DE69505833T2

DE69505833T2 - Mehrrichtungs-hörgerät mit adaptiver bandbreiten-und pegelregelung

Info

Publication number: DE69505833T2
Application number: DE69505833T
Authority: DE
Inventors: David A. Saint Paul Mn 55133-3427 Hotvet
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1995-07-19
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2015-07-20
Also published as: CA2197661C; CA2197661A1; JPH10505475A; WO1996008004A1; DE69505833D1; ES2123279T3; US5550923A; DK0781446T3; EP0781446B1; EP0781446A1

Description

Fachgebiet der Erfindung

Die Offenbarung betrifft elektronische Hörschutzvorrichtungen, die den Benutzer vor übermäßigen oder schädlichen Geräuschpegeln schützen, und betrifft insbesondere das Bedürfnis des Benutzers, eine Unterhaltung oder andere Nachrichtenübertragung in einer lauten Umgebung zu hören und zu verstehen.

Hintergrund

Das menschliche Ohr ist sehr empfindlich gegen Schäden durch hohe Geräuschpegel, einschließlich Schäden, die von hohen Geräuschamplitudenbursts und durch das hohen Geräuschpegeln Ausgesetztsein für längere Zeit verursacht werden. Deshalb wurden vielfältige Vorrichtungen zum Schutz des Ohrs vor übermäßigen Geräuschpegeln entwickelt. Jedoch muß ein Benutzer neben der Notwendigkeit eines Hörschutzes in einer lauten Umgebung oft auch in der Lage sein, gewisse Laute, wie zum Beispiel Unterhaltungen, Alarmsirenen oder andere Nachrichtenübertragungen zu hören und zu verstehen, während er sich in der lauten Umgebung befindet. Eine derartige Situation kann in einer Fabrik oder anderen Umgebungen mit hohen und möglicherweise schädlichen Hintergrundgeräuschpegeln auftreten.
Um sich um diese Situation zu bemühen, haben vielfältige Vorrichtungen, wie zum Beispiel in DE-A-24 60 535, US-A-5 027 410 oder US-A-3 952 158 diskutiert, bei Versuchen, unerwünschte Geräusche zu unterdrücken, während dem Benutzer immer noch ermöglicht werden sollte, gewünschte Geräusche zu hören, Signalverarbeitungsverfahren verwendet. Diese Verfahren umfaßten Tiefpaßfiltern oder eine Kombina tion aus Tief- und Hochpaßfiltern ebenso wie die Dämpfung von Audiosignalen mit großer Amplitude. Jedoch dämpfen diese Verfahren oft Frequenzen, die für die Nachrichtenübertragung, die man hören will, wichtig sind, oder filtern diese aus. Außerdem können Vorrichtungen, die einige Frequenzen der menschlichen Stimme abschneiden oder verwerfen, die Klangqualität verzerren, und die Folge kann akustisch unangenehm sein und das Verständnis stören.

Zusammenfassung

Um die weiter oben beschriebenen Nachteile auf dem Fachgebiet zu überwinden und um andere Probleme zu bewältigen, die beim Lesen und Begreifen der vorliegenden Patentbeschreibung deutlich werden, schützt das Mehrrichtungs-Hörgerät gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in dem beigefügten Anspruch 1 definiert und hier beschrieben, einen Benutzer vor übermäßigen Geräuschpegeln, während es dem Benutzer ermöglicht wird, eine Unterhaltung in einer lauten Umgebung zu hören und zu verstehen.
Das vorliegende Hörgerät umfaßt ein Gehäusesystem, um die Trommelfelle eines Benutzers zumindest teilweise gegen Hintergrundgeräusche zu isolieren, mindestens ein Richtmikrophon, ein Adaptivfilter und einen Lautsprecher. Im Gebrauch wird das Richtmikrophon in die Richtung gerichtet, von der die gewünschten Töne herkommen, wie etwa in Richtung einer Person, mit der sich der Benutzer unterhält. Von dem Richtmikrophon aufgenommene Töne werden von dem Adaptivfilter verarbeitet. Das Adaptivfilter kompensiert sich ändernde Hintergrundgeräuschpegel, indem es die oberen und unteren Grenzfrequenzen des Paßbands adaptiv anpaßt und indem es die Pegelhöhe des Signals adaptiv einstellt. Auf diese Weise wird das Audiosignal auf eine derartige Weise verarbeitet, daß Hören und Verstehen menschlicher Sprache oder anderer Nachrichtenübertragung optimiert werden. Das Gerät schützt den Benutzer auf diese Weise vor schädlichen Geräuschpegeln, während die optimale Klangqualität, ungeachtet des speziel len Hintergrundgeräuschpegels in der Umgebung des Benutzers, erhalten bleibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die verschiedenen Aufgaben, Merkmale und Vorteile des vorliegenden Hörgeräts werden beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich, wobei Fig. 1A eine vereinfachte Darstellung des vorliegenden Hörgeräts zeigt und Fig. 1B ein vereinfachtes Blockschaltbild des vorliegenden Hörgeräts zeigt;
Fig. 2 das bevorzugte Richtmikrophon zeigt;
Fig. 3A und 3B Polardiagramme sind, die die Richtungseigenschaften des vorliegenden Hörgeräts zeigen;
Fig. 4 ein detailliertes Blockschaltbild des Adaptivfilters des Hörgeräts von Fig. 1 ist;
Fig. 5 ein schematisches elektrisches Schaltbild des Adaptivfilters von Fig. 1 ist;
Fig. 6A, 6B und 6C vereinfachte Frequenzgangkurven des vorliegenden Adaptivfilters zeigen;
Fig. 7 das vorliegende Hörgerät zeigt, wobei das Gehäusesystem ohrschützende Ohrenschützer sind;
Fig. 8 das vorliegende Hörgerät zeigt, wobei das Gehäusesystem eine Hörmuschel ist;
Fig. 9 das vorliegende Hörgerät zeigt, wobei das Gehäusesystem eine Haube ist;
Jede der Fig. 10 bis 13 Blockschaltbilder von alternativen Ausführungsformen des vorliegenden Hörgeräts zeigt;
Fig. 14 ein schematisches elektrisches Schaltbild des vorliegenden Hörgeräts ist.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1B zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild des vorliegenden Hörgeräts 100. Das Hörgerät 100 umfaßt ein Gehäusesystem 102, ein Richtmikrophon 104, ein Adaptivfilter 106 und einen Lautsprecher 108. Wie weiter unten detaillierter beschrieben, kann das Gehäusesystem 102 schützende Oh renschützer, eine Hörmuschel, eine Haube oder eine andere Ohrschutzvorrichtung umfassen, die einen Benutzer zumindest teilweise gegen schädliche Geräuschpegel isoliert. Bevorzugt liefert die Gehäuseeinrichtung einen hohen Isolationsgrad, wie etwa z. B. 20 bis 30 dB. Jedoch sollte klar sein, daß für eine gegebene Anwendung jeder Isolationsgrad, ob größer oder kleiner als 20 bis 30 dB passend sein kann.
Das in Fig. 1A gezeigte bevorzugte Hörgerät 100 umfaßt auch mindestens ein Richtmikrophon 104. Die Verwendung eines Richtmikrophons 104 in dem vorliegenden Hörgerät 100 liefert einige Vorteile. Da das Mikrophon 104 gerichtet ist, nimmt es erstens nur Töne auf, die von einem gewissen Bereich um die Richtung herrühren, in die das Mikrophon ausgerichtet ist. Dies beseitigt hervorragend eine Menge der Geräusche, die in der Umgebung des Benutzers vorhanden sein können, da derartige Geräusche oft aus vielen Richtungen gleichzeitig kommen.
Der Ausrichtungsgrad des Richtmikrophons 104 ist vorzugsweise einstellbar, so daß unerwünschte Geräusche auf einen Pegel reduziert werden können, der notwendig ist, um den Benutzer vor schädlichen Geräuschpegeln zu schützen und Geräusche auszufiltern, die die Sprachverständlichkeit hemmen. Idealerweise werden Geräusche durch die Ausrichtung des Mikrophons nur in dem Ausmaß gedämpft, das notwendig ist, um diese Zwecke zu erreichen, wobei auf diese Weise dem Benutzer ermöglicht wird, eine Vielfalt an Geräuschen, wie etwa Alarmrufe oder Töne, die aus verschiedenen Richtungen kommen können, zu hören.
Das Richtmikrophon 104 ist auch bevorzugt durch den Benutzer einstellbar, um zu ermöglichen, daß das Mikrophon in jede Richtung ausgerichtet werden kann. In einer typischen Situation wird das Richtmikrophon in die Richtung gegenüber einem Benutzer in Richtung einer Person, mit der er sich unterhält, ausgerichtet. In einer anderen Situation könnte ein Feuerwehrmann nur Personen direkt von der Hinterseite hören wollen, während von einem Feuer nach vorn erzeugte Geräusche gedämpft werden. In anderen Situationen kann es wünschenswert sein, zwei Richtmikrophone zu verwenden, wobei eines nach vorn und das andere nach hinten ausgerichtet ist. In anderen Situationen kann es für den Benutzer notwendig sein, Stimmen von der Seite eher zu hören als von vorn oder hinten. Die Fähigkeit, die Richtung einzustellen, in die das Mikrophon ausgerichtet ist, ermöglicht es dem Benutzer, das vorliegende Hörgerät an das sich ändernde Wesen derartiger Bedingungen anzupassen.
In einigen anderen Anwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, das Vornehmen von Anpassungen an dem vorliegenden Hörgerät nur durch einen qualifizierten Industriehygieniker zu erlauben, um sich gegen zufällige Verletzungen am Gehör des Trägers abzusichern.
Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Richtmikrophon 104. Das Richtmikrophon 104 hat ein zylindrisches Gehäuse 30, in das ein Richtmikrophon-Tonabnehmer 32 mit Anschlußdrähten 34 montiert ist, durch die der Mikrophon-Tonabnehmer 32 mit dem Adaptivfilter 106 verbunden ist. Auf das Gehäuse 30 ist eine Ummantelung 36 ausziehbar montiert, welche den Ausrichtungsgrad des Mikrophons einstellt durch Ändern des Zwischenraums zwischen der Vorderöffnung 37 und der Hinteröffnung 38. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Fadenlänge (definiert als die Außenentfernung von einem Radius hinter dem Mittelpunkt der Vorderöffnung 37 entlang der Außenoberfläche der Ummantelung 36 und des Gehäuses 30 zu einem Radius hinter dem Mittelpunkt der Hinteröffnung 38) des Richtmikrophons 104 zwischen 32 und 42 mm einstellbar.
Fig. 3A zeigt logarithmisch polare Ansprechempfindlichkeitsmuster, die durch Einstellen der Ummantelung 36 des in Fig. 2 gezeigten bevorzugten Richtmikrophons 104 erzeugt wurden. Kardioidendiagramme 80, 82 und 84 zeigen die Ansprechempfindlichkeit des bevorzugten Richtmikrophons 104, wenn es von niedrigeren zu höheren Ausrichtungsgraden eingestellt wird. Das Kardioiddiagramm 80 zeigt die Ansprechempfindlichkeit des Richtmikrophons 104, wenn es auf den niedrigsten Ausrichtungsgrad eingestellt wird, wobei z. B. die Ummantelung 36 auf die kürzeste Fadenlänge eingestellt ist.
Das Kardioiddiagramm 82 zeigt die Ansprechempfindlichkeit, wenn die Ummantelung 36 derart eingestellt ist, daß sie bei 90º eine größere Zurückweisung erreicht. Dies wird erreicht, indem die Ummantelung 36 von der Position mit der kürzesten Fadenlänge nach außen bewegt wird. Das Kardioiddiagramm 84 zeigt eine Ansprechempfindlichkeit, wenn die Ummantelung auf die längste Fadenlänge eingestellt wird. In diesem Fall ist das Ergebnis eine größere Zurückweisung bei 110º.
Fig. 3B zeigt die logarithmisch polaren Ansprechempfindlichkeitsmuster eines Mikrophonsystems, das zwei Richtmikrophone verwendet, wobei die Mikrophone in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind. Die Kardioiddiagramme 70 und 72 sind Ansprechempfindlichkeitsmuster, die durch jedes der beiden Mikrophone erzeugt werden, wenn sie jeweils in zueinander entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind. Das Muster 90 wird durch Subtrahieren der Signale 70 und 72 der beiden Richtmikrophone voneinander erzeugt. Die Kardioidmuster 70 und 72 stellen dar, was der geringste Ausrichtungsgrad sein kann, auf den eines der beiden Richtmikrophone eingestellt werden kann und noch Lärmschutz gewährt, während das kombinierte Ansprechempfindlichkeitmuster den höchsten Ausrichtungsgrad, der erzielt werden kann, bei 90º darstellt.
Erneut Bezug nehmend auf Fig. 1A umfaßt das Hörgerät 100 ferner bevorzugt ein Adaptivfilter 106 mit Tiefpaß- und Hochpaßfiltern, die unabhängig voneinander gesteuert werden. Bevorzugt werden die Tiefpaßverstärkung und das Abschneiden der Frequenz durch die Amplitude der Hochfrequenzgeräusche gesteuert. Ebenso werden die Hochpaßverstärkung und das Abschneiden der Frequenz durch die Amplitude der Niederfrequenzgeräusche gesteuert. In einer ruhigen Umgebung läßt das Adaptivfilter 106 ein breites Frequenzband durch, so daß übertragene Sprache eine natürliche Klangqualität besitzt. In fortschreitend geräuschvolleren Umgebungen läßt das Adaptivfilter 106 fortschreitend schmälere Frequenzbänder durch, so daß in sehr lauten Umgebungen nur die Frequenzen der menschlichen Stimme, die für die Sprachverständlichkeit oder andere erwünschte Nachrichtenübertragungen unbedingt notwendig sind, durchgelassen werden.
Das Hörgerät 100 umfaßt auch einen Lautsprecher 108, der die verarbeiteten elektrischen Signale von dem Adaptivfilter empfängt und sie in ein hörbares Signal zur letztendlichen Übertragung an den Benutzer verwandelt.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild des Adaptivfilters 106. Das Adaptivfilter führt bevorzugt die folgenden Signalverarbeitungsaufgaben durch: adaptives Einstellen der Filterverstärkung, um sich ändernde Hintergrundgeräuschpegel zu kompensieren, und ansprechend auf sich ändernde Hintergrundgeräuschpegel Steuern der Tief- und Hochpaßgrenzfrequenzen unabhängig voneinander. Das Adaptivfilter 106 glättet von dem Richtmikrophon 104 erzeugte Signale, um einen im wesentlichen glatte Ansprechempfindlichkeit über den Frequenzbereich zu liefern, welcher notwendig ist, um eine natürlich klingende Wiedergabe von akustischen Signalen, wie etwa der menschlichen Stimme, zu liefern. Dies stellt sicher, daß der Frequenzbereich der menschlichen Stimme in einer ruhigen Umgebung ausreichend verstärkt wird und daß Geräusche innerhalb dieses Bereichs in einer lauten Umgebung nicht über die obere Grenze für sicheres Hören verstärkt werden. Bevorzugt glättet das Adaptivfilter 106 Frequenzen zwischen 300 und 3000 Hz.
Um das Glätten von Frequenzen zu bewerkstelligen, umfaßt das Adaptivfilter 106 bevorzugt einen automatischen Verstärkungsregelungs-(AGC-)Begrenzer 110, der den Pegel des vom Richtmikrophon 104 empfangenen Signals elektronisch einstellt, um den Benutzer vor schädlichen Signalpegeln in sehr lauten Umgebungen zu schützen, während für gewünschte Signale, wenn in einer ruhigen Umgebung erforderlich, eine gewisse Verstärkungsgröße geliefert wird. Der Detektor 130 erfaßt den sich ändernden Wechselstrompegel am Ausgang des Leistungsverstärkers 124 und wandelt ihn in einen sich ändernden Gleichstrompegel um, um die Ansprechempfindlichkeit des AGC-Begrenzers 110 zu steuern. Der Benutzer wird auf diese Weise vor schädlichen Geräuschpegeln in sehr lauten Umgebungen geschützt, während in ruhigen Umgebungen ausreichend Verstärkung erhalten bleibt. Außerdem verhindert der Detektor 130 aufgrund des Erfassens der Ausgabe des Leistungsverstärkers 124 die zu starke Komprimierung des ankommenden Audiosignals, die auftreten würde, wenn der Detektor 130 statt dessen die Ausgabe des Hoch- oder Tiefpaßfilters 112 und 114 erfassen würde.
Experimentieren mit dem vorliegenden Hörgerät hat gezeigt, daß die menschliche Stimme in einer ruhigen Umgebung für den Benutzer unnatürlich klingt, wenn ankommende Frequenzen unter 1000 Hz und/oder über 2500 Hz ausgeschlossen werden. Um diesen Effekt zu kompensieren, erfaßt das Adaptivfilter 106 bevorzugt den Umgebungslärm, um den Paßbandbereich zu steuern. Als Folge liefert ein größeres Paßband eine natürliche Klangqualität in einer ruhigen Umgebung, und ein schmaleres Paßband liefert die Doppelfunktion aus Hörschutz und Nachrichtenübertragung in lauten Umgebungen.
Um die adaptive Ansprechempfindlichkeit auf sich ändernde Hintergrundgeräuschpegel zu erreichen, umfaßt das Adaptivfilter 106 ein adaptives Hochpaßfilter 112 und ein adaptives Tiefpaßfilter 114, die zusammen mit verbundenen Vorwärtsregelungsschleifen ein adaptives Bandpaßfilter liefern. Die adaptive Hochpaß-Vorwärtsregelungsschleife umfaßt ein Tiefpaßfilter 132 und eine Grenzfrequenzsteuerung 134, während die adaptive Tiefpaß-Vorwärtsregelungsschleife ein Hochpaßfilter 136 und eine Grenzfrequenzsteuerung 138 umfaßt. Die Ausgabe von dem adaptiven Tiefpaßfilter 114 wird einer vom Benutzer einstellbaren Lautstärkeregelung 120 und einem Leistungsverstärker 124 zugeführt. Das verarbeitete Signal wird dem Benutzer dann über den Lautsprecher 108 akustisch an den Benutzer übermittelt.
Die Grenzfrequenzen sowohl des adaptiven Tief- als auch des Hochpaßfilters 112 und 114 werden unabhängig voneinander und adaptiv gesteuert. Die Grenzfrequenz des adaptiven Hochpaßfilters 112, wie durch die Grenzfrequenzsteuerung 134 bestimmt, wird durch die Amplitude von Niederfrequenztönen gesteuert, die von dem Tiefpaßfilter 132 erfaßt werden. Ebenso wird die Grenzfrequenz des adaptiven Tiefpaßfilters 114, wie durch die Grenzfrequenzsteuerung 138 bestimmt, durch die Amplitude von Hochfrequenztönen gesteuert, die von dem Hochpaßfilter 136 erfaßt werden.
Im Betrieb erfaßt das Tiefpaßfilter 132 die Wechselstromamplitude von niederfrequenten Tönen (in der bevorzugten Ausführungsform z. B. Frequenzen unter 500 Hz). Die Wechselstromamplitude wird dann verwendet, um die Grenzfrequenz des adaptiven Hochpaßfilters 112, wie durch die Grenzfrequenzsteuerung 134 bestimmt, zu steuern. Ebenso erfaßt das Hochpaßfilter 136 die Wechselstromamplitude von hochfrequenten Tönen (in der bevorzugten Ausführungsform z. B. Frequenzen über 2 kHz). Die Wechselstromamplitude wird dann verwendet, um die Grenzfrequenz des adaptiven Tiefpaßfilters 114 zu steuern.
Wenn die Amplitude des ankommenden Signals sehr hoch (d. h. sehr laut) ist, wirken das Tiefpaßfilter 132 und die Grenzfrequenzsteuerung 134 derart, daß die Grenzfrequenz des Hochpaßfilters 112 erhöht wird, wodurch der Bereich des Paßbands auf der Niederfrequenzseite schmaler wird. Wenn die Amplitude des ankommenden Signals nicht so hoch ist, wirken das Tiefpaßfilter 132 und die Grenzfrequnezsteuerung 134 in einer weniger lauten Umgebung derart, daß die Grenzfrequenz des Hochpaßfilters 112 erniedrigt wird, so daß es einem breiteren Frequenzbereich erlaubt wird, hindurchzugehen. Ebenso wirken das Hochpaßfilter 136 und die untere Grenzfrequenzsteuerung 138 derart, daß die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 114 verringert wird, wenn die Eingangssignalpegel hoch sind, und die Grenzfrequenz erhöht wird, wenn die Eingangssignalpegel niedrig sind. Auf diese Weise werden in sehr lauten Umgebungen nur Frequenzen, die für die Sprachverständlichkeit unbedingt notwendig sind, an den Benutzer weitergegeben, während in ruhigeren Umgebungen für eine verbesserte Klangqualität ein breiteres Paßband zugelassen wird.
Fig. 5 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild des in Fig. 1B in Blockschaltbildform gezeigten Adap tivfilters 106. In Fig. 5 weisen der IC1 und zugehörige diskrete Bauelemente den automatischen Verstärkungsregelungs(AGC-)Begrenzer 110 und den Detektor 130 auf, die das Audiosignal vom Richtmikrophon glätten. Die Ausgabe des IC1 wird einem adaptiven Hochpaßfilter IC2 zugeführt, dessen Vorwärtsregelungsschleife das Tiefpaßfilter IC5 und einen abgleichbaren Widerstand VR3 umfaßt, welcher in Verbindung mit C22 die Grenzfrequenzsteuerung 134 bildet. Die Ausgabe des adaptiven Hochpaßfilters IC2 wird in das adaptive Tiefpaßfilter IC3 eingespeist, dessen Vorwärtsregelungsschleife das Hochpaßfilter IC3 und den abgleichbaren Widerstand VR4 umfaßt, welcher in Verbindung mit C25 die Grenzfrequenzsteuerung 138 bildet. Der Ausgang des adaptiven Tiefpaßfilters IC6 ist über eine vom Benutzer einstellbare Lautstärkeregelung VR2 mit dem Leistungsverstärker IC4 verbunden. Der Leistungsverstärker IC4 und zugehörige diskrete Bauelemente liefern einen flachen Frequenzgang über den gewünschten Frequenzbereich.
Fig. 6A-6C zeigen beispielhafte Frequenzgangkurven des in Fig. 4 und 5 gezeigten Adaptivfilters. Fig. 6A zeigt eine Frequenzgangkurve des vorliegenden Adaptivfilters in einer ruhigen Umgebung. Die Frequenzgangkurve von Fig. 6A wird erzeugt durch Kombinieren des Frequenzgangs von dem adaptiven Hochpaßfilter und dem adaptiven Tiefpaßfilter, um ein Bandpaßfilter zu erzeugen. Das adaptive Hochpaßfilter läßt ein Band mit hohen Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz B durch und schwächt Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz beträchtlich. Die Neigung oder der Flankenabfall des adaptiven Hochpaßfilters ist bevorzugt mindestens 20 dB pro Dekade. Ebenso läßt das adaptive Tiefpaßfilter im wesentlichen ein Band mit Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz C durch und dämpft diejenigen oberhalb der Grenzfrequenz. Die Neigung oder der Flankenabfall des Tiefpaßfilters ist bevorzugt mindestens 20 dB pro Dekade. Die Verstärkung I des Adaptivfilters wird auf der vertikalen Achse angezeigt.
Ansprechend auf fortlaufend höhere Geräuschpegel stellt das vorliegende Hörgerät, abhängig vom Geräusch, ad aptiv die Verstärkung des Adaptivfilters und entweder die untere Grenzfrequenz, die obere Grenzfrequenz oder beide ein, um ein fortlaufend schmaleres Paßband zu erzeugen. Die Neigung der Frequenzgangkurve kann sowohl für das Tief- als auch für das Hochpaßfilter eingestellt werden. Dieses adaptive Filtern erreicht die Doppelfunktion, daß dem Benutzer in lauten Umgebungen ausreichend Hörschutz gewährt wird, während Frequenzen, die für Sprachverständlichkeit oder andere gewünschte Nachrichtenübertragung wichtig sind, durchgelassen werden. Fig. 6B zeigt eine Frequenzgangkurve des vorliegenden Adaptivfilters in einer Umgebung mit mehr hoch- und niederfrequenten Geräuschen als bei Fig. 6A. In Fig. 6B wurde die Hochpaß-Grenzfrequenz von B in Fig. 6A auf F in Fig. 6B erhöht, während die Tiefpaß-Grenzfrequenz von C in Fig. 6A auf G in Fig. 6B erniedrigt wurde. Außerdem wurde die Verstärkung des Adaptivfilters von I in Fig. 6A auf J in Fig. 6B erniedrigt, um das größere (lautere) Amplitudensignal weiter zu komprimieren.
In Umgebungen mit niederfrequenten Geräuschen mit großer Amplitude, aber ohne Hochfrequenzgeräusche oder umgekehrt würde nur die jeweilige untere oder obere Grenzfrequenz angepaßt, wodurch das breitest mögliche Paßband erhalten bliebe und die in dieser bestimmten Umgebung erhältliche optimale Klangqualität geliefert würde.
Der Grenzfall ist in Fig. 6C gezeigt. Dort wurde das Paßband verkleinert, um nur noch den Durchgang einer einzigen Frequenz K zu erlauben. Dieser Grenzfall kann verwendet werden, wo die Umgebung des Benutzers so laut ist, daß Sprachunterhaltung unmöglich sein kann, aber wo es für den Benutzer notwendig ist, zumindest in der Lage zu sein, andere Formen der Nachrichtenübertragung, wie etwa Warnalarme oder Sirenen, zu hören. In diesem Fall könnte die einzige Frequenz K festgelegt werden, um zu der der Warnsirene oder Glocke zu passen, um es auf diese Weise dem Benutzer zu ermöglichen, diese wichtige und möglicherweise lebensrettende Nachrichtenübermittlung zu hören, während ihm immer noch der Schutz vor dem Lärm in der Umgebung gewährt wird. Diese ein zige Frequenz kann wegen besonderer Gefahr auf die obere Grenze für sicheres Hören verstärkt werden.
In der bevorzugten Ausführungsform erlaubt die Hochpaß-Grenzfrequenzsteuerung VR3, die Grenzfrequenz des adaptiven Hochpaßfilters innerhalb des Frequenzbereichs von 300 bis 1000 Hz einzustellen. Ebenso erlaubt die Tiefpaß-Grenzfrequenzsteuerung VR4, die Tiefpaß-Grenzfrequenz im Frequenzbereich von 10 bis 3 kHz einzustellen.
In der bevorzugten Ausführungsform begrenzen der AGC IC1 und die Kompressionsschwelle VR5 und zugehörige diskrete Bauelemente die akustische Ausgabe des Hörgeräts auf einen Pegel, der 85 dB nicht überschreitet.
Wie weiter oben unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben, kann das Gehäusesystem 102 des vorliegenden Hörgeräts jede von mehreren Formen annehmen. Fig. 7 bis 9 zeigen beispielhafte Ausführungsformen des Gehäusesystems 102. Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform des vorliegenden Hörgeräts 100, in dem das Gehäusesystem ohrschützende Ohrenschützer 200 umfaßt. Die Ohrenschützer 200 umfassen ein Paar von Hörmuscheln 202, die jeweils mit einer Ohrdichtung 204, einem Richtmikrophon 104, einer Stromquelle 206, einem Adaptivfilter 106 und einem Lautsprecher 108 ausgerüstet sind.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform des vorliegenden Hörgeräts, in der das Gehäusesystem 102 aus einer ohrschützenden Hörmuschel 220 gebildet ist, die auf eine ähnliche Weise aufgebaut ist wie die in Fig. 1 von US-A-4 969 534 (Kolpe et al.) gezeigte im Ohr getragene Hörhilfe. Die Hörmuschel 220 hat ein geformtes Kunststoffgehäuse 222, von dem ein Schraubgewinde 224 vorsteht. Ein für den Benutzer greifbarer Überzug 226 besteht aus sich mit Verzögerung entspannendem Schaum 228, der auf einen flexiblen länglichen Kunststoffgang 230 montiert ist. Wenn der Überzug 226 auf das Schraubgewinde 224 geschraubt wird, kommt der Schaum 228, wie gezeigt, gegen das Gehäuse 222 zur Ruhe. Innerhalb des Gehäuses 222 montiert sind der Lautsprecher 108, das Adaptivfilter 106 und eine Stromquelle 232. Ein Richtmikrophon 104 ist durch ein Universalgelenk 234, das es einem Benutzer ermöglicht, die Richtung einzustellen, in die das Mikrophon ausgerichtet ist, auf die äußere Oberfläche des Gehäuses montiert.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform des vorliegenden Hörgeräts, in der das Gehäusesystem aus einer Haube 240 gebildet wird. Auf das Äußere der Haube ist ein Richtmikrophon 104 montiert, und innerhalb der Haube benachbart zu jedem Ohr des Trägers sind Adaptivfilter 106 und ein Lautsprecher 108 (nicht gezeigt) montiert, von denen jeder auf die hier beschriebene Weise mit dem Mikrophon 104 verbunden ist.
Das bisher beschriebene vorliegende Hörgerät, wie insbesondere in Fig. 4 und 5 gezeigt, kann eine Anzahl von Formen annehmen. Fig. 10 bis 13 zeigen alternative Ausführungsformen des Adaptivfilters des vorliegenden Hörgeräts. Es soll jedoch klar sein, daß andere Aufbauänderungen auch vorgenommen werden könnten, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. In der Schaltung von Fig. 10 umfaßt das Adaptivfilter 205 ein adaptives Hochpaßfilter 208 und ein adaptives Tiefpaßfilter 210, die zusammen mit verbundenen Rückkopplungsschleifen ein adaptives Bandpaßfilter liefern. Die Rückkopplungssteuerung des adaptiven Hochpaßfilters 208 besteht aus einem Tiefpaßfilter 209 und der Grenzfrequenzsteuerung 207, und die Rückkopplungssteuerung des adaptiven Tiefpaßfilters 210 wird von einem Hochpaßfilter 216 und einer Grenzfreguenzsteuerung 214 geliefert. Die Ausgabe des adaptiven Bandpaßfilters wird einem AGC-Begrenzer 212 zugeführt, der vom Detektor 218 gesteuert wird, welcher mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers 221 verbunden ist.
Die Schaltung von Fig. 11 zeigt den adaptiven Hochpaßfilterteil der Schaltung von Fig. 4. Es soll klar sein, daß der adaptive Tiefpaßteil der Schaltung von Fig. 4 auch allein verwendet werden könnte. In Fig. 11 umfaßt das Adaptivfilter 231 den vom Detektor 242 gesteuerten AGC-Begrenzer 233 und das adaptive Hochpaßfilter 236, das von der Vorwärtsregelungsschleife gesteuert wird, die das Tiefpaßfilter 244 und die Grenzfrequenzsteuerung 246 umfaßt.
Bezug nehmend auf Fig. 12 umfaßt das Adaptivfilter 252 ein adaptives Hochpaßfilter 254 und ein adaptives Tiefpaßfilter 256, die zusammen mit verbundenen Vorwärtsregelungsschleifen ein adaptives Bandpaßfilter liefern. Die Vorwärtsregelungsschleife, die das adaptive Hochpaßfilter 254 steuert, umfaßt ein Tiefpaßfilter 266 und eine Grenzfrequenzsteuerung 264. Die Vorwärtsregelungsschleife, die das adaptive Tiefpaßfilter 256 steuert, umfaßt ein Hochpaßfilter 268 und eine Grenzfrequenzsteuerung 270. Die Ausgabe des adaptiven Paßbandfilters wird dem AGC-Begrenzer 258, einer durch den Benutzer einstellbaren Lautstärkeregelung 260 und einem Leistungsverstärker 262 zugeführt. Der AGC-Begrenzer 258 wird durch den Detektor 273 gesteuert, der die Ausgabe des Leistungsverstärkers 262 erfaßt.
In der Schaltung von Fig. 13 umfaßt das Adaptivfilter 272 ein adaptives Hochpaßfilter 274 und ein adaptives Tiefpaßfilter 276, die zusammen mit einer verbundenen Rückkopplungsschleife ein adaptives Bandpaßfilter liefern. Die Rückkopplungssteuerung des adaptiven Hochpaßfilters 274 und des adaptiven Tiefpaßfilters 276 basiert auf dem Signalpegel am Ausgang des Tiefpaßfilters 276, die Rückkopplungsschleife umfaßt den Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 284. Die Ausgabe des adaptiven Bandpaßfilters wird in einen AGC-Begrenzer 278, eine einstellbare Lautstärkeregelung 280 und einen Leistungsverstärker 282 eingespeist. Der AGC-Begrenzer 278 wird durch den Detektor 286 gesteuert, der die Ausgabe des Leistungsverstärkers 282 erfaßt.
Fig. 14 zeigt ein detailliertes schematisches elektronisches Schaltbild des in Fig. 11 gezeigten Hörgeräts. Neben den weiter oben unter Bezug auf Fig. 5 beschriebenen Schaltungsbestandteilen umfaßt die Schaltung von Fig. 14 auch eine adaptive Komprimierschaltung, die die Kondensatoren C20, C21, C22 und den Widerstand R12 umfaßt. Die adaptive Komprimierschaltung ermöglicht es dem vorliegenden Hörgerät, sich nicht nur an sich verändernde Geräuschamplituden, sondern auch an andere Eigenschaften des Hintergrundgeräusches in der Umgebung des Benutzers anzupassen. Die adap tive Komprimierschaltung paßt sich an diese anderen Umwelteigenschaften an, um die Antwortzeit des AGC-Begrenzers U3 zu steuern. Die Antwortzeit des AGC-Begrenzers U3 wird als die Zeitspanne definiert, die für die Ausgabe des AGC notwendig ist, um auf den Eingang zu reagieren. In gewissen Umgebungen ist es wünschenswert, daß der Ausgang dem Eingang sehr dicht folgt. Unter anderen Bedingungen ist es jedoch wünschenswert, daß der Ausgang dem Eingang folgend um eine gesteuerte Zeitspanne verzögert ist, um einen "Pump-" Effekt zu vermeiden.
Vier Sätze von Zeitkonstanten steuern die Antwortzeit des AGC-Begrenzers U3. Der erste Anstieg ist durch C21 und die Ausgangsimpedanz des Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers in U3, der zweite Anstieg ist durch R12/C22. Der erste Abfall ist durch C21/R12, und der zweite Abfall ist durch C22 und C21 und die Eingangsimpedanz des AGC-Begrenzer- Steuerungseingangs in U3. Bevorzugte Zeitkonstanten sind:
1. Anstieg < 1 ms
1. Abfall 10 ms
2. Anstieg 50 ms
2. Abfall > 1 s
Die kurzen Zeitkonstanten steuern für den Fall von einzelnen isolierten Lärmbursts. In diesem Fall begrenzt der AGC ansprechend auf den lauten Burst schnell die auf das ankommende Signal angewendete Verstärkung. Außerdem verhindert der kurze Abfall, daß der AGC das ankommende Signal im gleichen Ausmaß begrenzt, nachdem der Lärmburst vollständig ist. Unter diesen Bedingungen steuern die kurzen Zeitkonstanten die Antwortzeit des AGC, so daß der Ausgang dem Eingang dicht folgt, wodurch die Überkomprimierung des auf den Burst folgenden ankommenden Signals verhindert wird.
Die langen Zeitkonstanten werden in einer Umgebung wirksam, wo Geräusche konstanter sind oder die Lärmbursts sehr häufig sind. Ein Druckerpressenraum ist ein Beispiel für eine derartige Umgebung. In dieser Umgebung verringern die langen Zeitkonstanten die gesamte Ausgabe des AGC-Begrenzers. Die zwei Sätze von Zeitkonstanten wirken zusammen, um sicherzustellen, daß das ankommende Signal passend begrenzt wird, während ein unerwünschter "Pump-" Effekt vermieden wird.
Es soll klar sein, daß die hier unter Bezug auf Fig. 14 beschriebene adaptive Kompression auch mit jedem der vorher beschriebenen und unter Bezug auf Fig. 1B, 4, 5 und 10 bis 13 gezeigten und beschriebenen Blockschaltbilder und Schemazeichnungen verwendet werden könnte, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Ein Prototyp des Hörschutzes von Fig. 14 wurde geprüft und mit einigen im Handel erhältlichen Gehörschützern verglichen. Das Mikrophon wurde auf eine Fadenlänge von 32 mm eingestellt. Die Schaltung wurde unter Verwendung der folgenden Bestandteile aufgebaut:
U3 Gennum Corp. LD502
U4 Gennum Corp. LF581
US Motorola Corp. MC34119
U6 Gennum Corp. LC801
Mikrophon Panasonic Corp. WM55A103
Lautsprecher Mouser Corp. 25SP107
Zwei Prüfverfahren für das vorliegende Hörgerät wurden untersucht. Bei der ersten Prüfmethode wurde die Schaltung von Fig. 13 verwendet. In der zweiten Prüfausführungsform wurde die Schaltung von Fig. 13 mit dem Schalter JP2 in der geöffneten Stellung betrieben, um das adaptive Hochpaßfilter zu deaktivieren.
Die erste und zweite Prüfmethode wurden im Vergleich zu den folgenden Ohrenschützern geprüft, die auf dem offenen Markt erworben worden waren:
Die "Bilsom"-Einheiten waren erhältlich von der Bilsom International, Inc., 1100 Sunrise Vally Drive, Reston, VA 22091. Die "Elvex"-Einheit war erhältlich von der Elvex Corp., 18 Taylor Avenue, Bethel, CT 06801. Die "Peltor"-Einheit war erhältlich von Peltor AB, Varnamo, Schweden. Die Konstruktionsqualität jedes der vergleichbaren Ohrenschützer war mindestens gleichwertig zu der jedes der Prototypen.
Bei vier freiwilligen Versuchspersonen wurde festgestellt, daß sie ein normales Gehör bei 500, 1000, 2000 und 4000 Hz hatten, abgesehen davon, daß das Gehör von einer bei 500 und 1000 Hz in einem Ohr etwas mangelhaft war. Jede Versuchsperson wurde in einen Schallschutzraum gesetzt, der ruhig war, abgesehen davon, wenn eine von zwei Arten aufgezeichnetem Geräusch mit einem konstanten Pegel (90 dB Schalldruckpegel) von einer Quelle 90 Grad auf der linken Seite der Versuchsperson präsentiert wurde, nämlich 1) von einem Preßlufthammer und 2) von rosa Rauschen, das durch Filtern von weißem Rauschen mit einem Einpol-Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von 14,5 Hz erzeugt wurde.
Vorher aufgezeichnete von einer männlichen Stimme gesprochene Sätze wurden von einer Quelle präsentiert, die direkt vor der Versuchsperson angeordnet war.
Der Signal-Geräusch-Abstandspegel der Sprache wurde derart eingestellt, daß er in lauten Umgebungen, in denen ein Hörschutz bereitgestellt werden sollte, verständlich war. Jede Versuchsperson wurde angewiesen, ihren Kopf zu drehen, um die Pegelregelung der Ohrenschützer einzustellen, bis eine optimale Hörbedingung erreicht wurde. Bei einem konstanten Geräuschpegel wurde der Sprachpegel vermindert, bis die Versuchsperson Unverständlichkeit anzeigte, und die Verminderung des Signal-Geräusch-Abstands für jede Ohrenschützerart bei diesem Schwellwert wurde protokolliert. Dies wurde für die beiden Geräuscharten durchgeführt, wobei jede Versuchsperson für jede Bedingung zweimal geprüft wurde. Durch die Prüfung hindurch war der Versuchsperson die Iden tität der Ohrenschützer nicht bewußt. Gemittelte normierte Ergebnisse sind in Tabelle I angegeben. Tabelle I (Schwellenwert der Verständlichkeit)
Die in Tabelle I protokollierten Prüfungen zeigen, daß die Prototyp-Ohrenschützer den Benutzer sowohl in rosa Rausch- als auch in Preßlufthammer-Umgebungen in die Lage versetzten, aufgezeichnete Sprache bei niedrigeren Signal- Geräusch-Abständen zu verstehen, als mit den im Handel erhältlichen Ohrenschützern.
Jede Versuchsperson bewertete als nächstes die Sprachqualität auf einer Skala von 1 bis 10 (1 = schlechteste Sprachqualität) unter jeder Geräuschbedingung für jeden der geprüften Ohrenschützer. Jedoch wurde der Geräuschpegel, bei dem jeder Ohrenschützer geprüft wurde, auf die Verständlichkeitsschwelle für diesen Ohrenschützer eingestellt. Auf diese Weise war der Signal-Geräusch-Abstand der ersten und zweiten Testmethode der vorliegenden Erfindung viel niedriger als der für die anderen geprüften Ohrenschützer. Die Versuchsperson prüfte auch die Sprachqualität in einer ruhigen Umgebung. Mittlere normierte Prüfungsergebnisse sind in Tabelle II protokolliert. Tabelle II
Die in Tabelle II protokollierten Prüfungen zeigen, daß die Prototyp-Ohrenschützer jeder der ersten und zweiten Prüfungs-Ausführungsformen dem Benutzer eine Klangqualität lieferten, die im wesentlichen gleichwertig oder besser als der anderen geprüften Ohrenschützer war, obwohl die Klangqualitäten in den lauten Umgebungen mit niedrigeren Signal-Geräusch-Abständen beurteilt wurden als beim Beurteilen der anderen Ohrenschützer.
Wie für Fachleute verständlich ist, können in dem vorliegenden Hörgerät vielfältige Kombinationen von Mikrophonen, Hoch- und Tiefpaßfilterungen und Signalverarbeitungen verwendet werden, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, zu verlassen.

Claims

1. Vorrichtung zum Schutz der Ohren eines Benutzers vor übermäßigen Geräuschpegeln, während dem Benutzer ermöglicht wird, gewünschte Laute in einer lauten Umgebung zu hören, die aufweist:

Gehäuseeinrichtungen (102, 220, 240) zum Isolieren der Ohren des Benutzers gegen Umgebungsgeräusche;

mindestens ein Richtmikrophon (104) zum Empfangen von Audiosignalen von der Umgebung außerhalb der Gehäuseeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein adaptives Bandpaßfilter (106, 205, 231, 252, 272) aufweist, das geschaltet ist, um die Audiosignale zu empfangen und geeignet ist, innerhalb der Gehäuseeinrichtung ein verarbeitetes Audiosignal auszugeben, wobei das adaptive Bandpaßfilter aufweist:

eine Einrichtung (132, 136, 209, 216, 244, 268) zum Erfassen des Umgebungslärms durch Auswerten der empfangenen Audiosignale und daraus Erzeugen eines entsprechenden Steuersignals;

ein adaptives Hochpaßfilter (112, 208, 236, 254, 274);

ein adaptives Tiefpaßfilter (114, 210, 256, 276);

eine Einrichtung (134, 138, 207, 214, 246, 264, 270), die auf das Steuersignal anspricht, um das Paßband des adaptiven Hochpaßfilters automatisch einzustellen und das Paßband des adaptiven Tiefpaßfilters automatisch einzustellen, so daß das verarbeitete Audiosignal in fortschreitend lauteren Umgebungen fortschreitend schmalere Frequenzbänder aufweist; und

eine adaptive Komprimierschaltung (C20, C21, C22, R12), die aufweist:

eine erste Zeitkonstanteneinrichtung zum Steuern der Antwortzeit einer automatischen Verstärkungssteuerungsschaltung (110, 212, 233, 258, 278) ansprechend auf isolierte Lärmbursts;

und eine zweite Zeitkonstanteneinrichtung zum Steuern der Antwortzeit der automatischen Verstärkungssteuerungsschaltung ansprechend auf wiederholte Lärmbursts.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Erfassen von Lärm ferner eine Einrichtung (139, 209, 244, 266) zum Erfassen der Amplitude von niederfrequenten Geräuschen und daraus Erzeugen eines ersten Steuersignals aufweist und wobei die Einrichtung zum Erfassen des Lärms ferner eine erste Grenzfrequenz-Steuerungseinrichtung (134, 207, 246, 264) zum Steuern der Grenzfrequenz des Hochpaßfilters unter der Steuerung des ersten Steuersignals aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Erfassen des Lärms ferner eine Einrichtung (136, 216, 268) zum Erfassen der Amplitude von hochfrequenten Geräuschen und daraus Erzeugen eines zweiten Steuersignals aufweist und wobei die Einrichtung zum Erfassen des Lärms ferner eine zweite Grenzfrequenz-Steuerungseinrichtung (138, 214, 270) zum Steuern der Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters unter der Steuerung des zweiten Steuersignals aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer Detektoreinrichtung (130, 242, 218, 273, 286), die geschaltet ist, um die verarbeiteten Signale zu empfangen, um die durch die automatische Verstärkungssteuerungsschaltung gelieferte Verstärkung zu steuern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gehäuseeinrichtung eine Haube, Ohrenschützer oder eine Hörmuschel aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die automatische Verstärkungssteuerungsschaltung geschaltet ist, um die Audiosignale zu empfangen, und geschaltet ist, um den Ein gangssignalpegel für das adaptive Hochpaßfilter und das adaptive Tiefpaßfilter zu steuern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die automatische Verstärkungssteuerungsschaltung ferner das Audiosignal über einen Frequenzbereich glättet, der der menschlichen Stimme entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer einstellbaren Lautstärkeregelung (120).

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer Einrichtung (36) zum Einstellen des Ausrichtungsgrads des Mikrophons.