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Racal Acoustics Limited
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Gehörschützer Die Erfindung betrifft einen Gehörschützer. Gehörschützer,
manchmal auch mit Ohrschützer bezeichnet, weisen normalerweise eine ungleichmäßige
Charakteristik der gegenüber die Frequenz aufgetragenen Dämpfung auf. Betrachtet
man einen hierzu analogen elektrischen Schaltkreis, so entspricht der Frequenzgang
der Dämpfung eines typischen Gehörschützers dem eines Induktivität-Kapazität-Tiefpaßfilters,
jedoch mit einer wesentlichen Einfügungsdämpfung bei niedrigen Frequenzen unterhalb
einer Übergangsfrequenz im Frequenzgang. Diese Frequenzgangcharakteristik rührt
her von der Körperform des herkömmlichen Gehörschützers. Betrachtet man beispielsweise
einen äußeren Gehörschützer derjenigen Bauart, bei der der Gehörschützer dicht um
das Ohr des Gehörschützerträgers herum anliegt, so umfaßt ein derartiger Schützer
eine Ohr-Schale aus im wesentlichen starrem Material, die ein vorbestimmtes Luftvolumen
außerhalb des Trommelfells des Trägers einschließt. Die Schale hat eine vorbestimmte
Masse und sitzt im allgemeinen über ein Ohr-Polster am
Kopf, das
Ohr umschließend an. Unter Verwendung wohlbekannter elektro-akustischer und elektr6-mechanischer
Analogie-Regeln kann gezeigt werden, daß das umschlossene Luftvolumen innerhalb
der Ohr-Schale zu einer Parallel-Kapazität äquivalent ist, während die Masse der
Ohr-Schale einer Reihen-Induktivität äquivalent ist. Die Compliance (Reziprokwert
der Steifheit in cm/dyn) andererseits sorgt für eine Reihen-Kapazität, so daß zusammen
mit der Parallel-Kapazität der Ohr-Schale ein im wesentlichen ebener Frequenzgang
der Dämpfung bei sehr niedrigen Frequenzen auftritt. Bei einer (im allgemeinen ziemlich
tief liegenden) Übergangs frequenz wird die Ohr-Schalen-Serieninduktivität vorherrschend;
die Dämpfung beginnt anzuwachsen mit einem theoretischen Wert von 12dB/Oktave. In
der Praxis wird ein oberer Grenzwert der Dämpfung aufgrund verschiedenartiger Nebenschluß
-Geräuschübe#:tragungswege (flanking transmission paths) bei höheren Frequenzen
erreicht. Im allgemeinen wird daher ein Dämpfungsplateau bei Frequenzen oberhalb
von etwa 1kHz erreicht.
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Ein typischer Frequenzgang eines bekannten Gehörschützers ist in Fig.
1 der beigefügten Zeichnung dargestellt. Die genauere Form sowie die nummerischen
Werte des Frequenzganges variieren für die unterschiedlichen Formen und Bauarten
der bekannten Gehörschützer; im allgemeinen stellt man jedoch fest, daß die Dämpfung
im Frequenzbereich zwischen etwa 1kHz und 4kHz größer ist als die Dämpfung bei Frequenzen
unterhalb von 1kHz.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines typischen bekannten Gehörschützers
mit einer steifen Ohr-Schale 10, die ein Luftvolumen V einschließt. Ein Ohr-Polster
11 erlaubt es die Ohr-Schale 10 um das Ohr des Trägers herum an den Kopf anzulegen.
Der Kopf 12 des Hörers ist in Fig. 2 schematisch angedeutet mit Ohr 13 und zu einem
Trommelfell 15 führendem Gehörga.lg 14. Fig. 3 zeigt einen dem bekannten Gehörschützer
gemäß Fig. 2 äquivalenten elektrischen Schaltkreis. Das um-
schlossene
Volumen V ist der Parallel-Kapazität CV äquivalent. Die Masse der Ohr-Schale 10
entspricht einer Serien-Induktivität LM; die Compliance des Ohr-Polsters 11 ist
einer Reihen-Kapazität Cc äquivalent.
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Ein Problem bei den bekannten Gehörschützern liegt in der Schwierigkeit
des Sprachverständnisses beim Tragen der Gehörschützer. Diese Schwierigkeit rührt
teilweise daher, daß bei den bekannten Gehörschützern im allgemeinen die größte
Dämpfung gerade bei denjenigen Frequenzen auftritt; welche für das Sprachverständnis
am wichtigsten sind, d.h. zwischen 1kHz und 4kHz. Auf der anderen Seite werden Umgebungsgeräusche
bei Frequenzen unter 1kHz typischerweise im Bereich zwischen 60 und 500Hz am geringsten
abgeschwächt. Dabei tritt die bekannte als "upward masking"(überdeckung höherer
Frequenzen) bezeichnete Erscheinung auf, bei der relativ lauter niederfrequenter
Lärm relativ leisen, hochfrequenten Sprachschall überdeckt. Daraus resultiert, daß
die Sprache sogar noch schlechter verständlich ist, als man es allein aufgrund der
Berücksichtigung der relativen Dämpfungen erwarten würde.
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Die sich ergebende Verringerung der Verständlichkeit der durch einen
Gehörschützer vernommenen Sprache ist ein wichtiger Grund für die Abneigung der
betroffenen Personenkreise gegen das Tragen von Gehörschützern.
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Erfindungsgemäß wird ein Gehörschützer vorgeschlagen, der derart ausgebildet
ist, daß sein Dämpfungsfrequenzgang von 200Hz bis zumindest etwa 2kHz eben verläuft
in einem Bereich von etwa 10dB. Bei einem derartigen Schützer ist die Dämpfung der
für das Sprachverständnis wichtigen Frequenzen nicht wesentlich verschieden von
der Dämpfung bei niedrigeren Frequenzen, so daß der "upward masking"-Effekt des
niederfrequenten Lärms verringert ist. Obwohl die Dämpfung bei den höheren Frequen-
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bis zu mindestens 2kHz geringer sein mag als die bei den bekannten Gehörschützern,
wird dennoch eine befriedigende Dämpfung bei diesen Frequenzen erreicht, jedoch
mit dem großen Vorzug eines verbesserten Sprachverständnisses.
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Von einem anderen Standpunkt aus betrachtet, wird durch die Erfindung
ein Gehörschützer bereitgestellt, dessen Dämpfungsfrequenzgang ausreichend flach
ist, um den upward masking"-Effekt des niederfrequenten Lärms auf die Verständlichkeit
von Sprache beim Tragen des Schützers verringert.
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Hervorzuheben ist, daß die Sprache mit dem erfindungsgemäßen Gehörschutz
verständlicher gemacht wird, wenn der Dämpfungs-Frequenzgang innerhalb eines Bereichs
von 10dB bis hinauf zur erwähnten Minimalfrequenz von 2kHz eben verläuft. Falls
der abzudämpfende Umgebungslärm in erster Linie hochfrequenter Lärm (typischerweise
3kHz und darüber) ist, dann ist es von Vorteil, wenn der erfindungsgemäße Gehörschützer
eine anwachsende Dämpfung über 2kHz aufweist. Andererseits kann man bei in erster
Linie niederfrequentem Umgebungslärm (d.h.
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1kHz und darunter) eine vorteilhafte weitere Verbesserung der Verständlichkeit
aufgenommener Sprache dadurch erreichen, daß man den im wesentlichen ebenen (wie
vorstehend definiert) Frequenzgang bis zu 3kHz und darüber hinaus ausdehnt.
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Der Dämpfungsfrequenzgang des Schützers muß zu niederen Frequenzen
hin bis zumindest 200 Hz, wie vorstehend definiert, flach verlaufen, um zumindest
in gewissem Ausmaß die erwähnten erfindungsgemäßen Vorteile zu erhalten. Vorzugsweise
wird der flache Frequenzgang jedoch bis zu niedrigeren Frequenzen, beispielsweise
100Hz, 60Hz oder weniger ausgedehnt.
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In manchen Anwendungsfällen ist es von Vorteil, den flachen Frequenzgang
des Gehörschützers über 2kHz hinaus bis zu einer Frequenz von 8kHz auszudehnen.
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Der Gehörschützer umfaßt einen Gehörschützerkörper, der beim Tragen
des Schützers ein Luftvolumen außerhalb des Trommelfells des Gehörschützerträgers
einschließt, wobei der Körper genügend große Masse im Vergleich zum eingeschlossenen
Volumen besitzt und/oder die Verbindung zwischen dem Körper und dem Träger ausreichend
steif ist, so daß der Gehörschützer eine vorher bestimmte Dämpfung bei Frequenzen
um 200Hz aufweist, wobei in den Körper eingesetzte Hochfrequenz-tJbertragungsmittel
eingesetzt sind, welche die Übertragung höherer Frequenzen als 200Hz bis zumindest
etwa 2kHz in das eingeschlossene Volumen erlauben, um den erwähnten flachen Frequenzgang
zu erzielen.
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Die Hochfrequenz-Ubertragungsmittel umfassen vorzugsweise eine Membran
(diaphragm ) in einer den Körper durchsetzenden öffnung, welche die äußere Umgebung
mit dem eingeschlossenen Volumen verbindet, wobei die Membran eine vorherbestimmte
Steifigkeit und Masse aufweist, derart, daß die Dämpfung des Schützers bei Frequenzen
unter etwa 200Hz nicht wesentlich reduziert wird.
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Der Schützer kann zwei oder mehrere dieser Membrane umfassen und zwar
mit unterschiedlicher vorbestimmter Steifigkeit und Massen, um hiermit eine verringerte
Dämpfung über eine vergrößerte Frequenzbreite oberhalb von 200Hz zu erreichen.
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Alternativ hierzu oder zusätzlich wird vorgeschlagen, daß der Gehörschützer
eine Trenneinrichtung umfaßt, die das eingeschlossene Volumen in ein erstes mit
dem Trommelfell des Trägers indirekter Verbindung stehenden Teilvolumen und ein
zweites Teilvolumen teilt, wobei die beiden Teilvolumina verbindende rohrartige
Verbindungsmittel vorgesehen sind, welche eine die Teilvolumina verbindende Luftsäule
vorgegebener Länge und Querschnitts festlegen. Die Abmessungen dieser Luftsäule
sowie das Volumen des zweiten Teilvolumens werden derart ausgewählt, daß die effektive
Größe des einge-
schlossenen Luftvolumens bei Frequenzen oberhalb
200Hz verringert wird, um hierdurch die Dämpfung bei diesen Frequenzen zu reduzieren.
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Die vorliegende Erfindung kann bei den verschiedensten vorliegenden
Gehörschützerarten eingesetzt werden, beispielsweise bei Ohr-Stöpseln (earplugs)
, auf der Ohrmuschel anliegenden oder die Ohrmuschel umschließenden Gehörschützern
(supra-aural-type hearing protectors bzw. circum-aural protectors) und auch bei
an Helmen o. dgl. angebrachten oder in diesen eingebauten Schützern sowie bei Schützern,
welche zu Kommunikationszwecken mit Kopfhörern versehen sind.
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Wie die angegebenen Anwendungsbeispiele zeigen, kann der Schützerkörper
eine Ohr-Schale bilden für einen äußeren Gehörschützer, der auf dem Ohr des Trägers
oder dieses umgebend am Kopf des Benutzers anliegt. Alternativ hierzu bildet der
Schützerkörper einen Ohr-Stöpsel, der in den Gehörgang des Trägers eingepaßt ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 4 bis 8 beispielsweise
erläutert.
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Es zeigt: Fig. 4 eine graphische Darstellung eines für einen erfindungsgemäßen
Gehörschützers repräsentativen Frequenzganges der Dämpfung; Fig. 5 einen schematischen
Querschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ohrschützers; Fig.
5A eine analoge elektrische Schaltung, welche dem Schützer gemäß Fig. 5 äquivalent
ist; Fig. 6, 7 und 8 schematische Querschnitte drei weiterer Aus-
führungsformen
des erfindungsgemäßen Gehörschützers und Fig. 6A, 7A und 8A jeweils analoge elektrische
Schaltungen; die den Schützern gemäß Fig. 6, 7 bzw. 8 äquivalent sind.
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Wie Fig. 4 zeigt, ist die Dämpfung des erfindungsgemäßen Gehörschützersim
wesentlichen flach oder eben, d.h. sie liegt innerhalb eines Bereichs von 10dB um
eine mit x bezeichnete Niederfrequenz-Dämpfung bei 100Hz. Die Dämpfung bleibt innerhalb
dieser + 5dB bezogen auf die Dämpfung x bis hinauf zu einer Frequenz von mindestens
etwa 2kHz. Bei höheren Frequenzen kann die Dämpfung anwachsen, wie in Fig. 4 gezeigt,
was normalerweise bei Gehörschützern auftritt aufgrund der zusammenwirkenden Einflüsse
der Masse der Ohr-Schale oder des Körpers des Schützers und des eingeschlossenen
Luftvolumens.
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Bei manchen Anordnungen ist es erwünscht, den flachen Frequenzgang-Bereich
zu 2kHz übersteigenden höheren Frequenzen auszudehnen, wie in Fig. 4 mit unterbrochener
Linie angedeutet. Kleinere Peaks oder Mulden im im wesentlichen ebenen Bereich des
Frequenzganges haben nur geringe Auswirkungen, vorausgesetzt die Gesamtschwankung
beträgt nicht mehr als etwa 10dB. Der Frequenzgang sollte bis zu einer Frequenz
von nicht mehr als 200Hz eben verlaufen, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erhalten;
im Normalfall erstreckt sich der flache Frequenzgang-Bereich noch zu niedrigeren
Frequenzen, beispielsweise 100Hz oder 60Hz.
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In Fig. 5 ist ein äußerer oder ohrumschließender Schützer (circum-aural
ear protector) im Querschnitt dargestellt.
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Der Schützer umfaßt einen Schützerkörper der eine Ohr-Schale 20 vorbestimmter
Masse festlegt. Der Schützer ist mit einem rundumlaufenden Ohr-Polster 21 versehen,
der
es erlaubt, die Schützerschale 20 an den Kopf eines Schützerträgers
um dessen Ohrmuschel anzulegen unter Bildung eines befriedigenden schalldichten
Sitzes rund um die Ohrmuschel.
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Eine Membran oder Diaphragma 22 ist in eine Öffnung 23 der Ohr-Schale
20 eingepaßt.
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In der analogen elektrischen Schaltung gemäß Fig. 5A werden die Masse
der Ohr-Schale 20, das Volumen V der in der Ohr-Schale 20 eingeschlossenen Luft
und die Compliance (Reziprokwert der Steifheit) des Ohr-Polsters 21 der Reihe nach
durch eine Reihen-Induktivität Ls, eine Parallel-Kapazität Cv und eine weitere Reihen-Kapazität
Cc repräsen-CV tiert. Bei dieser Schaltung wird angenommen, daß die Ohr-Schale 20
selbst im wesentlichen steif ist, so daß ohne Einsatz der Membran 22 hochfrequenter
Lärm oder Geräusch durch die Ohr-Schale 20 vom eingeschlossenen Volumen im wesentlichen
ferngehalten wird und niedrigere Frequenzen aufgrund von Körper-Vibrationen der
Ohr-Schale 20 unter elastischer Verformung des Ohr-Polsters 21 übertragen werden.
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Die Membran 22 wirkt sich in der Schaltung gemäß Fig. 5 als zur Induktivität
LS und zur Kapazität Cc paralleler Schaltweg aus. Dieser zweite Schaltweg umfaßt
eine Kapazität C1 in Reihe mit einer Induktivität L1. Die Kapazität C1 entspricht
der Steifheit der Membran 22. Diese Steifheit, die wesentlich geringer ist als diejenige
der Ohr-Schale 20 ist jedoch beträchtlich größer (typischerweise drei- oder viermal
größer) als die äquivalente, vom Ohr-Polster 21 herrührende Steifheit ICC bzw. Reziprokwert).
Die Steifheit der Membran 22 und in der Folge der Kapazitätswert der äquivalenten
Kapazität C1 wird so festgelegt, daß die Impedanz des zweiten parallelen Schaltungswegs
im Diagramm gemäß Fig. 5A wesentlich größer ist als die des ersten Weges (aus LS
und Cc) bei Frequenzen unterhalb einer vorbestimmten Minimal-Frequenz. Diese Minimal-Frequenz
entspricht normalerweise derjenigen Frequenz, von der ab in Richtung zu höheren
Frequenzen
der Gehörschützer einen flachen Frequenzgang haben soll.
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Beispielsweise kann die vorbestimmte Frequenz 200Hz betragen. Bei
Frequenzen unterhalb 200Hz hat dann der zweite parallele Schaltweg und folglich
die Membran 22 im wesentlichen keine Auswirkung auf die Dämpfung des Gehörschützers.
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Bei Frequenzen überhalb dieser Minimal-Frequenz jedoch erlaubt die
Membran 22 zunehmend die Übertragung von Schall in das eingeschlossene Luftvolumen,
was zu einer entsprechenden Verringerung der Dämpfung des Schützers führt.
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Die Verringerung der Dämpfung mit der Frequenz hält an bis zu Frequenzen,
bei denen die Masse der Membran 22 wesentlich wird. Diese Masse wird von der Induktivität
L1 repräsentiert; sie führt ggf. zur Verringerung der Übertragung höherfrequenten
Lärms.
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Bei geeigneter Wahl von Masse und Steifheit der Membran 22 kann also
die durch den Schützer gemäß Fig. 5 erzielbare Dämpfung in einem vorbestimmten Frequenz
intervall verringert werden, der im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen etwa
150eis bis etwa 3kHz reicht.
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Der in Fig. 6 dargestellte Gehörschützer ähnelt dem der Fig. 5 und
ist mit denselben Bezugsziffern für einander entsprechende Teile versehen. Er ist
jedoch mit einer zweiten Membran oder Diaphragma 24 ausgebildet, welche in eine
zweite Öffnung 25 der Ohr-Schale 20 eingesetzt ist. Die dieser Anordnung entsprechende
analoge elektrische Schaltung gemäß Fig. 6A zeigt, daß sich die zweite Membran als
weiterer paralleler Schaltungsweg auswirkt, der ebenfalls parallel zur Induktivität
LS und zur Kapazität Cc geschaltet ist und der eine weitere Kapazität C2 sowie eine
Induktivität L2 umfaßt. Die beiden Membranen 22 und 24 können unterschiedliche vorbestimmte
Steitlleiten und Massen aufweisen, was wiederum unterschiedlichen Kapazitäts- und
Induktivitäts-
werten im elektrischen Analogen entspricht. Demnach
kann die Anordnung gemäß Fig. 6 dazu verwendet werden, den Frequenzbereich, bei
dem die Dämpfung des Schützers im wesentlichen flach verläuft, noch weiter auszudehnen.
Beispielsweise kann die Membran 24 für den erwünschten im wesentlichen flachen Frequenzgang
von 150Hz bis 3kHz sorgen und die Membran 22 für den flachen Frequenzgang von 2kHz
bis beispielsweise 8kHz.
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Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Gehörschützers ähnlich
denjenigen der Fig. 5 und 6. Wiederum sind in Fig.
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7 Teile, die Teilen in den Fig. 5 und 6 entsprechen, mit denselben
Bezugsziffern versehen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist jedoch das innerhalb
der Ohr-Schale 20 eingeschlossene Luftvolumen in zwei Teilvolumina V1 und V2 mittels
einer Wand 26 geteilt. Die beiden Teilvolumina V und V2 sind über ein durch die
Wand 26 verlaufendes Rohr 27 miteinander verbunden. Das Rohr 27 legt eine Luftsäule
28 mit vorbestimmter Länge und Querschnitt fest. Eine derartige Luftsäule hat eine
vorbestimmte Masse. Unter der Voraussetzung, daß die Abmessungen des Rohrs 28 kleiner
sind als die Wellenlängen des zu betrachtenden Schallenergie-Spektrums muß die gesamte
Luftsäule 28 mit ihrer bekannten Masse entlang des Rohrs 27 hin- und herschwingen,
der Druck im mit Hilfe der Wand 26 eingeschlossenen Teilvolumens V2 mit der Schall-Frequenz
variiert. Wie aus der akustischen Theorie bekannt, steigt daher die effektive Impedanz
der die Teilvolumina V1 und V2 verbindenden Luftsäule 28 mit steigender Frequenz
(da die Luftsäule zunehmend Schwierigkeiten hat hin- und herzuschwingen). Wie aus
der analogen elektrischen Schaltung gemäß Fig. 7A ersichtlich, wirkt sich die Wand
26 und das Rohr 27 in der Weise aus, daß die Parallel-Kapazität Cv, die das gesamte
in der Ohr-Schale 20 eingeschlossene Volumen repräsentiert, in zwei Kapazitäten
Cv1 und CV2 aufgetrennt wird. CV1 repräsentiert das Volumen V1, welches noch im
direkten Kontakt mit dem Trommelfell des Gehörschützer-
Trägers
steht. Cv2 repräsentiert das durch die Wand 26 eingeschlossene Luftvolumen. Cm2
liegt in Reihe mit einer Induktivität LV2, die die Luftsäule 28 in Fig. 7 repräsentiert.
Bei niedrigen Frequenzen hat die Luftsäule 28 demnach im wesentlichen keine Auswirkungen,
so daß der Gehörschützer gemäß Fig. 7 in gleicher Weise arbeitet, wie der Gehörschützer
gemäß Fig. 5. Bei wachsenden Frequenzen jedoch wird das effektive in der Ohrmuschel
der Fig. 7 eingeschlossene Luftvolumen durch die anwachsende Impedanz (Strömungswiderstand)
der Luftsäule 28 verringert. Dies wirkt sich wiederum in einer Verringerung der
Dämpfung des Gehörschützers bei höheren Frequenzen aus. Durch geeignete Wahl des
von der Wand 26 eingeschlossenen Volumens V2 und der Abmessungen der Luftsäule 28,
bestimmt durch das Rohr 27, kann eine erwünschte Abflachung des Dämpfungs-Frequenzganges
des Schützers gemäß der Erfindung erreicht werden. Wie in den Fig. 7 und 7A dargestellt,
kann sowohl eine Membran 22 als auch eine mit Rohr 27 versehene Wand 26 eingesetzt
werden; diese Maßnahmen wirken zusammen und ergeben eine erwünschte Abflachung des
Frequenzqanges.
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Fig. 8 zeigt einen erfindungsgemäßen Ohr-Stöpsel. Der Ohr-Stöpsel
hat einen Körper 30, der in den Gehörgang des Trägers eingepaßt ist, um hierdurch
den Gehörgang abzuschließen und ein eingeschlossenes Luftvolumen zwischen Ohr-Stöpsel
und Trommelfell des Trägers festzulegen. Der Körper 30 des Ohr-Stöpsels hat einen
ringförmigen umgebogenen Rand 31, welcher elastisch gegen die Wände des Gehörganges
des Trägers andrückt unter Bildung eines im wesentlichen ohrdichten (luftschalldichten)
Anschlusses.
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In der elektrischen Anordnung gemäß Fig. 8A kann der Ohr-Stöpsel gemäß
Fig. 8 wiederum durch eine Parallel-Kapazität CV sowie durch in Reihe geschaltete
Induktivität LS und Cc dargestellt werden. In diesem Falle repräsentiert die In-
duktivität
LS die Masse des Körpers 30 des Ohr-Stöpsels.
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Die Kapzität Cc stellt die Compliance des elastischen C Randes 31
dar und die Kapazität CV das vom Ohr-Stöpsel eingeschlossene Luftvolumen.
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Wie Fig. 8 zeigt, ist im Ohr-Stöpsel ein Kanal oder eine Öffnung 32
vorgesehen, welche den Ohr-Stöpsel durchsetzt und von einer Membran 33 verschlossen
ist. Die Membran 33 wirkt sich in entsprechender Weise wie die Membran 22 des Gehörschützers
gemäß Fig. 5 aus. Durch geeignete Festlegung der Masse sowie der plastizität bzw.
Rückfederkraft (resilience) kann die vom Ohr-Stöpsel bewirkte Dämpfung erfindungsgemäß
beträchtlich abgeflacht werden.
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Die Steifheit der Membran 3 wird durch die parallel angeschlossene
Kapzität C1 gemäß Fig. 8A repräsentiert.
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Die Kapazität C1 liegt hierbei parallel zur Induktivität L5 sowie
zur Kapazität Cc, Weitere Formen und Methoden der Abflachung des Frequenzganges
eines Gehörschützers kann man im Rahmen der Erfindung mit Hilfe unterschiedlicher
Kombinationen der vorbeschriebenen akustischen und/oder mechanischen Elemente erhalten.
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