DE3719963C2 - Schutzvorrichtung gegen Lärmeinwirkungen - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung gegen
Lärmeinwirkungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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 lösen,
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 gro
ßen 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,
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 au
ßerhalb 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 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
Fig. 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 Oberlagerungslärm
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
Fig. 1 zeigt.
Die GB 21 60070 A1 zeigt eine Lärmschutzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1, bei der außerhalb des menschlichen Ohres ein Lautsprecher und
ein Mikrophon angeordnet sind. Hier wird eine elektronische Anordnung beschrie
ben, mittels derer die von dem Mikrophon aufgenommenen und von außen auf das
menschliche Ohr einwirkenden Geräusche aufgenommen und phasenverschoben über
den besagten Lautsprecher abgegeben werden. Dabei handelt es sich um einen
geschlossenen Regelkreis, wie dieser auch gemäß der vorliegenden Erfindung zur
Anwendung kommt.
Die US 3,890,474 offenbart eine Lärmschutzvorrichtung, die vollständig in das
Innere eines Ohres bzw. in den äußeren Gehörgang einer Person eingesetzt werden
kann. Diese soll Geräusche oberhalb eines vorgegebenen Lärmpegels mindern und
Geräusche unterhalb eines bestimmten Lärmpegels durchlassen. Auf diese Weise
wird beispielsweise übermäßiger Straßenlärm gedämpft. Die Worte eines Gesprächs
partners werden dagegen weitervermittelt. Dabei kommt eine offene Regelschleife
zur Anwendung.
Die US 3,160,717 beschreibt lediglich ein Kommunikationssystem, wobei Ohr
hörerkissen auf einem Ohr aufgesetzt werden können. Die Ohrhörerkissen enthalten
einen Lautsprecher und einen diesem zugeordneten Anschluß, über den Nachrichten
an den Benutzer dieser Vorrichtung übertragen werden können. Eine aktive
Lärmdämpfung wird nicht angesprochen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung
gegen Lärmeinwirkungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 weiter
zubilden, und eine entsprechende Schutzvorrichtung vorzuschlagen, die über dem für
den Menschen hörbaren Frequenzbereich wirksam ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Schutzvorrichtung mit den im Patentanspruch 1
aufgeführten Merkmalen gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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 äuße
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 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 zusätzlicher Lärmemission gebildet wird, im Inneren des Ge
hörganges befindet.
Diese Realisierung gestattet es, vollen Nutzen aus den zuvor auf
gezählten Vorteilen der Vorrichtung zu ziehen.
Entsprechend einer 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 dämpft. 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 Variante 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 Oberlagerungslärm 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 Oberlagerungssignal 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 können.
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
Gehörgang 13 des Ohres des Benutzers zu überlagern. Das Mikrophon
16 ist seinerseits hinter dem Lautsprecher 15 im Inneren des äu
ßeren 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 19a 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 12a entsprechend einer Variante der Schutzvorrichtung gegen
Lärmeinwirkungen.
Im Inneren oder in der Nähe des Hohlkörpers 12a, bestehend aus
einer Hülle 14a und gefüllt mit einer den Schall absorbierenden
Materie 18a 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 19a, 19, 20 und 21 wegfallen
läßt.
Claims (10)
1. Schutzvorrichtung gegen Lärmeinwirkungen (11) zum Aufsetzen auf das Ohr
eines Benutzers mit den folgenden Merkmalen: mindestens einem Mikrophon (16) und
mindestens einem Lautsprecher (15), wobei diesem eine Schaltung (17) zugeordnet ist,
zwecks Erzeugung eines zusätzlichen Lärms zur Überlagerung des Lärms, wobei der
zusätzliche Lärm die gleiche Amplitude und gleiche Frequenz aufweist wie der zu
überlagernde Lärm, aber in Phasenopposition zu dem zu überlagernden Lärm ist,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
ein hohler Stopfen (12; 12a) ist vorgesehen, der in die Kavität des äußeren Gehörganges (13) des Ohres des Benutzers einführbar ist;
das zumindest eine Mikrophon (16) und der zumindest eine Lautsprecher (15) sind im Inneren des hohlen Stopfens (12; 12a) angeordnet;
der hohle Stopfen (12; 12a) weist eine Fortsetzung des äußeren Gehörganges (13) des Ohres des Benutzers auf, in der mindestens ein Lautsprecher (15; 35) an geordnet ist, bei dem die Hauptrichtung der Schallabstrahlung im wesentlichen zum Gehörgang weist, und daß mindestens ein Mikrophon (16; 36) zwischen dem Lautsprecher (15; 35) und dem inneren Gehörgang angeordnet ist.
ein hohler Stopfen (12; 12a) ist vorgesehen, der in die Kavität des äußeren Gehörganges (13) des Ohres des Benutzers einführbar ist;
das zumindest eine Mikrophon (16) und der zumindest eine Lautsprecher (15) sind im Inneren des hohlen Stopfens (12; 12a) angeordnet;
der hohle Stopfen (12; 12a) weist eine Fortsetzung des äußeren Gehörganges (13) des Ohres des Benutzers auf, in der mindestens ein Lautsprecher (15; 35) an geordnet ist, bei dem die Hauptrichtung der Schallabstrahlung im wesentlichen zum Gehörgang weist, und daß mindestens ein Mikrophon (16; 36) zwischen dem Lautsprecher (15; 35) und dem inneren Gehörgang angeordnet ist.
2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Stopfen
(12; 12a) eine Wand (14; 14a) aus halbsteifem schallisolierenden Material umfaßt.
3. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die freigebliebene Kavität im Inneren des besagten hohlen Stopfens (12; 12a) mit
einem schallabsorbierenden Schaumstoff (18; 18a) ausgefüllt ist.
4. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der besagte hohle Stopfen (12) kraftschlüssig mit einem Deckel (19) verbunden ist,
der gegen das Ohr gepreßt wird.
5. Schutzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Stopfen
(12) auf dem Deckel (19) mittels einer steifen Wand (21) befestigt ist.
6. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Deckel (19) mit einem die Töne absorbierenden Schaumstoff (20) gefüllt ist.
7. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens eine elektronische Schaltung (17) zur Signalverarbeitung vorgesehen ist,
die die Anpassung der Amplitude, der Frequenz und der Phase des besagten Überla
gerungslärms gewährleistet wobei diese Schaltung im Deckel (19) angebracht ist.
8. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Sprechfunkverbindungseinrichtung (22) vorgesehen ist, so daß von außen
kommende Meldungen gehört werden können.
9. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
in dem hohlen Stopfen (12a) mehrere Mikrophone (26, 36) und mehrere Laut
sprecher mit jeweils zugeordneter elektronischer Verarbeitungsschaltung (37, 27)
vorgesehen sind.
10. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
auch im Deckel ein Mikrophon und/oder ein Lautsprecher angeordnet ist.
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