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Problematisch ist bei diesen bekannten Kopfhörern allerdings, daß
sich auch einige schwerwiegende Nachteile ergeben, die allen Kopfhörern des zirkumauralen
Typs mehr oder weniger stark zu eigen sind; diese Nachteile werden im folgenden
zum besseren Verständnis am besten anhand der in den F i g. 2 und 3 angegebenen
Ersatzschaltbilder als elektrisches Analogon zu den akustischen Gegebenheiten des
Kopfhörers erläutert, wobei es bezüglich dieser Nachteile im wesentlichen bedeutungslos
ist, ob es sich um einen geschlossenen Kopfhörer handelt (es ist sowohl das Kopplungsraumvolumen
C 1 als auch das Rückraumvolumen
C2 wirksam) oder ob bei der Bildung
eines halboffenen Kopfhörers, etwa aufgrund von Durchbrechungen in der Gehäuserückwand,
das Rückraumvolumen C2 im Ersatzschaltbild eines halboffenen Kopfhörers entsprechend
F i g. 2 nicht berücksichtigt zu werden braucht.
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In der Darstellung der F i g. 2 und 3 ist der Membranantrieb als
elektrische Spannungsquelle 8 dargestellt, wobei es sowohl im Ersatzschaltbild als
auch bei der gegenständlichen Anordnung eines Kopfhörers ohne Bedeutung ist, auf
welchem speziellen Wandlerprinzip der Membranantrieb beruht, ob es sich also um
ein elektromagnetisches, elektrodynamisches, elektrostatisches, orthodynamisches
oder um ein sonstiges Antriebssystem handelt. Die vorteilhafte Anwendung und Realisierung
der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist jedenfalls bei sämtlichen Membranantrieben möglich.
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Die auf die Membran selbst zurückgehenden Einflüsse sind in den Ersatzschaltbildern
der F i g. 2 und 3 als Kapazität Cm, als Induktivität Lm und als Wirkwiderstandanteil
Rm dargestellt; diese Darstellungsart ist üblich, und es ist auch bekannt, das definierte
Volumen des Kopplungsraums, auf den die Membran beim zirkumauralen Kopfhörer arbeitet,
als parallel zur Ohrimpedanz liegende Kapazität C1 darzustellen. Beim geschlossenen
Kopfhörer ergibt sich entsprechend dem Ersatzschaltbild der F i g. 3 noch der Einfluß
des Rückraumvolumens als Kapazität C2 in Reihe mit der Spannungsquelle 8 und der
Kapazität C1 des vorderen Kopplungsraums.
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Es ist natürlich die Wirkung der Koppelraum-Kapazität Cl als Druckkammer,
die dafür sorgt, daß sich bezüglich der Wiedergabe der mittleren und hohen Frequenzen
bei dieser Kopfhörerbauweise insofern Schwierigkeiten ergeben, weil der Frequenzgang,
wie die Diagrammdarstellung der F i g. 4 zeigt, bis ca. 5 kHz ein deutliches Tiefpaßverhalten
zeigt. Abstrahiert man dieses Tiefpaßverhalten, dann verläuft es in Fortsetzung
der durchgezogenen Frequenzgangskurve 1 etwa so, wie der von dieser Kurve abzweigende
Kurvenverlauf Jo zeigt. Bei höheren und höchsten Frequenzen (f> ca.
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5 kHz) steigt der Frequenzgang dann wieder an entsprechend dem Kurvenverlauf
I~ Dieser Anstieg ist darauf zurückzuführen, daß bei dann entsprechend kürzeren
Wellenlängen das Volumen C1 nicht mehr als reine Druckkammer wirkt; mit anderen
Worten, die Ersatzschaltbilder der Fig.2 und 3 verlieren zunehmend an Gültigkeit.
Diese soeben beschriebene Senke im Frequenzgang des zirkumauralen Kopfhörers ist
der Fachwelt hinreichend bekannt; die Tiefpaßwirkung beginnt mit einer Absenkung
des Frequenzgangs bei ca.
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1 kHz und ist akustisch zurückzuführen auf das Zusammenwirken der
Membranmasse (hierzu gehört auch die bewegte Luft in den Schlitzen und engen Löchern
oder Luftspalten, vor allem bei elektrostatischen und orthodynamischen Systemen)
mit dem Koppelvolumen C1. Auch die im Ersatzschaltbild der Fig.3 dargestellten geschlossenen
Kopfhörer zeigen dieses Tiefpaßverhalten, wobei das Volumen C2 hinter der Membran
4 oft ungefähr gleich groß oder größer als das Volumen Cl ist. Somit fällt auch
beim ganz geschlossenen Kopfhörer mit steigenden Frequenzen der Frequenzgang an
der Kapazität C1 ab.
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Die Problematik der charakteristischen Senke im mittleren und hohen
Frequenzbereich wird noch dadurch verstärkt, daß sich unabhängig zum erwähnten Tiefpaßverhalten
und zusätzlich zu diesem noch ein
schmaler, tiefer Einbruch im Frequenzgang bei ca.
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4-5 kHz bei solchen Kopfhörern ergibt. Die Ursache hierfür ist, wie
eigene Messungen zeigen, die Ausbildung von stehenden Wellen (A/4) in radialer Richtung,
die sich durch eine Reflexion am Ohrpolster bilden. Die stark schematisierte Darstellung
der F i g. 5 zeigt den Membranbereich 9 und in ringförmigem Abstand zu diesem die
Ohrpolsterinnenkante 9a, wobei die stehenden Radialwellen durch die Pfeile D angedeutet
sind.
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Die Messungen haben ergeben, daß bei diesen stehenden Wellen sich
ein Wellental im Membranbereich ausbildet, während ein Wellenbauch angrenzend an
den Ohrpolster-Randbereich, verdeutlicht durch die Pfeilspitzen, entsteht. Dies
bedeutet aber mit anderen Worten, daß sich am der Membran gegenüberliegenden Gehöreingang
praktisch keine hörbaren Amplituden mit der Frequenz oder bezüglich des schmalbandigen
Frequenzbereiches ausbilden können, für die sich die stehenden Radialwellen ergeben.
Beide Erscheinungen - der auf den stehenden Radialwelleneinfluß zurückzuführende
Kurventeil ist in der Diagrammdarstellung der F i g. 4 mit 11 bezeichnet - addieren
sich insgesamt zu einer deutlichen Klangverfärbung in dem sehr wichtigen Bereich
der mittleren Frequenzen. Diese Senke im Frequenzgang ist daher auch der Grund für
die bei solchen zirkumauralen Kopfhörern auftretende Mulmigkeit, zurückzuführen
auf die Überbetonung der tiefen Frequenzen bei Absenkung des Mittenfrequenzbereichs.
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Es ist daher die Aufgabe vorliegender Erfindung, einen zirkumauralen
Kopfhörer zu schaffen, der in seinem Frequenzbereich die charakteristische Senke
der mittleren Frequenzen nicht mehr aufweist, bei Beibehaltung der Vorteile dieses
Systems und ohne daß sich hierdurch Beeinflussungen in den Wiedergabefähigkeiten
und Übertragungsfähigkeiten bezüglich der hohen Frequenzen ergeben, also des Frequenzbereichs,
der sich nach oben an die erwähnte Senke anschließt.
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Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Kopfhörer löst diese
Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und weist eine Vielzahl
von Vorteilen auf: 1. Durch die Ankopplung eines zusätzlichen, ringäußeren Volumens
an das Koppelraumvolumen C1 lediglich durch Öffnung des inneren Rückseitenbereichs
des Ohrpolsters ergibt sich kein zusätzlicher Aufwand, da das ohrumschließende Weichpolster
ohnehin vorhanden ist und Öffnungen in der Polsteraußenhaut als einziger zusätzlicher
Herstellungsschritt problemlos und kostengünstig angeordnet werden können.
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2. Die Öffnungen, die von grundsätzlicher beliebiger Form, Ausbildung
und Verteilung sein können, bilden jedenfalls einen Engpaß, über den das zusätzliche
Volumen des Ohrpolsterinnenbereichs mit dem Kopplungsraumvolumen verbunden ist.
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Da die Öffnungen in beliebiger Weise ausgebildet bzw. bedämpft werden
können (Erzielung eines akustischen Reibungswiderstandes), ergibt sich im Ersatzschaltbild
parallel zum Kopplungsraumvolumen C1 die Reihenschaltung des Polstervolumens mit
der Induktivität des Engpasses und dem Reibungswiderstand der Bedämpfung, wobei
die Einflüsse dieser drei Schaltungselemente auf den Frequenzgang durch beliebige
Variation, auch unabhängig zueinander, je nach Wunsch und in
günstigster
Anpassung an den Aufbau des jeweiligen zirkumauralen Kopfhörersystems verändert
werden können.
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3. Da bei einem geschlossenen Kopfhörer ohnehin eine kapazitive Spannungsteilerschaltung
im Ersatzschaltbild bezüglich des Rückraumvolumens C2 und des Kopplungsraumvolumens
C 1 vorhanden ist, ergibt sich durch die Ankopplung des zusätzlichen Polster-lnnenraumvolumens
C3 bei tiefen Frequenzen eine Parallelschaltung der Kapazitäten C1 und C3, eine
entsprechende Reduzierung der durch diese Kapazitäten bewirkten, parallel zur Ohrimpedanz
geschalteten Impedanz und bei unveränderter Impedanz der Rückraumkapazität C2 eine
Absenkung der Tiefenfrequenzen je nach Größe der einzelnen Volumina Hierdurch allein
ergibt sich schon eine erhebliche Verbesserung des Frequenzganges, da wegen des
Tiefpaßverhaltens die tiefen Frequenzen bisher zu stark vorhanden waren.
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4. Ferner ergibt sich der besondere Vorteil, daß es möglich ist, durch
das Vorhandensein der Engpaß-Induktivität bei entsprechender Dimensionierung der
Elemente C1, C3 und L 1 die Senke im Frequenzgang durch die sich hierdurch ergebende
Parallelresonanz anzuheben und praktisch zu eliminieren, so daß im Mittenfrequenzbereich
eine entsprechende Glättung des Frequenzgangs erzielt wird.
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5. Durch Anordnung von geeigneten Bedämpfungsmitteln (akustische Reibungswiderstände),
die sich als Wirkwiderstand R 1 in Reihe mit der Polster-Innenraumkapazität C3 und
der Engpaß-Induktivität L 1 bemerkbar machen, können die auf den Einfluß von Resonanzen
zurückzuführenden, noch verbleibenden Schwankungen im Frequenzgang geglättet und
soweit linearisiert werden, daß sich ein im wesentlichen gradliniger Frequenzgang
ergibt.
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6. Ferner werden durch die Öffnung des Polsters die einen tiefen Einbruch
im Frequenzgang verursachenden stehenden Radialwellen so weit bedämpft, daß sie
praktisch verschwinden, so daß mit der gleichen Maßnahme Nachteile beseitigt werden
können, die auf vollkommen verschiedene Ursachen zurückzuführen sind.
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7. Von nicht zu unterschätzendem Vorteil ist bei vorliegender Erfindung
schließlich noch der Umstand, daß alle diese Verbesserungen erzielt werden können,
ohne daß sich eine Schwächung der hohen Frequenzen ergibt. Der Bereich hoher Frequenzen
bleibt durch die getroffenen Maßnahmen unbeeinflußt.
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Das Klangbild eines erfindungsgemäßen Kopfhörers ist von überraschender
Transparenz bei kräftigen, für das individuelle Hörereignis maßgebenden mittleren
und hohen Frequenzen, ohne daß die tiefen Frequenzen überbetont sind, also ohne
daß es zu einem mulmigen Klangereignis kommt. Es ergibt sich vielmehr ein je nach
Wunsch von den tiefsten Frequenzen beginnend durchgehend praktisch linearer Frequenzgang.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Kopfhörers möglich.
Besonders vorteilhaft ist hierbei noch der Umstand, daß die Öffnungen in der inneren,
rückwärtigen Ringpolsterabdeckung, die den durch die Polsterschaumeinlage gebildeten
akustischen Sumpf mit
dem Kopplungsraum verbinden, in vielfältiger, beliebiger Weise
ausgebildet sein können; bei radialer Verteilung über die gesamte Polsterringfläche
oder nur über bestimmte Quadrantenbereiche und bei Ausbildung in Form von Schlitzen,
kleinen Löchern, in Netzwerkform od. dgl. So sind eine Vielzahl von Variablen für
die endgültige Einstellung und Anpassung des Frequenzgangs gegeben, bei gleichzeitiger
unveränderter Aufrechterhaltung der mechanischen Wirksamkeit des Ohrpolsters und
praktisch bei Unsichtbarkeit der getroffenen Maßnahmen, da diese an der rückwärtigen
Polsterinnenringfläche liegen und sich lediglich durch wenig wahrnehmbare Öffnungen
auszeichnen.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei
beziehen sich die Fig. 1-5 auf einen bekannten zirkumauralen Kopfhörer mit seinen
möglichen Ersatzschaltbildern, während die Fig. 6-9 Ausführungsbeispiele der Erfindung
darstellen. Im einzelnen zeigt F i g. 1 in schematisierter Darstellung einen Querschnitt
durch einen zirkumauralen Kopfhörer mit rundum geschlossenem Ohrpolster in Kopfanlage,
F i g. 2 das vereinfachte Ersatzschaltbild des zirkumauralen Kopfhörers der Fig.
1 in halboffener Ausführung, F i g. 3 das vereinfachte Ersatzschaltbild des Kopfhörers
der F i g. 1 in geschlossener Ausführung, F i g. 4 in Form eines Diagramms den Frequenzgang
eines zirkumauralen Kopfhörers entsprechend der Darstellung der F i g. 1 mit Darstellung
von Kurvenverläufen, die auf unterschiedliche Einflüsse zurückzuführen sind und
F i g. 5 in schematisierter Darstellung in Draufsicht auf den Membranbereich eines
Kopfhörers mit angedeutetem Ohrpolster die Möglichkeit der Ausbildung stehender
Radialwellen, während F i g. 6 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kopfhörers im Schnitt zeigt, bei dem nach innen rückwärts geöffnete Ohrpolsterbereiche
vorgesehen sind, F i g. 7 zeigt das vereinfachte Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen
zirkumauralen Kopfhörers, F i g. 8 zeigt in Draufsicht auf die rückwärts gerichtete
Fläche des Ohrpolsters bei weggenommenem Kopfhörersystem schematisiert mögliche
Ausführungsformen von Öffnungen oder Durchbrechungen in der Polsterdeckhaut zur
Ankopplung des Polster-Innenraumvolumens an den Kopplungsraum zwischen Ohr und Kopfhörer
und F i g. 9 zeigt den Frequenzgang eines erfindungsgemäßen Kopfhörers.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender
Erfindung besteht darin, an das weiter vorn schon erwähnte Kopplungsraumvolumen
C1 durch Öffnung der Rückseite des ringförmigen, ohrumschließenden Ohrpolsters ein
zustätzliches Volumen anzukoppeln, welches vom Innenraum des Ohrpolsters gebildet
ist und im folgenden mit C3 bezeichnet wird. In der Darstellung des erfindungsgemäßen
Kopfhörers der F i g. 6 sind mit der Darstellung der F i g. 1 gleiche Teile mit
den gleichen Bezugszeichen versehen, sie unterscheiden sich aber durch einen Strich
oben.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das
Ohrpolster
als Weichpolster mit einem geeigneten Schaumstoff 2a'gefüllt, der offen- oder teils
offenporig ausgebildet sein kann. Der Ohrpolster-Innenraum bildet jedenfalls, ob
mit oder ohne Schaumfüllung, ein zusätzliches Volumen C3, wobei durch die Schaumfüllung
dieses Volumen die Eigenart eines sogenannten akustischen Sumpfes annimmt, was sich
auf die erfindungsgemäßen Maßnahmen besonders vorteilhaft auswirkt.
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Die Öffnungen in der Haut oder Deckschicht 2b' des Ohrpolsters -
diese Deckschicht ist etwa als nachgiebige Kunststoffolie oder als Folie auf elastomerer
Grundlage ausgebildet - sind in F i g. 6 mit 10 bezeichnet; sie bilden im allgemeinen
Fall einen Engpaß, über den das Volumen C3 mit dem Volumen C1 verbunden ist.
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Der Engpaß, der im Ersatzschaltbild der F i g. 7 für das erfindungsgemäße
Ausführungsbeispiel als Induktivität L1 bezeichnet ist, kann beispielsweise ein
ringförmiger Schlitz sein, wie als eine der möglichen Alternativen in F i g. 8 dargestellt
und mit 10a bezeichnet; die Öffnungen können aber auch kleinere, runde Durchbrechungen
10b oder größere runde Durchbrechungen 10c oder aus kleineren und größeren Durchbrechungen
lOd gebildet sein; schließlich ist es möglich, die Öffnungen in Form von Radialschlitzen
10e oder auch in Form eines Gitternetzwerkes 10f auszubilden; in allen diesen und
in einer Vielzahl von weiteren Möglichkeiten, solche Öffnungen auszubilden, ergibt
sich die Ankopplung des zusätzlichen Polster-Innenraumvolumens C3 an das Kopplungsraumvolumen
C1 zwischen Membran, Trägerplatte und Ohrpolster einerseits sowie Kopf andererseits.
Gleichzeitig ergibt sich durch das Vorhandensein dieser Öffnungen eine Engpaß-Charakteristik,
die sich als die weiter vorn schon erwähnte Induktivität L 1 in Reihe zum zusätzlichen
Volumen C3 im Ersatzschaltbild der F i g. 7 bemerkbar macht. Allein schon durch
eine geeignete Ausbildung der Öffnungen, Schlitze oder Durchbrechungen 10 können
diese durch einen akustischen Reibungswiderstand R 1 bedämpft werden; eine Bedämpfung
ist, wie es sich versteht, auch durch zusätzliche Materialien, etwa Auflage von
Filz u. dgl.
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möglich. Es ergibt sich dann insgesamt das in Fig.7 dargestellte Ersatzschaltbild
eines erfindungsgemäßen Kopfhörers mit den auf die Membran zurückzuführenden Schaltungselementen,
nämlich der Kapazität Cm, der Induktivität Lm und dem Wirkwiderstand Rm, der stets
vorhandenen Kopplungsraum-Kapazität C1, einer in diesem Fall vorhandenen Rückraumkapazität
C2 (geschlossener, zirkumauraler Kopfhörer) und der auf das Ohrpolster zurückzuführenden
Elemente, nämlich
die Engpaß-Induktivität L 1, die zusätzliche Polster-Innenraumkapazität
C3 und der akustische Reibungswiderstand R 1. Diese Ohrpolster-Schaltungselemente
sind untereinander in Reihe geschaltet und liegen parallel zur Ohrimpedanz und zur
Kopplungsraumkapazität Cl.
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Aus dem Ersatzschaltbild der F i g. 7 läßt sich entnehmen, daß sich
eine Parailelresonanz der Elemente C1 mit den Elementen L 1, C3 ergibt, wodurch
die Senke im Frequenzgang angehoben wird. In der Diagrammdarstellung der F i g.
9 ist als durchgezogener Kurvenverlauf der durch die erfinderischen Maßnahmen erzielte
Frequenzgang dargestellt und mit II bezeichnet; der beim Stand der Technik bisher
qualitativ gültige Frequenzgang, der weiter vorn schon mit Bezug auf die Darstellung
der F i g. 4 erläutert worden ist, ist mit 1' bezeichnet und gestrichelt angegeben.
Ein zusätzlicher strichpunktierter Kurvenverlauf zeigt, wenn man die Bedämpfung
des beim praktischen Ausführungsbeispiel erzielten Frequenzgangs II zunächst außer
acht läßt, die bei A erkennbare Anhebung des Frequenzgangs durch die Parallelresonanz
aus C1 zu L 1, C3 sowie eine bei B erkennbare Absenkung, die durch die Reihenresonanz
aus L 1, C3 resultiert.
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Eine weitere erhebliche Verbesserung des Frequenzgangs ergibt sich
dadurch, daß bei dem in F i g. 7 dargestellten Ersatzschaltbild zu der ursprünglichen
Reihenschaltung aus den Kapazitäten C2 und Cl eine auf das zusätzliche Volumen zurückzuführende
Kapazität C3 für tiefe Frequenzen parallel zu Cl geschaltet ist.
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Es ergibt sich so ein kapazitiver Spannungsteiler aus C2 in Reihe
mit der Parallelschaltung von C1+ C3; nach den bekannten Gesetzen wird daher die
Impedanz der Parallelschaltung aus C1 und C3 geringer, da die Kapazität größer wird
und bei konstantem C2 ergibt sich eine merkliche Absenkung der tiefen Frequenzen
je nach Größe der einzelnen, hier beteiligten Volumina C2, C1 und C3; diese Absenkung
bezüglich des tiefen Frequenzbereichs ist deutlich aus dem Abstand C erkennbar,
der der durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erzielte Frequenzgang II zum ursprünglichen
Frequenzgang I' aufweist. Allein hierdurch ergibt sich schon eine merkliche Verbesserung
des Frequenzganges, da allgemein die tiefen Frequenzen bei Kopfhörern dieses zirkumauralen
Typs wegen des Tiefpaßverhaltens zu stark vorhanden waren.
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Weiter vorn ist schon erwähnt worden, daß die auf der inneren Rückseitenringfläche
des Ohrpolsters liegenden Öffnungen gleichzeitig auch die Ausbildung von stehenden
Wellen im A/4-Bereich soweit bedämpfen, daß auch dieser Einfluß praktisch eliminiert
wird.