DE69424419T2

DE69424419T2 - Aktive lärmunterdrückungsanordnung mit variabler verstärkung und verbesserter restlärmmessung

Info

Publication number: DE69424419T2
Application number: DE69424419T
Authority: DE
Inventors: Owen Jones
Original assignee: Noise Cancellation Technologies Inc
Current assignee: Noise Cancellation Technologies Inc
Priority date: 1993-06-23
Filing date: 1994-06-23
Publication date: 2001-01-04
Anticipated expiration: 2014-06-24
Also published as: JPH08510565A; EP0967592A3; ES2281160T3; AU7355594A; DE69424419D1; DE69434918D1; EP0705472A1; EP0967592A2; EP0705472B1; WO1995000946A1; EP0967592B1; DE69434918T2; US6118878A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kopfhörer mit aktiver Rauschunterdrückung, der eine Rückkopplungsschleife mit einer Ohrmuschel, einen in die Ohrmuschel eingebauten Rauschsensor, eine Verarbeitungseinheit, und ein in die Ohrmuschel eingebautes Betätigungselement aufweist, wobei die Verarbeitungseinheit zum Bereitstellen von Antriebssignalen für das Betätigungselement auf den Rauschsensor anspricht, um eine Rauschunterdrückung innerhalb eines Bereichs zu bewirken, und Steuerungsmittel zur Steuerung der Schleife aufweist, um unerwünschte Instabilitäten zu verhindern.
Passive Kopfhörer und ohrenübergreifende Ohrenstöpsel weisen üblicherweise ein durch einen elastischen Kopfhörerbügel verbundenes Paar Ohrmuscheln auf Ein an jeder Ohrmuschel befestigtes kreisförmiges Schaumstoffkissen bildet zwischen dem Gehäuse der Ohrmuschel und dem Kopf des Benutzers ein Polster aus. Umgebungsgeräusche werden vor dem Erreichen des Ohres des Trägers durch abgeschwächt, dass die Geräusche von der Ohrmuschel abgekapselt und durchgelassene Geräusche durch Materialien in der Ohrmuschel absorbiert werden.
Bei verschiedenen Anwendungen erweist sich die passive Rauschabschwächung als unzureichend. Einige Umgebungen sind im Hinblick auf die Bequemlichkeit oder sogar Sicherheit für passive Ohrenstöpsel einfach zu lärmend. In anderen Umgebungen ist die Beseitigung äußeren Rauschens maßgeblich, wobei bei Anwendung passiver Mittel keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden. Darüber hinaus schwächen passive Mittel alle Geräusche ab, und zwar unabhängig davon, ob der Träger bestimmte Geräusch benötigt oder hören will.
Aktive Rauschunterdrückungssysteme beseitigen unerwünschte Geräusche unter Verwendung destruktiver Interferenz. Die Unterdrückung wird durch die Ausbreitung eines Gegenrauschens herbeigeführt, das gegenüber den unerwünschten Schallwellen identisch jedoch invertiert ist und mit den unerwünschten Wellenformen wechselwirkt, um eine Unterdrückung zu bewirken. Ein aktiver, Rauschen unterdrückender Kopfhörer mit Rückkopplung weist typischerweise einen Klanggenerator zur Erzeugung eines Gegenrauschens in jeder Ohrmuschel auf, wobei ein ebenfalls in der Ohrmuschel angeordnetes Restmikrofon Rückkopplungssignale für eine Steuerung bereitstellt, die die geeigneten Gegengeräuschsignale erzeugt. Jedes Mikrofon weist das unerwünschte Rauschen der jeweiligen Ohrmuschel nach und stellt ein entsprechendes Signal für die Steuerung bereit. Die Steuerung versorgt den Klanggenerator mit Gegenrauschsignalen, die dem in den Ohrmuscheln nachgewiesenem Rauschen entsprechen, jedoch bezüglich der unerwüschten Wellenform invertiert sind. Wechselwirkt das Gegenrauschen mit dem Rauschen in der Ohrmuschel unterdrückt die destruktive Interferenz zwischen dem Rauschen und dem Gegenrauschen die unerwünschten Geräusche.
Vorzugsweise erfasst das Restmikrofon in Rückkopplungssystemen die gleichen Geräusche wie das Trommelfell des Zuhöhrers. In diesem Zusammenhang ist die Nähe zum Trommelfell wichtig. Ziel der Unterdrückungssysteme ist es, unerwünschtes Rauschen am Trommelfell bis auf Null zu unterdrücken. Tatsächlich arbeiten sie jedoch mit dem durch die Mikrofone nachgewiesenen Rauschen. Folglich ist es wünschenswert, dass das Mikrofon ausreichend nahe an dem Trommelfell angeordnet ist, um ein Rauschen nachzuweisen, das demjenigen des Hörers im Wesentlichen gleicht. Das Trommelfell ist jedoch tief im Innern des Ohrkanals angeordnet. Das Anbringen eines Mikrofons im Ohrkanal ist in der Regel unpraktisch und für den Benutzer sehr unangenehm. Darüber hinaus verursacht das Anordnen des Mikrofons mit einigem Abstand von dem Klanggenerator eine Phasenverschiebung zwischen den Rest- und den Unterdrückungssignalen, wodurch Instabilitäten herbeigeführt werden. Folglich nähern übliche aktive Unterdrückungssysteme die von dem Hörer wahrgenommenen Geräusche an, indem das Mikrofon so nahe wie möglich an dem Ohrkanal angeordnet wird, ohne dass er in diesen eindringt.
Unterdrückungssystemen mit Rückkopplung haftet der Nachteil an, dass sie zu Instabilitäten neigen. Rückkopplungssysteme haben den Hang instabil zu werden, beispielsweise, wenn die Bandbreite des Systems zu breit oder der Verstärkungsgrad des Systems zu groß wird. Treten Instabilitäten auf, sendet das System üblicherweise ein lautes Rauschen, das im allgemeinen unangenehm und gelegentlich gefährlich ist. Folglich werden der maximale Bereich und der Wirksamkeitsgrad von Rückkopplungssystemen durch Parameter begrenzt, die darauf ausgerichtet sind das System stabil zu halten.
Dieses Problem wird in einer bestimmten Art und Weise in der EP-A-0 212 840 gelöst. Das offenbarte System betrifft jedoch die Analyse des Restsignals als Funktion sowohl der Rauschamplitude als auch der Übertragungsfunktion der Steuerungsschleife.
Für eine maximale Rauschunterdrückung sollte das wechselwirkende Gegenrauschen zu der unerwünschten Wellenform genau passend, aber invertiert sein. Die akustischen Eigenschaften jeder Ohrmuschel beeinflussen jedoch die Charakteristiken der akustischen Eigenschaften des Systems zum Kompensieren der Effekte. Diese akustischen Eigenschaften sind allerdings nicht unter allen Arbeitsbedingungen konstant und können mit der Kraft variieren, mit der die Ohrmuschel gegen den Kopf des Benutzers drückt. Wird die Ohrmuschel mit hohem Druck beaufschlagt oder wird der Kopfhörer vom Kopf des Benutzers entfernt, kann die Veränderung der akustischen Eigenschaften der Ohrmuschel insbesondere der Lautstärke und des akustischen Widerstandes Instabilitäten in der Rückkopplungsschleife erzeugen. Diese Instabilitäten bewirken dann die Erzeugung instabiler Schwingungen der Steuerungsschleife, die unangenehmes und möglicherweise sogar schädliches Rauschen verursachen.
Ein Kopfhörer gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel Druckaufnehmermittel zum Nachweisen des Druckes der Ohrmuschel gegen den Kopf des Benutzers aufweisen und die Übertragungsfunktion der Schleife in Abhängigkeit des Ausgangs der Druckaufnehmermittel steuern, um die unerwünschten Instabilitäten zu verhindern.
Die Ohrmuschel kann erste und zweite Abschnitte aufweisen, die relativ zueinander beweglich sind. Die Druckaufnehmermittel können über einen Schalter verfügen, der durch die Relativbewegung der ersten und zweiten Abschnitte betätigt wird, wobei die Steuerungsmittel zur Verringerung des Verstärkungsgrades der Schleife einsetzbar sind, wenn der Schalter bei einem ersten Schwellendruck in Folge einer Zunahme des Druckes zwischen der Ohrmuschel und dem Kopf des Benutzers den Zustand verändert. Vorteilhafterweise weisen die Druckaufnehmermittel dann einen weiteren Schalter auf, der durch die Relativbewegung der ersten und zweiten Abschnitte betätigt wird, wobei die Steuerungsmittel zur Verringerung des Verstärkungsgrades der Schleife einsetzbar sind, wenn der zusätzliche Schalter bei einem zweiten Schwellendruck in Folge eines Abfalls des Druckes zwischen der Ohrmuschel und dem Kopf des Benutzers, wobei der zweite Schwellendruck geringer als der erste Schwellendruck ist, den Zustand ändert. Der Schalter und oder der zusätzliche Schalter können Teile eines Energieversorgungszweiges für die Verarbeitungseinheit sein und bei geöffneter Stellung den Verstärkungsgrad der Schleife auf Null setzen, indem sie die Energiezufuhr der Verarbeitungseinheit unterbrechen.
Die Druckaufnehmermittel können zweckmäßigerweise einen druckempfindlichen Widerstand aufweisen.
Die Druckaufnehmermittel können zweckmäßigerweise ebenso einen Infraschallsignalgenerator zum Erzeugen eines Infraschallfrequenzsignals und zum Aufsummieren des Infraschallfrequenzsignals zu den Antriebssignalen, so dass das Betätigungselement durch die Antriebssignale und das elektrische lnfraschallfrequenzsignal gesteuert ist, Auskoppelmittel zum Auskoppeln des vom Infraschallfrequenzsignal abhängigen Anteils des Ausgangssignals des Mikrofons und sogenannte AGC-Mittel (Mittei zur automatischen Regelung des Verstärkungsgrades) zum Einstellen des Verstärkungsgrades der Schleife unabhängig von der Amplitude des ausgekoppelten infraschallfrequenzabhängigen Signalanteils des Ausgangssignals des Mikrofons aufweisen. Die Auskoppelmittel weisen vorzugsweise einen Tiefpassfilter, einen Bandpassfilter oder einen Synchrondetektor auf.
Die AGC-Mittel sind vorzugsweise zur Variation der Verstärkungsgrades der Schleife betreibbar, um so die Amplitude des ausgekoppelten Infraschallfrequenzsignals im Wesentlichen konstant zu halten.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden an Hand von Beispielen unter Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben, von denen:
Fig. 1 einen Kopfhörer mit Rauschunterdrückung gemäß der vorliegenden Erfindung verdeutlicht,
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Kopfhörers mit einem druckempfindlichen Rauschunterdrückungssystem gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines Schaltsystems gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 4 ein schematisches Diagramm eines Steuerungssystems einer druckempfindlichen Rauschunterdrückung gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 5 und 6 Vorder- beziehungsweise geschnittene Seitenansichten eines schaltbaren Kopfhörers gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung darstellen,
Fig. 7A-B schematische Diagramme von Steuerungssystemen einer druckempfindlichen Rauschunterdrückung mit variablen Verstärkungsgrad gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung zeigen und
Fig. 8 ein Blockdiagramm eines Kopfhörers mit Rauschunterdrückungssystem, das akustische Infraschallsignale verwendet, gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung verdeutlicht.
Der hier verwendete Begriff Kopfhörer umfasst nicht abschließend Gehörschützer, Kopftelefone, Hörmuscheln, Telefonkopf- und Telefonhandapparate. Der hier verwendete Begriff Rauschen beinhaltet sowohl periodische als auch nicht periodische, akustische Signale einschließlich Schwingungen in Festkörpern und Fluiden.
Gemäß Fig. 1 umfasst ein Kopfhörer mit Rauschunterdrückung 100 zweckmäßigerweise eine erste Ohrmuschel 1 und eine zweite Ohrmuschel 2, die mit einem elastischen Kopfbügel 3 miteinander verbunden sind. Außen an den Ohrmuscheln sind externe Mikrofone 300a, b zweckmäßigerweise unterhalb des Kopfbügels 3 befestigt. Die Ohrmuscheln 1 und 2 weisen jeweils klanggenerierende Einheiten und (nicht gezeigte) interne Mikrofone auf, die elektrisch über zugeordnete Kabelgruppen 4, 5 mit einer Verarbeitungseinheit 6 miteinander verbunden sind. Die Verarbeitungseinheit 6 kann einstückig mit einer oder mehreren Ohrmuscheln 1 und 2, Kopfbügeln 3 oder sonst mit einem oder mehreren anderen Komponenten zur Ausbildung eines einheitlichen Kopfhörers ausgestaltet sein. Die Verarbeitungseinheit 6 ist jedoch vorzugsweise als separate Einheit ausgebildet, um den Zusammenbau zu erleichtern und, falls Batterien als Energiequelle verwendet werden, um für die Batterien ausreichend Raum zur Unterbringung bereitzustellen.
Die Kabel 4 und 5 sind vorzugsweise austauschbar mit der Verarbeitungseinheit 6 über ein passendes Verbindungsstück 5a verbunden. Falls gewünscht kann die Verarbeitungseinheit 6 auch passend über eine gewöhnliche 3.5 mm (1/8 inch) Audio-Buchse 56 mit einer Geräuschquelle verbunden werden, die für die Wiedergabe durch den Kopfhörer 100 und zur Übertragung an den Benutzer vorgesehen sind. Beispielhafte Geräuschquellen für die Wiedergabe umfassen gewöhnliche Audioausrüstungen für Endverbraucher wie beispielsweise Radios, Kassettenrekorder oder CD-Spieler sowie gegensprechende oder andere Kommunikationssysteme.
Eine abgetrennte Verarbeitungseinheit 6 vereinfacht den Einbau der Verarbeitungseinheit 6 in andere Ausrüstungsteile oder in Befestigungen wie beispielsweise eine Armlehne oder Kopflehne eines Sitzes in einem Luftfahrzeug (in Fig. 1 allgemein mit 6a verdeutlicht), falls erwünscht. Die Verwendung einer abgetrennten Verarbeitungseinheit macht den Systemanteil, der von dem Benutzer auf dem Kopf getragen wird, leichter und bequemer. Weiterhin ist der austauschbare Anteil des Systems billiger. Im Zusammenhang mit Kopfhörereinheiten, die zu verschiedenen Zeitpunkten an zahlreiche, unterschiedliche Benutzer zur Verwendung mit einer vorgegebenen, installierten Verarbeitungseinheit ausgegeben werden, beispielsweise in einem Passagierflugzeug, kann dies einen bedeutsamen Vorteil darstellen. Bei einer Verwendung in Luftfahrzeugen würden die zur Verarbeitungseinheit 6 übertragenen Signalquellen Audiosignale sein.
Die Verarbeitungseinheit 6 kann eine virtuell geerdete Verarbeitungseinheit aufweisen. Beispiele sind in der EP-A-0 596 971 beschrieben. Ein Teilbereich einer in der EP-A-0 596 971 beschriebenen Verarbeitungseinheit 6 ist insbesondere darauf ausgerichtet, harmonische Geräusche im Rauschen zu unterdrücken. Folglich verwendet eine solche virtuell geerdete Verarbeitungsarbeit 6 ein synchronisierendes Eingangssignal, das zweckmäßigerweise von einer geeigneten Synchronsignalquelle wie beispielsweise einem PLL-Kreis stammt, das zusammen mit einem Signal von einem außerhalb der Ohrmuscheln befestigten Mikrofon zugeführt wird.
Es wurde erkannt, dass Druckänderungen der Ohrmuschel 1 an dem Kopf des Benutzers die akustischen Eigenschaften der Ohrmuschel 1 beeinflussen und Instabilitäten verursachen können. Die Instabilitäten können daher durch Veränderung des Verstärkungsgrades der Rückkopplungsschleife in Abhängigkeit des aufgenommenen Drucks aufgefangen werden. In diesem Zusammenhang kann der Verstärkungsgrad verringert oder das Unterdrückungssystem im Ganzen ausgeschaltet werden, wenn auf den Kopfhörer Druck ausgeübt oder verringert wird.
Die in Fig. 2 gezeigte Ohrmuschel 400 weist diese Eigenschaft auf und beinhaltet einen Mechanismus zum Nachweisen, ob der Druck der Ohrmuschel gegen das Ohr des Benutzers aus einem vorbestimmten Bereich herausfällt, beispielsweise beim Überschreiten eines Maximalwertes oder beim Unterschreiten eines Minimalwertes. In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst eine solche Ohrmuschel 400 einen ersten Gehäuseabschnitt 407, einen zweiten Gehäuseabschnitt 410 und ein kreisförmiges Schaumstoffkissen 30. Der erste Gehäuseabschnitt 407 ist im Wesentlichen halbkugelförmig oder zylinderförmig und konkav ausgebildet. Eine Kreiswandung 408 erstreckt sich vom Inneren des ersten Gehäuseabschnittes 407 im allgemeinen koaxial zur Seitenwandung des Gehäuseabschnittes zu einem hinter der Ebene der Gehäuseabschnittslippe liegenden Bereich. Von dem freien axialen Endbereich der kreisförmigen Wandung 408 erstreckt sich ein Flansch 409 radial nach außen. Der zweite Gehäuseabschnitt 410 weist einen Kreisring 410a sowie erste und zweite Flansche 410b und 410c auf. Der Kreisring 410a legt zweckmäßigerweise einen äußeren Radius fest, der dem Radius der Lippe des Gehäuseabschnittes 407 ungefähr gleicht und zu dem ersten Gehäuseabschnitt 407 koaxial angeordnet ist. Der erste Flansch 410b ragt von einem axialen Ende des Kreisrings 410a zwischen dem Flansch 409 und der Lippe des ersten Gehäuseabschnittes radial nach innen. Der zweite Flansch 410c erstreckt sich von dem anderen axialen Ende des Kreisrings 410a radial nach innen. Das Schaumstoffkissen 30 ist koaxial zu der äußeren Oberfläche des zweiten Flansches 410b des zweiten Gehäuseabschnittes 410 angeordnet.
Der Klanggenerator 22 ist zweckmäßigerweise koaxial innerhalb der Kreiswandung 408 angeordnet, wobei das Mikrofon 28 an der offenen Seite des Klanggenerators 22 befestigt ist. An den jeweiligen Seiten des Flansches 409 sind erste und zweite Schaltersätze 414, 416 befestigt. Die Schalter 414, 416 können Schalter sein, die einen beliebigen, geeigneten Zustand ändern und in Abhängigkeit der besonderen Ausgestaltung der mit ihnen zusammenarbeitenden Schaltung normalerweise geöffnet oder normalerweise geschlossen sind. Die Sehalter 414, 416 sind so ausgestaltet, dass sie ihren Zustand bei Anwendung eines vorbestimmten Druckes ändern. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Schalter augenblicklich ansprechende Kontaktmembranschalter. Membranschalter sind für das offenbarte Ausführungsbeispiel besonders geeignet, da sie dünn, leicht einzubauen und billig sind. Die Schalter 414, 416 des bevorzugten Ausführungsbeispiels benötigen zur Änderung ihres Zustandes einen geringen Druck und weisen Schaltungen zur Erzeugung einer Hysterese auf, die die Schalter 414, 416 daran hindern bei in der Nähe des Schwellenwertes fluktuierenden Drücken ihren Zustand unmittelbar zu ändern, oder arbeiten mir diesen zusammen. Die Hysteresschaltung kann extern oder in die Schalter eingebaut sein. Obwohl in Fig. 2 jeder Satz Schalter 414, 416 jeweils zwei Schalter aufweist, können diese über eine beliebige Anzahl an Schaltern verfügen.
Beispielsweise können drei Schalter, die in Intervallen von ungefähr 120 Grad beabstandet um den Flasch 409 angeordnet sind, für den effektiven Nachweis von Druck auf die meisten Bereiche der Ohrmuschel 1 verwendet werden. Abweichend dazu kann jedoch ein einziger Schalter in jedem Satz verwendet werden, wenn die Ausgestaltung des Kopfhörers für Druck an einer bestimmten Stelle oder aus einem bestimmten Winkel besonders empfindlich ist.
Die ersten Schalter 414 sind an dem Flansch 409 befestigt und zu dem zweiten Flansch 410c des zweiten Gehäuseabschnittes 410 hin ausgerichtet. Zwischen dem Flansch 409 und dem zweiten Flansch 410c des zweiten Gehäuseabschnittes 410 ist eine vorbestimmte Anzahl elastomerer Blöcke 415 befestigt und vorzugsweise auf einer Kreisbahn um ungefähr 120 Grad voneinander beabstandet. Die zweiten Schalter 416 sind an dem Flansch 409 angeordnet und auf den ersten Flansch 410b des zweiten Gehäuseabschnittes 410 hin ausgerichtet.
Die Lage des Flansches 409 des ersten Gehäuseabschnittes 407 bezüglich des ersten Flansches 410b und zweiten Flansches 410c ist eine Funktion des Drucks der Ohrmuschel gegen den Kopf des Benutzers. Die Schalter 414 und 416 sind zur Betätigung in Folge eines Kontaktes mit den Flanschen 410b beziehungsweise 410c des zweiten Gehäuseabschnittes 410 angeordnet. Die Eigenschaften der elastomeren Blöcke 415 und der Abstand zwischen den Flanschen 410b und 410c sind so ausgewählt, dass ein Kontakt zwischen den Schaltern 414 und dem Flansch 410c sowie den Schaltern 416 und dem Flansch 410b in Folge eines vorbestimmten Druckwertes herbeigeführt wird. Ohne Druck können die elastomeren Blöcke 415 die Schalter 416 beispielsweise in Kontakt mit dem Flansch 410b drängen. Übersteigt der Druck einen vorbestimmten unteren Schwellenwert und drückt die elastomeren Blöcke 415 zusammen, verlieren die Schalter 416 den Kontakt mit Flansch 410b (und nehmen somit ihre normale Betriebsstellung ein). Übersteigt der Druck einen oberen Schwellenwert, der ausreichend ist, die elastomeren Blöcke 415 um eine vorbestimmte Weglänge zusammenzudrücken, geraten die Schalter 414 in Kontakt mit dem Flansch 410c und werden betätigt.
Falls erwünscht können die Schalter 414 und 416, wenn der Druck der Ohrmuschel gegen den Kopf des Benutzers außerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt, zur Deaktivierung der Verarbeitungseinheit 6 eingesetzt werden, so dass die Verarbeitungseinheit 6 außer Betrieb gesetzt wird, wenn der Druck geringer als ein vorbestimmter Minimalwert ist, beispielsweise wenn die Ohrmuschel nicht getragen wird oder der Druck einen vorbestimmten Wert übersteigt, der das System anfällig für Schwingungen macht.
Ein in Fig. 3 gezeigtes Ausführungsbeispiel kann unter Verwendung normalerweise geschlossener Schalter 414, 416 verwirklicht werden, die zwischen der Verarbeitungseinheit 6 und deren Energiequelle in Reihe angeordnet sind. Die Verarbeitungseinheit 6 wird von einer Batterie 517 passend mit Energie versorgt. Der Stromweg vom positiven Anschluss der Batterie 517 zur Verarbeitungseinheit 6 führt über normalerweise geschlossene erste und zweite Schalter 414, 416. Zur Verdeutlichung sind in Fig. 3 nur einzelne erste und zweite Schalter 414, 416 gezeigt. In dem Ausführungsbeispiel sind alle Schalter in Reihe angeordnet.
Gemäß den Darstellungen der Fig. 1, 2 und 3 drücken die elastomeren Blöcke 415 den zweiten Gehäuseabschnitt 410 von dem ersten Gehäuseabschnitt 407 weg, bevor die Ohrmuschel an dem Kopf des Benutzers plaziert wird. Dies führt einen Kontakt des ersten Flansches 410b des zweiten Gehäuseabschnittes 410 mit den zweiten Schaltern 416 herbei, wodurch diese geöffnet werden. Bei geöffneten Schaltern 416 ist die Stromzufuhr von der Batterie 517 zu der Verarbeitungseinheit 6 unterbrochen.
Setzt ein Benutzer den Kopfhörer 100 auf, wird die Ohrmuschel 1 zunächst durch den elastischen Kopfbügel 3 gegen den Kopf des Benutzers gepresst. Die durch den Kopfbügel 3 in den ersten Gehäuseabschnitt 407 eingeleitete Kraft drückt die elastomeren Blöcke 415 zwischen dem ersten und zweiten Gehäuseabschnitt 407, 410 zusammen. Sobald die elastomeren Blöcke 415 zusammengedrückt sind, entfernt sich der erste Flansch 410b des zweiten Gehäuseabschnittes 410 von dem zweiten Schalter 416 und ermöglicht, dass dieser sich schließt. An diesem Punkt sind sowohl die ersten als auch die zweiten Schalter 414, 416 geschlossen, wodurch ein Stromfluss von der Batterie 517 zur Verarbeitungseinheit 6 ermöglicht wird. Die Verarbeitungseinheit 6 steuert den Klanggenerator 22 anschließend zur effektiven Rauschunterdrückung an dem Ohr des Benutzers an.
Wird aus irgendwelchen Gründen eine zusätzliche Kraft eingeleitet, die die Ohrmuschel 1 gegen den Kopf des Benutzers drückt, werden die elastomeren Blöcke 415 weiter zusammengedrückt und die ersten Schalter 414 durch das Kontaktieren des zweiten Flansches 410c des zweiten Gehäuseabschnittes 410 zum Öffnen veranlasst. Das Öffnen irgendeines der ersten Schalter 414 unterbricht den Stromfluss von der Batterie 517 zur Verarbeitungseinheit 6, wodurch die Verarbeitungseinheit 6 außer Betrieb gesetzt wird. Sobald die Verarbeitungseinheit 6 außer Betrieb gesetzt ist, ist die Rückkopplungsschleife nicht mehr in der Lage zu schwingen, so dass die Gefahr, das Ohr des Benutzers zu beschädigen, vermieden ist.
Als Alternative zur Deaktivierung der Verarbeitungseinheit 6 kann der Verstärkungsgrad der Rückkopplungschfeife in Abhängigkeit der Betätigung der Schalter 414 und 416 zum Ausschließen von Schwingungen variiert werden. Eine in Fig. 4 gezeigte, passende Schaltung, die normalerweise geöffnete Schalter 414a und 416a für die Umsetzung einer solchen Steuerung des Verstärkungsgrads einsetzt, verfügt über einen Verstärker 618 mit Rückkopplungsnetzwerk, zugeordnete Widerstände 620, 622, und 623 sowie einen Feldeffekttransistor (FET) 621. Der Verstärker 618 ist im Rückkopplungszweig der Verarbeitungseinheit 6 vorgesehen. Der Verstärkungsgrad des Verstärkers 618 wird durch das Rückkopplungsnetzwerk 619 eingestellt. Der Widerstand 620 wird in Abhängigkeit des Zustandes der Schalter 414a und 416a selektiv mit dem Rückkopplungsnetzwerk 619 gekoppelt, um den Verstärkungsgrad des Verstärkers 618 selektiv zu verändern. Der Widerstand 620 ist zwischen einem Knoten des Rückkopplungsnetzwerks 619 und dem sogenannten Drain (Abfluss) des FET 621 angeschlossen. Die Schalter 414a und 416a sind in der vorspannenden Schaltung des FET 621 enthalten. In diesem Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Schalter 414a und 416a Momentkontaktschalter sowie geeignete Membranschalter und normalerweise geöffnet. Der FET 621 wird selektiv leitend oder nichtleitend gemäß dem Zustand der Schalter 414a und 416a. Die sogenannte Source (Quelle) des FET 621 liegt an einem Referenzpotential an. Alle Schalter der ersten und zweiten Schaltersätze 414a und 416a (wegen der Übersichtlichkeit wird nur jeweils einer gezeigt) sind parallel mit einem Anschluss des Widerstandes 622 und dem sogenannten Gate (Tor) des FET 621 verbunden. Der andere Anschluss des Widerstandes 622 liegt an einer Referenzspannung an Vref, die bezüglich des Referenzpotentials negativ ist. Das Gate des FET 621 liegt weiterhin über den Widerstand 622 an einer positiven Versorgungsspannung V+ an.
Gemäß Fig. 2 und 4 werden die zweiten Schalter 416a geschlossen, bevor der Benutzer den Kopfhörer 100 aufsetzt. Dies verursacht eine Verringerung des Potentials an dem Gate des FET 621, wodurch der FET 621 abgestellt und damit der Verstärkungsgrad des Verstärkers 618 verringert wird. Unter normalen Tragverhältnissen sind beide Schalter 414a und 416a offen und der FET 621 aktiviert, wobei der Verstärkungsgrad des Verstärkers 618 durch das Rückkopplungsnetzwerk 619 eingestellt wird. Wird eine zusätzliche Kraft in die Ohrmuschel 1 eingeleitet, schließen die ersten Schalter 416, deaktivieren den FET 621 und verringern damit den Verstärkungsgrad des Verstärkers 618, indem der Widerstand 620 aus dem Rückkopplungsnetzwerk 619 auf effektive Weise entfernt wird. Die Verringerung des Verstärkungsgrades des Verstärkers 618 stellt sicher, dass die Stabilität von der Übertragungsfunktion der akustischen Komponenten der Rückkopplungschleife unabhängig aufrechterhalten wird.
Abweichend dazu können die in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele kombiniert werden. Beispielsweise können zweite Schalter 416 die Stromversorung der Verarbeitungseinheit 6 unterbrechen, sobald der Kopfhörer 100 abgenommen wird. Andererseits können die ersten Schalter 414a wie in Fig. 4 den Verstärkungsgrad des Verstärkers 618 verringern, sobald die Ohrmuschel 1 zu eng gegen den Kopf des Benutzers gepresst wird, wobei jedoch der Kopfhörer 100 weiterhin mit Energie versorgt wird.
Der Verstärkungsgrad der Rückkopplungsschleife kann ebenso in Abhängigkeit des Drucks der Ohrmuschel 1 gegen den Kopf des Benutzers verändert werden. Beispielsweise können geeignete Druckwandler, Elemente mit einem sich in Abhängigkeit des Drucks ändernden Widerstand oder andere druckempfindliche Elemente, den Verstärkungsgrad der Kopfhörerschaltung dem Druck entsprechend beeinflussen, der von der Ohrmuschel 1 auf den Kopf des Benutzers einwirkt. Die in den Fig. 5 und 6 gezeigte Ohrmuschel 1 nutzt auf Widerstand basierende Druckwandler und weist ein Gehäuse 700, einen Klanggenerator 22, ein Mikrofon 28, eine Kreisplatte 845, Druckwandler 847 und ein kreisförmiges Schaumstoffkissen 30 auf. Das Gehäuse 700 hält den Klanggenerator 22 koaxial innerhalb einer durch das Gehäuse 700 ausgebildeten Zentralkammer 832. Falls gewünscht, kann das Gehäuse 700 eine quer verlaufende Seitenwandung 700a aufweisen, die an dem äußeren Rand des Gehäuses eingefügt ist (z. B. benachbart zum Schaumstoffkissen 30). In der quer verlaufenden Wandung 700a können mit der Kammer 832 an der Rückseite des Klanggenerators 22 in Verbindung stehende Öffnungen ausgebildet sein, um das Ansprechen der Ohrmuschel 1 auf tiefe Frequenzen zu erhöhen. Die Anordnung der Durchgänge in der Seitenwandung verringert die Anfälligkeit gegenüber einer Blockierung.
Die Kammer 832 ist an der Ohrenseite des Gehäuses 700 geöffnet. Das Mikrofon 28 ist an dem offenen Ende der Kammer 832 befestigt. Die Kreisplatte 845 ist koaxial zum Gehäuse 700 angeordnet und von dem Gehäuse 700 durch eine vorbestimmte Anzahl, beispielsweise drei, von auf Widerstand basierenden Druckwandlern 847 beabstandet, die vorzugsweise mit gleichem Winkelabstand um die Platte 845 herum, beispielsweise mit einem Abstand von 120 Grad, angeordnet sind. Die Wandler 847 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Obwohl in Fig. 5 nur drei gezeigt sind, kann eine beliebige Anzahl von Wandlern verwendet werden. Eine kreisförmige Dichtung 849 bildet eine umfängliche Wandung für die Kammer aus, die durch die Kreisplatte 845 und das Gehäuse 700 begrenzt wird. Das kreisförmige Schaumstoffkissen 30 ist koaxial an der äußeren Oberfläche der Kreisplatte 845 befestigt.
In Fig. 7a ist ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der der Verstärkungsgrad der Verarbeitungseinheit 6 in Abhängigkeit der auf die Ohrmuschel 1 beispielsweise durch den Kopf des Benutzers ausgeübten Kraft eingestellt werden kann. Zweckmäßigerweise wird ein Spannungsteiler durch die Druckwandler 947 ausgebildet, die seriell mit einem Widerstand 950 verbunden sind. Der Ausgang des Spannungsteilers wird durch einen invertierenden Verstärker 951 passen verstärkt, dessen Ausgang an das Gate des FET 621 angelegt wird. Die an dem Spannungsteiler anliegende Spannung ist zu dem auf die Druckwandler 947 ausgeübten Druck proportional. Steigt der auf die Druckwandler 947 ausgeübte Druck an, wird die an dem Gate des FET 621 anliegende Spannung herabgesetzt, wodurch die Leitfähigkeit des FET 621 verringert und der Verstärkungsgrad des Rückkopplungsverstärkers 618 entsprechend reduziert wird.
Abweichend dazu kann der Rückkopplungsverstärker 618 eine Vielzahl von Stufen aufweisen, wobei die Koeffizienten von in den Rückkopplungsverstärker 618 aufgenommenen Filtern bei Druckanstieg variieren können, um die Frequenzreaktion der Schleife des Unterdrückungssystems aufrecht zu erhalten. Die Veränderung der Filterkoeffizienten des Unterdrückungssystems bewahrt die Stabilität des Systems und hält die Bandbreite aufrecht. Somit verändert ein erhöhter Druck der Ohrmuschel 1 auf den Kopf des Benutzers den Verstärkungsgrad und 1 oder die Frequenzreaktion des Unterdrückungssystems zur Vermeidung von Instabilität.
Ein entsprechendes Steuerungssystem für den Verstärkungsgrad in einem Mitkopplungssystem erhöht die Effektivität des Unterdrückungssystems. Wird Druck an der Ohrmuschel 1 nachgewiesen, werden die Koeffizienten der Filter zur Veränderung des Verstärkungsgrades, der Frequenzreaktion und der Phase des mitkoppelnden Unterdrückungssignals eingestellt. Mit einer geeigneten Kalibrierung kann die geeignete Amplitude und Phasenbeziehung des Unterdrückungssignals zu dem ursprünglichen Signal aufrechterhalten werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Verarbeitungseinheit 6 deaktiviert werden, wenn der Druck der Ohrmuschel 1 gegen den Kopf des Benutzers unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt. Wie in Fig. 7b verdeutlicht wird, kann der Ausgang der Spannungsteilerschaltung und des Verstärkers 951 passend an den Eingang einer zweckmäßigen Schwellenwertvergleichsschaltung wie beispielsweise eine Schmitt-trigger- Schaltung 952 gelegt werden. Die Energieversorgung ist mit dem Verstärker 951, dem Schmitt-trigger 952 und dem Spannungsteiler zum Bereitstellen einer kontinuierlichen Leistung ständig verbunden. Der Ausgang der Schmitt-trigger- Schaltung 952 liegt an der Basis eines schaltenden Transistors 953 an, der in Reihe mit der Batterie 517 und der Verarbeitungseinheit 6 verbunden ist. Fällt der Ausgang des bei Druck veränderbaren Spannungsteilers und Verstärkers 951 unter einen unteren Spannungsschwellenwert des Schmitt-Triggers 952, schaltet der Transistor 953 ab, wobei er die Schaltung zur Verbindung der Verarbeitungseinheit 6 mit der Batterie 517 öffnet. Folglich wird das Unterdrückungssystem abgestellt bis der Druck auf die Wandler 947 und damit die an den Schmitt-trigger abgegebene Spannung so weit ansteigt, dass der Ausgang des Schmitt-triggers 952 angeschaltet und die Verarbeitungseinheit 6 und die Batterie 517 wieder miteinander verbunden werden.
Ebenso kann ein weiter Bereich anderer Techniken zur Messung des Drucks der Ohrmuschel 1 gegen den Kopf des Benutzers verwendet werden. Beispielsweise kann ein akustisches Infraschallsignal zur Bestimmung der momentanen akustischen Eigenschaften der Ohrmuschel eingesetzt werden. Gemäß Fig. 8 sind eine klanggenerierende Einheit 22 und ein Mikrofon 28 in einer Ohrmuschel 1 angeordnet. Zwischen dem Mikrofon 28 und der klanggenerierenden Einheit 22 ist eine Rückkopplungsschleife in Form einer Unterdrückungsschaltung 310 ausgebildet. Ein Addierwerk 1065 summiert den Ausgang eines Infraschallfrequenzsignalgenerators 1066 zu dem Ausgang der Unterdrückungsschaltung 310. Die Infraschallanteile des Ausganges der klanggenerierenden Einheit 22 liegen natürlich außerhalb des normalen menschlichen Hörbereichs und sind folglich für eine den Kopfhörer 1 nutzende Person nicht hörbar. Das in der Ohrmuschel 1 erzeugte akustische Infraschallsignal wird jedoch von dem Mikrofon 28 erfasst. Der Pegel des vom Mikrofon 28 nachgewiesenen akustischen Infraschallsignals ist von den akustischen Eigenschaften der Ohrmuschel 1 abhängig, die durch den Druck zwischen der Ohrmuschel 1 und dem Kopf des Benutzers beeinflusst werden.
Das Infraschallsignal kann mit dem von der Unterdrückungsschaltung 310 erzeugten Unterdrückungssignal in einer Mitkopplungsanordnung gemischt werden, so dass das Infraschallsignal unabhängig vom Verstärkungsgrad des Systems auf einem bestimmten Pegel verbleibt. Dieser Pegel kann für das jeweilige Unterdrückungssystem eingestellt werden, so dass die Unterdrückungsschaltung unabhängig von den individuellen Eigenschaften des Klanggenerators 22, des Mikrofons 28 und der anderen Systemkomponenten immer den gleichen Unterdrückungsgrad bereitstellt. Diese Anordnung findet insbesondere Anwendung in Systemen, bei denen der Klanggenerator 22 und das Mikrofon 28 mit anderen austauschbar sind, wie beispielsweise Kopfhörer in Luftfahrzeugen. Abweichend dazu kann das Infraschallsignal mit dem von dem Mikrofon 28 erzeugten Restsignal gemischt werden, so dass die Amplitude des Infraschallsignals durch den Verstärkungsgrad des Systems moduliert wird.
Dadurch wird eine Rückkopplungsschleife ausgebildet, bei der das System den Verstärkungsgrad kontinuierlich einstellt, um das Infraschallsignal auf einem konstanten Pegel zu halten.
Der Ausgang des Mikrofons 28 wird durch ein Tiefpassfilter 1068 zu einer passenden pegelnachweisenden Schaltung 1069 beispielsweise einer gleichrichtenden oder glättenden Schaltung geleitet. Abweichend dazu kann der Filter 1068 ein Bandpassfilter mit einer geeigneten Mittenfrequenz und Qualität sein. Über den Filter 1068 werden Infraschallsignale weitergeleitet, wobei der Verstärkungsgrad und die Frequenzreaktion der Unterdrückungsschaltung 310 gemäß dem Ausgang der pegelnachweisenden Schaltung 1069 eingestellt werden, die in Abhängigkeit des Druckes der Ohrmuschel 1 auf den Kopf des Benutzers variiert. Demgemäß kann die pegelnachweisende Schaltung 1069 den Schalterstromkreis zur Steuerung des Verstärkungsgrads gemäß Fig. 4 ersetzen, wobei der Ausgang der pegelnachweisenden Schaltung verstärkt und mit dem Gate des FET 621 verbunden würde. Dem Schalterstromkreis gemäß Fig. 4 entsprechend verringert der Ausgang der pegelnachweisenden Schaltung 1069 den Verstärkungsgrad des Verstärkers 618, indem der FET 621 eingeschaltet wird, wenn ausreichend Druck auf die Ohrmuschel 1 ausgeübt wird. Abweichend dazu kann der Ausgang der pegelnachweisenden Schaltung 1069 die Frequenzreaktion des Unterdrückungssystems gemäß dem auf die Ohrmuschel 1 ausgeübten Druck verändern. Entsprechend kann der Ausgang des Pegelnachweisgeräts 1069 zur Bestimmung verwendet werden, ob der Kopfhörer 100 vom Kopf des Benutzers abgenommen wurde.

Claims

1. Kopfhörer mit aktivem Rauschunterdrückungssystem enthaltend:

eine Rückkopplungsschleife, die eine Ohrmuschel (400, 700) aufweist, einen in die Ohrmuschel (400, 700) eingebauten Rauschsensor (2ß), eine Verarbeitungseinheit (6, 310) und ein in die Ohrmuschel eingebautes Betätigungselement (22), wobei die Verarbeitungseinheit zum Bereitstellen von Antriebssignalen für das Betätigungselement auf den Rauschsensor anspricht, um eine Rauschunterdrückung innerhalb eines Bereichs zu bewirken,

und Steuerungsmittel (414, 416, 847, 947, 1065, 1066) zur Steuerung der Schleife, um unerwünschte Instabilitäten zu verhindern,

dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel Druckaufnehmermittel (414, 416, 847, 947, 1065, 1066, 1068, 1069) zum Nachweisen des Druckes der Ohrmuschel auf den Kopf des Benutzers aufweisen und die Übertragungsfunktion der Schleife in Abhängigkeit des Ausgangs der Druckaufnehmermittel (414, 416, 847, 947, 1065, 1066, 1068, 1069) steuern, um die unerwünschten Instabilitäten zu verhindern.

2. Kopfhörer gemäß Anspruch 1, wobei die Ohrmuschel erste und zweite Abschnitte (407, 410) aufweist, die relativ zueinander beweglich sind, und die Druckaufnehmermittel über einen Schalter (414) verfügen, der durch die Relativbewegung der ersten und zweiten Abschnitte betätigt wird, wobei die Steuerungsmittel zur Verringerung des Verstärkungsgrades der Schleife einsetzbar sind, wenn der Schalter bei einem ersten Schwellendruck in Folge einer Zunahme des Druckes zwischen der Ohrmuschel und dem Kopf des Benutzers den Zustand ändert.

3. Kopfhörer gemäß Anspruch 2, wobei, wenn Schalter (414) in einem Energieversorgungzweig für die Verarbeitungseinheit (6) angeordnet und geöffnet ist, dieser den Verstärkungsgrad der Schleife durch Unterbrechung der Energieversorgung für die Verarbeitungseinheit (6) auf Null stellt.

4. Kopfhörer gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Ohrmuschel erste und zweite Abschnitte (407, 410) aufweist, die relativ zueinander beweglich sind, und die Druckaufnehmermittel einen zusätzlichen Schalter (416) aufweisen, der durch die Relativbewegung der ersten und zweiten Abschnitte betätigt wird, wobei die Steuerungsmittel zur Verringerung des Verstärkungsgrades der Schleife einsetzbar sind, wenn der zusätzliche Schalter bei einem zweiten Schwellendruck in Folge eines Abfalls des Druckes zwischen der Ohrmuschel und dem Kopf des Benutzers den Zustand ändert, wobei der zweite Schwellendruck geringer als der erste Schwellendruck ist.

5. Kopfhörer gemäß Anspruch 4, wobei, wenn der zusätzliche Schalter (416) in einem Energieversorgungszweig für die Verarbeitungseinheit (6) angeordnet und geöffnet ist, dieser den Verstärkungsgrad der Schleife durch Unterbrechung der Energieversorgung für die Verarbeitungseinheit (6) auf Null stellt.

6. Kopfhörer gemäß Anspruch 1, wobei die Druckaufnehmermittel einen druckempfindlichen Widerstand (847, 947) aufweisen.

7. Kopfhörer gemäß Anspruch 1, wobei die Druckaufnehmermittel einen Infraschallsignalgenerator (1065, 1066) zum Erzeugen eines Infraschallfrequenzsignals und zum Addieren des Infraschallfrequenzsignals zu den Antriebssignalen, so dass das Betätigungselement durch die Antriebssignale und das elektrische Infraschallfrequenzsignal gesteuert ist, Auskoppelmittel (1068, 1069) zum Auskoppeln des vom lnfraschallfrequenzsignal abhängigen Anteils des Ausgangssignals des Mikrofons und sogenannte AGC-Mittel (Mittel zur automatischen Regelung des Verstärkungsgrades) zum Einstellen des Verstärkungsgrades der Schleife unabhängig von der Amplitude des ausgekoppelten infraschallfrequenzabhängigen Signalanteils des Ausgangssignals des Mikrofons aufweisen.

8. Kopfhörer gemäß Anspruch 7, wobei die Auskoppelmittel einen Tiefpassfilter (1068) aufweisen.

9. Kopfhörer gemäß Anspruch 7, wobei die Auskoppelmittel einen Bandpassfilter aufweisen.

10. Kopfhörer gemäß Anspruch 7, wobei die Auskoppelmittel einen Synchrondetektor aufweisen.

11. Kopfhörer gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die AGC- Mittel zur Variation der Verstärkungsgrades der Schleife einsetzbar sind, um so die Amplitude des ausgekoppelten infraschallfrequenzsignals im Wesentlichen konstant zu halten.