schallereignissen herangezogen, wobei jedem Ohr mindestens ein Schallwandler zugeordnet ist. Es ist aber auch bei den Kopfhörern dieser Bauart jener unerwünschte Effekt bemerkbar, der als "Im Kopf Lokalisation" des übertragenden Schallereignisses bezeichnet wird. D.h. mit anderen Worten, der Benutzer eines Kopfhörers hat nicht den Eindruck, daß der Üchall von außen kommt, sondern im Inneren seines Kopfes entsteht. Bei einer binauralen Übertragung tritt dieser Effekt zwar gemildert auf, aber der Eindruck, der beispielsweise durch eine Wiedergabe über eine Lautsprecheranlage erzielt wird, kann dzt. mittels Kopfhörer nicht erreicht werden.

Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, einen Kopfhörer der circumauralen Bauart zu schaffen, bei dem die unerwünschte Lokalisation des übertragenen Schallereignisses im Kopf vermieden wird und sich daher der Eindruck ergibt, daß das Schallereignis dem Ohr von außen zugeführt wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die flächenförmig angetriebene Membran mit ihrem äußeren Umfang unmittelbar an das das Ohr umschließende Polster anschließt.

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Die erfindungsgemäße Konstruktion beruht auf der Erkenntnis, daß, solange die Aufnahme von Schallereigni ssen mit Mkrophonen erfolgt, die keine für das Bichtungs- und Entfernungshören wichtige Ohrresonanzen erzeugen, wie sie beim freien Hören auftreten, und solange diese Aufnahmen zur Wiedergabe mittels Lautsprecher bestimmt sind, bei der die Ohrresonanzen beim Hörvorgang auftreten, es erforderlich ist, für das Abhören solcher Aufnahmen mit Kopfhörern, die Onrresonanzen in den Übertragungsweg zwischen Mikrophon und Trommelfell hineinzubringen. Dies läßt sich am einfachsten und sichersten dadurch erreichen, daß man die akustischen Eigenschaften der Ohrmuscheln des Benutzers des Kopfhörers zur Wirkung kommen läßt, weil damit die individuellen Eigenscharten des äußeren Ohres und des äußeren Gehörganges voll berücksichtigt werden. Ks hat sich gezeigt, daß insbesondere im Bereich zwischen 1,5 und 20 kHz der Einfluß der Ohrmuschel und des äußeren flehor^anges zu außerordentlich ausgeprägten und charakteristischen Spitzen- und Tälern in der Übertragungsfunktion führt und daß sich in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung der Schallwellen und der Entfernung der Schallquelle dabei deutliche spezifische Unterschiede ergeben. Im Frequenzbereich von 16 bis 800 Hz ist hingegen kein Einfluß des äußeren Ohres auf die Übertragungsfunktion, feststellbar.

Eine weitere Voraussetzung für das räumliche Hören mittels Kopfhörer liegt darin, daß Übertragungsfehler vermieden, werden. Diese werden bei den bekannten Kopfhörern durch schallreflektierende Flächen in der Nähe der Ohrmuschel hervorgerufen, die die individuellen akustischen Eigenschaften des äußeren Ohres stören. Schon die Membran eines Schallwandlers, z.B. ,eines Tauchspulensystems mit einer Fläche von etwa 5 cm und einer Masse ,von 0,2 g reflektiert Schallwellen, gerade im kritischen Frequenzbereich ab 3 kHz, wodurch das Schallereignis nahe am Ohr geortet wird. Besonders deutlieh' wird dies wahrgenommen, wenn weißes Bauschen mittels Terz- oder Oktavfilter dargeboten wird.

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Pur den erfindungsgemäßen Kopfhörer gilt daher der Grundsatz, die Membran des Wandlers hinsichtlich ihrer Abmessungen und ihrer spezifi sehen- Masse so zu gestalten, daß sie als Beflekl.or für Kchallwellen höherer Frequenz zu vernachlässigen ist, und darüber hinaus alle im höheren Frequenzbereich reflektierenden Flachen, die den Kopplungsraum zwischen Membran und Ohr begrenzen, zu vermeiden.

Für den Kchallwandler ist das orthodynamisehe Prinzip bevorzugt geeignet, weil es die Verwendung einer extrem leichten Membran in Verbindung mit einem über die gesamte Membranfläche wirksamen Anl-rieb ermöglicht. Für den. erfindungsgemäßen Kopfhörer eignet sich aber auch ein elektrostatisches System insbesondere mit einer Elektretmembran, dem zur Verbesserung der Baßxviedergabe ein elektrodynamisches Tieftonsystem zugeordnet sein kann.

Orthodynamische Kopfhörer sind bisher nur. in supraauraler Fauart bekannt pev/orden, bei denen das Ohrpolster auf der Ohrmuschel des Benutzers aufliegt. Dadurch werden die Eesonanzen der Ohrmuschel ausgeschaltet und es wird nur die Resonanz des äußeren Gehörganges wirksam, was eine Überhöhung der Übertragungsfunktion von etwa 10 db im Bereich um etwa 2,5 kHz ergibt. Tm wichtigen Bereich zwischen 3 und 16 kHz treten infolge des Fehlens der Ohrresonanzen jedoch Ubertragungsfehler auf. Da die Schallöffnung in der Mitte des Ohrpolsters wesentlich kleiner als die Membranfläche ist, entstehen in der: niedrigen Kammer vor der Membran Inferenzeffekte der Schallwellen und ein Verlust im hohen Frequenzbereich. Der erfindungsgemäße Kopfhörer weist diese- Nachteile nicht auf. Bei in Kopfhörer nach der Erfindung übersteigt die ilembranf lache die Abmessungen der menschlichen Ohrmuschel, so daß unter Anwendung des circumauralen Kopplungsprinzips keine reflektierenden Flächen mehr auftreten. Die spezifische Masse der Membran wird durch die Wahl sehr dünner Folien, z.B. Polyesterfolien in einer Stärke von 3-10, u, so niedrig gehalten, daß ihr Strahlungswiderstand im höheren Frequenzbereich höher

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liegt als die mechanische Impedanz.

Ivine Bilanz der akustischen Verhältnisse ergibt folgendes Bild. ' '

Die I'iernbranfläche beträgt etwa 40 cm . Ihre Hasse ist etwa 0,04 g.

Per Strahlungswiderstand einer kreisförmigen Membran in iuech. Ohm ist Rg - P . C.Iu ft . JL, wobei

Q₁ = Dichte der Luft in g/cm⁵ = 1.2.10""⁵ C = Gchallgeschwindigkeit in cm/sec - 3»44 . 10

ο /t = Radius des flächengleichen Kreises von 40 cm = 3»7 cm

7^

= Wellenlänge in cm

C] = Besselfunktion erster Ordnung.

Aus Fig. 2 können die Werte für h entnommen werden.

Für drei Frequenzen, u.zw. 200, 1 000 und 5 000 Hz ergeben sich für h 0,02, 0,12 und 1,1 und damit'für R_g 27, 160 und 1460Ü Die Membranmasse von 0,04 g liefert für die genannten drei Frequenzen eine mechanische Impedanz<J-W von 48,240, 1 200 Xi.

Das loparifchmisehe Dekrement'd = —~—iw , (E? bedeutet dabei den Reibungswiderstand, M die Masse des schwingenden Systems) das in Fig. 8 als läranieter dargestellt ist, liefert für'Werte von 1,7-3 genügend Dämpfung für ein Cchwingungssystem. Damit verglichen, ergeben die Werte für K₀ hinreichende Dämpfung für die Membran. Für Membranmassen, die 0,04 g überschreiten, wird zweckmäßig ein zusätzlicher akustischer ■!reibungswiderstand vor der Membran angeordnet, der möglichst niedrig gehalten werden soll.

Wird außerdem die Rückstellkraft der Membran so eingestellt, daß ihre Resonanz im niedrigen Frequenzbereich liegt, dann werden Schallwellen praktisch ohne Reflexion durchgelassen,

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vor allem,wenn der Strahlungswiderstand das notwendige Dämpfurpsdekretnent liefert. Das bedeutet, daß der Kopplungsrnura sich so verhHlt;, als wäre keine Membran vorhanden. Wenn die Membran schwingt und damit Schall sendet, nähern sich 'ϊ i f? i-hrfii kali sehen Verhältnisse dem Zustand, als würden ;>r.haIiIwellen dme Anwesenheit einer Membran von außen an das Ohr pelanfen. Dabei können die akustischen Eigenschaften des äuireren Ohres, also der Ohrmuschel und des äußeren Gehörpanres, fehlerfrei zur Wirkung kommen.

YHi r l.ecnni r.f.he Fortschritt der Erfindung ist subjektiv feststellbar, wenn rmf.-er dem Abhören von Musik auch ein einfaches Experiment vorgenommen wird. Dabei wird Rauschen als andauernde Folge von stafc-ifsch verteilten Impulsen als Testsignal verwendet. Dies kann zum Beispiel durch ein Rundfunkgerät auf UKW mit Abstimmung zwisehen' Sendern oder einfach durch den Umgebungslürm aus großer Entfernung, wie der Großstadtlärmpegel odor dns Pauschen des Windes in den Baumkronen, realisiert sein. Ein i'örverg] ei oh mit und ohne aufgesetztem Kopfhörer, der nicht elektrisch angeschlossen ist, wird keinen Unterschied in der Klangfarbe im höheren Frequenzbereich feststellen lassen, wenn keine Reflexionen im Kopplungsraum entstehen mit Ausnahme der.jenipen der Chrrnuschel und des Gehörgangs. Beim Kopfhörer nach der Erfindung sind diese Bedingungen weitgehend erfüllt.

Venn die Ei.Fer.rsson.8n7; der Membran im niedrigen Frequenzbereich Zier¹"', Lei rjpi el Ewei se bei 400 Hz, dann ist in der Resonanz nur der Da mpfungfiw id erstand , der zweckmäßig vom Strahlungswiderstand der Membran herrührt, allein wirksam. Unterhalb der Resonanzfrequenz ist die Rückstellkraft, oberhalb.der Resonanzfrequenz die Masse der Membran vorherrschend. Wenn jedoch die Kopplung der Membran mit; der sie umgebenden Luft durch den Strahlungswider stand der Membran, der ihre mechanische Impedanz übertrifft, entsprechend fest ist, können keine Reflexionen an der Membran auftreten. Es ist daher für den erfindungsgemäßen Kopfhörer besonders vorteilhaft, wenn alle Begrenzungsflächen

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BAD OR!G»M*'

des Kopplimgsraumes' als aktive Wandlermembranen ausgebildet sind, die gleichphasig Schall abstrahlen. Nur bei Quad phoniebetrieb oder anderen, mit mehr als zwei Kanälen arbeitenden Übertrapungsmekhoden kann es zweckmäßig sein, andere i-hasenbeziehungen vorzusehen.

Beim einfachsten Ausführungsbeispiel, bei dem nur eine einzige großflächige Membran in Verbindung mit einem circutnauralen Ghrpolster vorgesehen ist, sind bereits merkbar verbesserte Höreigenschaften zu verzeichnen, insbesondere was das Entfernungshören betrifft. Bevorzugt wird der orthodynamisehe /Intrieb, es kann aber auch eine nach dem elektrostatischen I'rinzip angetriebene Membran, beispielsweise eine Elektretmembran verwendet werden, deren geringe Dicke etwa 3 ;u eine sehr geringe Masse ergibt, wodurch sich außerordentlich günstige Verhältnisse ergeben. Als ungünstig erweist sich, hiebei, daß.infolge der statischen Anziehungskraft zwischen Membran und Gegenelektrode die Membran relativ hoch abgestimmt ist, so daß der Re i bungswi. der stand zur Herstellung der erforderlichen Dämpfung groß wird, was sich, auf den Schalldurchtritt ungünstig auswirkt. Außerdem ist es, wie bereits erwähnt, erforderlich, für die tiefen Frequenzen ein weiteres Wandlersystem zu verwenden, das jedoch nur eine kleine Schallöffnung zum Kopplungsraum benötigt, so daß dadurch keine Störungen durch, unerwünschte Reflexionen im Kopplungsraum zu erwarten sind. " .

In der ersten Ausbildung der Erfindung kann die Ebene, in der die fläGhenförmig angetriebene Membran liegt, so angeordnet sein, daß sie das ringförmige Ohrpolster keilförmig schneidet bzw. das Ohrpolster selbst keilförmig ausgebildet ist. Diese Maßnahmen bezwecken nichts anderes, als eine Anpassung der Membranlage an die Ohrmuschel des Benutzers, wobei gleichzeitig die einen Teil. des. Kopplungsraumes begrenzenden Flächen des Ohrpolsters die u.U. Schall reflektieren könnten, auf ein Minimum reduziert werden.

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Kirie weitere Verringerung der im Kopplungsraum liegenden Oberfläche des Ohrpolsters erreicht man durch, zwei aneinander anschließende, flächenförraig angetriebene Membrane, die etwa im · rechten winkel zueinander stehen und mit den keilförmig verlaufenden weite re-n Begrenzunp-sflächen an das niedrige Ohrpol ster anschließen.

Kür besondere Zv;ecke ist schließlich ein Ausführungsbeispiel gedecht, das mehr als zwei flächenförmig angetriebene Membranen aufweist und beispielsweise für Zwecke der Quadrophonie besonders geeignet ist, da man die Membranen ja so anordnen kann, wie sie der eufnahmeseitig vorgesehenen Mikrophonanordnung entsprechen.

I¹Ji η ebenfalls für Quadrophonie- oder andere, mehr als zwei Kanäle benützende Verfahren geeignetes Ausfühi'ungsbeispiel eines Kopfhörers ist dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Hörermuschel der flächenförmig angetriebenen Membran, die mit ihrem äußernn Umfang unmittelbar an das das Ohr umschließende tolster anschließt und eine extrem geringe Masse aufweist, wenigstens zwei voneinander unabhängige Antriebssysteme zugeordnet sind. Die Realisierung dieses Ausführungsbeispiels erfolgt im Falle der Verwendung eines elektrodynamischen Antriebes dadurch, daß die Membran beispielsweise zwei Bereiche aufweist, und .,leder Bereich für sich mit beliebig vielen Leiterbahnen beispielsweise in Form gedruckter Schaltungen, versehen ist, so daß ,jeder Membranbereich im wesentlichen unabhängig vom anderen angetrieben wird. Das Hagnetsystem braucht in diesem Falle nicht (unbedingt) geändert werden, da man die Leiterbabnen ja so legen kann» daß sie dem Vei:lauf und den Abständen der Magnetstäbe vollkommen entsprechen.

Ist hingegen ein elektrostatischer Antrieb vorgesehen, wird zweckmäßig die Membran von mehreren, der Kanalanzahl entsprechenden Elektrodenpaaren eingeschlossen, wobei unter Elektrodenpaar jeweils zwei symmetrisch zur Membranebene gegenüberliegende Elektroden zu verstehen sind.

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Sinngemäß zu den früher beschriebenen Anordnungen können außer der einen großen, flächenförmigen Membran, die erfindungsgemäß von zwei voneinander unabhängigen Antriebssystemen angetrieben ' wird, noch weitere, in anderen Ebenen angeordnete Membranen vorgesehen sein. Dabei können beliebige, im Winkel zueinander stehende Membranen elektrisch zusammengefaßt sein oder aber auch eigenen Übertragungskanälen zugeordnet sein. Auf diese Art ist es möglich, ,"je nach Stellung der einzelnen Membranflächen zueinander bzw. durch den partiellen Antrieb der Flächen und durch elektrische Speisung der Flachenkombination eine dem natürlichen Hören entsprechende Anregung der Ohrresonanzen hervorzurufen.

Die bei allen Ausführungsbeispielen vorgesehene extrem leichte Membran stellt, für Schallwellen keinen nennenswerten Widerstand dar und verursacht auch praktisch keine Reflexionen. Ha die Membranrückseite, d.i. jene Seite, die bei- Gebrauch des Kopfhörers vom Ohr abgewendet ist, ungehindert in den freien l?aum der Umgebung abstrahlen kann, ist es iinter Umständen für in der Nähe befindliche Personen störend, den vom Kopfhörer kommend ρ η Schall mithören zu müssen, w"s insbesondere deswegen unangenehm ist, weil der Klangeindruck für die Umgebung im wesentlichen durch den hohen Anteil von E'requenzen zwischen 1 kHz und 1? kHz gekennzeichnet ist und demnach ein Klangbild hörbar wird, bei dem die mittleren und die tiefen Frequenzen fehlen. Um das Abstrahlen von störendem Schall an die Umgebung im vorgenannten Frequenzbereich vermindern bzw. nicht zulassen, wird im geringen Abstand von der Membranrückseite ein über ihre gesamte Flächenausdehnung sich erstreckendes, insbesondere Schallschwingungen im mittleren und höheren Hörbereich absorbierendes, poröses, sogenanntes schallschluckendes Material angeordnet, so daß die Schallenergie der mittleren und höheren Frequenzen nach ihrem Eintritt in das poröse Material infolge der inneren Reibung in Wärme umgesetzt wird (Dissipation), wogegen im darunter liegenden Frequenzbereich die Schallenergie mit fallender Frequenz weniger gedämpft, durch das poröse Hat eri 81 hi nd urchtri 11.

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Durch djese Maßnahme werden die Bedingungen, die die Grundlage der Erfindung bilden, nichb gestört, da weder die durch das poröse Materiel durchtretenden Schallwellen der tieferen ['reouenzen noch die Schallwellen der in demselben verschluckten mittleren und höheren Frequenzen zurück an die Membran und damit in den Kopi'lunpsraum am Chr gelangen können. Der Schluckgrad, als Vergleich der reflektierten Schallwelle zur auftreffenden Schallwelle, ist, wenn man die Intensität beider Wellen vergleicht, durch den Ausdruck S = 1- (τ~) 2 gegeben, wobei Jn der Schöndruck der auf treffenden und Fr der der reflektierter Welle ist. Um der erfindungsgemäßen Forderung nech weitgehender Peflexionsfreiheit zu entsprechen, soll S sich dem Wert 1 annähern.

In der praktischen Ausführung wird man als schalldämmendes Element poröse, schallabsorbierende Materialien einsetzen, in deren engen Poren oder Kanälen die Schallenergie durch innere Reibung in Wärme umgesetzt wird (Dissipation)«

Soferne Schallwellen des Frequenzbereiches über 1 kHz noch, durch das schalldämmende Element durchtreten, müssen sie so weit gedämpft sein, daß sie praktisch nicht mehr hörbar sind. Vom Standpunkt der erfindungsgemäß geforderten Reflexionsfreiheit ist es unwichtig, wieviel von den Schallwellen dabei in Wärme umgesetzt wird und welcher Anteil durch das Material durchgelassen wird. Im höheren Frequenzbereich ist es jedoch erwünscht, daß dort möglichst viel Schallenergie in Wärme umgesetzt wird.

Im allgemeinen soll die durch das schalldämmende Element durchgelassene Schalleistung um etwa 6 bis 20 db geringer sein als die auftreffende, welche Werte ausreichend sind, ■um den erfindungsgemäßen Effekt zu erreichen. Demnach soll das poröse Material im Frequenzbereich von 1 kHz auf;värts die Fähigkeit aufweisen, Schall in Wärme umzusetzen. Im niederen Frequenzbereich hingegen können die Schallwellen nahezu ungehindert hindurchtreten, wodurch jedoch kein störendes

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Schallereignis in der Umgebung des Kopfhörerbenützers verursacht wird. -Gegebenenfalls ist es jedoch von Vorteil, wenn der geringe akustische Reibungswiderstand in diesem Frequenzbereich eine solche Größe aufweist, daß die riembranresonanz von etwa 400 Rz kritisch gedämpft wird, soferne der Strahlungswiderstand der I'Jembran nicht bereits eine hinreichende Dämpfung mit sich bringt. Grundsätzlich hängt es also von den Eigenschaften des Dämpfungsmaterials und seiner Dicke ab, welche Werte 3η Bezug auf das Schallschluckvermögen in Abhängigkeit von der Frequenz erzielt werden. Im Sinne der gegebenen Lehre sollen Keflexionen in Hörer praktisch alisgeschlossen werden. Demnach sind die porösen Materialien so anzuordnen bzw. einzubauen, daß keine reflektierenden Flächen entstehen. Dies ist insbesondere zu beachten, wenn das Dämpfungsmaterial keine eigene Steifigkeit besitzt und daher zur Forraerhaltung der Einbaii in eine vollständig schalldurchlässige, formstabile Kapselung erforderlich ist. Zweckmäßigerweise wird "man"für eine so]ehe Kapselung Gitterstrukturen aus Draht od dgl. verwenden, die auch hinsichtlich der geforderten Reflexionsfreiheit vorteilhaft sind. Eine Kapselung kann jedoch unterbleiben, wenn das poröse Material selbst formstabil ist, wie z.B. m!ntermnterial oder mit versteifender Imprägnierung verfestigter .Fj Iz.

Der Versuch, den Schalldurchtritt durch eine starre Wand zu verbinden,· scheitert daran, daß ein derartiges Gehäuse an der Rückseite des akusti sehen .Reibungswiderstandes ein so großes Volumen erhalten müßte, um die Rückstellkraft für die Membran in Grenzen zu halten, daß ein Kopfhörer dieser Bauart in der Praxis imverkäufΠ ich wäre. Gehäusetiefen von 20 - 30 cm wären als untere Grenze erforderlich.

Die Erfindung soll nun in der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung näher erläutert werden, in der in Fig. 1 ein erstes, einfaches Ausführungsbeispiel im Querschnitt schematisch dargestellt ist vnä Fig. 2 einen um 90° versetzten Querschnitt

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desselben Ausfü.hrungsbeispi eles darstellt, Fig. 3 zeigt ein keilförmiges Ohi'polster, wie es beispielsweise bei dem in Kip. 2 im Schnitt dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet ist, Flg. 4 ",ei pt einen Kopfhörer mit zwei aneinander anschließenden, fIHchenförmig angetriebenen Membranen 1,8 die etwa im rechten Winkel zueinander stehen und mit den keilförmig verlaufenden weiteren Begrenzungsflächen an das niedrige Ohrpolster anschließen, Fig. 5 veranschaulicht im schematischen Querschnitt einen erfindungsgemäßen Hörer, bei dem eine '/,weiteilige Membran vorgesehen ist, Fig. 6 zeigt schematisch, daß erfindungsgemäß auch mehrere Flächen des Kopplungsraumes mit flächenmäßip angetriebenen Membranen versehen bzw. von solchen Membranen gebildet sein können und die Fig. 7 und 8 enthalten Funktionskurven, die der besseren Erläuterung der Erfindung dienen, in Fig. 9 ist die Draufsicht auf eine Membran mit zwei voneinander unabhängigen elektrischen Kreisen in gedruckter Schaltung dargestellt, Fig. 10 ist ein schematiseher Querschnitt durch einen ortbodynamisehen, in der Gebrauchsstellung am Ohr befindlichen Wandler, Fig. 11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Wandlersystem mit Elektretmembran und Fig. 12 im Prinzip eine Kopfhörermuschel, die eine elektrostatische Anordnung gemäß Fig. 11 und überdies ein weiteres Wandlerelement enthält, Fig. 13 zeigt zunächst ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Schluckgrvd, i'-challdurchlössj gkei t und Eef lexi onsf aktor eines r-^:uiipfunp.S!nateri als erkennen läßt, wogegen in Fig.. 14 schematisch der Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel mit orthodynamischem Antrieb der Membran gezeigt ist, Fig. 15 in analoger Weise ein solches mit elektrostatischem Antrieb ebenflächiger Membranen darstellt und die Fig. 16 und 17 hingegen elektrostatische Systeme mit einer gekrümmten Membran zeigen.

In Fig. 1 ist ein orthodynamisches Wandlersystem in Form eines Kopfhörers bzw. einer Hörermuschel im vertikalen Querschnitt dargestellt. Gemäß der Erfindung ist ein relativ großes, das Ohr 4 des Benutzers praktisch berührungsfrei umschließendes,

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ringförmiges Ohrpolster 5 vorgesehen. Die Membran 1, auf der der elektrische Leiter in Form einer gedruckten Schaltung aufgebracht ist und sich über die ganze· Membranfläche erstreckt, reicht allseitig über die von der Ohrmuschel 4 eingenommenen !■lache hinaus utkI erreicht mit ihrer Randzone das Ohrp«lster 5» r-o daß der das Ohr 4 umschließende Kopplungsraum lediglich von den inneren Wandteilen des Ohrpolsters 5 und der Membran gebildet wird- Das Magnetsystem weist die bei orthodynamisehen Wandlern übliche Bauart auf und besteht im wesentlichen aus den abwechseln polarisierten Magnetstäbchen 2 und 3 und den ferromapnet.ί sehen Bodenplatten 6 und 7» bestehend aus gelochtem Blech eines weichmagnetischen Werkstoffes, so daß die Schallwellen ungehindert durch das Magnetsystem durchtreten können. Die Membran, selbst ist in der Symmetri.eebene des Magnetsystems angeordnet, wobei der Abstand zu den Polstäbchen so gewählt "ist, daß die aus extrem dünnen Kunststoff hergestellte Membran gerade noch frei schwingen kann. Dadurch ist die Wärmeabfuhr* vom Aluminiumleiter begünstigt, so daß

ütrombelastungen bis zu 30 A/mm nicht schaden.

Dem in Fj fr. 2 dargestellten horizontalen Querschnitt gemäß der Linie A-B der Fig. 1 (in Bezug auf den aufgesetzten Hörer) ist zu entnehmen, daß das Ohrpolster 5 zur Vermeidung einer · großen Kingfläche an der Innenseite desselben, die Reflexion

und damit Querresonanzen ^:

im Bereich hoher Freqtienzen hervorrufen könnte, keilförmig ausgebildet ist, wie dies beispeilsweise der axonometrisehen Darstellung der Fig. 3 deutlich zu entnehmen ist. Die Keilform ergibt sich aus der Anatomie des menschlichen Kopfes, da das Ohr an der dem Gesicht näher liegenden Seite kontinuierlich in die Wangenpartie übergeht, hingegen vom hinteren Kopfteil einen mehr oder weniger großen Abstand aufweist. Demzurfolge steht die Membran 1 beim erfindungsgemäßen Hörer auch nicht senkrecht zur Otirachse, sondern schließt mit dieser einen · stumpfen Winkel ein. Ergänzend zur Darstellung des Ohrpolsters in Fig. 3 wäre noch zu sagen, daß dieses außer der gezeigten rechteckigen Form auch eine runde, beispielsweise ovale oder

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eine sonstige geeignet Form haben kann.

Wird ein flaches Ohrpolster verwendet, kann wie Fig. 4 zeigt, eine Begrenzungswand 9 eingefügt werden. Um einen störenden Kint'lufl der Begrenzung der Kopplungskanamer durch das Ohrpolsl;er noch v/ei I er zu verringern, müssen die zur Reflexion neigenden Innenwände des Ohrpolsters 5 flächenmäßig auf ein Minimum herabgesetzt werden. Ein entsprechender Vorschlag kann I'M.g. 5 entnommen werden, in der das Ohrpolster 5 nur mehr als sehr niederer, flacher Ring zu erkennen ist. Dies ist deshalb möglich, weil die Membran 1 einen Zusatzteil 8 erhalten hat, der einen Teil der Begrenzung des Kopplungsraumes übernimmt, und zwar jenen, der beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel noch vom dickeren Ende des keilförmigen Ohrpolsters gebildet wird. Der Hembranteil 8 stellt ebenfalls einen Teil eines' orthodyriarni sehen Wandlersystems dar, das denselben Aufbau besitzt; wie jenes der Membran 1.

"ur \\^re\ leren i>t e i gerur g des erfindungsgemäfi angestrebten Effekte:? durch Vermeidung von Reflexionen können, wie in Fig. G schematisch dargestellt ist, die Wände eines keilförmig gestalteten Kopplungsraumes durch Membranen 9» 10, 11, 12 orbhodynaniischer Antriebssysteme gebildet sein. Es können alle Membranen-gleichphasig schwingen, wie dies beispielsweise bei einer binauralen Übertragung von Schallereignissen erforderlich ist- Hei mehrkanaliger Übertragung, wie dies z.B. bei der -/.uadrophonie zutrifft, kann jedem Übertragungskanal ein eigenes Wandlersystem zugeordnet werden. Hit anderen Worten ausgedrückt, die Erfindung gestattet es, den Kopplungsrscrni durch ebensoviele Membranen mit orthodynamisehen oder elektrostatischem Antrieb zu begrenzen, als Übertragungskanäle vorhanden sind. Da es bekannt ist, daß^die aus den drei Raumdimensionen eintreffenden Schallwellen an den Ohren unterschiedliche Übertragungsfunktionen hervorrufen, die monaural und interaural für das Richtungs- und Entfernungshören ausgewertet werden, können mit Hilfe der erfindungsgemäßen

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Anordnung und der extrem leichten Membranen alle Reflexionen im Kopplungsraum vermieden werden, so daß die vom Kopfhörer abgegebenen Signale sehr weitgehend als Ohrsignale des natür- ■ liehen Hörens empfunden werden.

Das in Fig. 9 dargestellte Ausführungsbeispiel weist eine mit 31 bezeichnete Membran eines orthodynamisehen Hörers auf. Gie ist mit vorzugsweise zwei gleichartigen, gedruckten Schaltungen 32 und 33 versehen, deren Leiterbahnen etwa mäanderförmit verlaufen. Die elektrisehen Anschlüsse sind mit 34-» 35 bzw. 3^₁ 37 bezei chneb. .Die Membran 31 soll so dünn als möglich sein, und kann, den dzt. Möglichkeiten der Folienherstellung entsprechend, 2 bis 3 /U betragen. Für die Leiterbahnen wird vorzugsweise Aluminium verwendet. Stellt man sie aus einer Aluminiumfolie her,, die auf die Membran 1 aufgekleot wird, ist eine Dicke von 3 bis 6 /u erforderlich. Dampft man die Leiterfolien auf die Membran 31 auf, ergibt sich eine Schichtdicke von 0,S bis 1 -u. Die Membran 31 kann zur Beseitigung von Materialspannungen Prägungen sehr geringer Tiefe, z.B. 10 /u tief, aufweisen. Die mechanische Impedanz der Membran im Hörfrequenzbereich soll vorteilhafterweise, wie bereits ausgeführt, gegenüber ihrem akustischen Strahlungswiderstand vernnchlässigbar sein. Die Grenzen sind in der Technologie und .im thermischen Verhalten unter Berücksichtigung der Wr ame ab-* leitung von den Leiterbahnen durch die benachbarten Metallteile des Magnetsystems gegeben. Die in Flg. 9 gezeichneten Linien der gedruckten Schaltungen 32 und 33 stellen lediglich die .Begrenzungen mehrerer parallellaufender Leiter dar. In der Praxis können aber je Leiterbahnbreite viele Einzelleiter, z.B. bei 2 mm Bahnbreite sechs Einzelleiter untergebracht werden, was zu elektrischen Widerständen zwischen etwa 200 bis 600 Ohm führt.

Fig. 10 läßt die Ankopplung des vorstehend beschriebenen orthodynamisehen Systems an das Ohr erkennen. Die Membran 31 besteht beispielsweise aus einer Polyesterfolie von etwa 3 /U

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und weist gemäß Fig. 9 die gedruckten Schaltungen 32 und 33 auf. Das Magnetsystem besteht auch hier aus einer Vielzahl von Magnetstäben 1'9, 20, die beiderseits der Membran 31 in gei'i ngem Abstand von dieser angeordnet sind. Sie sind in einem fMhrtien 21, der auch die Membran 31 trägt, fest verankert. Τω Hinblick auf die Lehre der Erfindung, wonach innerhalb der Begrenzung des Kopplungsraumes keine schallreflektierenden Körper vorhanden sein sollen, ist es erforderlich, die Magnetkörper möglichst klein zu gestalten, um einen ungehinderten Schalldurchtritt zu erhalten. Zweckmäßigerweise wird man daher hagnetlegierungen aus seltenen Erden und Kobalt verwenden, die eine große Energiedichte £(BH)maxJ von etwa 135 KJ/-⁵ und. eine Koerzitivfeidstärke von 15 ΚΑ/cm besitzen. Die Einzelmagnete erhalten damit relativ kleine Abmessungen, so daß zwischen ihnen große, den Schalldurchtritt kaum behindernde Zwischenräume erzielt werden können.

Am Nahmen 21 Ist auch noch der ringförmige Ohrpolster 22 angebracht, der durch seine Keilform die Schrägstellung der Membran 31 gegenüber der Schläfe des Benutzers des Kopfhörers ermöplicht und außerdem die Abdichtung des die Ohrmuschel 24· knapp aber noch" berüh.rungsfrei umschließenden Kopplungsraumes 2J bewirkt. Die relative Jage der gedruckten Schaltungen ?2 und 33 0'if der Membran 31 ist bei aufgesetztem Hörer so gewählt, daß der ,jeweils mit ihnen verbundene Membranbereich vor, bzw. hinter dem Gehöreingang 25 zu liegen kommt, so daß die KenonarK'.en der Ohrmuschel 24 von einem Wandler angenähert von vorne, vom anderen Wandler hingegen angenähert von hinten angestoßen werden, was, dem natürlichen Hören entsprechend, zu verschiedenen Ohrsignalen führt. Da die Ohrresonanzen nur im höheren Frequenzbereich, etwa ab 800 Hz auftreten, ist die Schallübertragung im niedrigen Frequenzbereich nur vom Verhältnis der Volumsverschiebung der Membran zum Kopplungsvolumen abhängig. Für das Jüchtimgs- und Entfernungshören sind im niederen Frequenzbereich im wesentlichen nur Laufzeitunterschiene, der beiden Ohrsignale des rechten und des linken

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Ohres maßgebend.

Dies alles gilt auch für den in Fig. 11 dargestellten elektrostatischen Wandler, der mit einer Elektretmembran 38 ausgerüstet ist. Vorteilhaft ist es, die Membran mit einer permanenten, entweder nur positiven oder nur negativen.Ladung zu versehen. Solche Membranen mit einer Dicke von etwa 3 bis 10 /U aus einer hochpolymeren Folie, z.B. aus Polyester oder Teflon, entsprechen hinsichtlich ihrer mechanischen und akustischen Eigenschaften den erfindungsgemäß gesteilten Anforderungen. Die herabran 38 steht nur unter einer geringen Gtrecknng, die ausreicht, eine wellungsfreie Flächenausdehnung zu sichern und eine möglichst niedere Grundresonanz, beispielsweise 150 Hz, zu erzielen. Die Membran 38 kann in an sich bekannter Weise mit oder ohne leitende Schicht ausgebildet sein, oder aber auch ein Dielektrium mit hohem elektrischen Widerstand darstellen und gegebenenfalls an ihrem Rande mit einem elektrischen Anschluß versehen sein. Erfindungswesentlich ist die Anordnung der Elektroden 39, 4-0, 4-1 und 42, di.e den partie3Jen Antrieb der Membran 38 ermöglichen, wobei die Membran zwischen ,je zwei einander paarweise gegenüberliegenden Elektroden angeordnet ist. Die Speisung der Elektroden erfolgt für den einen Wandler an den Anschlüssen 15, 16 für den anderen handler an den Anschlüssen 1", 18 die beispielsweise mit- Übertragern 13* 14 jeweils verbunden sind.

In einer Weiterbildung der Erfindung, die zur noch besseren Anpassung des Hörens mit Kopfhörer an das natürliche Hören beizutragen geeignet ist, kann, wie in Fig. 12 in einer Elementardarstellung gezeigt ist, außer einer flächenhaft angetriebenen Membran, wie sie beispielsweise in den Fig. 9 und als Bestandteil eines orthodynami sehen Wandlers oder in Fig.11 als Bestandteil eines elektrostatischen Wandlers dargestellt ist, noch wenigstens eine weitere Membran, im Winkel zu ersten angeordnet, vorgesehen sein. In Fig. 12 wurde der einfacheren Darstellung wegen, die elektrostatische Variante der

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Erfindung herangezogen. Hinter den Elektroden 26, 27 befindet sich die nicht sichtbare und daher auch nicht darstellbare Membran 38 eines edektrostatisehen Wandlers gemäß Fig. 11. Pie zusätzliche Membran, die im Winkel zur Membran 38 stehen pol 1, ist durch die perforierte sichtbare Elektrode 28.„abgedeckt. Die Flächen 29 und 30 bilden die Restbegrenzung des Kopplungsraumes, die gegebenfalls auch durch Wandler mit flächenhaft angetriebenen Membranen ersetzt werden können. Die in beliebigen Winkeln zueinander angeordneten Membranen können elektrisch zumindest teilweise miteinander gekoppelt sein, ro daß pich verschiedene Flächenkombinationen zur Erzielung verschiedener akustischer Effekte, insbesondere bei mehrkanaligen Übertragungsverfahren, herstellen lassen. Der Vollständigkeithalber sei noch darauf hingewiesen, daß das Ohrpolster, das höchstens 3 bis 5 mm Höhe aufweist, in Fig. 12 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Jedenfalls entsprechen seine Abmessungen innen der Randform des aus den 'wandlern gebildeten muschelförmigen Gehäuses, so daß, wie bereits ausgeführt wurde, mit Ausnahme der niederen Innenfläche des Ohrpolsters keine schallreflektierenden Flächen auftreten. Die Stellung der einzelnen Flächenmembranen zueinander bzw. der partielle Antrieb der Flächen und die elektrische Speisung der Flöchenkombi n??ti on ermöglichen es, eine dem natürlichen Foren entsprechende Anregung der Ohrresonanzen hervorzurufen.

Für die Erfindung ist es von Bedeutung, daß die Membranen für Schallwellen höherer Frequenzen praktisch durchlässig sind,obwohl sie durch elektrische Anregung gleichzeitig auch Schall abstrahlen können. Die Durchlässigkeit beruht darauf, daß die Membranen infolge ihrer geringen Masse und der nur sehr geringen Steifigkeit, von auftretenden Schallwellen ohne Verlust entsprechend der Molekularbewegung der Luft mitgezogen werden, auf Grund ihres Antriebes aber auch.selbst Schallwellen aussenden.

Wie eingangs erwähnt,soll in einer Weiterbildung der Erfindung verhindert werden, daß ein die Umgebung störender Schall aus

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dem Kopfhörer austritt. Um dieses Ziel zu erreichen, wird die Kückseite der Membran mit einem schallschluckenden Material nach außen abgeschlossen. Zur Erläuterung der Wirkung einer solchen Maßnahme sei auf Fig. 13 verwiesen, aus der ersichtlich ist, daß der SchHuckgrad S praktisch im selben Maße zunimmt, mit dem der Durchlaßgrad abfällt. Bei 1000 Hz hat die Schallschluckfähigkeit des Materials bereits 90 % erreicht, der Durchlaßgrad ist hingegen etwa auf 40 % abgesunken. Der Reflexionsfaktor, der erst im Bereich über 100 Hz meßbar wird, erreicht in keinem Punkt mehr als 10 %. Derartige Kurven ergeben s. Pi. lockerer Filz, Schaumstoff ,Sintermaterial u.dgl., wobei eine entsprechende Dicke des Material Voraussetzung ist. Bei dem in Fig. 14- dargestellten Ausführungsbeispie wird ein orthodynamisehes Wandlersystem angenommen, dessen Membran 51 "zwischen den Magnetpolen 52 und 53 schwingungsfähig gelagert ist. Das im Sinne der Erfindung aus praktisch reflexiOnsfreiem Material hergestellte Element 54- ist durch ein vollkommen schalldurchlässiges Gitter 55 abgedeckt und gehalten. Ein Ohrpolster 56 ist in üblicher Weise zum Abschluß des Kopplungsraumes am Ohr vorgesehen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel mit elektrostatischem Antrieb der Membranen ?.ei gt in schemati scher Querschnittsdarstellung Fig. 15.-Die Membranen 61 und 66, beispielsweise unipolare Elektretmembranen, sind zwischen den Elektroden 67, 68, 69 und 70 schwingungsfähig gelagert. Das im Sinne der Erfindung vorgesehene poröse Material, das keine !Reflexionen im Kopplungsraum auslösen darf, ist mit 64 bezeichnet. Es wird durch das Schutzgitter 65 gehalten und abgedeckt·. Ein sehr flaches Chrpolster 71 dient auch hier zur Abdichtung des Kopplungsraumes im Gebrauchsfalle. Ergänzend sei zu diesem Ausführungsbeispiel noch bemerkt, daß mit 72 eine Elektrode eines in eine Spitze auslaufenden Wandlersystems bezeichnet ist, dem ein ebensolches Wandlersystem an der Unterseite des Hörers gegenüberliegt. Der in Fig. 15 dargestellte Kopfhörer verfügt daher über vier Wandler systeme, die im Hörer den Kopplungsraum begrenzen, so daß

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dieser keine scha.1 !harten Flächen aufweist, die zu Reflexionen führen könnten. Auch die extrem niedere Ausbildung des Ohrpol f?tei-fi 71 soll zur Vermeidung von Reflexionen beitragen.

Tn den Fi g. 1f^; und 17 ist ebenfalls ein Ausführungsbeispiel mit· e.l ekfcrosta t i sohem Antrieb der Membranen dargestellt, wobei jedoch zumindest ein ebenflächiges Wandlersystem durch ein solchen mil. gekrümmter Elektrodenanordnung ersetzt ist. Fig. 16 gibt in exonometrischer Darstellung die Gesamtansicht wieder. Fig. 17 zeigt hingegen den inneren Aufbau eines solchen Hörers. Hinter dem Gehäuse 73» das praktisch vollkommen schalldurchlaspig ist und keine reflektierenden Flächen aufweisen darf, befinden sich die Elektroden 74- und 75, zwischen denen, sich die puf einen Rahmen gespannte Membran 77 befindet, ϊβε die Frequenzen über 1 kHz schluckende Element 77 besteht aus e.i.ner lockeren Filzlage. Ergänzend ist zu Fig. 16 noch zu bemerken, daß an der Ober- und Unterseite des Hörers noch je ein ebenfläch i trer Wandler 89 zur Vervollständigung des Kopplunrsraumes vorgesehen ist, wobei in Fig. 16 jedoch nur der an der Oberseite befindliche Wandler 89 sichtbar ist. Weiters ist der Kopfhörer gemäß Fig. 16 noch mit dem obligaten, wegen Vermeidung von Reflexionsflächen aber außergewöhnlich niederen Ohrpolster 80 und einem bei 82 gelenkig gelagerten Bügel 81, wie er zur Verbindung mit dem elastischen Kopfbügel zum Tragen des Hörers erforderlich ist, versehen.

Das irinaip des Kopfhörers gemäß der Erfindung bietet auch für Audiometrie eine Grundlage für die Untersuchung der »Schallwahrnehmung unter Einbeziehung des äußeren Ohres entsprechend dem freien Hören.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing.W.Scherrmann Dr.-Ing.R.Riiger

7300 Esslirtgen (Neckar). Webergasse 3. Postfach 348

23. August 1978 . , ,

^J _ Telefon

f^a S t U I I g a r t (07 T1) 35 65 39

3t) »6 19

Telex 07256610 smru

Telegramme Patentscnutz

Patentansprüche:

(ly Kopfhörer mit Ohrpolster und wenigstens je einem elektroakustischer! Wandler mit flächenförmig angetriebener Membran, beispielsweise nach dem orthod.vnauri sehen oder elektrostatischen Umwandlungsprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß die flächenförniig angetriebene Neml)ran (I) mit ihrem äußeren Umfang unmittelbar an das das Ohr umschließende Polster (5) anschließt.
2. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

'die flächenförmig angetriebene hembran eine extrem geringe Hasse aufweist.
3. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß _: die Ebene in der die flächenförmig angetriebene Membran (1 ) liegt, das ringförmige Ohrpolster (J?) keilförmig schneidet bzw. das Ohrpolster (5) selbst keilförmig ausgebildet ist.
4-, Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) schräg und damit parallel zur Ohrmuschel steht und eine keilförmig verlaufende Ringfläche (9) die. Verbindung zum flachen Ohrpolster (5) herstellt.
5. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aneinander anschließende, flächenförmig angetriebene Membranen (1,8), die etwa im rechten Winkel zueinander stehen, mit den keilförmig verlaufenden Begrenzungsflächen an das niedrige Ohrpolster anschließen.
6. Kopfhörer nach A-nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere flächenförmig angetriebene Membranen (9,10,11,12) angeordnet sind, die etwa im rechten Winkel zueinander stehen.
7. Kopfhörer nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Membran ein eigener Übertragungskanal zugeordnet ist,
8. Kopfhörer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer nembran (31,38) Jeder Hörer muschel wenigstens zviei voiieinander unabhängige Antriebssystem (32,33;3^vi,4G und 41,42) zugeordnet sind.
9. Kopfhörer nach Anspruch δ, dadux-ch gekennzeichnet, daß bei Verwendung des orthodynaaii sehen V/andierpririz ips die flächenhaft angetriebene Membran (31) wenigstens zwei Bereiche aufweist, die mit aufgedruckten oder aufgeklebten Leiterbahnen (32,33) versehen sind, denen ein gemeinsames Magnetsystem (19,20) zugeordnet ist.
10. Kopfhörer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung des elektrostatischen Wandlerprinzips wenigstens zwei, die schwingungsfähige Fläche der fiembran (38) ausfüllende Elektrodenpaare mit symmetrisch zur Kerub ran ebene angeordnete Elektroden (39,40 und 41,42) vorgesehen sind.
11. Kopfhörer nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß außer der im Benützungsfalle schräg von der Schläfe des Benutzers weg geneigten, zwei unabhängigen Antrieben unterworfenen Membran (31 oder 38), wenigstens noch eine weitere, ebenfalls flächenhaft angetriebene Membran in beliebiger Lage eine Begrenzung des Kopplungsraumes (23) bildet, wobei diese Membran mit ihrem Antrieb (28) entweder einem, 'eigenen Ubertragungskanal zugeordnet ist oder ihr Antrieb (28) elektrisch mit

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..,-S - BAS ORIGfNAL

einem der beiden Antriebe der schräg; gestellten Heuibran (31,38) verbunden ist.
12. Kopfhöi'er nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im geringen Abstand von der Membranrückseite ein über ihre gesamte Fläclienausdeliiiurig sich erstreckendes, insbesondere Schall schwingungen im mittleren und höheren Hörbereich absorbierendes, poröses, sogenanntes schallschluckende .Material (!?4 ,64 , y'8 ) angeordnet ist, so daß die Schallenergie der mittleren und höheren Frequenzen nach ihrem Eintritt in das poröse Material infolge der inneren Reibung in Wärme umgesetzt wird. (.dissipation), wogegen im darunter liegenden h'vequenzbereich die Schallenergie, mit fallender Frequenz weniger gedämpft, durch das poröse Material hindurchtritt.

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