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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft Hörgeräte und insbesondere
Hörgeräte zum persönlichen
Gebrauch.
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Hintergrund
der Technik
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Es
ist bekannt, Ohrhörer
bereitzustellen, die in die Ohrhöhlung
eines Benutzers eingesetzt werden können, oder Kopfhörer, die
einen kleinen an einem Kopfband befestigten Lautsprecher umfassen und
so angeordnet sind, dass sie an oder über dem Ohr des Benutzers platziert
werden können.
Derartige Schallquellen übertragen
mittels den Ohrkanal entlang geleiteter Luftdruckwellen Schall über das Trommelfell
an das Innenohr des Benutzers.
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Ein
typischer herkömmlicher
Ohrhörer
verwendet einen in einem Kunststoffgehäuse montierten schwingspulenartigen
Wandler. Die Schwingspule ist mit einer dünnen Membran verbunden, die
so ausgeführt
ist, dass sie in den Eingang des Ohrkanals passt. Die Schwingspule
und die Membran sind leicht und am anderen Ende des Ohrkanals eng
mit dem Trommelfell gekoppelt. Die akustische Impedanz des Trommelfells
und des Ohrkanals ist aus Sicht des Schwingspulenwandlers relativ
gering. Diese geringe Impedanz in Verbindung mit der engen Kopplung
bedeutet, dass die Bewegungsanforderungen des Schwingspulenwandlers
relativ niedrig sind.
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Ein
Schwingspulenwandler benötigt
einen Magnetkreis, der typischerweise Metallteile enthält, z.B.
Stahl- oder Eisenpolteile, um Magnetfeldlinien zum Bewegen der Spule
zu erzeugen. Diese Teile stellen eine relativ große träge Masse
bereit, was zusammen mit der niedrigen Bewegungsanforderung bedeutet,
dass relativ wenig Schwingung in das Gehäuse eintritt.
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Sowohl
mit Kopfhörern
als auch mit Ohrhörern
sind Nachteile verbunden. Sie können
beispielsweise den normalen Hörvorgang,
etwa bei einer Unterhaltung, behindern oder verhindern, dass ein
Benutzer nützliche
oder wichtige externe akustische Informationen, z.B. eine Warnung,
hört. Des
Weiteren sind sie im Allgemeinen unbequem und können, wenn die Lautstärke des übertragenen
Schalls zu hoch ist, eine Gehörüberbeanspruchung
und -schädigung
verursachen.
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Ein
alternatives Verfahren zum Zuführen
von Schall an das Innenohr eines Benutzers besteht darin, die Knochenleitung
zu verwenden, wie etwa bei einigen Arten von Hörhilfen. In diesem Fall wird
ein Wandler am Mastoidknochen eines Benutzers befestigt, um ihn
mechanisch mit dem Schädel
des Benutzers zu koppeln. Schall wird dann vom Wandler durch den
Schädel
und direkt an die Cochlea oder das Innenohr übertragen. Das Trommelfell
ist an diesem Schallübertragungsweg
nicht beteiligt. Das Anordnen des Wandlers hinter dem Ohr stellt
eine gute mechanische Kopplung bereit.
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Ein
Nachteil besteht darin, dass die mechanische Impedanz des Schädels am
Ort des Wandlers eine komplexe Funktion der Frequenz ist. Daher
können
die Bauart des Wandlers und der erforderliche elektrische Ausgleich
teuer und schwierig sein.
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Alternative
Lösungen
sind in JP56-089200 (Matsushita Electric Ind. Co. Ltd.), WO 01/87007 (Temco
Japan Co., Ltd.) und WO 02/30151 des Anmelders vorgeschlagen. In
jeder dieser Schriften ist ein Wandler direkt mit der Ohrmuschel
(Pinna) eines Benutzers gekoppelt, insbesondere hinter dem Ohrläppchen eines
Benutzers, um darin Schwingungen anzuregen, wodurch ein akustisches
Signal an das Innenohr des Benutzers übertragen wird.
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Wie
in WO 02/30151 dargelegt, kann der Wandler piezoelektrisch sein.
Wie der schwingspulenartige Wandler in einem herkömmlichen
Ohrhörer braucht
der piezoelektrische Wandler Schutz vor mechanischer Beschädigung.
Des Weiteren muss der piezoelektrische Wandler mechanisch mit der
Ohrmuschel gekoppelt sein und diese Kopplung muss geschützt werden.
Dementsprechend kann der Wandler in einem Schutzgehäuse montiert
sein.
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Der
piezoelektrische Wandler hat keine enge Kopplung mit dem Trommelfell
und treibt durch die relativ hohe Impedanz der Ohrmuschel. Des Weiteren
wird Schall durch eine mechanische Kopplung anstatt durch eine akustische
Kopplung an das Trommelfell übertragen.
Somit ist ein relativ hohes Schwingungsenergieniveau erforderlich,
um am Trommelfell denselben Pegel wie bei einem herkömmlichen
Ohrhörer
aufrechtzuerhalten.
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Anders
als bei einem schwingspulenartigen Wandler besitzt ein piezoelektrischer
Wandler keine große
träge Masse,
auf die die Schwingungen bezogen werden können. Somit kann das Gehäuse vibrieren
und eine unerwünschte äußere Schallabstrahlung
erzeugen. Eine derartige Schallabstrahlungsleckage kann für sich in
der Nähe
befindende Zuhörer lästig sein
und die Privatsphäre
des Trägers
einschränken
und ist der Leistung des Hörgeräts abträglich. Demgemäß besteht
ein Ziel der Erfindung darin, eine verbesserte Gehäusekonstruktion
bereitzustellen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Hörgerät bereitgestellt, das einen
piezoelektrischen Wandler und eine Kopplungseinrichtung zur Kopplung
des Wandlers mit der Ohrmuschel eines Benutzers umfasst, wobei der
Wandler Schwingungen in der Ohrmuschel anregt, um sie zur Übertragung
eines akustischen Signals vom Wandler an das Innenohr eines Benutzers
zu veranlassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler in eine
Umhüllung aus
einem relativ weichen Material eingebettet ist und die Umhüllung an
einem Gehäuse
aus einem relativ harten Material so angebracht ist, dass zwischen der
Umhüllung
und dem Gehäuse
ein Hohlraum gebildet ist.
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Die
Ohrmuschel bildet die Gesamtheit des äußeren Ohrs eines Benutzers.
Der Wandler kann mit der Rückseite
der Ohrmuschel eines Benutzers benachbart zur Concha des Benutzers
gekoppelt werden.
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Die
Umhüllung
und das Gehäuse
bilden zusammen einen zweiteiligen Aufbau, der den Wandler schützt. Die
Verwendung eines zweiteiligen Aufbaus bietet eine größere Flexibilität bei der
Konstruktion, um ein Gerät
zu schaffen, das eine minimale unerwünschte Abstrahlung erzeugt
und einen Wandler aufweist, der bei guter Empfindlichkeit ausreichend geschützt ist.
Demgegenüber
ist das Montieren eines piezoelektrischen Wandlers in einem einteiligen
Gehäuse
weniger flexibel. Wenn ein relativ hartes Material verwendet wird,
kann dies die Empfindlichkeit und Bandbreite des Geräts nachteilig
beeinflussen und zu unerwünschter
Abstrahlung führen.
Wenn jedoch ein relativ weiches Material verwendet wird, kann das Gerät nicht
robust genug sein.
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Die
Umhüllung
kann geformt sein. Das relativ weiche Material kann eine Shore-Härte zwischen
10 und 100, möglicherweise
zwischen 20 und 80, haben und beispielsweise aus Gummi, Silikon
oder Polyurethan bestehen. Das Material kann außerdem nicht leitend, nicht
allergen und/oder wasserfest sein. Das Material hat bevorzugt eine minimale
Auswirkung auf die Leistung des Wandlers, d.h. es behindert die
Bewegung des Wandlers nicht und kann einen gewissen Schutz bereitstellen,
z.B. vor geringen Erschütterungen
und der Umgebung, insbesondere vor Feuchtigkeit.
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Das
Gehäuse
besteht vorzugsweise aus einem starren Material, um einen zusätzlichen
Schutz für
den Wandler bereitzustellen, insbesondere während der Handhabung. Das relativ
harte Material kann einen Elastizitätsmodul von 1 GPa oder höher haben
und beispielsweise ein Metall (z.B. Aluminium oder Stahl, die Elastizitätsmoduln
von 70 GPa bzw. 207 GPa besitzen), ein harter Kunststoff (z.B. Perspex,
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff
mit einem Elastizitätsmodul von
20 GPa) oder ein weicher Kunststoff mit einem Elastizitätsmodul
von 1 GPa sein.
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Sowohl
die Umhüllung
als auch das Gehäuse
können
formgepresst sein, z.B. in einem Zwei-Schritt-Formungsvorgang. Alternativ
kann das Gehäuse
gegossen oder gestanzt sein. Die Umhüllung kann zur Erleichterung
der Herstellung im Gehäuse
verrastet sein.
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Die
Kopplung zwischen der Umhüllung
und dem Gehäuse
ist bevorzugt minimal, um eine Schwingungsübertragung vom Wandler auf
das Gehäuse
zu verringern. Das Gehäuse
kann mit der Umhüllung
an Stellen der Umhüllung
gekoppelt sein, die eine verringerte Schwingung aufweisen. Die Stellen können Bereiche
des Wandlers berühren,
an denen Schwingungen unterdrückt
sind, z.B. durch Anbringen von Massen. Die Stellen können sich
an den einander entgegengesetzten Enden der Umhüllung befinden.
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Der
Hohlraum kann eine minimale Kopplung zwischen der Umhüllung und
dem Gehäuse
sicherstellen. Der Hohlraum kann auch so ausgeführt sein, dass er die rückwärtige Abstrahlung
vom Wandler verringert, wodurch eine unerwünschte Abstrahlung von dem
Gerät reduziert
werden kann. Der Hohlraum kann eine mechanische Impedanz (ZHohlraum) besitzen, die geringer als die
Ausgangsimpedanz des Wandlers und bevorzugt geringer als die Impedanz der
Ohrmuschel (ZOhrmuschel) ist. Daher ist
die mechanische Impedanz des Hohlraums bevorzugt so ausgeführt, dass
sie die verfügbare
Kraft nicht begrenzt. Dadurch werden die Bewegung des Wandlers und die
verfügbare
Kraft durch den Hohlraum nicht merklich beeinflusst. Deshalb hat
der Hohlraum keine nachteilige Wirkung auf die Empfindlichkeit des
Geräts.
Wenn die Hohlraumimpedanz geringer als die Ohrmuschelimpedanz ist,
kann die gesamte verfügbare
Kraft auf die Ohrmuschel übertragen
werden und der Hohlraum hat eine minimale Auswirkung auf den Betrieb
des Geräts.
Die Wirkung des Hohlraums ist dann auf die gewünschte Funktion des mechanischen
Schutzes und der Verringerung unerwünschter externer Schallabstrahlung
begrenzt.
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Die
mechanischen Eigenschaften, insbesondere die mechanische Impedanz,
des Wandlers können
so gewählt
werden, dass sie auf diejenigen einer typischen Ohrmuschel abgestimmt
sind. Durch Abstimmen der mechanischen Eigenschaften, insbesondere
der mechanischen Impedanz, kann eine verbesserte Effizienz und Bandbreite
erreicht werden. Alternativ können
die mechanischen Eigenschaften im Hinblick auf ihre Eignung für die Anwendung
gewählt
werden. Wenn der abgestimmte Wandler beispielsweise zu dünn ist,
um haltbar zu sein, kann die mechanische Impedanz des Wandlers erhöht werden,
um eine erhöhte
Haltbarkeit zu bieten. Ein derartiger Wandler kann eine reduzierte
Effizienz haben, aber dennoch brauchbar sein.
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Die
mechanischen Eigenschaften des Wandlers können abgestimmt werden, um
die Kontaktkraft zwischen dem Wandler und der Ohrmuschel zu optimieren,
beispielsweise indem ein oder mehrere Parameter berücksichtigt
werden, die ausgewählt
werden aus Glätte,
Bandbreite und/oder Pegel des Frequenzgangs, die durch jeden subjektiven
Benutzer sowie den physischen Komfort des Benutzers sowohl statistisch
als auch in Anwesenheit eines Audiosignals bestimmt werden. Die
mechanischen Eigenschaften des Wandlers können so gewählt werden, dass der Frequenzbereich
des Wandlers optimiert wird.
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Die
mechanischen Eigenschaften können die
Befestigungsstelle, die hinzugefügten
Massen und die Anzahl der piezoelektrischen Schichten umfassen.
Der Wandler kann eine exzentrische Befestigung aufweisen, wobei
eine Torsionskraft dazu verwendet wird, einen guten Kontakt zur
Ohrmuschel herzustellen. Massen können hinzugefügt werden, beispielsweise
an den Enden des piezoelektrischen Elements, um die Niederfrequenzbandbreite
zu verbessern. Der Wandler kann mehrere Schichten aus piezoelektrischem
Material aufweisen, wodurch die Spannungsempfindlichkeit erhöht und die
Spannungsanforderung eines Verstärkers
verringert werden kann. Die oder jede Schicht aus piezoelektrischem
Material kann komprimiert sein.
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Die
Kopplungseinrichtung stellt vorzugsweise einen Kontaktdruck zwischen
der Ohrmuschel und dem Gerät
bereit, so dass das Gerät
an die volle mechanische Impedanz der Ohrmuschel gekoppelt ist. Wenn
der Kontaktdruck zu schwach ist, ist die dem Gerät zur Verfügung gestellte Impedanz zu
gering und die Energieübertragung kann
erheblich verringert sein. Die Kopplungseinrichtung kann die Form eines
Hakens haben, dessen oberes Ende sich über eine Oberseite der Ohrmuschel
krümmt.
Das untere Ende kann sich unter die Unterseite der Ohrmuschel krümmen oder
hinter der Ohrmuschel gerade herunterhängen. Ein Haken, bei dem sich
beide Enden über
die Ohrmuschel krümmen,
kann eine sicherere Befestigung bereitstellen und sollte einen für eine effiziente
Energieübertragung
ausreichenden Kontaktdruck aufrechterhalten.
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Das
Gehäuse
ist so am Haken angebracht, dass die Wandlerumhüllung einen unteren Teil der Ohrmuschel
berührt,
z.B. das Ohrläppchen.
Der Haken kann aus Metall, Kunststoff oder einem gummierten Material
gefertigt sein.
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Das
Hörgerät kann eine
eingebaute Einrichtung zum Lokalisieren der optimalen Lage des Wandlers
an der Ohrmuschel für
jeden individuellen Benutzer umfassen, wie in WO 02/30151 gelehrt.
Das Hörgerät kann einen
Equalizer für
eine Frequenzgangentzerrung umfassen, um die akustische Leistung des
Hörgeräts zu verbessern.
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Das
Hörgerät kann beidseitig
verwendbar, d.h. zur Benutzung an beiden Ohren vorgesehen sein.
Die Herstellung kann daher einfacher und kostengünstiger durchgeführt werden,
da die Werkzeugkosten geringer sind. Des Weiteren kann das Gerät benutzerfreundlicher
sein, da ein Benutzer das Gerät nicht
am falschen Ohr platzieren kann und Ersatzteile leichter zu erhalten
sind. Ein Benutzer kann zwei Hörgeräte verwenden,
wobei jeweils eines an jedem Ohr angebracht ist. Der Signaleingang
kann bei jedem Hörgerät unterschiedlich
sein, z.B. um ein korreliertes Stereobild zu erzeugen, oder kann
bei beiden Hörgeräten gleich
sein.
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Das
Hörgerät kann ein
eingebautes Miniaturmikrophon, z.B. zum freihändigen Telefonieren, und/oder
einen eingebauten Mikroempfänger
umfassen, z.B. zur drahtlosen Verbindung mit einer lokalen Quelle,
z.B. einem CD-Spieler oder einem Telefon, oder mit einer entfernten
Quelle für
Rundfunkübertragungen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines
Hörgeräts bereitgestellt,
das ein mechanisches Koppeln eines piezoelektrischen Wandlers mit
der Ohrmuschel eines Benutzers und das Antreiben des Wandlers umfasst,
so dass der Wandler Schwingungen in der Ohrmuschel anregt, um sie
zur Übertragung
eines akustischen Signals vom Wandler an das Innenohr eines Benutzers
zu veranlassen, gekennzeichnet durch das Einbetten des Wandlers
in eine Umhüllung
aus einem relativ weichen Material und durch Befestigen der Umhüllung an einem
Schutzgehäuse
aus einem relativ harten Material, so dass zwischen der Umhüllung und
dem Gehäuse
ein Hohlraum gebildet wird.
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Das
Verfahren kann das Auswählen
von Parametern des Hohlraums und/oder der Umhüllung und/oder des Gehäuses umfassen,
um eine unerwünschte
Abstrahlung zu verringern, einen Schutz für den Wandler bereitzustellen
und/oder eine gute Empfindlichkeit und Bandbreite zu gewährleisten. Insbesondere
kann die Kopplung zwischen der Umhüllung und dem Gehäuse und/oder
dem Hohlraum so gewählt
werden, dass eine unerwünschte
Abstrahlung verringert ist. Das Material der Umhüllung kann so gewählt werden,
dass eine gute Empfindlichkeit und Bandbreite gewährleistet
sind und/oder ein gewisser Schutz des Wandlers bereitgestellt ist.
Das Material des Gehäuses
kann so gewählt
werden, dass ein zusätzlicher
Schutz bereitgestellt wird. Die mechanische Impedanz des Hohlraums
kann geringer als die Ausgangsimpedanz des Wandlers und bevorzugt
geringer als die Impedanz der Ohrmuschel sein.
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Das
Verfahren kann das Messen der akustischen Leistung des Hörgeräts für jeden
Benutzer und das Anpassen der Position des Wandlers an der Ohrmuschel
für jeden
individuellen Benutzer umfassen, um die akustische Leistung zu optimieren,
z.B. um ein optimales Klanggleichgewicht bereitzustellen. Die optimale
Position kann durch Bestimmen des Winkels zwischen einer durch den
Eingang zum Ohrkanal verlaufenden horizontalen Achse und einer sich durch
den Eingang erstreckenden radialen Linie, die der Mittelachse des
Wandlers entspricht, gemessen werden. Der Winkel kann eine Neigung
im Bereich von 9 bis 41 Grad aufweisen.
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Das
Verfahren kann das Anwenden einer Frequenzgangentzerrung umfassen,
um die akustische Leistung des Hörgeräts zu verbessern.
Das Verfahren kann das Anwenden einer Kompression auf das an den
Wandler angelegte Signal umfassen, insbesondere wenn der Wandler
ein piezoelektrischer Wandler ist. Das Verfahren kann das Optimieren
der Kontaktkraft zwischen dem Wandler und der Ohrmuschel umfassen.
Die Kontaktkraft kann durch Berücksichtigen
von Parametern optimiert werden, wie etwa Glätte, Bandbreite und/oder Pegel
des Frequenzgangs, die von jedem subjektiven Benutzer sowie den
physischen Komfort des Benutzers sowohl statistisch als auch in
Anwesenheit eines Audiosignals bestimmt sind.
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Die
vorstehend beschriebenen Hörgeräte und Verfahren
können
bei vielen Anwendungen verwendet werden, z.B. bei Freisprech-Mobiltelefonen, virtuellen
Konferenzen, Unterhaltungssystemen, wie etwa Spiele während eines
Fluges und Computer spiele, Kommunikationssystemen für Notfall-
und Sicherheitsdienste, Unterwasseranwendungen, Ohrhörern mit
aktiver Unterdrückung
von Hintergrundgeräuschen,
Tinnitus-Maskierern, Call-Center- und Sekretariats-Anwendungen,
Heimkino und Kino, Enhanced- und Shared-Reality-Systemen mit Daten- und
Informationsschnittstellen, Übungsanwendungen,
Museen, Herrenhäusern
oder Schlössern
(Führungen)
sowie Freizeitparks und Unterhaltungssystemen in Kraftfahrzeugen.
Des Weiteren können
die Hörgeräte bei allen
Anwendungen verwendet werden, bei denen ein natürliches und unbehindertes Hörvermögen aufrechterhalten
werden muss, z.B. für eine
höhere
Sicherheit von Fußgängern oder
Radfahrern, die über
private Kopfhörer
Programme hören.
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Eine
teilweise taube Person kann über
einen Teil des Frequenzbereichs ein gutes oder ausreichendes Hörvermögen und über den
Rest des Frequenzbereichs ein schlechtes Hörvermögen haben. Das Hörgerät kann dazu
verwendet werden, den Teil des Frequenzbereichs zu verstärken, bei
dem die teilweise taube Person ein schlechtes Hörvermögen hat, ohne das Hörvermögen der
tauben Person über den
Rest des Frequenzbereichs zu behindern. Das Hörgerät kann beispielsweise dazu
verwendet werden, den oberen Frequenzbereich bei einer teilweise tauben
Person zu verstärken,
die ein gutes oder ausreichendes Hörvermögen im unteren Teil des Frequenzspektrums
hat oder umgekehrt. Der untere Frequenzbereich kann unter 500 Hz
und der obere Frequenzbereich über
1 kHz liegen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung werden nun rein beispielhaft spezielle Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 eine
räumliche
Ansicht einer an einer Ohrmuschel angebrachten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist,
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2 eine
seitliche Schnittansicht des Hörgeräts aus 1 ist,
wobei Teile aus Gründen
der Klarheit entfernt wurden,
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3 eine
Schnittansicht des Geräts
aus 1 im rechten Winkel zu der von 2 ist,
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4a bis 4c Seitenansichten
alternativer piezoelektrischer Wandler sind, die bei der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können,
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5 ein
Diagramm der Leistung über
der Frequenz des Wandlers aus 4b ist,
wenn dieser an der Ohrmuschel angebracht ist,
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6 eine
schematische Darstellung der mechanischen Impedanzen der Komponente
eines Hörgeräts gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist,
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7a ein
Diagramm der mechanischen Impedanzen der Komponenten über der
Frequenz ist,
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7b eine
vereinfachte Version der 7a ist,
und
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8 eine
Seitenansicht des Ohrs eines Benutzers ist, an dem ein Hörgerät in einer
bevorzugten Position angebracht werden kann.
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Genaue Beschreibung
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Hörgerät 30,
das an einer Ohrmuschel 32 angebracht ist. Das Gerät umfasst
ein äußeres Schutzgehäuse 34,
an dem eine Kopplungseinrichtung 54 mit einem oberen und
einem unteren Haken 36, 38 befestigt ist. Die
Haken 36, 38 winden sich über den oberen bzw. den unteren
Teil der Ohrmuschel 32, um zwischen dem Gerät und der
Ohrmuschel einen guten Kontakt sicherzustellen. Leitungen 40 erstrecken
sich von dem Gehäuse 34,
um mit einer externen Schallquelle verbunden zu werden.
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Wie
in den 2 und 3 gezeigt, ist das Außengehäuse 34 ein
Hohlkörper,
der eine Umhüllung 42 beherbergt,
in die ein piezoelektrischer Wandler 44 eingebettet ist.
Ein Hohlraum 48 ist zwischen der Innenfläche des
Außengehäuses 34 und der
Außenfläche der
Umhüllung 42 gebildet.
Die Umhüllung 42 hat
einen allgemein rechteckigen Querschnitt mit einem konkaven Abschnitt 46 und
ist so geformt, dass sie eng an der Ohrmuschel des Benutzers anliegt.
Die Umhüllung 42 ist
aus einem Material gebildet, das wesentlich weicher als das für das Gehäuse 34 verwendete
Material ist.
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Das
Außengehäuse 34 ist
mit den einander entgegengesetzten Enden der Umhüllung 42 durch Verbinder 50 verbunden,
die die Übertragung
von Schwingungen von der Umhüllung 42 auf
das Gehäuse 34 minimieren.
Am Gehäuse 34 sind
Bügel 52 ausgebildet,
die die Kopplungseinrichtung 54 an diesem befestigen.
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An
der Umhüllung 42 ist
längs der
kurzen Achse ein Vorsprung 57 ausgebildet, wodurch auf
jeder Seite der Umhüllung 42 Nasen 56 bereitgestellt sind.
Die Nasen 56 kommen mit entsprechenden Nuten 58 in
der Innenfläche
des Außengehäuses 34 in Eingriff.
Bei normalem Betrieb stehen die Nasen 56 nicht mit dem
Gehäuse 34 in
Kontakt, sondern verhindern, dass sich die Umhüllung vom Gehäuse löst, z.B.
wenn die Umhüllung
in die vertikale Richtung gezogen wird. Die Kopplungseinrichtung 54 ist
an der Außenfläche des
Außengehäuses 34 befestigt.
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Die 4a bis 4c zeigen
alternative piezoelektrische Wandler, die bei der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können.
In 4a ist der Wandler 10 gekrümmt und
umfasst zwei gekrümmte piezoelektrische
Schichten 12, zwischen denen eine gekrümmte Beilagschicht 14 angeordnet
ist. In den 4b und 4c sind
die Wandler nicht gekrümmt und
sind rechteckig mit einer Länge
von 28 mm und einer Breite von 6 mm.
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In 4b umfasst
der Wandler 80 zwei Schichten 82 aus piezoelektrischem
Material, von denen jede eine Dicke von 100 Mikrometer hat. Die piezoelektrischen
Schichten 82 sind durch eine Beilagschicht 84 aus
Messing voneinander getrennt, die 80 Mikrometer dick ist. Massen 86 sind
an jedem Ende des Wandlers angebracht, z.B. um in diesen Bereichen
Schwingungen im Wandler zu unterdrücken. Der Wandler hat eine
Ausgangsimpedanz von 3,3 Ns/m. In 4c hat
der Wandler drei Schichten 16 aus piezoelektrischem Material
(z.B. PZT), die sich mit vier Elektrodenschichten 18 (typischerweise aus
Silberpalladium) abwechseln. Die Polarität einer jeden piezoelektrischen
Schicht 16 ist durch einen Pfeil angezeigt. Die Schichten
sind abwechselnd in einem Stapel angeordnet, wobei die obere und
die untere Schicht Elektrodenschichten 18 sind. Der Wandler
ist auf einer Legierungs-Beilagscheibe 17 angebracht und
durch eine Klebstoffschicht 19 befestigt.
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5 zeigt
eine Messung der in dem Wandler gemäß 4b verbrauchten
Leistung, wenn er an der Ohrmuschel angebracht ist (gestrichelte
Linie) und wenn er nicht an Ohrmuschel angebracht ist (durchgehende
Linie). Wenn der Wandler an der Ohrmuschel angebracht ist, wird
die dem Wandler entzogene Leistung erhöht, da die Last der Ohrmuschel den
realen Teil der elektrischen Impedanz des Wandlers erheblich erhöht. Im Allgemeinen
ist die elektrische Impedanz eines piezoelektrischen Elements hauptsächlich kapazitiv.
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Der
Hohlraum kann wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die
6 und
7B beschrieben ausgeführt sein.
6 zeigt
eine schematische Darstellung der Impedanzen des Systems, nämlich der Impedanzen
der Ohrmuschel
32, des Wandlers
70, des Hohlraums
72 und
des Außengehäuses
74.
Der Hohlraum hat eine Steifigkeit oder mechanische Impedanz, die
durch seine Fläche
und Tiefe bestimmt ist. Schwingungen des Außengehäuses
74 oder der Umhüllung des
Wandlers führen
zu einer Kompression dieser Steifigkeit, weshalb das Gehäuse und
die Umhüllung
als mit dem Hohlraum gekoppelt betracht werden können. Die mechanische Impedanz
des Hohlraums kann durch Berechnen der Nachgiebigkeit einer Luftlast
geschätzt
werden, die selbst geschätzt
werden kann (ausgehend von kleinen Verschiebungen) anhand:
wobei P
0 Atmosphärendruck
(101 kPa) ist.
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Die
mechanische Impedanz des Hohlraums kann dann über einen Frequenzbereich ausgedrückt werden,
und zwar unter Verwendung von:
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Die
Parameter (z.B. Größe und Zusammensetzung)
des piezoelektrischen Wandlers werden im Hinblick auf eine effiziente
Energieübertragung
auf die mechanische Impedanz der Ohrmuschel über eine gegebene Bandbreite
gewählt.
Eine akzeptable Bauart eines Wandlers, der zwischen 500 Hz und 10 kHz
arbeitet, umfasst fünf
piezoelektrische Schichten und ist 28 mm × 6 mm groß. Ein derartiger Wandler hat
eine mechanische Ausgangsimpedanz von 4,47 kg/s. Ein Hohlraum mit
derselben Fläche
wie der Wandler und einer Tiefe von 2,5 mm hat eine Luftlastnachgiebigkeit
von 1,47 × 10-4
m/N.
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7a zeigt
die Impedanz des Hohlraums (ZHohlraum),
der Ohrmuschel (ZOhrmuschel) und des Wandlers
(ZPiezo) über der Frequenz. Die Impedanz
der Ohrmuschel ist über
der Frequenz unterhalb von 1 kHz mit einem Wert von ZOhrmuschel =
2,7 kg/s in etwa konstant. Dementsprechend kann die Impedanz einer
jeden Komponente vereinfacht werden, wie in 7b gezeigt.
Bei einer Frequenz f1 (ungefähr 420 Hz)
entspricht die mechanische Impedanz des Hohlraums derjenigen des
Wandlers. Unterhalb die ser Frequenz wird der Wandlerausgang durch
den Einfluss des Hohlraums beschränkt, weshalb f1 als
die Mindestbetriebsfrequenz des Geräts festgelegt werden sollte.
Die Frequenz f1 kann durch Vergrößern der
Abmessung (insbesondere der Tiefe) des Hohlraums gesenkt werden,
um zu verhindern, dass der Kreuzungspunkt im Arbeitsband des Geräts auftritt. Ein
Ausführen
des Hohlraums mit einer ausreichenden Tiefe minimiert die Kopplung
zwischen der Umhüllung
und/oder dem Gehäuse
und dem Hohlraum in dem interessierenden Frequenzband.
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Bei
der niedrigsten Betriebsfrequenz, nämlich 500 Hz, ist ZHohlraum = 2,17 kg/s und somit ZHohlraum < ZPiezo und
ZHohlraum < ZOhrmuschel. Diese Bedingung wird auch Über die
gesamte Betriebsfrequenz erfüllt,
d.h. bis zu 10 kHz, da ZPiezo konstant ist,
ZOhrmuschel bis zu 1 kHz konstant ist und
dann ansteigt, während
ZHohlraum mit der Frequenz abnimmt.
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8 zeigt,
wie die Lage des Wandlers an der Ohrmuschel für jeden individuellen Benutzer
angepasst werden kann, um ein optimales Klanggleichgewicht bereitzustellen
oder andere Merkmale des Frequenzgangs zu optimieren. Durch Optimieren
der Lage des Wandlers können
die Ohrmuschel und der Wandler tatsächlich einen kombinierten Treiber
bilden, der für
einen individuellen Benutzer einzigartig ist. Die optimale Position
wird durch Bestimmen des Winkels θ zwischen einer mittigen radialen
Linie 62 und einer horizontalen Achse 66 bestimmt,
die sich beide durch den Eingang 60 zum Ohrkanal erstrecken.
Die mittige radiale Linie 62 entspricht der Mittelachse
des Wandlers und gibt die optimale Position des Wandlers für einen
ersten Benutzer an.
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Eine
obere und eine untere radiale Linie 64, 65, die
beide unter einem Winkel α zur
mittigen radialen Linie 62 verlaufen, zeigen das Ausmaß einer möglichen
Abweichung von der mittigen radialen Linie 62, die zu der
optimalen Position für
einen zweiten Benutzer führen
kann. Es wurden Tests durchgeführt,
die einen Wert für θ von 25° und für α von 16° ergeben
haben. Das Hörgerät kann eine
eingebaute Einrichtung zum Lokalisieren der optimalen Position umfassen.
Die Einstellung auf den Winkel kann durch eine kombinierte Bewegung
des Wandlers und des oberen Ende des Hakens durchgeführt werden.
Als Alternative zur Verwendung der horizontalen Achse kann der Winkel
relativ zu einer vertikalen Achse 68 gemessen werden, die
sich durch den Eingang 60 zum Ohrkanal erstreckt.
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Durch
Anbringen des Wandlers hinter dem Ohr ist das Hörgerät unauffällig, diskret und blockiert oder
verformt die Gestalt der Ohrmuschel nicht. Der Wandler ist mit Abstand
von dem Eingang zum Ohrkanal angeordnet und blockiert daher nicht
den Eingang zum Ohrkanal, wodurch das normale Hörvermögen nicht beeinträchtigt ist.
Des Weiteren ist die Abdeckung des äußeren Ohrs geringer und somit gibt
es im Vergleich zu herkömmlichen
Kopfhörern, die
das Ohr unterschiedlich stark verdecken, weniger oder keine Anordnungsfehler.
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Das
Hörgerät kann aus
kostengünstigen, leichten
Materialien hergestellt werden und daher wegwerfbar sein. Die Wegwerfbarkeit
kann ein Vorteil sein, wenn Hygiene vorrangig ist, z.B. bei Konferenzen.
Alternativ kann es, da das Hörgerät nicht
in das Ohr eingeführt
wird, bequemer und somit für
eine Langzeitanwendung geeigneter sein.
