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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges künstliches Ohr und eine neuartiges
Ohrkanalsystem sowie Mittel zum Herstellen derselben.
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Die
Erfindung ist insbesondere anwendbar im Bereich binauraler, dreidimensionaler
Tonaufzeichnung und damit zusammenhängenden Techniken sowie in
den Bereichen Geräuschmessung
und Entwicklung von Hörprothesen.
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Kunstkopf-Aufzeichnungssysteme
sind bereits gut bekannt (vgl. zum Beispiel US-Patent 1,855,149).
Ein typisches Kunstkopfsystem umfasst ein Paar Mikrophone, die an
den Seiten einer Kunstkopfanordnung angebracht sind, wo der Ohrkanal wäre, eingesetzt
in ein Paar künstlicher
Ohrmuscheln (die sichtbaren Ohrmuscheln). Eine mit einem Kunstkopf
gemachte Aufzeichnung beinhaltet viele der „Merkmale" dreidimensionaler Klänge, welche
von unserem Gehirn dazu benutzt werden, die Positionen von Schallquellen
im dreidimensionalen Raum zu interpretieren, und daher bieten derartige
Aufzeichnungen recht dramatische 3D-Effekte, wenn sie über Kopfhörer abgehört werden.
Kürzlich
ist es möglich geworden,
akustische Messungen an Kunstköpfen durchzuführen (die
Messung von kopfbezogenen Transferfunktionen Head-Response Transfer
Functions – HRTFs)
und die Effekte des Kopfes und der Ohren elektronisch mittels digitaler
Signalverarbeitung zu synthetisieren. Obwohl allerdings diese Effekte
zunächst
als recht dramatisch empfunden werden, insbesondere, wenn man sie
zum ersten Mal hört,
so werden verschiedene gravierende Nachteile an derzeitigen Kunstköpfen ersichtlich,
wenn sie strenger getestet werden.
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Die
beiden hauptsächlichen
Nachteile sind (a) schwache „Höhen"-Effekte und (b) schlechte Unterscheidung
vorne-hinten. In Bezug auf (a) bezogen bedeutet dies zum Beispiel,
dass, wenn eine Schallquelle aufgenommen wird, die sich über den
Kopf hinweg bewegt (zum Beispiel von einer Position nahe dem linken
Ohr über
den Kopf zu einer Position nahe dem rechten Ohr), es so klingt,
als bewege sich die Klangquelle direkt durch den Kopf anstatt über ihn hinweg.
Bezogen auf (b) würde
man eine Klangquelle aufnehmen, die sich in der Horizontalebene
um den Kunstkopf kreisförmig
mit einem konstanten Abstand (zum Beispiel 1 Meter) herum bewegt,
so würde
es so klingen, als bewege sich die aufgezeichnete Klangquelle vor
und zurück
in Bögen
vom linken Ohr zum rechten, immer vor dem Hörer und niemals dahinter. Diese
räumlichen
Fehler werden für
Aufzeichnungszwecke häufig übersehen
oder ignoriert, wo die meisten Klangquellen im wirklichen Leben
vor dem Kunstkopf/Hörer
liegen und nicht in diesen extremeren Positionen. Nichts desto trotz
verhindert die schlechte räumliche
Genauigkeit der gegenwärtig verfügbaren Kunstköpfe die
Synthese eines adäquaten
360°-Klangfeldes, wie
es für
Anwendungen wie Computerspiele, immersive Virtuality, Simulatoren und
dergl. erforderlich ist.
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Vielen
Forschern war es ein Rätsel,
warum ihre Kunstkopfsysteme auf die oben genannten Weisen unzulänglich arbeiten.
Einige sind dazu übergegangen,
Messungen an echten Kopf-Ohr-Systemen durchzuführen, indem Miniatur-Mikrophone
in die Ohrmuscheln oder Ohrkanäle
von freiwilligen Testpersonen eingebettet wurden. Andere haben ihre
eigenen Kunstkopfsysteme gebaut, wobei sie die Produkte kommerzieller
Anbieter zu verbessern suchten, und haben in einigen Fällen Abdrücke von
den Ohren Freiwilliger zur Replizierung und Benutzung abgenommen.
In einem extremen Beispiel US-Patent 4,680,856 (Zuccarelli), wurde
versucht, die gesamte Anatomie des Schädels einschließlich der
Knochen, zweifach gedrehten ovalen Ohrkanäle, Eustachschen Röhren, Zähne und
Haut zu replizieren oder zu simulieren, um die Realität so genau
wie möglich
zu kopieren. Zuccarelli erklärte
sogar, dass eine Perücke
erforderlich sei, um eine gute Unterscheidung vorne-hinten zu ermöglichen!
Dieser letztgenannte Ansatz ist ersichtlich absolut ungeeignet für ein industriell
hergestelltes Produkt aufgrund der Kosten und betrieblichen Faktoren
(Gewicht, Volumen uns Aussehen). Außerdem erlaubt dieser Ansatz
nicht die Erzeugung eines Systems mit adäquater Links-Rechts-Erkennung,
weil sehr geringe L-R-Unterschiede, die während der Fertigung entstehen,
in der Größe, der
Form oder der Position irgendeiner der akustischen Hohlräume in der
Struktur signifikante Unterschiede in den Gesamteigenschaften und HRTFs
erzeugen.
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Es
ist überliefert,
dass die erste Demonstration eines Stereophonie-Effekts in den 1890er Jahren in Paris
stattgefunden hat, wobei eine Mehrzahl von Mikrophonen, die in einer
Anordnung an der Vorderseite einer Bühne angeordnet waren, jeweils
mit einzelnen Ohrhörern
in einem Nachbarraum verbunden waren und die Hörer feststellen konnten, dass
die Verwendung von benachbarten Paaren von Ohrhörern (und damit Mikrophonen)
eine sehr realistische Klangwiedergabe mit einem räumlichen
Eindruck ergaben. Die erste ausdrückliche Erwähnung eines Klangwiedergabeverfahrens
vom Kunstkopf-Typ findet sich in der US-A-1,855,149 aus dem Jahre
1927, wobei es der Zweck war, Schall so aufzuzeichnen, dass die
natürlichen
kopfbezogenen Unterschiede in der Eintreffenszeit und Amplitude
zwischen L- und R-Signalen
akustisch in die Klänge
Eingang fanden und die Wiedergabe dann mittels entweder Kopfhörer-Wiedergabeeinrichtungen
oder direkt zur Linken und Rechten des Hörers in gleichen Abständen platzierte
Lautsprecher erreicht wurde, so dass „die virtuellen Herkunftsorte
der Klänge
sicher wiedergegeben wurden".
Die GB-A-394325, 1931 durch Blumlein angemeldet, betrifft herkömmliche,
heutige Stereophonie, bei der die Verwendung von zwei oder mehr
Mikrophonen und entsprechenden Elementen in der Übertra gungsschaltung dazu benutzt
wurden, eine richtungsabhängige
Lautstärke
der Lautsprecher zu erreichen, gemeinsam mit Mitteln zum Schneiden von
Platten und damit Aufzeichnen der Signale. Erst in den 50er Jahren
kam es zur kommerziellen Verwertung von stereophoner Klangaufzeichnung
und -wiedergabe. Gegenwärtig
sind die folgenden Formen von Stereophonie am weitesten verbreitet.
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Derzeit
ist die herkömmliche
Stereophonie weitgehend die amplitudenbasierte Stereophonie nach
Blumlein, wobei eine Anzahl von einzelnen, monophonen Aufzeichnungen
effektiv räumlich
auf einer Klangbühne
zwischen den Lautsprechern des Hörers mittels
ihrer L-R-Lautstärkedifferenzen „platziert" werden. Dies wird
durch Einstellen des Panorama-Reglers erreicht. Es ist möglich, künstlichen
Hall und andere Effekte hinzuzufügen,
um die räumlichen Aspekte
(Raumakustik, Abstand) dieser Aufzeichnungen zu verbessern.
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Bei
Live-Aufzeichnungen ist es üblich,
Stereomikrophonpaare zu verwenden, derart, dass sie entweder (a)
koinzident oder (b) voneinander beabstandet sind, um ungefähr eine
Kopfbreite oder ähnlich.
Das letztgenannte Verfahren erreicht teilweise eine Wiedergabe des
natürlichen
akustischen Bildes einer Darbietung, jedoch gab es seit den 50ger
Jahren mehrere abwechselnde Perioden, wo mit dem Einsatz des Kunstkopf-Aufzeichnungsverfahrens
zur Erstellung von binauralen Signalen zur Verbesserung der Qualität des Stereobildes
experimentiert wurde.
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Historisch
wurde in den 1950er Jahren der Begriff stereophon geprägt, und
zwar mit Bezug auf Tonwiedergabe über zwei oder mehr Übertragungskanäle. In den
70er Jahren stieg das Interesse an Aufzeichnungen mittels Kunstkopfmikrophon-Techniken,
und es entstand der Begriff „binaural" ausschließlich für mit derartigen
Mitteln gemachte Aufzeichnungen. Später wurde der Begriff „binaural" auch für elektronische Äquivalente
verwendet, bei denen die Wirkungen der akustischen Verarbeitung des
menschlichen Kopfes und des äußeren Ohres synthetisiert
werden.
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Kunstkopf-
(binaurale) Aufzeichnungssysteme umfassen einen künstlichen,
lebensgroßen
Kopf, sowie manchmal auch Torso, bei welchem ein Paar qualitativ
hochwertiger Mikrophone in den Positionen der Ohrkanäle eingebaut
sind. Die Teile des äußeren Ohrs
sind entsprechend durchschnittlichen menschlichen Maßen nachgebildet
und aus Siliziumgummi oder ähnlichem
Material hergestellt, so dass die von den Mikrophonen aufgezeichneten
Klänge
von dem Kunstkopf und dessen Ohren akustisch so eingefangen werden,
dass sie sämtliche
natürlichen,
vom Gehirn benutzten Anhaltspunkte für die Klanglokalisierung besitzen.
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Auf
der Grundlage der Entwicklung der noch groben und einfachen Kunstköpfe für die binaurale Tonaufzeichnung
in den 1930gern und 40ziger Jahren wurde Akustikern klar, dass diese
Kopfstrukturen ideale Plattformen zum Testen und Bewerten von Hörhilfen
und anderen Einrichtungen wie Gehörschutz-Einrichtungen (Ohrstöpseln) waren.
Demzufolge entwickelte sich ein akademischeres Interesse an der
Entwicklung von Kunstköpfen,
wobei ihrer Konstruktion und Herstellung größere Aufmerksamkeit zuteil
wurde. So stellen zum Beispiel die Aufsätze von Torick (An electronic
dummy for accoustical testing (ein elektronischer Dummy für akustische Tests),
E. L. Torick et al., J. Audio Eng. Soc., Oktober 1988, 16, (4),
Seiten 397–402)
und Burkhardt und Sachs (Anthropometric manikin for acoustic research (anthropometrische
Modellpuppe für
akustische Forschungen) M. D. Burkhardt und R. M. Sachs, J. Acoust.
Soc., Am., Juli 1975, 58, (1), Seiten 214–222) zwei ausgezeichnete Aufsätze des
Studiums weiterer Informationen über
Kunstköpfe
dar. Es wurde rasch klar, dass, obgleich die einfachen, frühesten Kopfstrukturen
für binaurale
Aufzeichnungen adäquat
waren, diese jedoch schlechte Abbildungen der menschlichen Anatomie
waren. Der Hauptgrund hierfür
ist, dass die früheren
Aufzeichnungsköpfe
mit Mikrophonen ausges tattet waren, in welchen das Mikrophongitter
planar mit dem Talboden der Concha (siehe 1 für
die Terminologie des Ohres) angebracht war, anstatt am Ende eines
simulierten Ohrkanals. Obgleich dies kein Problem für die Tonaufzeichnung
darstellt, ist es eindeutig nicht geeignet für die Entwicklung von im Ohr
zu tragenden Hörhilfen,
wo das tatsächliche
Vorhandensein und die akustische Impedanz des Ohrkanals selbst zu
einem wichtigen Merkmal wird. Um diese Unterlassung zu beseitigen, entwickelte
Professor Zwislocky von der Syracuse University einen Akustik-Koppler
zur Nachahmung der Eigenschaften des Ohrkanals. Dieser wurde in verschiedenen
internen Berichten der Universität
beschrieben und später
kommerziell entwickelt zur Verwendung in der Modellpuppe KEMAR der
Firma Knowles Electronics, (U.S. Patent 5,033,086), welche die Originalstruktur
aus fertigungstechnischer Sicht verbesserte. Der Zwislocky-Koppler
ist eine kubusförmige
Edelstahlstruktur der Ausmaße
21,5 × 21,5 × 15 mm
mit einer Eingangsöffnung
an einer Seite zum Koppeln mit einem künstlichen Ohr und einem 12
mm-Mikrophoneingang an der gegenüberliegenden
Fläche.
An jeder der verbleibenden vier Flächen ist eine kleine, gestimmte
akustische Nebenschaltung gekoppelt. Jede Nebenschaltung besitzt eine
bestimmte spezifische Trägheit,
Widerstand und Nachgiebigkeit, so dass die Gesamt-Charakteristik-Impedanz
gegenüber
Frequenz des Kopplers derjenigen des durchschnittlichen erwachsenen
Menschen mit hoher Genauigkeit bis zu etwa 8 kHz entspricht. Darüber hinaus
wurde davon ausgegangen, dass die reflektierende Oberfläche der
Mikrophonmembran zu unähnlich
zum Trommelfell wird, als dass dies noch dargestellt werden könnte.
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Im
Bereich der akustischen Forschung wurde diese Form eines Ohrkopplers
zusammen mit von verschiedenen Herstellern gefertigten ähnlichen
Produkten für
Anwendungen verwendet, wo eine sehr hohe Genauigkeit der Ohrkanal-Simulation
erforderlich war. Für
die Tonaufzeichnung jedoch stellt der Ohrkanal ein gewichtiges praktisches
Problem dar, indem die primäre
Viertelwellen-Resonanz des Ohrkanal-Simulators eine sehr starke
Anhebung – häufig 10
bis 15 dB – im
Bereich von etwa 3,9 kHz erzeugt und diese zur gleichermaßen starken
Resonanz der Concha-Kavität
im Bereich von etwa 2,8 kHz hinzukommt. Die Folge ist, dass um 3
kHz herum eine hohe Resonanz-Spitze von 25 bis 30 dB auftritt, die kompensiert
werden muss, sollen nicht die Aufzeichnungen tonal sehr unkorrekt
sein. Die Korrektur einer solchen starken Anomalie ist möglich. Sie
ist schwer mit Hilfe von analogen Verfahren zu erreichen, jedoch
mittels digitaler Filterung möglich.
Jedoch ist selbst wenn dies erreicht ist, noch immer ein Preis in Bezug
auf den Störspannungsabstand
zu bezahlen, da die Resonanzanhebung die nichtresonanten Bereiche
des Frequenzgangs um 30 dB nach unten in Richtung des Hintergrundgeräusches des
Systems gedrückt
hat. Zusätzlich
bedingt die Benutzung von 12 mm-Mikrophonen die Verwendung von nichtstudiogeeigneten
Mikrophonen mit schwächerem Rauschverhalten.
Aus diesen Gründen
wird bei Studioaufzeichnungen, wo bestmögliche Störspannungsverhältnisse
verlangt werden, noch immer Kopfsystemen ohne Ohrkanal der Vorzug
gegeben. Forschungen von Shaw und Teranshi (Aufsatz mit dem Titel „Sound
Pressure Generated In An External-Ear Replica and Real Human Ears
By a Nearby Point Source (Schalldruck erzeugt in der Replikation eines
Außenohres
und in echten menschlichen Ohren durch eine nahegelegene punktförmige Schallquelle)
von E. A. G. Shaw und R. Teranshi, J. Acoust. Soc. Am., 1968, 44
(1), Seiten 240–249)
konnten zeigen, dass die Schaldruckpegel (sound pressure levels
SPL) linear vom Eingang des Ohrkanals zum Trommelfell skalieren,
so dass die Verwendung von Kunstköpfen ohne Ohrkanal-Simulatoren
als gültig angesehen
werden konnte. Dieses Resultat ist jedoch aufgrund der verwendeten
Experimentalverfahren mit Vorsicht anzusehen, da das Einbringen
selbst des kleinsten Messwandlers entweder in die Ohrmuschel oder
den Ohrkanal die akustischen Gesamteigenschaften des Ohres wesentlich
beeinflussen kann.
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Gegenwärtig sind
verschiedene Arten von Kunstköpfen
handelsüblich.
Die folgenden vier, die nachstehend beschrieben werden, sind die
am meis ten verwendeten Typen, wenngleich man von verschiedenen anderen
japanischen und amerikanischen Typen von kleineren Herstellern gehört hat. Die
Haupteigenschaften sind nachstehend aufgezählt.
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Ein
bekannter Kunstkopf (B&K,
Typ 4100) von Bruel & Kjaer
besteht aus einem auf einem Torso-Simulator angebrachten Kunstkopf,
ausgestattet mit einem schalldämpfenden
Stoff, welcher den Hals der Modellpuppe bedeckt. Der Kopf ist eine
hohle „Hülle", wobei die Mikrophone
direkt auf Metallplatten an den Seiten der Hüllenstruktur angebracht sind. Der
Hals kann eingestellt werden, so dass er nach vorne geneigt ist,
bis zu einem Winkel von 17°.
Die Ohrmuschel-Simulatoren sind aus Silikongummi mit Dimensionen
entsprechend IEC 959 und CCITT P. 58 mit Ausnahme der Ohrkanal-Extensionen, wobei
in der Concha-Kavität
Mikrophone vom Typ B&K
4165 angebracht sind. Das Gesamtgewicht beträgt 7,9 kg.
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Ein
anderer bekannter Kunstkopf, der Ku100, ist der Nachfolger der bekannten
Serien Ku80 und Ku81 Kunstköpfe,
welche von der Georg Neumann GmbH hergestellt wurden und seit den
späten 1970ger
Jahren in Gebrauch sind. 1981 wurde der KU80 verbessert und in KU81
umbenannt, und es gab verschiedene Varianten mit der Zusatzbezeichnung „i", die eine verbesserte
Lautsprecher-Kompatibilität
für sich
in Anspruch nahmen (dies könnte
sich auf Änderungen
in den EQ-Filtern beziehen). Der Kopf ist ein festes, mit Gummi
gefülltes
Element, welches von vorne nach hinten ausgeschüttet werden kann, um Zugang
zu den Mikrophonen und dem Batteriefach zu erhalten. Der Kopf ist
mit künstlichen
auditiven Mikrophon-Kopplern vom Kanaltyp ausgestattet und verwendet
Kondensator-Mikrophone der Serie Neumann 21 mm KM 100 mit eingebauten FET-Vorverstärkern. Der
Kopf ist mit elektronischer Entzerrung, vermutlich analogen Filtern,
ausgestattet, welche mit Batteriebetrieb und im Kopf selbst angeordnet
ist. Der Kopf ist geeignet für
Aufhängung oder
Anbringung auf einem Stativ und besitzt keine Schultern. Er wiegt
2,7 kg und ist mattschwarz.
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Ein
weiterer bekannter Kunstkopf, das Aachen (Head Acoustics)-System
15 der
Head Acoustics GmbH (vgl.
US
4,631,962 ) ist anders als die anderen Kunstköpfe, indem
es auf einer stark vereinfachten Struktur basiert, welche, wie der
Erfinder angibt, die wichtigen Merkmale des menschlichen Hörens repräsentiert.
Die Form der Ohren und die Dimensionen des Kopfes entsprechen einem
Satz Gleichungen, welche die Konstruktion des Kopfes vereinfachen.
Er wurde zunächst
entwickelt für
die Geräuschmessung
in der Automobilindustrie. Der Kopf kann auf einem Stativ angebracht
werden und besitzt Schultern, die angebracht werden können, wenn
dies gewünscht
ist. Er wiegt 7 kg und ist matt schwarz. Eine Entzerrer-Vorverstärker-Einheit
wird gewöhnlich mit
dem Kopf geliefert.
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Ein
weiteres bekanntes Kunstkopfsystem ist der KEMAR der Knowles Electronics
Inc., [Knowles Electronics Manikin for Acoustic Research (elektronische
Modellpuppe von Knowles für
akustische Forschungen)]. Dieses Modellpuppen-System wurde in den
1970ger Jahren entwickelt und wurde weithin verwendet für die Forschung
und Entwicklung von Hörhilfen.
Das System ist in modularer Form verfügbar einschließlich eines
optionalen Torsos. Der Kopf ist hohl mit einer Teilung um die Peripherie
des oberen Schädels,
und die inneren Oberflächen
sind mit bleigefülltem
Epoxidharz überzogen,
um Resonanzen zu dämpfen
und die Übertragung
von Schall durch die Hülle
selbst zu vermindern. An der Hülle sind
mittels Zwislocky-Kopplern 12 mm B&K-Mikrophone angebracht, und die
Koppler-Eingänge
sind direkt mit Öffnungen
in den Ohrmuscheln aus Silikongummi verbunden. Das Gummi der Ohrmuscheln
ist eine Mischung zweier unterschiedlicher Typen, um die mechanischen
Eigenschaften des menschlichen Ohres so gut wie möglich zu
simulieren. Es sind verschiedene Halseinheiten mit unterschiedlichen
Höhen erhältlich.
Auch sind verschiedene Ohrtypen für unterschiedliche Anwendungen
verfügbar.
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In
Duda, R. O., ,Modeling Head Related Transfer Functions' (Modellierung von
kopfbezogenen Transferfunktionen), Proceedings Of The Asilomar Conference,
Pacific Grove, Nov., 1–3,
1993, Bd. 2, 1. November 1993, Institute Of Electrical And Electronics
Engineers, S. 996–1000
XP000438445, ist offenbart, dass kopfbezogene Transferfunktionen (HRTFs)
die Transformation einer Schallquelle zu den die Trommelfelle erreichenden
Klängen
beschreiben und für
das binaurale Hören
von zentraler Bedeutung sind. Da sie das Resultat von Propagierung
und Brechung von Wellen sind, kann man sie mittels finit parametrisierten
Filtern nur annähernd
erreichen. In dem Aufsatz wird die funktionale Abhängigkeit
der HRTF von Azimut und Höhe
beschrieben, und es werden verschiedene Kunstkopfmodelle beschrieben.
Viele der beschriebenen Modelle, einschließlich das der
US 4,631,962 (Genuit), replizieren
die Geometrie der menschlichen Ohrmuschel mit ausreichender Genauigkeit
zum Erzeugen präziser HRFTs.
Daher ist es selbst mit finit parametrisierten Filtern schwierig,
eine akzeptable HRTF zu erzeugen.
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Keiner
der zuvor genannten handelsüblichen Kunstköpfe bietet
adäquate „Höhen"-Anzeichen, und sie
bieten auch nur schwache Unterscheidung vorne-hinten, aufgrund der
relativen Ineffizienz der künstlichen
Ohren, die bislang Verwendung fanden.
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Einige
Forscher haben Ohren repliziert, indem sie Abdrücke von echten Ohren oder von
modellierten Nachbildungen echter Ohren genommen haben. Aus den
folgenden Gründen
ist dies jedoch nicht zufrieden stellend.
- (a)
Die Übereinstimmung
links-rechts ist sehr schlecht und kann nicht korrigiert oder angepasst werden.
- (b) Es treten Abdruckfehler auf, die zu Schrumpfungen und Verzerrungen
führen.
- (c) Man hat keine Kontrolle über
die Dimensionen, und so kann man keine bestimmten Werte spezifizieren.
- (d) Die Anbringung der Ohr-Einheit am Ohrkanal oder an der Mikrofon-Befestigung
ist nicht ausreichend definiert. Wir konnten zeigen, dass die Anbringung
und der Ohrkanal oder die Mikrofon-Befestigung ein kritisches Parameter
darstellen.
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Aufgrund
von Schrumpfungen der gegossenen Teile ist es sehr schwierig, künstliche
Ohren genau zu gießen.
Aufgrund der tiefen Unterschnitte ist es zudem schwierig, eine Maschine
zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur – wie der
eines Ohres – zu
verwenden. Man könnte
es unter Umständen erreichen,
indem man mehrere 3D-„Blöcke" herstellt und diese
dann zusammensetzt, aber dies wäre schwierig
zu arrangieren und würde
ineinander greifende Ausrichtungsführungen in dreidimensionalem Format
erfordern.
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In
der Literatur gibt es viele Darstellungen, die wir als nicht zutreffend
festgestellt haben. So ist es beispielsweise üblich zu behaupten, dass die
Art der Materialien, die für
die Ohrmuschel, die Haut und andere Bestandteile verwendet werden,
wichtig sind, und dass künstliche
Ohren aus Materialien wie Latex oder Gummi hergestellt werden müssen, die
eine ähnliche
Textur wie menschliche Ohren haben oder sich ähnlich anfühlen. Durch Experimente und
Messungen haben wir herausgefunden, dass das Material, aus dem die
Ohrmuschel hergestellt ist, aus akustischer Sicht relativ unwichtig
ist und dass die Simulation von Haut nicht erforderlich ist.
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Dem
Stand der Technik nach sind harte Materialien ungeeignet für die Herstellung
von künstlichen
Ohren für
akustische Messungen, da ihre Eigenschaften der Haut sehr unähnlich sind.
Wir haben jedoch durch Vergleiche von HRTF-Messungen herausgefunden,
dass im Gegenteil hierzu die Wahl des Materials nicht signifikant
ist. Tatsächlich
bevorzugen wir harte Materialien wegen ihre Konstanz bezüglich ihrer
physischen Dimensionen (Gummi-Ohren
können
nachgeben und sich verdrehen, wodurch die Form und Di mensionen ihrer
akustischen Hohlräume verzerrt
werden, was zu einer signifikanten Änderung der damit zusammenhängenden
HRTFs führt).
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine akkurat dimensionierte
künstliche Ohrmuschel
und Gehörkanal
anzugeben, die verbesserte Anzeichen hinsichtlich der Höhe von Schallquellen
und eine verbesserte Unterscheidbarkeit vorne-hinten ermöglicht,
unter Verwendung von Materialien, die konventionell üblicherweise
nicht als geeignet für
künstliche
Ohrmuscheln angesehen werden und die auf eine kontrollierte, reproduzierbare
Weise, vorzugsweise computergesteuert, hergestellt werden können.
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Es
gibt bekannte Verfahren zum Konstruieren dreidimensionaler Gegenstände durch
Aufbau des Gegenstandes aus Laminaten. Beispiele hierfür finden
sich in den Internationalen Patentanmeldungen WO 91/12957 und WO
87/07538, den Europäischen
Patentanmeldungen 0633129 A1 und 0667227 A2, dem US-Patent 5031,483
und der Britischen Patentanmeldung 2,297516 A.
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Insbesondere
das US-Patent 5031,483 offenbart eine Technik zum Anfertigen von
Güssen durch
Aufeinanderschichten einer Mehrzahl von Platten, aus denen jeweils
maschinell eine Form herausgearbeitet wurde. Durch Aufeinanderschichten
dieser Platten erhält
man den fertigen Gegenstand.
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Für einen
Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung künstlicher Ohrmuscheln wäre es normalerweise
wegen der entstehenden multi-facettierten oder treppenartigen Kanten
nicht angebracht oder wünschenswert,
eine nachgebildete menschliche Ohrmuschel mittels einer laminierten
Konstruktion zu rekonstruieren. Man vermutet zunächst, das solche bei jedem Übergang
der Laminierungen gebildeten Stufen oder Unregelmäßigkeiten
die akustischen Gesamteigenschaften des künstlichen Ohres verschlechtern
würden.
Wir haben im Gegensatz hierzu herausgefunden, dass es möglich ist, die
Profile der Laminierungen „einzustellen" (ohne notwendigerweise
treppenartige Übergänge von
einer Laminierung zur nächsten
zu entfernen) und dabei die akustischen Gesamteigenschaften des
künstlichen
Ohres noch zu optimieren.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mittel
zum Zurverfügungstellen
adäquater
Richtungsinformationen anzugeben, die für Aufnahmezwecke und zum Zurverfügungstellen
geeigneter Daten für
die Synthese von 3D-Ton geeignet sind.
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Entsprechend
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen
einer künstlichen
Ohrmuschel vorgesehen, umfassend die folgenden Schritte:
- (a) Ausformen eines dreidimensionalen Modells einer
menschlichen Ohrmuschel aus einem ersten Material,
- (b) Einkapseln des Modells in ein Gießmaterial,
- (c) Entfernen des gekapselten Modells, um eine Schnittform des
Modells zu erhalten,
- (d) Erzeugen eines Abbildes der durch Schritt (c) erhaltenen
Schnittform,
- (e) schrittweises Wiederholen des Schritts (c), um Schnittformen
des Modells in beabstandeten parallelen Ebenen zu erhalten, und
Wiederholen von Schritt (d),
- (f) Zurverfügungstellen
einer Mehrzahl von selbsttragenden Roh-Platten eines Materials von
einer Dicke entsprechend dem Abstand zwischen den beabstandeten
parallelen Ebenen und Verwenden des durch Schritt (d) erzeugten
Abbildes zum Erzeugen einer Nachbildung der Schnittform des Ohrmuschel-Modells,
gehalten von jeder der Material-Platten durch Überbrückungen,
- (g) Wiederholen des Schritts (f) für jede durch Schritt (c) erzeugte
Form, und
- (h) Zusammensetzen und Verkleben eines Stapels der Platten zum
Erzeugen einer laminierten Nachbildung des Modells.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt (d) den Schritt des Ableitens von Daten zum
Steuern der Bewegungsrichtung eines Schneidewerkzeugs aus dem Abbild
und Schritt (f) das Bearbeiten jeder Material-Platte mit einem zum
Bewegen gemäß der Steuerung
durch die durch Schritt (d) erlangten Daten programmierten Schneidewerkzeug.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt (f) den Schritt des Verwendens des durch Schritt
(d) erzeugten Abbildes zum Erzeugen einer dem Abbild entsprechenden
Maske und Schritt (f) den Schritt des Entfernens unmaskierten Materials.
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Die
Material-Platten sind fotosensitiv, und das unmaskierte Material
wird durch Belichten der maskierten Platten und Entwickeln entfernt.
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Vorzugsweise
wird an die laminierte Nachbildung des Modells ein künstlicher
Ohrkanal angefügt.
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Das
Modell kann aus festem Kunststoff-Material hergestellt werden, und
das Gießmaterial
ist ein festes Kunststoff-Material von anderer Farbe als dasjenige
des Modells.
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Das
Abbild kann durch elektronisches Scannen eines Schnittes des gekapselten
Modells oder durch Fotokopieren eines Schnittes des gekapselten Modells
erzeugt werden.
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Vorzugsweise
wird das Abbild in ein digitalisiertes elektronisches Bild umgewandelt.
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Das
elektronische Abbild kann zum Ableiten eines binären Computer-Steuer-Codes zum
Steuern der Bewegungsrichtung eines Schneidewerkzeugs vom Typ einer
CNC-Fräse
verwendet werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist eine laminierte künstliche
Ohrmuschel vorgesehen, die gemäß dem vorgenannten
Verfahren hergestellt ist.
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Vorzugsweise
umfasst die künstliche
Ohrmuschel eine laminierte künstliche
Ohrmuschel nach Anspruch 12, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die
künstliche
Ohrmuschel eine Concha, eine Fossa und einen Ohrkanal umfasst und
dass der Ohrkanal so aufgebaut und relativ zur Concha angeordnet
ist, dass der Abstand ((A) nach 7)
von der Mitte des Eingangs des Ohrkanals 23 zur Rückwand der
Concha 12 innerhalb eines Bereichs von 15 mm bis 20 mm
liegt, der Abstand ((B) nach 8)
von der Mitte des Eingangs des Ohrkanals zum Boden der Concha innerhalb
eines Bereichs von 9 mm bis 15 mm liegt und die Ausrichtung des
Drehpunktes ((C) nach 9)
mit der Mitte des Eingangs des Ohrkanals im wesentlichen horizontal
ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
bei einer künstliche
Ohrmuschel nach Anspruch 14 die Bohrung 27 des Ohrkanals 23 eine rechte
kreisförmig-zylindrische
Bohrung 27 mit einem Radius und einer Länge ((a) nach 13), gemessen von einem offenen Ende
der Bohrung 27 entlang der Mittenachse der Bohrung 27 zu
der Ebene 29 der drucksensitiven Fläche 34 des Mikrophons 33,
die so bemessen ist, dass sie einen Resonanzraum mit einer funktionalen
Resonanz von 3,9 KHz definiert.
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Die
Bohrung kann so dimensioniert sein, dass die Dimension der Summe
der Länge
((a) nach 13) und der
Radius der Bohrung 22 mm beträgt. Zum
Beispiel beträgt
der Durchmesser der Bohrung 7 mm, der Winkel der Ebene der drucksensitiven
Fläche
des Mikrophons 45° zur
Längsachse der
Bohrung und die Länge
der Bohrung 18,5 mm.
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Vorzugsweise
beträgt
der durchschnittliche Abstand von der Mittelachse der Bohrung des
Ohrkanals zur Rückwand
der Concha 16,6 mm und der durchschnittliche Abstand von der Kanalachse
zum Boden der Concha 11,3 mm.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren angegeben zur Ton-Aufzeichnen
mittels künstlicher
Ohren mit Ohrmuscheln, die nach dem in Anspruch 1 beanspruchten
Verfahren hergestellt sind, wobei von den künstlichen Ohren empfangene
Schallwellen in ein elektrisches Signalumgewandelt und von einem
Signalprozessor mit Signalfiltern aufbereitet werden, deren kopfbezogene Transfer-Funktionen
aus Signalverarbeitungs-Algorithmen
auf der Grundlage von Abmessungen abgeleitet werden, die den Abmessungen
der künstlichen Ohrmuschel
und Ohrkanäle
der künstlichen
Ohren entsprechen, mit denen die Aufzeichnung gemacht wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die angefügten
Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
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1 ein Schema der Hauptbestandteile
einer menschlichen Ohrmuschel;
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2–5 verschiedene
Stufen bei der Herstellung einer erfindungsgemäß konstruierten künstlichen
Ohrmuschel zur Verwendung an einem künstlichen Ohr;
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6 ein Computer-generiertes „Drahtgitter" eines erfindungsgemäß konstruierten
künstlichen Ohrs;
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7–9 Computer-generierte
Diagramme verschiedener Querschnitt-Topografien eines erfindungsgemäß konstruierten
künstlichen
Ohres, die wesentliche Merkmale der Konstruktion des künstlichen
Ohres zeigen;
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10–13 schematische
Diagramme, die die Berechnung geeigneter Dimensionen eines erfindungsgemäß konstruierten
Ohrkanals illustrieren;
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14 das Schema eines erfindungsgemäß konstruierten
künstlichen
Ohrkanals nebst Mikrofonanordnung; sowie
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15 das Schema eines Endaufrisses
eines erfindungsgemäß konstruierten
künstlichen
Ohres.
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Bezug
nehmend auf 1 umfassen
die wesentlichen Bestandteile einer menschlichen Ohrmuschel 10 (die äußere Ohrenklappe)
eine Scapha 9 genannte fleischige periphere Hautfalte,
einen Fossa 11 genannten Resonanzraum in einer obersten
Region der Ohrmuschel sowie die Concha 12, welche ein Resonanzraum
ist, welcher zum (nicht gezeigten) Ohrkanal führt, wo sich die Mittelohrmembran
(das Trommelfell) befindet. Die Fossa 11 spricht besonders
gut auf hochfrequente Klänge
im Bereich von 15 kHz an, und es ist dieser Teil der Ohrmuschel,
welcher zur Bildung der Anzeichen beiträgt, die es dem Gehirn des Hörers ermöglichen,
zwischen Klängen zu
unterscheiden, die von vorne oder von hinten in Bezug zum Kopf sowie
auch hinsichtlich der Höhe der
Klangquelle zu unterscheiden. Einzelheiten des Ohrkanals und der
Bestandteile des inneren Ohres sind in 1 nicht gezeigt.
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Bezug
nehmen auf 2 wird eine „Referenz"-Ohrmuschel erzeugt, üblicherweise
in einem harten Kunststoffmaterial wie etwa Polyurethan. Dies erreicht
man durch Ausformen einer künstlichen
Ohrmuschel 10 durch Ausschneiden und Formen des Polyurethans
und mittels einer Reihe von reitarativen Experimenten, mit denen
sukzessive die physikalischen Eigenschaften der ausgeformten Ohrmuschel modifiziert
werden. Jede Form wird Hörtests
unterzogen, um die räumlichen
Eigenschaften und die vorgenommenen Änderungen der Form und der
Dimensionen zu erfassen. Zum Beispiel kann man die Tiefe der Fossa-Kavität 11 verändern und
mittels Mikrofonen, die dort angeordnet sind, wo das Trommelfell wäre, hören, welchen
Effekt dies auf die räumlichen Eigenschaften
des Paars Ohrmuscheln hat. Hat man schließlich eine zufrieden stellende
Ohrmuschel – geeignet
für eine
breite Anzahl von Hörern – erlangt, so
wird jede Ohrmuschel 10 in eine Gießform 14 wie in 2 gezeigt eingebracht und
vollständig
mit einem Gießepoxid
oder Harz 15 umgeben, das von anderer Farbe als die ausgeformte
Ohrmuschel ist. Die Gießform 14 ist
mit einer Spindel 16 versehen, die von der unteren Seite
emporragt, so dass sie auf einer (nicht gezeigten) Drehbank befestigt
werden kann. Alternativ könnte
die Gießform 14 zum
Fräsen an
einer Fräsmaschine
befestigt werden. Die Gießform 14 weist
zusätzlich
drei schmale Stangen oder Röhren 17 auf,
die sich in Normalrichtung zur Basis der Gießform 14 erstrecken.
Diese Stäbe 17 sind
um die Ohrmuschel 10 herum platziert und bieten ein Mittel
zur Ausrichtung und räumliche
Referenzmessungen.
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Die
Gießform 14 mit
der eingekapselten Ohrmuschel 10 wird auf einer Drehbank
(oder Fräse)
angebracht, und der Abguss wird vorsichtig Schicht für Schicht
von der äußersten
Schicht her abgetragen, bis der erste Bereich der Ohrmuschel 10 (die
Spitze der Scapha 9) zum Vorschein kommt. Ein weiterer Bereich
von 1 mm wird entfernt, indem man das Schneidewerkzeug der Drehbank über 1 mm
vorschiebt, und der resultierende freigelegte Bereich des Abgusses
einschließlich
der Referenzstangen 17 wird mittels eines Scanners oder
eines Fotokopierers abgebildet. Danach wird ein weiterer Bereich
von 1 mm abgetragen und ein weiteres Abbild des nunmehr freigeleg ten
Bereichs wird mittels eines Scanners oder Fotokopierers angefertigt.
Ein typischer Querschnitt ist in 3 gezeigt.
Dieser Prozess wird wiederholt, bis man die Basis der Ohrmuschel 10 erreicht
hat und der gesamte Korpus der eingekapselten Ohrmuschel 10 abgetragen
wurde. Typischerweise umfasst der gesamte Prozess fünfundzwanzig Querschnittsbilder
in parallelen Ebenen mit Abständen
von 1 mm voneinander.
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Die
Bilder der Querschnitte der Ohrmuschel 10 werden sodann
einzeln mittels eines Computer-Tabletts digitalisiert, und die digitalisierten
Schnitte werden nachbearbeitet, um Fehler zu entfernen und alle
erforderlichen Interpolationen oder Glättungen zwischen benachbarten
Bildern zu erlangen. Die digitalisierten Bilder werden dazu verwendet,
die Koordinaten zu erzeugen, mit denen die Richtung der Bewegung
des Schneidwerkzeugs einer CNC-Fräse gesteuert
wird, wie nachstehend erläutert
werden wird.
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Als
nächstes,
Bezug nehmend auf 4, werden
Stützkragen 18 um
jede Schicht des digitalisierten Ohres konstruiert und mit letzteren über schmale,
2 mm dicke Gewebeelemente 12 verbunden, um ein nachfolgendes
Zusammensetzen zu ermöglichen.
Schablonen-Montagelöcher 19 werden ebenso
zu jeder Schicht der Konstruktion hinzugefügt. Danach wird jedes Laminierungselement (4) aus 1 mm dicken harten
Polystyrol-Platten ausgeschnitten. Jedes Laminierungselement einschließlich der
Querschnittsform der Ohrmuschel 10 wird unter der Steuerung
der CNC-Befehle ausgeschnitten, die von jedem der digitalisierten
Bilder abgeleitet sind. Das Schneidwerkzeug ist dazu programmiert,
die Form der Ohrmuschel 10 auszuschneiden, jedoch Überbrückungs-Halterungen 12 stehen
zu lassen, die zwischen dem Ohrmuschelabschnitt und der Peripherie
des Stützkragens 18 verlaufen.
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Bei
einem alternativen Verfahren zum Ausformen der Laminierungen können anstelle
der Erzeugung eines digitalisierten Bildes und des Aus schneidens
der Formen mittels einer CNC-Fräse
die Formen mittels eines Foto-Ätzverfahrens
oder einer chemischen Ätztechnik
erzeugt werden.
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Zum
Beispiel könnten
die Stützkragen 18 aus
einem fotoempfindlichen Polymer wie etwa Poloyimid hergestellt werden,
das als Brewers T1059 bekannt ist. Die von jeder Querschnittsform
der gegossenen Ohrmuschel 10 angefertigten Abbilder können dazu
verwendet werden, eine fotoresistente Maske herzustellen, welche
auf die Oberfläche
eines Stützkragens 18 aufgebracht
wird. Das ungewünschte Material
wird dann auf übliche
Weise entfernt, indem die maskierten Stützkragen ultraviolettem Licht
und einem Entwickler ausgesetzt werden.
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Es
wäre auch
möglich,
die Stützkragen 18 aus
einem chemisch ätzbaren
Metall herzustellen und geeignete maskierte Stützkragen chemisch auszuätzen.
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Wenn
alle Laminierungselemente ausgeschnitten wurden, werden sie Schicht
für Schicht
aufeinander gestapelt, und zwar in einer Schablone 21, wie
in 5 gezeigt, welche
Führungsstäbe 22 aufweist,
die gleich beabstandet um die Schablone 21 herum angeordnet
sind. Zu diesem Zeitpunkt ähnelt der
Stapel Laminierungen einer quantisierten Reproduktion der ursprünglichen,
ausgedrehten Referenz-Ohrmuschel 10. Die ersten paar Schichten
umfassen eine rechteckige Montagebasis, die über Brückenhalterungen 12 mit
den Stützkragen 18 verbunden
sind. Die rechteckige Montagebasis und die Brückenhalterungen 12 der
ersten paar Schichten 18 sind miteinander mittels eines
geeigneten Klebers (wie etwa Lösemittelleim
im Falle von Polystyrol) verklebt. Da jedes nachfolgende Laminierungselement auf
die Führungsstäbe 22 der
Montage-Schablone 21 aufgeschoben wird, werden nur die
Ohrmuschel-Schnittformen 10 miteinander verklebt, während die
Brückenhalterungen 12 unverklebt
bleiben und abgetragen werden, nachdem jede einzelne Schicht verklebt
wird. Dementsprechend sind die o beren Schichten, etwa Schichten 6 bis 25,
jeweils nur mit der vorherigen Schicht verbunden, durch die verklebten
Ohrmuschel-Schnitte 10, während die Schichten 1 bis 5 auch
mit dem Kragen 18 über
die Brückenhalterungen 20 verbunden
sind. Auf diese Weise verbleibt der Stapel verklebter Scheiben 18 in Registern
mit den Führungsstäben 22 der
Schablone 21 während
des Zusammensetzens der künstlichen Ohrmuschel.
Wenn der Kleber abgebunden hat, wird die fertige Ohrmuschel 10 von
den Kragen 18 befreit, indem die wenigen verbleibenden
Brückenhalterungen 20 der
unteren Schichten weggeschnitten werden.
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Ein
Computer-generiertes „Drahtgitter"-Diagramm einer fertigen
Ohrmuschel 10 ist in 6 gezeigt.
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Beim
Herstellen der künstlichen
Ohrmuschel 10 – wie
oben beschrieben – ist
es von wesentlicher Bedeutung sicherzustellen, dass verschiedene
kritische Dimensionen und physikalische Anordnungen korrekt sind.
Die Merkmale, die wir als kritisch festgestellt haben und die im
Stand der Technik nicht vorhanden sind, sind wie folgt:
- (a) Die Fossa 11 muss angemessen tief sein. Dies ist
schwierig zu beschreiben oder zu quantifizieren, außer dass
uns bekannt ist, dass bestimmte vorbekannte künstliche Ohrmuscheln inadäquat sind
und dass eine erfindungsgemäß konstruierte Ohrmuschel
mit einem Volumen zwischen 0,2 cc und 0,7 cc, vorzugsweise 0,5 cc,
adäquat
war.
- (b) Der Abstand von der Mitte des Ohrkanal-Eingangs zur Rückwand der
Concha (siehe 7) ist kritisch.
Wir haben herausgefunden, dass ein Abstand zwischen 16 mm und 20
mm geeignet und ein Durchschnittswert von 16,6 mm bevorzugt wird
(obgleich unsere Prototypen einen etwas größeren Abstand (18,5 mm) aufweisen
und dennoch recht gut funktionieren).
- (c) Der Abstand von der Mitte des Kanal-Eingangs zur Concha-Unterseite (siehe 8) ist kritisch, Wir haben
herausgefunden, dass der Mittelwert 11,3 mm betragen sollte.
- (d) Die Ausrichtung des Beugungspunktes der Concha-Rückwand im
wesentlichen horizontal mit der Mitte des Ohrkanal-Eingangs ist
sehr wichtig, wie in 9 gezeigt.
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Die
Konstruktionsmaterialien haben sich als nicht wichtig herausgestellt
(im Gegensatz zu Darstellungen in dem US-Patent von Zuccarelli (
US 4,680,856 ). Wir haben
keine signifikanten Unterschiede zwischen sehr weichen Elastomeren
und harten festen Kunststoffen feststellen können. Entscheidend sind die
Dimensionen, und man verwendet vorzugsweise harte Kunststoffe, da
diese leichter zu handhaben und in ihren Dimensionen stabil sind.
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Man
könnte
meinen, es sei entschieden nicht der korrekte Ansatz, ein künstliches
Ohr aus einem Stapel von Laminierungen mit einer Dicke von 1 mm herzustellen
(wobei diese Dicke einen vernünftigen Kompromiss
zwischen der endgültigen
Auflösung
der laminierten Struktur und der Komplexität der Herstellung darstellt),
da akustische Interferenzprobleme auftreten könnten, die durch die diskrete
Natur der einzelnen Laminierungen erzeugt werden, die „treppenartige" Kanten erzeugt.
Dies ist jedoch nicht der Fall, da die 1 mm-Quantenschritte in der
Z-Ebene (Stapelrichtung) sehr hohen Frequenzen entsprechen – weit oberhalb
des Bereichs des normalen Gehörs,
welches typischerweise 20 Hz bis 20 kHz beträgt.
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Es
ist wichtig, die Rolle des Ohrkanals bei der Kunstkopf-Technologie
zu verstehen. Die ersten vorbekannten Kunstköpfe verfügten nicht über künstliche Ohrkanäle, sondern
hatten lediglich die Aufzeichndungs-Mikrofone in die Ohrmuschel
eingesetzt, wobei die Mikrofon-Membranen ungefähr dort angeordnet waren, wo
die Ohrkanal-Eingänge
sich befunden hätten.
Hierfür gibt
es verschiedene Gründe.
Erstens sind die Durchmesser von Mikrofonen, insbesondere solcher
von Studioqualität,
viel größer (20
mm und mehr) als der Ohrkanal-Durchmesser (7 oder 8 mm), und so
wäre es
physikalisch schwierig, ein derartiges Mikrofon in einer simulierten
Ohrkanal-Struktur anzubringen. Zweitens würde das Mikrofon in einen Hohlraum
eingesetzt und daher weniger empfindlich, und der Hohlraum würde über eine
Resonanz verfügen
und damit unerwünschte
Kammfiltereffekte erzeugen.
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Zudem
wurde in der Vergangenheit davon ausgegangen, dass der Gehörkanal selbst
nicht zu den räumlichen
Effekten beiträgt,
dass diese vielmehr nur durch die Anwesenheit des Kopfes und die Form
der Ohrmuschel zustande kämen.
Fast ausnahmslos, wo immer die Anwesenheit eines Ohrkanals in der
Vergangenheit als wichtig angesehen wurde, wurde gesagt, dass dies
nur für
Impedanz-Anpassungseigenschaften oder aus physikalischen Gründen notwendig
sei und NICHT notwendigerweise für
die räumlichen
Eigenschaften des Systems. Tatsächlich
gibt es publizierte Aufsätze,
die besagen, dass die Anwesenheit eines Gehörkanals für räumliche Eigenschaften unnötig ist.
Es ist klar, dass man die Konstruktion des Ohrkanals berücksichtigen muss,
wenn man Hörgeräte-Prothesen
testet, welche in den Ohrkanal hineinragen, oder Ohrstöpsel („Ohrenschützer"), da man hier keine
bündig
angebrachten Mikrofone verwenden kann. Unter diesen Umständen spielte
jedoch die Relevanz der Leistung auf die räumlichen Effekte keine Rolle.
Einer der ersten Berichte einer Kunstkopf-Anordnung mit Ohrkanal-Simulatoren ist in
dem Aufsatz von Bauer et al. von 1966 (mit dem Titel External ear
replica for acoustical testing (Nachbildung des äußeren Ohrs für akustische
Tests), V. B. Bauer, A. J. Rosenheck und A. Abbagnaro, J. Acoust.
Soc. Am., 1967, 42, (1), Seiten 204–207), wo die Dimensionen des
Ohrkanals auf die Daten von Olson („Acoustical Engineering"), Olson, (D. Van
Nostrand Co., Inc., Princeton, N. J., 1960), Seite 559) zurückführten, namentlich
22 mm lang und 7,6 mm Durchmesser. Es erscheint klar, dass die Längendimension
aus akustischen Resonanzmessungen rückberechnet wurde; es ist unwahrscheinlich,
dass tatsächliche
physikalische Messungen gemacht wurden, angesichts der potentiellen Gefahren
für Testsubjekte.
Entspricht dies der Wahrheit, so wurde die gemessene Resonanz von
3,9 kHz dazu verwendet, eine Ohrkanal-Länge von 21,99 mm zu berechnen – dies setzt
jedoch ein rechtwinkliges Ende des Ohrkanals voraus, was unkorrekt
ist, wie nachstehend beschrieben werden wird. Geht man auf dieser
Grundlage vor, um einen simulierten Ohrkanals von 22 mm mit einem
Ende von 90° anzufertigen,
so erlangt man in der Tat die „korrekte" Resonanz von 3,9
kHz, und man könnte
zu der Ansicht gelangen, dass die Simulation validiert wurde. Unsere nachstehende
Feststellung geht jedoch davon aus, dass man ein Ende von 45° benötigt für ein korrektes räumliches
Ansprechverhalten, und die Länge
muss anders berechnet werden, um die korrekte natürliche Resonanzfrequenz
von 3,9 kHz zu erhalten.
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Die
elementaren Resonanzeigenschaften des Ohrkanals sind diejenigen
einer an einem Ende geschlossenen Röhre, und damit stellt sich
die Grundresonanz ein, wenn ein Viertel einer Wellenlänge λ der Länge der
Röhre L
entspricht, und damit beträgt λ = 4L. Ausgehend
von der Schallgeschwindigkeit in der Luft von 343 ms–1 lässt sich
die Resonanzfrequenz fr (kHz) als gleich
343/4L berechnen (wobei L in mm angegeben ist). Der oben zitierte
Ohrkanal von Bauer und Kollegen, ähnlich zu dem von Torick et
al., wie nachstehend beschrieben, ging von einer publizierten Ansprech-Charakteristik aus,
welche die Grundresonanz bei etwa 3,9 kHz zeigte, welches entsprechend
dieser Formel einer Länge
von 22 mm entspricht.
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Bei
dem Kunstkopfsystem von E. L. Torick et al. von 1968, das für akustische
Prüfungen
persönlicher
Kommunikationseinrichtungen konstruiert wurde, wurde gleichfalls
eine Ohrkanalanordnung inkorporiert. Hierdurch sollte sichergestellt
werden, dass die akustische Last des Mess-Systems für eine Situation
im wirklichen Leben repräsentativ
war, wobei dies den „6
cc"-und „2 cc"-Akustik-Kopplern überlegen
war, die damals bekannt waren. To rick et al. versuchten, die akustischen
Konstanten des Ohrkanals und des Mittelohres nachzubilden, indem
sie eine nahezu zylindrische Röhre
von ungefäht
2,2 cm Länge und
0,76 cm Durchmesser mit einem Volumen von 1 cc konstruierten. Torick
et al. war bekannt, dass Zwislocki ein effektives Volumen von ungefähr 1,6 cc
für die
Kombination des Ohrkanals und des Trommelfells berichtet hatte,
was zu dem Schluss führte,
dass der äquivalente
Volumenbeitrag durch das Trommelfell (und möglicherweise die Nachgiebigkeit
der Umgebung) etwa 0,6 cc beträgt.
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Torick
und Kollegen erzeugten sodann ein Transmissionslinien-Modell mit
konzentrierten Elementen des Gehörkanals
und brachten ein B&K 4132-Mikrofon (mit angebrachtem
Grill) axial in das Ende einer Stufenröhre ein, das einen Dämpfungswiderstand
vor dem Mikrofongriff aufwies. Der Widerstand wurde so eingestellt,
dass die Gesamt-Impedanz des Systems aus Ohrkanal und Mikrofon dem Ohrkanal
eines echten Ohres ähnelte.
Obgleich die Autoren versuchten, die Geometrie der menschlichen
Anordnung nachzuahmen, wurde das Mikrofon axial angebracht (d. h.
in Ausrichtung mit dem Ohrkanalelement). In der Realität existiert
jedoch das Trommelfell in einem Winkel von etwa 45° nach unten
gerichtet (und ganz leicht nach vorn geneigt).
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Betrachtet
man jedoch die Ohrstruktur (siehe 1)
genauer, so erkennt man, dass diese durch zwei Haupt-Resonanzelemente
repräsentiert
werden kann; die Concha-Kavität 12 und
den (in 1 nicht gezeigten)
Ohrkanal. Diese sind rechtwinklig miteinander verkoppelt (wo sich
der Eingang des Ohrkanals in die innerste Wand der Concha 12 öffnet),
und sie bilden einen seriellen Weg von der Außenwelt zum (in 1 nicht gezeigten) Trommelfell.
Es erscheint uns wichtig, dass beide diese Resonanzräume ebenso
wie die Art ihres Übergangs
kritische Elemente sind, welche akkurat reproduziert werden müssen, wenn
man ein räumlich
akkurates Kunstkopfsystem konstruiert. Nicht nur die Ohrmuschel und
der Ohrkanal müssen
kor rekt reproduziert werden, sondern auch die Schnittstelle zwischen
den beiden ist von eben solcher kritischer Relevanz, insbesondere
was ihre geometrische Position anbelangt.
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Wie
bereits oben nachgewiesen wurde und wie üblicherweise in der Literatur
angegeben, ähnelt der
menschliche Gehörkanal
ungefähr
einer geschlossenen zylindrischen Röhre mit einer Länge von
22 mm und einem Durchmesser von etwa 7 bis 8 mm. Diese Länge entspricht
einer Grund-(Lambda-Viertel)-Resonanzfrequenz
von etwa 3,89 kHz für einen
Endabschluss von 90°.
Da jedoch das Trommelfell tatsächlich
mit einem Winkel von 45° nach
unten geneigt angeordnet ist, stellt sich die Frage, was der Ausdruck „Länge des
Gehörkanals" exakt eigentlich
bezeichnen soll. Bezug nehmend auf 10, welche
ein Schnitt-Diagramm einer Röhre
mit einem Endabschluss von 45° zeigt,
bedeutet dies die den abstand der Mittellinie (b), die maximale
Länge (c) oder
die minimale Länge
(a) ? Vernünftigerweise kann
man davon ausgehen, dass die oft genannte Länge des Gehörkanals von 22 mm der Dimension der
Mittellinie (b) entspricht. Konstruiert man jedoch einen künstlichen
Ohrkanal mit einem Abschluss von 45° und einer Länge in der Mittellinie von
22 mm, so lässt
sich die Resonanzfrequenz – in
der Praxis – bei etwa
3 kHz messen (im Gegensatz zu den vorausgesetzten 3,9 kHz – ein Unterschied
von 23%). Warum ist dies der Fall? Die Antwort liegt in der Art
und Weise, auf welche Wellenfronten durch den Endabschluss von 45° reflektieren
werden; im einzelnen:
Man betrachte eine Wellenfront, die entlang
der Mittellinie (11)
in den Ohrkanal 23 eintritt. Sie wandert die Mittellinie
(a) entlang, bis sie zu dem Abschluss kommt, wo sie einer Reflektion
unterzogen wird, die die Wellenfront nach unten sendet, in diesem
Fall, entlang des Weges (b). Trifft die Wellenfront auf den Boden
des Ohrkanals, wird sie exakt zurück entlang ihres Weges reflektiert,
nach oben zum Abschluss und danach nach außen entlang der Länge und
aus dem Eingang heraus. Damit entspricht die effektive Länge des
Ohrkanals Leff der dem Mittellinienabstand
(a) plus der Hälfte
des Ohrkanal-Durchmessers (b); damit ist Leff =
(a + d/2).
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Man
betrachte nun die Wellenfront, die entlang eines Weges an der oberen
Kante des Gehörkanals 23 (12) eintritt und sich fortbewegt.
Da der Abschluss einen Winkel von 45° aufweist, entspricht die Länge des
ersten Weges c = (a – d/2)
und die Länge
des zweiten Weges ist gleich d, dem Durchmesser der Röhre. Damit
ist die effektive Weglänge in
diesem Fall gleich (a – d/2)
+ d. Dies entspricht (a + d/2) und ist damit exakt dasselbe wie
im vorherigen Fall, wo der Weg der Wellenfront mittig war. Augenscheinlich
kann man auch sehen, dass, wenn der Weg entlang der unteren Kante
des Ohrkanals verlaufen würde,
die effektive Länge
des Weges wäre gleichfalls;
Leff = (a + d/2).
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Zusammengefasst
ist die effektive Resonanzlänge
einer Röhre
mit einem offenen Ende abgeschlossen durch eine reflektierende Begrenzung mit
einem Winkel von 45° gleich
der Summe der Länge
der Mittellinie zwischen dem Eingang und der Begrenzung plus der
Hälfte
des Durchmessers der Röhre.
Mittels dieses Verfahrens lassen sich nun die Dimensionen eines
45°-Ohrkanals berechnen,
welcher die erforderliche physiologische Resonanz von 3,9 kHz aufweist.
Die effektive muss 22 mm betragen, wie zuvor, so dass der Abstand
an der Mittellinie 22 mm minus der Hälfte des Durchmessers betragen muss.
Soll die Röhre
einen Durchmesser von 7 mm aufweisen, so beträgt der Abstand an der Mittellinie 18,5
mm. Damit besitzt ein Ohrkanal 23, welcher den korrekten
Abschlusswinkel von 45° und
auch die korrekte physiologische Grundresonanz von 3,9 kHz aufweist,
die in 13 gezeigten
Dimensionen.
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Bezüglich 13 sei darauf hingewiesen, dass
es wichtig ist, dass der obere Bereich der Röhre ziemlich kurz ist (nur
zwei Durchmesser lang). In der Literatur wird häufig gesagt, dass sich der
Ohrkanal wie ein eindimensionaler Wellenleiter verhält, da die Wellenlängen des
Schalls im hörbaren
Spektrum größer sind
als der Durchmesser des Ohrkanals und damit laterale Ausbreitungs-Modi
nicht möglich
sind, sondern nur eine Ausbreitung in Längsrichtung. Das Wellenleiter-Phenomen
bei anderen begrenzten Strukturen ist gut bekannt, zum Beispiel
bei Mikrowellen-Kanälen,
optischen Fasern und integriert optischen Vorrichtungen. Es kann
jedoch gezeigt werden, dass, wenngleich bei Abständen von mehr als einigen Wellenlängen von
den Enden des Leiters (dem Eingang und dem Ausgang) einmodale Ausbreitungsbedingungen
in dem Wellenleiter vorherrschen, diese jedoch nicht nahe den Enden
vorherrschen. Dementsprechend wäre
es falsch, die physikalischen Eigenschaften des Ohrkanals als unwichtig abzutun,
weil sich der Ohrkanal „wie
ein eindimensionaler Wellenleiter verhält"; das Trommelfell (oder die Mikrofon-Membran)
ist nahe genug am Eingang, um diese Ansicht zu disqualifizieren.
Daher ist die im Stand der Technik bekannte Begrenzung des Ohrkanals
mit einem in einem Winkel von 90° angebrachten
Mikrofon nicht korrekt, wenn zulässige
und effektive räumliche
Attribute erforderlich sind, wie etwa bei dreidimensionaler Tonaufzeichnung
oder HRTF-Messungen.
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Man
könnte
meinen, dass Probleme aufträten,
wenn man Material für
die Herstellung der Ohrkanal-Struktur einsetzt, die nicht fleischähnlich sind, doch
wir konnten zeigen, dass dies definitiv nicht den Tatsachen entspricht.
Bei früheren
Versuchen zur Herstellung von künstlichen
Ohrkanal-Anordnungen war
es üblich,
Metall oder ähnliche
harte Materialien zu verwenden, wenngleich das US-Patent 4,680,856 (Zuccarelli)
es so darstellt, dass es wesentlich sei, die Material-Eigenschaften
des menschlichen Ohrkanals nachzuahmen. Im US-Patent 4,680,856 wird
daher ausgeführt:
„... die
ersten 8 mm des äußeren Gehörgangs (Länge 24 mm)
sind vorzugsweise aus Gummi, während
die verbleibenden 16 mm eine Innenschicht von Gips oder einem ähnlichen
Material aufweisen, um entsprechend die fibrös knorpelartigen und knochigen Teile
des Mittelohrs zu simulieren".
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Wie
wir herausfinden konnten, ist diese Anforderung nicht wesentlich.
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Man
könnte
meinen, dass für
akkurate räumliche
Eigenschaften eine sehr detaillierte Nachahmung des Ohrkanals (oder „äußeren Gehörgangs") notwendig sei.
Tatsächlich
gibt das US-Patent 4,680,856 (Zuccarelli) folgendes als wichtig
an:
„...
das erfindungsgemäße System
besitzt im Gehörgang
eine scharfe Dilatation, die wie ein Schalldämpfer bei einem Verbrennungsmotor
wirkt", und:
„Kavität ..., die
als Gehörgang
fungiert, besitzt einen Abschnitt eines elliptischen Abschnitt-Zylinders
mit einer Torsion um seine Achse, derart, dass die Wand, die mit
der externen Öffnung
korrespondiert, antereor liegt, die sich graduell neigt, so dass
sie zur unteren Vorderseite wird, während die posteriore Wand die obere
Rückseite
wird. Je flacher die erstere, desto konvexer ist die letztere".
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Im
Gegensatz zu diesen komplexen Beschreibungen haben wir herausgefunden,
dass ein einfacher metallener (oder Kunststoff)-Ohrkanal 23 mit
den oben genannten dimensionalen Eigenschaften (13) exzellente räumliche Eigenschaften bietet,
wenn er im Zusammenwirken mit einer effektiven Ohrmuschel 10 benutzt
wird (und korrekt mit dieser gekoppelt ist). Zudem sorgt die Verwendung
von Metall (oder Kunststoff) für
eine leichte Herstellbarkeit und bietet effektive akustische Isolation
des Ohrkanals bezügliche
geleiteter Schallabnahme („Mikrofonie") von der Struktur,
auf welcher sie angebracht ist. Man könnte meinen, es gäbe Probleme,
wenn ein akustisch reflektierendes Mikrofon verwendet wird anstelle
einer Struktur eines Materials, das mehr wie ein Trommelfell ist,
doch wir konnten herausfinden, dass auch dieses nicht den Tatsachen dieses
nicht den Tatsachen entspricht. In der Realität besitzt das Trommelfell eine
Reflektion von etwa 0,6, während die
Membranen und Gitter der meisten Mikrofone einen erheblich größeren Wert
aufweisen – wahrscheinlich
etwa bei 0,95 oder größer. Dementsprechend
weisen sie Eigenschaften eines Systems mit einem Mikrofon als Abschluss
einen größeren „Q"-Faktor auf, als
dies einem menschlichen Ohrkanal entsprechen würde, und so haben wir es als
praktisch empfunden, einen leichten, offenporigen Schaumstoff-Dämpfungsstöpsel 24 in
den gesamten Ohrkanal 23 einzubringen. Dies hat den Effekt,
dass die Höhe
der Resonanzspitze um etwa 5 dB vermindert wird, und es hat keinen
Einfluss auf andere Teile des spektralen Ansprechverhaltens oder
der räumlichen
Eigenschaften auf die Anordnung insgesamt.
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Ein
Schnitt-Diagramm ist in 14 gezeigt, das
ein 12 mm-Studiomikrofon
zeigt, das erfindungsgemäß an einer
Ohrkanal-Anordnung angebracht ist; und in 15 ist eine komplette Anordnung von Ohr/Ohrkanal/Mikrofon
gezeigt.
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Bezug
nehmend auf 14 umfasst
der künstliche
Ohrkanal einen metallischen oder Kunststoffblock 26 mit
einer rechten kreisförmigen
zylindrischen Bohrung 27 von 8 mm Durchmesser. Eine Messingröhre 28 mit
einem Innendurchmesser von 7 mm ist in der Bohrung 27 von
Block 26 angebracht. Der Block 26 besitzt eine
Seite 29, welche in einem Winkel von 45° zur Längsachse der Bohrung 27 geneigt
ist. Entsprechend endet ein Ende der Röhre 28 in derselben
abgewinkelten Ebene wie die Seite 29. Die Röhre 28 verläuft durch
eine 2 mm dicke Grundplatte 30, welche es ermöglicht,
den künstlichen
Ohrkanal an der Basis der künstlichen
Ohrmuschel 10 zu befestigen. Die Röhre 28 erstreckt sich über einen Abstand
von 3 mm von der Platte 30.
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Ein
zweiter Block 31 mit einer mittigen rechten kreisförmigen zylindrischen
Ausnehmung 32 von 12 mm Durchmesser ist an dem Block 24 ange bracht,
wobei die Mittenachse der Ausnehmung 32 die Längsachse
der Bohrung 27 schneidet. Ein Mikrofon 33 von
12 mm Durchmesser ist in der Ausnehmung 32 angebracht,
wobei der Grill 34 des Mikrofons in der Ebene der konfrontierenden
Oberflächen der
Blöcke 24 und 31 liegt.
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Bezug
nehmend auf 15 erkennt
man eine Seitenansicht einer laminierten Ohrmuschel 10, die
wie oben beschrieben hergestellt wurde, zusammengesetzt als eine
integrierte Struktur und ausgestattet mit einer künstlichen
Ohrkanal-Struktur 23, die entsprechend 14 konstruiert ist. Der künstliche Ohrkanal 23 ist
mittels der Platte 30 an der künstlichen Ohrmuschel 10 angebracht,
wobei beide Strukturen verschraubt sind. Die Schraubenlöcher in
der Ohrmuschel-Struktur sind gezeigt (6),
doch aus Gründen
der Einfachheit halber wurden diejenigen des Kanals weggelassen.
Ein Abstandsglied 35 von 2 mm Dicke ist hier gezeigt für experimentelle
Arbeit; dies kann an die Basis der Ohrmuschel 10 angeklebt sein.
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Die
erfindungsgemäß hergestellte
laminierte Ohrmuschel kann in einem Kunstkopf-Aufzeichnungssystem
verwendet werden. Angesichts der Tatsache, dass jede laminierte
Ohrmuschel mit einem Master-Satz von Bildern identisch ist (die
linke und die rechte Ohrmuschel werden aufgebaut, indem ein Satz
Halterungen 18 in umgekehrter Reihenfolge in die Schablone
eingebracht werden), können
sehr präzise
Aufzeichnungen getätigt
werden, da die von jeder Ohrmuschel empfangenen Schallwellen durch die
Mikrofone in elektrische Signale umgewandelt werden, welche (digital)
durch einen Signalprozessor aufbereitet werden können, welcher Algorithmen und Filter
mit kopfbezogenen Transferfunktionen verwendet, die aus Messungen
abgeleitet sind, die exakt den Messungen der tatsächlichen
laminierten Ohren stammen, die zur Anfertigung der Aufzeichnung
verwendet wurden. Es ist ersichtlich, dass identische passende Paare
laminierter Ohrmuscheln an einem Kunstkopf-Aufzeichnungssystem verwendet
werden können,
um die geeigneten Signal-Aufbereitungsfilter zur Verwendung an anderen
Kunstkopf- Aufzeichnungssystemen
zu erzeugen, welche mit erfindungsgemäß hergestellten Ohrmuscheln
ausgestattet sind oder auch nicht.