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Die
Erfindung betrifft eine elektroakustische Kommunikationseinheit
wie ein Mobiltelefon und einen Telefonhandapparat oder Kopfsprechhörer, der in
Eingriff mit einem Ohr des Benutzers gehalten werden soll, aber
auch einen Kopfhörer.
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Insbesondere
auf dem Gebiet der Mobiltelefone gibt es eine Entwicklung zu Einheiten
hin, die sowohl weniger wiegen als auch kleiner sind. Dies stellt
eine große
Anforderung an die Gestalter und Hersteller der elektronischen und
elektroakustische Komponenten, die hier ein Mikrophon und einen Schallgenerator
oder Empfängerwandler
umfassen. Auch diese Wandler sind heute in kleineren Abmessungen
als zuvor erhältlich.
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Die
bevorzugten elektroakustischen Empfängerwandler, die hier verwendet
werden, bestehen aus dem elektrodynamischen Typ mit einer Membran zur
Erzeugung akustischer Signale in der Form von Schall mit Frequenzen
im hörbaren
Bereich. Herkömmlicherweise
ist der Wandler an der Innenseite der Gehäusewand des Telefons z.B. mittels
eines Klebemittels oder einer Weichgummibefestigung befestigt, die
eine Dichtung herstellt. Akustische Verbindungen in der Form von Öffnungen
in der Gehäusewand übertragen
Schall, der durch den Wandler erzeugt wird, zum Ohr des Benutzers
und weisen eine sorgfältig
gestaltete Form auf, um die erwünschten Kennlinien
der akustischen Impedanz und Frequenz zu ergeben, wenn sich das
Telefon im Eingriff mit dem Ohr des Benutzers befindet. Herkömmlicherweise
ist der Wandler an der Innenseite der Gehäusewand in der unmittelbaren
Nähe der
akustischen Verbindungen befestigt.
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Eine
Spule eines elektrisch leitenden Drahts, die an der Membran des
Wandlers befestigt ist, treibt als Reaktion auf elektrische Ströme in der
Spule die Membran an. Es wird daher Schall von beiden Seiten der
Membran emittiert, wodurch der Wandler als ein Dipol betrachtet
werden kann. Die bevorzugten Wandler sind Schalldruckgeneratoren
mit niedriger akustischer Impedanz, wo jede Seite der Membran verwendet
werden kann, um Schall zu erzeugen, der zum Ohr des Benutzers übertragen
werden soll. Der Hauptunterschied zwischen den Schallsignalen von den
beiden Seiten der Membran ist eine Phasenverschiebung von 180 Grad.
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Wenn
sich die Membran bewegt, emittiert sie Schall zum Ohr des Benutzers
von einer Seite, die herkömmlich
als die Vorderseite bezeichnet wird, und damit der Wandler zufriedenstellend
arbeitet, ist es notwendig, daß ein
Luftvolumen einer bestimmten Größe auf der
gegenüberliegenden
Seite zur Verfügung
steht, die herkömmlich
als die Rückseite
der Membran bezeichnet wird, da die Membran anderfalls blockiert
und an einer Bewegung gehindert wird. Wenn der Rückseite der Membran ein zu
kleines Luftvolumen zur Verfügung
steht, wird die Empfindlichkeit und daher auch die Ausgangsleistung
des Wandlers bei niedrigen Frequenzen reduziert werden. Zusätzlich wird
jede undichte Stelle bei der Montage des Gehäuses in Kombination mit dem
kleinen Luftvolumen auf der Rückseite
der Membran zu einer Frequenzkennlinie führen, die einen unglücklichen Verlauf
in der Form eines Einschnitts aufweist. Mit anderen Worten muß die Membran
des Wandlers ein bestimmtes Arbeitsvolumen von Luft auf beiden Seiten
der Membran aufweisen. Bei der herkömmlichen Befestigung des Lautsprecherwandlers
nahe der Innenseite der Gehäusewand
wird die Vorderseite der Membran durch Öffnungen in der Gehäusewand
Zugang zum Luftvolumen im Außenohr
des Benutzers haben, und die Rückseite
der Membran wird Zugang zu einem Luftvolumen im Gehäuse oder über Öffnungen
im Gehäuse
zur umgebenden Luft haben.
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Mobiltelefone
und Telefonhandapparate werden unter der Verwendung eines Ohrsimulators
auf ihre akustische Qualität
geprüft.
Die International Telecommunication Union (ITU) Empfehlung ITU-T
P.57 und internationale Normen wie IEC 318 und IEC 711 definieren
Ohrsimulatoren, die alle auf der Verwendungssituation beruhen, wo
ein Benutzer das Telefon oder den Handapparat gegen sein Ohr hält. Um reproduzierbare
Messungen sicherzustellen, stellen diese Normen und Empfehlungen
Richtlinien für
die mechanische und physikalische Struktur des Ohrsimulators und
seine akustischen Funktion hinsichtlich dessen bereit, ein menschliches
Ohr so gut wie möglich
zu simulieren, und es ist niedergelegt, wie eine Prüfung auszuführen ist,
einschließlich
wie das Telefon mit dem Ohrsimulator in Eingriff zu bringen ist, und
insbesondere die genaue Position und Orientierung des Telefons relativ
zum Ohrsimulator.
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Dies
bedeutet, daß es
für jedes
gegebene Telefon und auf der Grundlage der Normen möglich ist,
die Eingriffsfläche
des Telefons mit dem Ohrsimulator in der genormten oder empfohlenen
Prüfung
zu definieren, die gemäß der Norm
oder der Empfehlung dem Eingriff mit einem Ohr des Benutzers entsprechen
wird. Im folgenden wird der Ausdruck „Fläche zum Eingriff mit einem
Ohr des Benutzers" daher
als ein Synonym für
den Eingriff der Kommunikationseinheit mit einem genormten Ohrsimulator
verwendet, da diese Flächen
gemäß des vorhergehenden
identisch sind.
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Solche
genormten Ohrsimulatoren sind z.B. von Brüel & Kjær als Typ 4157, Typ 4185,
Typ 4195 und Typ 4128 kommerziell erhältlich. Die Eingriffsfläche ist
typischerweise ein kreisförmiger
Bereich mit einem Durchmesser von 25 mm, wobei der Ohrsimulator
eine ringförmige
Eingriffsfläche
mit einem Durchmesser von 25 mm aufweist. Einwärts von der ringförmigen Eingriffsfläche des
Ohrsimulators gelegen gibt es ein Luftvolumen, das dem Volumen des menschlichen
Außenohrs
entspricht. Dieses Volumen ist die Schalleintrittsöffnung des
Ohrsimulators zu einen Mikrophon, mittels dessen der Schall vom Telefon
registriert werden kann.
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Die
Größe des Luftvolumens
im Schalleintritt des Ohrsimulators oder des menschlichen Ohrs beeinflußt die akustische
Belastung des Empfängerwandlers
der Kommunikationseinheit wesentlich. Jede undichte Stelle zur Umgebung
kann eine wesentliche Zunahme dieses Volumens bewirken, was eine
deutliche Veränderung
der akustischen Belastung ergibt. Änderungen der akustischen Belastung können Meßergebnisse
verursachen, die nicht korrekt den akustischen Eigenschaften der
Kommunikationseinheit entsprechen, die gemessen werden soll. Um
korrekte und reproduzierbare Testmessungen zu erzielen, die für die Kommunikationseinheit
charakteristisch sind, muß die
Kommunikationseinheit daher gemäß der Normen
in einer eng anliegenden Beziehung mit der ringförmigen Eingriffsfläche des
Ohrsimulators stehen.
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Im
Normalgebrauch wird es merkliche Variationen im Grad der Dichtheit
des Eingriffs der Kommunikationseinheit mit den Ohren einzelner
Benutzer geben, was größere oder
kleinere akustische undichte Stellen mit der Umgebung ergibt. Solche
Variationen beeinflussen die akustische Belastung des Empfängerwandlers,
was wiederum abhängig
von der Empfindlichkeit der Einheit gegenüber einer akustischen Lastimpedanz
die akustischen Eigenschaften der Kommunikationseinheit ändern kann.
Der Benutzer nimmt solche Änderungen
als Variationen der Klangqualität
der Kommunikationseinheit wahr. Dies ist unerwünscht.
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Folglich
gibt es einen Bedarf nach Kommunikationseinheiten, die gegenüber undichten
Stellen tolerant sind, das heißt,
Einheiten, die sowohl eine wahrgenommene Klangqualität für den Benutzer
als auch Meßergebnisse
an einem Ohrsimulator ergeben, von denen alle im größtmöglichen
Ausmaß sowohl
beim Eingriff der Einheit mit dem Ohr des Benutzers als auch mit
dem Ohrsimulator von undichten Stellen unabhängig sind.
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WO
98/24214 und WO 00/21330 offenbaren jeweils ein solches bekanntes
Mobiltelefon, das einen gegenüber
undichten Stellen toleranten Aufbau der Hörmuschel aufweist. 1 zeigt
ein vereinfachtes akustisches Ersatzschaltbild der betreffenden akustischen
Impedanzen in Verbindung mit den Lautsprecherwandlern in einem solchen
bekannten Telefon. Der Lautsprecherwandler wird als ein Schalldruckgenerator
P mit einer komplexen akustischen Ausgangsimpedanz Z1 gezeigt. L1
und R1 repräsentieren
die akustischen Impedanzen im Weg von der „Vorderseite" des Lautsprecherwandlers
durch die Schallaustrittsöffnung
zum Ohr des Benutzers, das durch die belastende akustische Impedanz
Zear repräsentiert
wird. L2 und R2 repräsentieren
die akustischen Impedanzen im Schallweg von der „Rückseite" des Lautsprecherwandlers zu einer Öffnung zum Ohr
des Benutzers, wodurch das Telefon tolerant gegenüber undichten
Stellen gemacht wird. L3 und R3 repräsentieren die akustische Impedanz
in den undichten Stellen der Telefongehäuseschalen, und C1 repräsentiert
das innere Luftvolumen im Telefon.
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In 1 bildet
C1 parallel mit L1 einen Parallelresonator auf der Rückseite
des Lautsprecherwandler. Dieser Parallelresonator weist eine Resonanzfrequenz
mit einer sehr hohen Impedanz auf. Bei der Resonanzfrequenz blockiert
die hohe Impedanz mehr oder weniger die Membran und hindert sie an
einer Bewegung, wodurch ein unerwünschter Einschnitt in den Frequenzgang
erzeugt wird. Kleine innere Luftvolumen führen zu einem stärkeren Einschnitt
als es große
Luftvolumen tun. Mobiltelefone werden immer kleiner und kompakter
gemacht, wobei das innere Luftvolumen auf so wenig wie möglich reduziert
wird, wodurch das Problem mit dem Einschnitt in den Frequenzgang
noch größer wird.
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Telefone
mit einem sehr kleinen inneren Luftvolumen können durch den Stand der Technik
nicht ohne weiteres tolerant gegenüber undichten Stellen gemacht
werden, da es eine Toleranz gegenüber undichten Stellen erfordert,
daß der
Wandler Zugang zu einem bestimmten Luftvolumen hinter dem Wandler hat – typischerweise
einige cm3. Aus rein akustischen Gründen wäre ein größeres inneres
Luftvolumen wünschenswert,
jedoch ist dies nicht akzeptabel, da dies die Größe der Einheit erhöhen würde. Als
Alternative zu einem großen
inneren Luftvolumen könnten akustische Öffnungen
von einem kleinen inneren Luftvolumen zur umgebenden Luft außerhalb
des Telefons hergestellt werden. Der Wandler würde hierdurch über das
kleine innere Luftvolumen Zugang zu einem unendlich großen Luftvolumen
haben, und es könnte
eine gegenüber
undichten Stellen tolerante Funktion erzielt werden. Eine solche
Struktur mit einem kleinen inneren Volumen wird einen akustischen Resonanzkreis
bilden, der aus der akustischen Induktivität dieser akustischen Öffnungen
und der akustischen Kapazität
des kleinen inneren Luftvolumens besteht. Ein solcher Resonanzkreis
wird bewirken, daß der
Frequenzgang des Telefons einen verhältnismäßig tiefen und scharfen Einschnitt
aufweist, der durch die Geometrie der Öffnungen und dem inneren Luftvolumen
bestimmt und leider häufig
in der Mitte des nutzbaren Tonfrequenzbereichs liegen wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Durch
die vorliegende Erfindung ist es möglich geworden, die akustischen
Eigenschaften, und insbesondere den Frequenzgang des Empfängerwandlers
im wesentlichen unabhängig,
oder mindestens weniger abhängig
von der Größe des inneren Luftvolumens
in der Kommunikationseinheit zu machen.
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Dies
ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß erfindungsgemäß das Luftvolumen,
das immer im Gehäuse
der Kommunikationseinheit vorhanden ist, nun in den primären Übertragungsweg
von einer ersten Seite der Membran des Wandlers durch den Schallaustritt
zum Ohr des Benutzers eingeschlossen wird. Die gegenüberliegende
Seite der Membran wird durch eine akustische Impedanz belastet,
die insbesondere so gestaltet ist, daß sie unter normalen und allen
praktischen Anwendungsbedingungen und insbesondere auch anderen
Bedingungen als den genormten Prüfbedingungen
mit einem Ohrsimulator gegenüber
der akustischen Impedanz im primären Übertragungsweg
vorherrschen wird. Der Wandler besteht vorzugsweise aus dem Typ,
der eine Niederfrequenzverstärkung
aufweist, d.h. er weist eine erhöhte
Empfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen auf, und der primäre Übertragungsweg
ist außerdem
zur umgebenden Luft durch eine akustische Verbindung mit der umgebenden
Luft belüftet.
Diese akustische Verbindung ist dazu bestimmt, die Niederfrequenzverstärkung auszugleichen
und insbesondere bei niedrigen Frequenzen den erwünschten
Frequenzgang zu ergeben. Die Kommunikationseinheit wird hierdurch
gegenüber
undichten Stellen tolerant gemacht, wie oben beschrieben wird.
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Die
Gestalter von Kommunikationseinheiten wie Mobiltelefonen wird hierdurch
die Freiheit bei der Wahl der Stelle für den Wandler im Telefongehäuse gegeben.
Herkömmlicherweise
ist die Freiheit des Gestalters bei der Anordnung des Empfängerwandlers
auf die Innenseite der Gehäusewand
zum Eingriff mit dem Ohr des Benutzers und die nähere Umgebung der Schallausgangsöffnung oder
-Öffnungen beschränkt gewesen.
Durch die Erfindung kann der Gestalter nun frei wählen, den
Wandler an jeder bequemen Stelle im Telefon anzuordnen. Insbesondere kann
der Wandler nun an Positionen angeordnet werden, die von der Schallausgangsöffnung weiter
entfernt sind. Der Gestalter kann nun wählen, den Wandler an einer
Kante oder einer Ecke der Gehäusewand
anzuordnen, und der Wandler kann sogar an jeder anderen geeigneten
Struktur im Telefon angeordnet werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß aus akustischen Gründen praktisch
kein inneres Luftvolumen in der Kommunikationseinheit benötigt wird. Erfindungsgemäß bildet
das innere Luftvolumen in der Kommunikationseinheit einen Teil des
Schallwegs vom Lautsprecherwandler zum Ohr des Benutzers, und das
innere Luftvolumen, das einen Teil des Schallwegs bildet, wird keine
negative Auswirkungen auf die akustischen Eigenschaften haben, und
es ist ein kleines Luftvolumen gegenüber einem größeren Luftvolumen
zu bevorzugen. Die Erfindung ist folglich die ideale Lösung für moderne
Mobiltelefone, wo eine kleine Größe ein Erfordernis
ist.
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In 1 repräsentieren
L3 und R3 die akustischen Impedanzen infolge der häufigsten
unvermeidlichen Undichtigkeit an der Grenzfläche zwischen den Gehäuseschalen,
d.h. längs
ihrer Kanten. Die Herstellungs- und Montagetoleranzen der Gehäuseschalen
führen
zu unkontrollierbaren und variablen undichten Stellen oder Öffnungen
im Gehäuse, die
in den bekannten Telefonen in unkontrollierten und unvorhersehbaren
Einschnitten im Frequenzgang führen.
Durch die Erfindung wird der Einfluß solcher unkontrollierter
undichter Stellen minimiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
werden im folgenden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
vereinfachtes Ersatzschaltbild der akustischen Impedanzen in einem
Telefonhandapparat des Stands der Technik,
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2 schematisch
einen Querschnitt durch ein Mobiltelefon in einer ersten Ausführungsform
der Erfindung und einen Ohrsimulator zur Messung seiner Leistung,
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3 ein
vereinfachtes Ersatzschaltbild der akustischen Impedanzen im Telefon
in 1,
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4 schematisch
einen Querschnitt durch ein Mobiltelefon in einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung, und einen Ohrsimulator zur Messung seiner Leistung,
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5 ein
vereinfachtes Ersatzschaltbild der akustischen Impedanzen im Telefon
in 3.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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In
den 2 und 4 weist ein Mobiltelefon 10, 10a jeweils
ein Gehäuse 11 auf,
das vorzugsweise zwei Schalen aufweist, die in einer bekannten Weise
zusammengebaut sind, um ein im wesentlichen geschlossenes Inneres
und ein Äußeres des Gehäuses zu
bilden. In den Figuren weisen ähnliche Strukturen
in beiden Ausführungsformen
dieselben Verweise auf. Im Gehäuse 11 wird
eine gedruckte Schaltung mit elektronischen Komponenten 16 zum Betreiben
des Telefons angezeigt.
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In 2 ist
ein elektroakustischer Lautsprecherwandler 12 an der Innenseite
des Gehäuses 11 mittels
eines Klebstoffrings 14 befestigt. Der Wandler 12 besteht
aus dem elektrodynamischen Typ mit einer Membran 13, jedoch
können
auch andere Typen verwendet werden. Die Lautsprecherwandler 12 weist
eine Frequenzgangkurve mit einem angehobenen Niederfrequenzabschnitt
auf, der als Niederfrequenzverstärkung
bezeichnet wird. Die gezeigte Membran weist ein gewölbtes Profil
auf und weist mit ihrer konvexen Seite zur Gehäusewand. Es können andere
Profile verwendet werden, wie ebene, gewellte oder ir gendein anderes
geeignetes Profil. Der Wandler 13 weist eine erste Seite 15 auf,
die von der Gehäusewand
weg weist. In der ersten Seite 15 des Wandlers gibt es
eine akustische Verbindung zur konkaven Seite der Membran 13.
Diese akustische Verbindung wird durch eine gepunktete Linie angezeigt.
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Im
Gehäuse
gibt es ein erstes Luftvolumen C1 und eine erste Öffnung 17 in
der Gehäusewand. Die Öffnung 17 ist
in der Gehäusewand
zum Eingriff mit einem Ohr des Benutzers bestimmt, und anstelle des
Ohrs des Benutzers wird ein Ohrsimulator 18 gezeigt. Die Öffnung kann
auf der Mittellinie des Telefons oder versetzt davon angeordnet
sein. Von der konkaven Seite der Membran 13 gibt es folglich über das
erste Luftvolumen C1 und die erste Öffnung 17 eine akustische
Verbindung oder Weg durch die erste Seite 15 des Wandlers
zum Ohrsimulator oder zum Ohr des Benutzers. Die erste Öffnung 17 weist
akustische Impedanzen L1, die die Masse der Luft in der Öffnung repräsentieren,
und R1 auf, die die Reibung der Luftmasse repräsentieren. Vorzugsweise ist
die erste Öffnung 17 so
gestaltet, daß sie
eine niedrige akustische Impedanz aufweist, und sie kann in zwei oder
mehrere kleinere Öffnungen
als die gezeigte unterteilt werden, oder die Öffnung kann durch ein Gitter
oder ein Netz bedeckt sein.
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Durch
eine zweite Öffnung 19 in
der Gehäusewand
gibt es eine zweite akustische Verbindung oder Weg durch die erste
Seite 15 des Wandlers und des Luftvolumens C1 zur umgebenden
Luft. Die zweite Öffnung 19 weist
akustische Impedanzen L3 und R3 auf, die entsprechend die Luftmasse
bzw. ihre Reibung in der Öffnung 19 repräsentieren.
Die zweite Öffnung 19 ist
dazu bestimmt, insbesondere die Verstärkung des Wandlers bei niedrigen
Frequenzen auszugleichen, um insbesondere den Niederfrequenzgang
weniger von Variationen der akustischen Belastung durch das Ohr
des Benutzers abhängig
zu machen. Das Telefon wird hierdurch tolerant gegenüber undichten
Stellen gemacht. Die beiden Gehäuseschalen
sind dazu bestimmt, längs
ihrer Kanten zueinander zu passen und ein geschlossenes Gehäuse zu bilden,
wobei die zweite Öffnung 19 die
einzige Ausnahme ist. Jedoch ist die Anpassung häufig nicht perfekt, was zu
einer undichten Stelle führt.
Die zweite Öffnung 19 ist
so gestaltet, daß ihre
akustische Impedanz kleiner als die akustische Impedanz in den möglichen
undichten Stellen ist, wodurch der Einfluß der undichten Stellen vernachlässigbar
ist.
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Eine
dritte Öffnung 20 stellt
eine akustische Verbindung oder Weg von der konvexen Seite der Membran 13 zur
umgebenden Luft her. Die dritte Öffnung
weist akustische Impedanzen L5, R5 auf, die entsprechend die Luftmasse
bzw. ihre Reibung in der Öffnung 20 repräsentierten.
Die dritte Öffnung 20 mit ihren
Impedanzen L5 und R5 ist dazu bestimmt, die akustische Leistung
des Wandlers zu beherrschen.
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Wenn
elektrische Signale bei Tonfrequenzen in den Wandler eingegeben
werden, wird die Membran in Schwingungen versetzt, und es werden
dadurch auf beiden Seiten der Membran akustische oder Schallsignale
erzeugt. Von der konkaven Seite der Membran werden Schallsignale
durch die erste Seite 15 des Wandlers in das Volumen C1 übertragen,
und vom Volumen C1 weiter durch die erste Öffnung 17 zum Ohr
des Benutzers und außerdem durch
die zweite Öffnung 19 zur
umgebenden Luft. Aus der konvexen Seite der Membran werden Schallsignale
durch die dritte Öffnung 20 zur
umgebenden Luft übertragen.
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In 3 wird
das elektrische Ersatzschaltbild für die oben beschriebene Struktur
gezeigt. Der Wandler weist eine akustische Ausgangsimpedanz Z1 auf,
und er erzeugt einen akustischen Schalldruck P. Zear ist die akustische
Lastimpedanz des Ohrs des Benutzers oder des Ohrsimulators. Im Ersatzschaltbild
wird die Impedanz möglicher
undichter Stellen parallel zu den kleineren Impedanzen R3 + L3 in
der zweiten Öffnung 19 liegen.
Dies bedeutet, daß die Impedanz
in der zweiten Öffnung 19 gegenüber der Impedanz
in den undichten Stellen vorherrschen wird. Mögliche undichte Stellen und
ihre Variationen werden dadurch keinen oder nur einen vernachlässigbaren
Einfluß auf
die akustische Leistung des Telefons haben.
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In 4 wird
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Hier ist der Wandler nicht an der Gehäusewand,
sondern vielmehr an einer inneren Struktur wie einer gedruckten
Schaltung oder einer Innenwand des Mobiltelefons befestigt. Hier stellt
eine dritte Öffnung 20a mit
den akustischen Impedanzen R6, L6 eine akustische Verbindung zu
einem geschlossenen Volumen C2 im Telefon her. Das Volumen C2 kann
Hochfrequenzkomponenten einschließen. Wie in 2 sind
das Volumen C2 und die akustischen Impedanzen R6, L6, die in das
Volumen führen,
dazu bestimmt, die akustische Leistung des Wandlers zu beherrschen.
Die alternative Ausführungsform
in 4 weist dieselben oben erwähnten Vorteile wie die Ausführungsform
in 2 auf.
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5 zeigt
das elektrische Ersatzschaltbild für die Struktur in 4.