DE3719963C2 - Schutzvorrichtung gegen Lärmeinwirkungen - Google Patents

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.

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.