DE3719963A1 - Schutzvorrichtung gegen laermeinwirkungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung gegen Lärmeinwirkungen.

Der Nutzen einer Dämpfung des auf eine Einzelperson einwirkenden Lärms ist allgemein bekannt.

Von jeher war der Mensch dem Lärm ausgesetzt, jedoch hat die Lärm­ belastung im Zeichen des technischen Fortschrittes so stark zuge­ nommen, dass sie zu einem Problem von äusserster Wichtigkeit ge­ worden ist. Sehr viele Menschen leiden so stark unter den Lärmein­ flüssen, dass sie sogar Verhaltensstörungen aufweisen.

Seit langer Zeit war man deshalb bestrebt, dieses Problem zu lö­ sen, aber bis heute konnte keine tatsächlich leistungsstarke Vor­ richtung gefunden werden.

Schutzvorrichtungen, die auf der Verwendung eines passiven, schalldämmenden Stoffes beruhen (Gehörschutzmuscheln, Gehör­ schutzstopfen), sind schon laufend im Einsatz und erweisen sich als wirksam bei hohen Frequenzen (über 2 kHz). Bei tiefen Fre­ quenzen sind sie aber wenig wirksam.

Um bei den tiefen Frequenzen eine bessere Schutzwirkung zu er­ reichen als diejenige, die mit dem oben erwähnten System der pas­ siven Lärmdämpfung erzielt wird, hat man sich zur Aufgabe ge­ stellt, ein aktives Lärmdämpfungssystem zu entwickeln, das heisst, der Umgebungslärm wird durch eine weitere Lärmemission gleicher Amplitude und gleicher Frequenz, aber mit entgegengesetzter Phase überlagert. Die physikalisch-mathematischen Aspekte dieses Vor­ ganges wurden von JESSEL im "Centre National de la Recherche Scientifique" in den jahren 1960-1970 untersucht und in dem Arti­ kel "Active attenuation of a complex source" von JESSEL und ANGEVINE veröffentlicht, Proc. InterNoise 80 689-694 (1980).

In der Praxis war bisher niemand in der Lage, die Phase einer Schallwelle in einen räumlich grossen Bereich unter Kontrolle zu halten.

Da es zur Zeit nicht möglich ist, Überlagerungslärm in einem gros­ sen Volumen zu erzeugen, haben Wissenschaftler dieses Problem teilweise für Volumina mit einfacher Geometrie und kleinen Abmes­ sungen gelöst.

Bekannterweise wird eine Vorrichtung für die aktive Lärmdämpfung im Inneren einer üblichen Gehörschutzmuschel angeordnet.

Eine solche Gehörschutzmuschel, die wie ein Stirnband aussieht, wie in der Fig. 1 gezeigt, umfasst zwei Gehäuse, die auf den Ohren 7 aufgesetzt werden und diese dabei umschliessen. Im Inneren der Kavität, die in jedem der Gehäuse 1 durch die Hülle 2 um­ schlossen wird, ist eine Vorrichtung für die aktive Lärmdämpfung angebracht, bestehend aus einem Mikrophon 4, das den Lärm auf­ nimmt, aus einem Lautsprecher 3, der den Überlagerungslärm wie­ dergibt und aus einem elektronischen Teil für die Signalverar­ beitung, bestehend im wesentlichen aus einem Filter 5 und aus einem Verstärker 6, der den von dem Mikrophon 4 aufgenommenen Lärm empfängt und den Überlagerungslärm für den Lautsprecher 3 erzeugt, wobei sich im allgemeinen der Teil für die Signalverarbeitung aus­ serhalb des Gehäuses befindet.

Da die Kavitäten einer solchen Gehörschutzmuschel im Vergleich zu den Wellenlängen klein sind, kann die Phasennacheilung des Überla­ gerungslärms im Verhältnis zu einem perfekten Überlagerungslärm relativ unerheblich sein. Da der Überlagerungslärm nicht in dem gesamten Raum emittiert wird, in dem sich der Umgebungslärm aus­ breitet, sondern nur dort, wo er von Nutzen ist, d.h. in der Nähe der Ohren des Benutzers, ist es weiterhin möglich, eine relativ einfache Vorrichtung zu bekommen, die relativ wenig Energie ver­ braucht.

Solche Schutzvorrichtungen von der Art eines Stirnbandes wurden untersucht von der Universität Southampton (GB): "An active noise reduction system for aircraft helmets" von WHEELER und HALLIDAY in Conf. proc. Nr. 311, Aural Communication in Aviation - NATO, von der Firma BOSE CORPORATION (USA): "Application of active noise reduction for hearing protection and speech intelligibility impro­ vement" von STEENEKEN und LANGHOUT in TNO Soesterberg Niederlande, Dept. IZF 1985-7 und in der DEA-Abhandlung "Attenuation active du bruit" (aktive Lärmdämpfung) von CARME im Forschungslaboratorium für Mechanik und Akustik in Marseille.

Solche Gehörschutzmuscheln sind jedoch noch nicht sehr leistungs­ stark, besonders wegen der komplizierten Form der Kavität, in der ein Überlagerungslärm erzeugt wird, und auch wegen der Reflexion der verschiedenen Wellen an der Innenwand der Kavitäten, wo die Systeme für die aktive Lärmdämpfung angeordnet sind. Diese Re­ flexion erzeugt nämlich Phasenverschiebungen, die das Arbeiten der Vorrichtung nachhaltig stören können, bis schliesslich eine Lärm­ steigerung entsteht.

Andererseits ist bekannt, dass in Kanälen, deren Durchmesser im Vergleich zu den Wellenlängen klein ist, wie schematisch in Fi­ gur 2 dargestellt, die sich ausbreitenden Schallwellen als eben angesehen werden können. Das Problem der Erzeugung des Überlage­ rungslärms besteht letztlich nur darin, dass eine angemessene Syn­ chronisierung zwischen dem Lärm, der von dem im vorderen Bereich gelegenen Mikrophon 4 aufgenommen wird, und dem Überlagerungslärm vorgenommen werden muss, der von dem im hinteren Bereich befind­ lichen Lautsprecher 3 eingespeist wird.

Den synchronisierten Überlagerungslärm erhält man über eine Vor­ richtung zur Signalverarbeitung, die im wesentlichen aus einem Filter 5 und einem Verstärker 6 besteht, wie das Beispiel in Fi­ gur 1 zeigt.

Die vorliegende Erfindung verfolgt das Ziel, die Nachteile der oben angeführten Schutzvorrichtungen gegen Lärmeinwirkungen zu be­ seitigen, indem eine Vorrichtung entwickelt wird, die einfach ist, wenig Kosten verursacht und die Trommelfelle wirksam vor Lärm in einem Bereich schützt, der sich von den tiefen Frequenzen bis zu den hohen Frequenzen erstreckt.

Erfindungsgemäss ist diese Schutzvorrichtung gegen Lärmeinwir­ kungen dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem hohlen Stopfen besteht, der in die Kavität des äusseren Gehörganges des Ohrs ein­ geführt wird, und dass mindestens ein Teil der Komponenten für die Erzeugung des besagten Überlagerungslärms im Innern dieses Stop­ fens angeordnet sind, damit sie sich in der nächsten Nähe des äusseren Gehörganges befinden.

Die erfindungsgemässe Schutzvorrichtung gegen Lärmeinflüsse arbeitet somit nach dem Prinzip der aktiven Lärmdämpfung, beruht aber auf einer Konzeption, die derjenigen bestimmter Anordnungen für die passive Dämpfung annähernd entspricht, weil sie in dem äusseren Gehörgang des Ohres angebracht wird.

Die mit dieser Vorrichtung erreichte Lärmdämpfung ist unerwarte­ terweise weitaus stärker als diejenige, die mit den bekannten Vor­ richtungen zur aktiven Lärmdämpfung erzielt wird. Es scheint, dass die Gründe für diese starke Dämpfung auf die Besonderheit zurück­ zuführen sind, dass der äussere Gehörgang des Ohres und vor allem das Trommelfell, das den Gang abschliesst, die Schallwellen nur schwach reflektieren. Der äussere Gehörgang des Ohres und das Trommelfell sind aber in Wirklichkeit Wände der Vorrichtung, so dass in dieser im Vergleich zu den oben beschriebenen Anordnungs­ arten nur schwache Rückstände von Wellenreflexionen auftreten, die für das einwandfreie Arbeiten der Vorrichtung für die aktive Lärm­ dämpfung kaum schädlich sind. Ausserdem kommt die Form des ausse­ ren Gehörganges des Ohres nahe an den unter Bezug auf die Fig. 2 erwähnten eindimensionalen Fall heran, so dass die Schallwellen leichter unter Kontrolle gehalten werden können.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung sind die Teile für die Erzeugung des Überlagerungslärms, die aus min­ destens einem Lautsprecher und aus mindestens einem Mikrophon be­ stehen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein derartiger Lautsprecher und mindestens ein derartiges Mikrophon im Inneren des hohlen Stopfens angebracht sind, so dass sich die maximale Lärmdämpfungszone, die durch die Überlagerung von Umgebungslärm und zusatzlicher Lärmemission gebildet wird, im Inneren des Ge­ hörganges befindet.

Diese Realisierungsart gestattet, vollen Nutzen aus den zuvor auf­ gezählten Vorteilen der Vorrichtung zu ziehen.

Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsart der Erfin­ dung, umfasst der Hohlkörper, der in den äusseren Gehörgang des Ohres eingesetzt wird, eine Wand aus halbsteifem schallisolieren­ dem Material, und das Innere des Hohlkörpers ist mit einem Schaum­ stoff ausgefüllt, der die Töne absorbiert.

Dieser Schaumstoff gibt dem Lautsprecher und dem Mikrophon Halt, wobei er gleichzeitig den Lärm passiv dampft. Die Wand aus halb­ steifem Material weist eine gewisse Verformbarkeit auf, die es ihr ermöglicht, sich der Form des Gehörganges des Ohres anzupassen.

Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich noch aus der nachstehenden Beschreibung. Die beigefügten Zeichnungen, die als nicht erschöpfende Beispiele zu betrachten sind, enthalten folgende Figuren:

Die Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Schutzvor­ richtung gegen Lärmeinwirkungen, die gemäss dem aus den oben be­ schriebenen Vorrichtungsarten hervorgehenden Prinzip der aktiven Lärmdämpfung arbeitet,

die Fig. 2 ist ein Längsschnitt einer Schutzvorrichtung gegen Lärmeinwirkungen, die nach dem Prinzip der aktiven Lärmdämpfung im Falle eines eindimensionalen Kanals arbeitet, die Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch die mittlere Vertikalebe­ ne einer erfindungsgemässen, in Benutzungsposition befindlichen Schutzvorrichtung gegen Lärmeinflüsse, die Fig. 4 ist eine Schnittzeichnung einer Varianten des er­ findungsgemässen Schutzsystems gegen Lärmeinwirkungen.

Bei der Ausführung in Fig. 3 liegt die erfindungsgemässe Schutz­ vorrichtung 11 gegen Lärmeinwirkungen am Ohr des Benutzers. Diese Vorrichtung umfasst Teile, d.h. ein Mikrophon 16, einen Lautspre­ cher 15 und ein elektronisches Teil 17 für die Signalverarbeitung, mit denen der Überlagerungslärm erzeugt wird.

Diese Teile sind Gegenstand einer allgemein bekannten Technologie, wie oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1 angegeben. Der Fachmann hat also völlig freie Hand, auf angemessene Art und Weise diejeni­ gen Teile auszuwählen, die der Verwirklichung der Erfindung ange­ passt sind.

Es ist die Zweckbestimmung der zusätzlichen Lärmemission, sich dem Lärm, vor dem sich der Benutzer schützen will, zu überlagern und diesen dadurch zu annullieren. Dieser Überlagerungslärm hat des­ halb die gleiche Amplitude und die gleiche Frequenz wie der Lärm, steht aber zu ihm in Phasenopposition, so dass durch die Überlage­ rung Stille erzeugt wird.

Das Mikrophon 16 nimmt das zu verarbeitende Schallsignal auf und gibt es an den elektronischen Teil 17 weiter, der dieses Signal verarbeitet und ein Überlagerungssignal erzeugt, das als Lärm von dem Lautsprecher 15 emittiert wird.

Zu dieser Schutzvorrichtung 11 gehört ebenfalls ein hohler Stop­ fen 12, bestehend aus einer langgestreckten röhrenförmigen Hülle oder Wand 14, die in den äusseren Gehörgang 13 des Ohres des Benutzers derart eingeführt wird, dass sie sich gut an den Gang anpasst und eine Art Verlängerung desselben bildet: diese Ver­ längerung ist nur dann erforderlich, wenn aus räumlichen Gründen der Lautsprecher 15 und das Mikrophon 16 im eigentlichen äusseren Gehörgang 13 nicht untergebracht werden konnen.

Das Mikrophon 16 und der Lautsprecher 15 sind im Inneren dieses hohlen Stopfens 12 angebracht. Der Lautsprecher 15 und das Mikro­ phon 16 sind so angeordnet, dass der emittierte Überlagerungslärm seinen Zweck erfüllen kann, den Lärm gezielt im Inneren des äusse­ ren Gehörganges 13 des Ohres des Benutzers zu annullieren. Zu diesem Zweck ist der Lautsprecher 15 an demjenigen Ende des hohlen Stopfens 12 angebracht, das aus dem äusseren Gehörgang 13 des Ohres des Benutzers herausragt, wobei der Trichter des Lautspre­ chers 15 gegen das Innere des äusseren Gehörganges 13 des Ohres des Benutzers gerichtet ist, um den Überlagerungslärm in die Rich­ tung des Trommelfells zu lenken und ihn mit dem Lärm im äusseren Gehorgang 13 des Ohres des Benutzers zu überlagern. Das Mikrophon 16 ist seinerseits hinter dem Lautsprecher 15 im Inneren des äus­ seren Gehörganges 13 des Ohres des Benutzers angebracht.

Die langgestreckte röhrenförmige Hülle oder Wand 14 besteht aus einem zusammenpressbaren halbsteifen Material, das gestattet diese Hülle 14 in den äusseren Gehörgang 13 eines jeden Ohres einzu­ führen, sie den Formen der Ohren anzupassen und dort hermetisch anzuheften. Es ist ebenfalls notwendig, dass dieses Material, aus dem die Hülle 14 gefertigt ist, eine gute schalldämmende oder lautdämmende Wirkung hat. Silikon ist zum Beispiel ein solches Ma­ terial.

Das Innere der von der Hülle 14 des Hohlkörpers umschlossenen Ka­ vität, in der das Mikrophon 16 und der Lautsprecher 15 angebracht sind, ist mit einer Materie 18 gefüllt, die die Töne absorbiert, um zusätzlich zur aktiven Dämpfung, die mit der Vorrichtung er­ reicht wird, eine passive Dämpfung zu erzielen. Eine solche Materie 18 besteht zum Beispiel aus Silikonschaum oder aus ela­ stischem Polyurethan.

Der hohle Stopfen 12 ist kraftschlüssig mit einem Deckel 19 ver­ bunden, der mittels einer Haftverbindung 19 a gegen das Ohr ge­ presst wird, um somit eine neue Schutzvorrichtung zur passiven Lärmdämpfung zu bilden.

Der Deckel 19 lässt ebenfalls den Schutz des hohlen Stopfens 12 zu. Dieser Deckel kann entweder ein Gehäuse einer Gehörschutzmu­ schel vom Typ Stirnband sein, oder ein Gehäuse, das man an dem Ohr befestigt wie Hörgeräte. Die kraftschlüssige Verbindung des hohlen Stopfens 12 mit dem Deckel 19 erfolgt mit Hilfe einer steifen Wand 21. Der mit dem Deckel 19 erreichte passive Lärmschutz wird ver­ stärkt durch das Füllen der internen Kavität des Deckels 19 mit einer die Töne absorbierenden Materie 20. Der Deckel 19 lässt ebenfalls die Unterbringung der Anordnung 17 für die Signalverar­ beitung zu. Diese Anordnung 17 empfängt den von dem Mikrophon auf­ genommenen Lärm, erzeugt den angemessenen Gegenlärm und speist ihn über den Lautsprecher 15 ein.

Die Anordnung 17 ist mit einem Sprechfunkkanal 22 verbunden, so dass der Benutzer der erfindungsgemässen Vorrichtung von aussen kommende Meldungen hören kann, ohne dabei von dem Umgebungslärm gestört zu werden.

Die Fig. 4 enthält die ausführliche Darstellung eines Hohlkör­ pers 12 a entsprechend einer Varianten der Schutzvorrichtung gegen Lärmeinwirkungen.

Im Inneren oder in der Nähe des Hohlkörpers 12 a, bestehend aus einer Hülle 14 a und gefüllt mit einer den Schall absorbierenden Materie 18 a aus Schaumstoff, sind mehrere Mikrophone 26, 36, 46, mehrere Lautsprecher 25, 35, 45 und mehrere elektronische An­ ordnungen 27, 37, 47 für die Signalverarbeitung angebracht, um serienweise das Prinzip der aktiven Lärmdämpfung anzuwenden. Der übrige Teil der Schutzvorrichtung gegen Lärmeinflüsse entspricht annähernd dem bereits oben beschriebenen Teil.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die oben beschriebenen Beispiele, und man kann an diesen zahlreiche Änderungen vornehmen, ohne über den Rahmen der Erfindung hinaus­ zugehen. Ausserdem ist es möglich die in der Fig. 3 beschriebene Vorrichtung sichtlich zu vereinfachen, indem man nur die Teile 12, 14, 15, 16, 17, 18 und 22 beibehält, und indem man demzufolge die Gehörschutzmuschel mit den Teilen 19 a, 19, 20 und 21 wegfallen lässt.

Claims (10)

1. Schutzvorrichtung gegen Lärmeinwirkungen (11), aufsetzbar auf das Ohr des Benutzers, bestehend aus den Teilen (15, 16, 17; 25, 26, 27, 35, 36, 37, 45, 46, 47), zwecks Erzeugung eines zusätz­ lichchen Lärms zur Überlagerung des Lärms, vor dem man sich schützen will, mit gleicher Amplitude und gleicher Frequenz, aber in Phasenopposition zu dem zuletzt genannten Lärm, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sie einen hohlen Stopfen (12; 12 a) umfasst, der in die Kavität des äusseren Gehörganges (13) des Ohres des Benutzers eingeführt wird, und dass mindestens Teile der besagten Kompo­ nenten für die Erzeugung des besagten Überlagerungslärms im Inne­ ren des besagten hohlen Stopfens (12; 12 a) angeordnet sind, damit sie sich in nächster Nähe des Eingangs zum äusseren Gehörgang (13) des Ohres des Benutzers befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1; die besagten Teile für die Erzeu­ gung des besagten Überlagerungslärms umfassen mindestens einen Lautsprecher (15; 25, 35, 45) und mindestens ein Mikrophon (16; 26, 36, 46), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein derarti­ ger Lautsprecher (15; 25, 35, 45) und mindestens ein derartiges Mikrophon (16; 26, 36) im Inneren des besagten hohlen Stopfens (12; 12 a) angebracht sind, so dass sich die maximale Lärmdämp­ fungszone, die durch die Überlagerung des Umgebungslärms und des von dem oder den besagten Lautsprecher (n) (15; 25, 35, 45) erzeugten Lärms gebildet wird, im Inneren des besagten äusseren Gehörganges (13) des Ohres des Benutzers befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass min­ destens ein Lautsprecher (15; 35, 45) im Inneren des besagten hohlen Stopfens (12; 12 a) in einer Zone befestigt ist, die einen Vorsprung bildet des besagten äusseren Gehörganges (13) des Ohres des Benutzers, wobei dieser oder diese Lautsprecher (15; 35) ge­ gen das Innere des besagten Stopfens (12; 12 a) gerichtet sind, und dass mindestens ein Mikrophon (16; 36) hinter dem oder den Lautsprecher(n) (15; 35) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der besagte hohle Stopfen (12; 12 a) eine Wand (14; 14 a) aus halbsteifem schallisolierendem Material umfasst.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die freigebliebene Kavität im Inneren des besagten hohlen Stopfens (12; 12 a) mit einem schallabsorbierenden Schaum­ stoff (18; 18 a) ausgefüllt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der besagte hohle Stopfen (12) kraftschlüssig mit einem Deckel (19) verbunden ist, der gegen das Ohr gepresst wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte hohle Stopfen (12) auf dem besagten Deckel (19) mittels einer steifen Wand (21) befestigt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der besagte Deckel (19) mit einem die Töne absor­ bierenden Schaumstoff (20) gefüllt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8; die besagten Teile für die Erzeugung des besagten Überlagerungslärms umfassen mindestens eine elektronische Anordnung (17) für die Signalverar­ beitung, die die Anpassung der Amplitude, der Frequenz und der Phase des besagten Überlagerungslärms gewährleistet, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens eine elektronische Anordnung für die Signalverarbeitung im besagten Deckel (19) angebracht ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sie mit einem Sprechfunkkanal (22) verbunden ist, so dass von aussen kommende Meldungen gehört werden können.