FI94287B - Häiriönvaimennusmenetelmä ja anturikonstruktio signaalin mittaamiseksi kiinteän aineen pinnalta - Google Patents

Description

94287 Häiriönvaimennusmenetelmä ja anturikonstruktio signaalin mittaamiseksi kiinteän aineen pinnalta 5 Keksintö koskee kiinteän aineen pinnalta mitattavan signaalin häiriönvaimennus-menetelmää ja tätä menetelmää soveltavaa anturikonstruktiota. Keksintöä voidaan soveltaa äänisignaalin mittaamiseen mm. teknisissä ja lääketieteellisissä tutkimus-ja diagnosointitehtävissä.

10 Aktiivinen vaimennus tunnetaan ennestään monista sovelluksista, joissa kuuluvaa häiriöääntä eli melua pyritään vaimentamaan tuottamalla vastaääntä. Haitallista tärinää vaimennetaan aktiivisin tärinänvaimennuskeinom. Parhaiten on onnistuttu vaimentamaan ns. yksiulotteista matalataajuista (alle 300 Hz) ääntä, joka tyypillisesti etenee mm. ilmanvaihtoputkistoissa (US-patentti 2 043 416). Kaksi-ja kolmi-15 ulotteisen äänen kompensointi on vaikeampaa ja onnistuu yleensä vain pienellä ti- lavuusalueella, koska vastaäänen täytyy olla vastakkaisessa vaiheessa alkuperäiseen nähden, ja se vaatii näin ollen hyvän ajallisen tarkkuuden. Järjestelmiä, joissa melua vaimennetaan kuljettajan pään ympäristössä, on tehty mm. työkoneita ja helikoptereita varten. Matkustajien viihtyvyyttä liikennevälineissä pyritään paranta-20 maan aktiivisella melun kompensoinnilla tuottamalla vastaääntä matkustajan pään ympäristössä. Järjestelmät eivät yleensä ole kovin käyttökelpoisia. Henkilö on sidottu paikalleen ja jo päätä käännettäessä vaimennuksen taso vaihtelee. Pahimmillaan järjestelmät pettävät ja vaimennus on joko olematonta tai melu saattaa jopa lisääntyä.

.. 25

Tietyissä mm. teknillisissä ja lääketieteen rekisteröintitilanteissa on tarve saada mitatuksi signaali laitteesta tai potilaasta häiriöisissä olosuhteissa. Tällöin hyöty-signaali on saatavissa kehon tai laitteen pinnalta mittaamalla, mutta häiriö(ääni)sig-naali tulee samanaikaisesti kolmiulotteisesti ilman kautta ja summautuu mitattavaan 30 signaaliin. Ongelma on pahin silloin, kun mitattava signaali on heikko. Tällöin joudutaan käyttämään herkkiä antureita, kuten mikrofonia, joka rekisteröi tarkasti myös ympäröivän ilman painevaihtelut eli häiriösignaalin.

Eräässä sovellustehtävässä, hengitys- ja sydänäänien rekisteröinnissä, käytetään 3 5 hyvälaatuisia mikrofoneja ja ainoastaan passiivista melusuojaa. Käytetyt melusuojat, esimerkiksi kuulosuojain, jonka sisään takaseinämän läpi on asennettu melko suurikokoinen mikrofoni, ovat konstruktioltaan liian kookkaita erityisesti lapsilta, mutta myös aikuisten kaulalta tehtäviin mittauksiin. Kokonaan häiriösuojattomiakin 94287 2 mikrofoneja käytetään, jolloin mittaushuone on saatava hiljaiseksi rekisteröinnin ajaksi. Käytettäessä äänen mittaukseen kiihtyvyysantureja ilman kautta tulevat häiriöt kytkeytyvät vain vähäisessä määrin signaaliin. Kiihtyvyysantureiden käyttö on kuitenkin mm. lääketieteellisissä äänitutkimuksissa rajoitetumpaa niiden epä-5 herkkyyden ja matalampiin taajuuksiin rajoittuvan taajuusalueen vuoksi.

Edellä kuvattujen ongelmien ratkaisemiseksi keksinnön tarkoituksena saada aikaan tehokas häiriönvaimennusratkaisu lääketieteessä ja tekniikassa esiintyviin mittaus-tarpeisiin tilanteissa, joissa häiriöisissä ja meluisissa ympäristöissä on mitattava 10 esimerkiksi koneen, laitteen tai potilaan pinnalta usein melko heikkoja signaaleita, esimerkiksi äänisignaaleja. Seuraavassa tarkastellaan tekniikan tasona eräitä tunnettuja ratkaisuja, jotka ovat sovellutukseltaan tai toteutukseltaan jossain määrin lähellä keksinnön ratkaisua.

15 Ruotsalaisessa kuulutusjulkaisussa SE-452 946 on esitetty hengityksen ilmaisemiseen tarkoitettu järjestely, jonka sovellusesimerkissä yhdellä mikrofonilla mitataan hengitysääntä ihmisen kaulan etupuolelta ja toinen mikrofoni on sijoitettu kaulan sivulle, niskaan tai korvan taakse. Signaalit vähennetään toisistaan, ja tuloksena saadaan indikaatio sille, e jä potilas hengittää. Ratkaisu vaikuttaa yksinkertaiselta, 20 mutta äänenkäsittelytekniikkaa tuntevalle on selvää, että kun mikrofonit ovat jolti-sellakin etäisyydellä toisistaan eikä niiden suojaukseen ole kiinnitetty huomiota, ratkaisun toimiminen edellyttää signaalien esikäsittelyä, johon julkaisun ratkaisussa kuuluvat matalien äänien suodattaminen, äänisignaalien tasasuuntaaminen ja signaalien keskiarvotstaminen tietyn ajan yli. Tuloksena saadaan keksinnön tarkoituk-; 25 sen mukaisesti vain hengitystä ilmaiseva jännite, eikä varsinaista äänisignaalia enää esiinny. Ratkaisu ei sovellu tarkoituksiin, joissa alkuperäinen signaali halutaan puhdistaa ympäristön häiriöäänistä ja säilyttää mahdollisimman koskemattomana alkuperäisessä aaltomuodossaan.

30 Hakemusjulkaisussa WO-90/09083 on kuvattu mikrofoni kehon äänien mittaamiseksi. Ratkaisun perustana on kiinteä ja umpinainen kammio, jonka sisässä on joustavan kalvon varaan ripustettu massaelementti. Kalvo jakaa kammion kahteen osaan, joista ääni johdetaan kahta ilmaputkea pitkin kahdelle mikrofonille, joihin tulevat signaalit summataan elektronisella siltakytkennällä. Signaali saadaan kam-35 mion ja sen sisällä olevan massan vastakkaisvärähtelystä sekä tämän johdosta kah teen kammioon muodostuvien vastakkaisten painevaihtelujen kautta. Ongelmaksi muodostuu se, että signaalien summaaminen kahdesta vastakkaisvaiheisesta paine-kammiosta kahden mikrofonin kautta johtaa melun kompensoitumisen ohella myös 3 94287 matalataajuisen signaalin kompensoitumiseen. Ratkaisu on myös epäherkkä, koska kehon äänivärähtelyjen on liikutettava koko kuorirakennetta. Lisäksi pehmeä kudos ja anturin massa muodostavat harmonisen värähtelijän, jolla on resonanssitaajuus. Kiinteää yksikerroksista kuorta lukuunottamatta passiivista melusuojaa ei ole käy-5 tetty, ja muun muassa mikrofonielementit ovat vapaina ja siten alttiina häiriöille. Tästä huolimatta patenttijulkaisussa ei edellytetä, että mikrofonielementtien pitäisi sijaita lähellä toisiaan. Julkaisussa ei ole esitetty esimerkkejä, jotka osoittaisivat, millä taajuusalueella ja minkä tasoisena melun torjuminen onnistuu.

10 Patentissa US-4 985 925 on esitetty aktiivinen melunvaimennusjärjestelmä, joka on suunniteltu ensisijaisesti korvakäytävään asetettavaksi elektronisesti toimivaksi kuulosuojaimeksi ja helpottamaan kommunikointia meluisissa olosuhteissa. Järjestelmä koostuu korvakäytävään asetettavasta sovittimesta ja sen sisään sijoitettavasta elektronisesta kuulosuojainlaitteesta. Runkorakenne muodostaa passiivisesti vai-15 mentävän kuoriosan, jonka sisällä on kaksitoiminen äänianturi (bilateral transducer), joka toimii mikrofonina ja kaiuttimena. Äänianturi-kaiutin mittaa mikrofonin ominaisuudessa passiivisesti vaimennettua ympäristön ääntä. Siihen summataan akustisesti erotusääni, joka saadaan, kun hyötysignaalista vähennetään mikrofonin muodostama sähköinen signaali. Eron tekeminen hyöty-ja häiriösignaalien välille 20 perustuu osittain siihen seikkaan, että hyötysignaali johdetaan kuulosuojaimeen erillisellä johdolla ulkopuolelta, ja osittain taajuusjakoon: hyötysignaali, esimerkiksi puhe, on painottunut korkeammille taajuuksille kuin ympäristöhäiriöt, esimerkiksi teollisuuden ja liikenteen melu. Hyötysignaali esisuodatetaan ja vahvistetaan. Vaimennusteho, joka on painottunut matalille taajuuksille, perustuu äänenpaineen 25 aiheuttaman mekaanisen liikkeen välittömään tunnistamiseen ja sen kompensoimiseen negatiivisella takaisinkytkennällä saatavalla sähkömagneettisella vastavoimalla. Saavutettava aktiivisen kompensoinnin ylärajataajuus on n. 1 kHz. Esitetty kompensointi toimii kohtalaisen hyvin korvakäytävässä, joka on likimain yksiulotteinen tila.

30

Julkaisussa US-4 985 925 mainitaan edelleen, että sen ratkaisua voidaan soveltaa myös stetoskooppiin. Stetoskoopin anturipää on tällöin tavanomainen ja ratkaisun mukainen kuulosuojain sijaitsee korvakäytävässä ympäristömelun vaimentamiseksi potilasta kuunneltaessa. Kompensointi perustuu yhteen mikrofoniin, johon hyöty-35 ja häiriösignaalit summataan akustisesti. Hyötysignaali voidaan ottaa ulkopuolisesta lähteestä, esimerkiksi mikrofonista, johon signaali täytyy saada mitatuksi korvan sijaintipaikkaa häiriöttömämmin. Stetoskoopin tapauksessa potilas ja stetoskoopin anturipää ovat kuitenkin samassa huonetilassa kuuntelevan henkilön ja hänen kor- 94287 4 viensa kanssa, jolloin kuulonsuojaimista ei ole paljon hyötyä, koska melu kytkeytyy signaaliin anturipään kautta.

Esillä olevassa keksinnössä ratkaisun periaatteena on, että vastaääntä ei tuoteta, 5 vaan tarkoituksena on saada mahdollisimman puhdasta signaalia häiriöisissä oloissa mittaamalla häiriöt akustisesti samanlaisina kahdella mikrofonilla ja kompensoimalla ne sen jälkeen elektronisesti linjatasolla. Tämä voi toteutua menestyksellisesti vain, mikäli anturikonstruktio on akustisesti oikein rakennettuja mitoitettu.

10 Keksinnön mukaiselle ratkaisulle on tunnusomaista hyötysignaalin mittaaminen kiinteän aineen pinnalta yhdellä mikrofonilla ja mittauspistettä ympäröivän väliaineen (ilma, muu kaasu, neste) kautta tulevien häiriöiden samanaikainen mittaaminen kahdella mikrofonilla. Häiriöt saadaan poistetuksi hyötysignaalista summaa-malla siihen käännetty häiriösignaali. Anturirakenteeseen kuuluu tehokas passiivi-15 nen häiriösuoja. Suojan sisällä tarvitaan kaksi mikrofonia, mikä mahdollistaa aktiivisen häiriönvaimennuksen toteutuksen. Mikrofonien välinen etäisyys on mahdollisimman pieni, minkä ansiosta päästään hyvään kompensointitasoon ja melko korkeisiin kompensointitaajuuksiin.

20 Mikrofonit istutetaan tiiviisti akustisesti hyvään eristemateriaaliin, johon tehdään kummankin mikrofonin eteen toisistaan eristetyt akustiset kammiot, minkä ansiosta pienestä välimatkasta huolimatta hyötysignaali ei siirry pelkästään häiriöitä mittaa-vaan mikrofoniin. Akustisilla kammioilla on sama tilavuus, niillä halutaan samanlaistaa (sama spektri) mikrofoneihin kytkeytyvää häiriösignaalia. Mikrofonien ta-: 25 kasivut ovat välittömässä akustisessa yhteydessä toisiinsa, minkä ansiosta mikro fonien keskinäinen etäisyys on mahdollisimman pieni häiriösignaalin osalta.

Hyötysignaalin saantia tehostetaan leveällä ja matalalla ja tilavuudeltaan pienellä akustisella kammiolla, minkä ansiosta kammion resonanssitaajuus on riittävän yl-30 häällä, niin ettei se vääristä mitattavaa signaalia.

Kammioista johtavat ulos ohuet symmetriset paineentasausreiät, jotka vähentävät mittauskohteesta aiheutuvia hyvin matalataajuisia häiriöitä ja parantavat kompen-sointitulosta.

Mikrofonit toimivat samanaikaisesti sekä antureina että fyysisesti eristävinä tulppina.

35 5 94287

Molempien mikrofonien signaalit voidaan taltioida omista johdoistaan, jolloin kompensointi voidaan tehdä joko elektronisesti piiritekniikalla tai esimerkiksi tietokoneessa, jossa kompensointia voidaan vielä tehostaa yhdistämällä käsittelyyn matemaattisia ja signaalinkäsittelymenetelmiä.

5

Keksinnön mukaiselle häiriönvaimennusmenetelmälle kiinteän aineen pinnalta mitattavan signaalin laadun parantamiseksi on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1.

10 Keksinnön mukaiselle anturikonstruktiolle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 4.

Muissa patenttivaatimuksissa on esitetty keksinnön mukaisen häiriönvaimennus-menetelmän ja anturikonstruktion sovellutusmuotoja.

15

Keksinnön mukaisella menetelmällä ja laitteella saadaan aikaan ratkaisevia parannuksia edellä tekniikan tason tarkastelun yhteydessä esiteltyyn olemassaolevaan tekniikkaan verrattuna. Ensinnäkin keksinnöllä päästään esitettyjä kompensointirat-kaisuja selvästi parempaan kompensointitulokseen muuttamatta alkuperäistä sig-20 naalia oleellisesti. Täten häiriöistä puhdistettua signaalia on mahdollista käyttää tarkkoihin aaltomuoto-ja taajuusanalyyseihin kompensoinnin jälkeen. Toiseksi keksinnöllä saavutetaan parempi kokonaishäiriövaimennus kuin tunnetuilla anturi-ratkaisuilla. Kolmanneksi anturikonstruktion signaalinsieppauksen hyötysuhde häiriöisissä olosuhteissa on parempi erityisesti korkeilla taajuuksilla, koska päämikro-25 foni on suorassa yhteydessä mitattavan pinnan kanssa. Lisäksi keksinnön mukainen anturikonstruktio voidaan rakentaa olemassaolevia ratkaisuja merkittävästi pienikokoisemmaksi, koska rajoituksena on vain käytettävissä olevien mikrofonielement-tien koko.

30 Anturikonstruktiosta saadaan yksinkertainen, koska elektronisia kompensointipiire-jä ei ole mukana. Kahden saatavan signaalin kompensointi tehdään jälkeenpäin, joko reaaliajassa tai talletetuille signaaleille myöhemmin. Oleellista on, että signaalit saadaan mikrofoneista jatkokäsittelyä varten. Kompensoitumisen yläraja on riippuvainen vain mikrofonielementtien koosta ja keskinäisestä etäisyydestä ja on ylem-35 pänä kuin esimerkiksi patentin US-4 985 925 ratkaisussa, jossa hyöty- ja häiriösig-naalit erotetaan kompensointipiirissä toisistaan suodattamalla, mikä merkitsee hyö-tysignaalin merkittävää muokkaamista. Esillä olevassa keksinnössä signaali saadaan suoraan kiinteän aineen pinnalta alkuperäisenä. Signaalilähde tulee suojatuksi 94287 6 melulta passiivisesti, kun anturikonstruktio asetetaan fyysisesti mittauskohdan päälle ja painetaan tiiviisti pintaa vasten.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin piirustuk-5 siin, joista: kuva 1 esittää keksinnön mukaisen anturikonstruktion erästä toteutusmuotoa (a) alta, (b) sivulta, (c) päättäjä (d) takaa johdon puolelta katsottuna ja 10 kuvat 2 ja 3 esittävät kuvan 1 anturikonstruktion testaamiseksi tehtyjen taajuusvas-temittausten tuloksia.

Kuva 1 esittää kiinteän aineen pinnalta mittaavaa häiriöitä kompensoivaa anturi-konstruktiota, joka on rakennettu lääketieteellisiä, erityisesti hengitysäänimittauksia 15 varten, mutta soveltuu myös mm. elimistön muiden äänien kuten sydänäänien mittaamiseen sekä moniin teollisuuden teknisiin mittauksiin.

Käytettävien mikrofonien 1, 2 kapselikoko on pieni ja niiden välinen etäisyys lyhyt, minkä ansiosta saavutettava kompensointikaista on laaja, alkaen alle 50 Hz:stä 20 ja ulottuen yli 5000 Hz:iin (kuvat 2 ja 3). Samalla konstruktiosta saadaan pieni, kevyt ja helppokäyttöinen; tämän vuoksi myös mikrofonien käyttöjännitteeksi tarvittava paristo on sijoitettu johdon 11 toiseen päähän. Toteutettuun anturirakenteeseen kuuluu tehokas passiivisesti vaimentava monikerroksinen kuoriosa 8, joka koostuu sisäkkäin rakennetuista kovista ja huokoisista kerroksista, joita esimerkkilaitteessa ; 25 on kaksi kerrosparia. Vaimennus on sitä tehokkaampi mitä useampia kerroksia ra kenteessa on. Kuoriosa on liitetty ja mikrofonit istutettu tiiviisti akustisesti hyvään eristemateriaaliin 7, johon on työstetty kummankin mikrofonielementin eteen toisistaan erillään olevat kammiot 3 ja 4, minkä ansiosta pienestä välimatkasta huolimatta hyöty signaali ei siirry häiriömikrofoniin. Mikrofonien takasivut ovat välittö-30 mässä akustisessa yhteydessä toisiinsa kammion 5 kautta, jonka tehtävänä on toteuttaa passiivisen suojan 7, 8 läpi tulevan häiriösignaalin kytkeytyminen samanlaisena kumpaankin mikrofoniin. Hyötysignaali saadaan leveän ja matalan, jotka ominaisuudet vahvistavat signaalia, ja riittävän pienen akustisen kammion 3 kautta, minkä ansiosta kammion resonanssitaajuus on niin ylhäällä, ettei se vääristä sig-35 naalia. Häiriöitä mittaavan mikrofonin 2 edessä on akustinen kammio 4, jonka tehtävänä on akustisesti samanlaistaa mikrofoneihin kytkeytyvää häiriösignaalia. Kammio 4 on kooltaan suunnilleen samankokoinen kuin kammio 3 käyttötilanteessa, koska kammio 3 pienenee konstruktiota potilaan iholle painettaessa ihon pullis- 7 94287 tuessa hieman kammion sisään. Kammioista johtavat ulos ohuet paineentasausreiät 10, jotka on ulkopinnalla sijoitettu hyvin lähelle toisiaan. Reiät vähentävät mittaus-kohteesta aiheutuvia hyvin matalataajuisia painevaihteluja ja parantavat kompen-sointitulosta. Mikrofonien esivahvistimien komponentit 6 sisältävä sisätila on te-5 hokkaasti vaimennusmateriaalilla 9 akustoitu kaiunnan ja resonanssien estämiseksi.

Aktiivinen vaimennus perustuu tässä keksinnössä kahteen identtiseen, keskenään hyvin lähekkäin sijoitettuun pienikokoiseen mikrofoniin, toteutetussa konstruktiossa kahteen mikrofoniin 1 ja 2, joiden signaalit voidaan yhdistää siten, että hyöty-10 signaalissa olevat häiriöt vaimentuvat pelkästään häiriöitä mittaavan mikrofonin 2 kautta saatavalla signaalilla. Anturikonstruktion suojakuorena olevan monikerroksisen, tehokkaan passiivisen melusuojan 8 tehtävänä on vaimentaa kaikkia, mutta ensisijaisesti korkeita taajuuksia. Passiivinen vaimennus vaikuttaa kumpaankin mikrofoniin tulevaan häiriösignaaliin samalla tavalla, ts. häiriöt ovat jo ennen ak-15 tiiviseen vaimennukseen menoa passiivisesti vaimentuneita. Aktiivisen vaimennuk sen tehtävänä on vähentää ensisijaisesti matalia häiriötaajuuksia, joihin passiivinen suoja ei pienikokoisessa rakenteessa vaikuta fysikaalisista syistä kovin tehokkaasti. Jotta anturikonstruktiolla saataisiin mahdollisimman hyvä signaali, täytyy hyöty-mikrofonilla olla hyvä kontakti niitattavaan pintaan. Tämä kytkentä tapahtuu suo-20 raan ja tehokkaasti akustisen kammion 3 kautta, kun anturikonstruktio painetaan mittauspintaa vasten. Jotta kompensoituminen olisi mahdollisimman tehokasta, täytyy häiriösignaalin kytkeytyä mahdollisimman samanlaisena kahteen mikrofoniin. Tämä toteutuu sitä tehokkaammin mitä lähempänä mikrofonit ovat toisiaan. Koska mikrofonit eivät voi olla aivan samassa pisteessä, tilannetta parantaa, jos 25 mikrofonien akustiset olosuhteet, kuten niiden edessä olevat kammiot 3 ja 4 vastaavat akustisesti hyvin toisiaan ja takana oleva kammio 5 on samanlainen kummankin mikrofonin kannalta. Kammioista ulosjohtavien paineentasausreikien 10 tulee myös olla samankokoiset ja yhtä pitkät. Jotta reikien kautta sisään tulevat ulkoiset paineheilahtelut tulisivat molemmille mikrofoneille samanaikaisesti, täytyy reikien 30 ulostuloaukkojen sijoittua ulkopinnalla keskenään aivan lähekkäin. Reiät eivät kuitenkaan saa yhtyä, koska silloin hyötysignaali siirtyy heikentyneenä myös häiriö-mikrofonille kanavia 10 pitkin ja johtaa hyötysignaalin osittaiseen kompensoitumi-seen.

35 Jotta mikrofonielementit voitaisiin sijoittaa hyvin lähelle toisiaan, ne täytyy upottaa tiiviisti jäykkään akustiseen eristemateriaaliin, konstruktiossa runkoon 7. Mikrofonien kapselit toimivat päätehtävänsä ohella akustisina tulppina, sillä kammion 3 kautta tuleva hyötysignaali ei saa päästä siirtymään mikrofonien taakse, jossa yh- 94287 8 dyskammio 5 yhdistää mikrofonit akustisesti läheisesti toisiinsa. Yhdyskammion tehtävänä on saattaa häiriösignaalin kytkeytyminen kumpaankin mikrofoniin samanlaisena, jotta kompensointitulos olisi mahdollisimman lähellä nollaa niin, että vain hyötysignaali jäisi puhtaana jäljelle. Pelkästään häiriöitä mittaavan mikrofonin 5 2 kammio 4 ei ole yhteydessä hyötysignaalin akustiseen kammioon 3, vaan välissä on tukeva runkomateriaalia 7 oleva tehokkaasti eristävä seinämä. Konstruktion sisätilaan on sijoitettu mikrofonien esivahvistimeen tarvittavat elektroniset komponentit 6. Vapaaksi jäävä tila on täytetty akustisesti vaimentavalla materiaalilla 9, jotta häiriöäänten taso olisi mahdollisimman alhainen, kaiuton ja resonoimaton.

10 Paineentasausreiät 10 päästävät jonkun verran painevaihtelua sisään eli mikrofoni -kapseleihin kytkeytyvä melutaso nousee, mutta samalla kompensoituminen paranee. Vaikutus on vahvasti riippuvainen reikien halkaisijasta ja pituudesta ja niiden suhteesta.

15 Kuvat 2 ja 3 esittävät toteutusesimerkkianturikonstruktion testaamiseksi tehtyjä taajuusvastemittaustuloksia. Kuvassa 2 on esitetty tasokäyrät valkoisessa kohinassa ja vaimennus vertailu, kun anturikonstruktio on viritettynä aktiiviseen vaimennukseen ja kuvassa 3 tasokäyrät valkoisessa kohinassa ja vaimennusvertailu, kun anturikonstruktio on viritettynä passiiviseen vaimennukseen. Toteutusesimerkille tun-20 nusomaista on, että anturikonstruktio toteuttaa niitattaessa kuvissa 2 ja 3 esitetyt aktiivista ja passiivista vaimennusta kuvaavat käyrät.

Hyvälaatuisella hifikaiuttimella tuotettiin valkoista kohinaa HIFI-lehden julkaisemalta testi-CD-levyltä ja mittaukset tehtiin taajuuskaistalla 40 - 6000 Hz tavalli-. : 25 sessa huoneessa. Kaiuttimen ja mikrofonin etäisyys oli 25 cm. Kuvassa 2 on mi tattu tasokäyrät, kun anturikonstruktio on ollut viritettynä aktiiviseen vaimennukseen. Käyrä 'Kohina suoraan' on mitattu avoimella mikrofonilla. 'Hyötykanava'ja 'Melukanava' on mitattu laitteen normaalissa käyttötilanteessa taustakohinan aikana, kuitenkin ilman hyötysignaalia. Käyrien avulla voidaan tehdä vaimennusvertai-30 lu taajuusalueella 50 - 5000 Hz. Käyristä havaitaan, että passiivinen vaimennus vaikuttaa tehokkaasti vasta taajuudesta 2000 Hz ylöspäin, kun aktiivinen vaimennus alkaa alle 50 Hz:stä ja jatkuu 5000 Hz:iin asti. Hyötykanavaan verrattuna 'Kompensoitu' -käyrä eli aktiivinen vaimennus on merkittävää eli yli 10 dB, laajalla kaistalla, 60 - 3000 Hz, kun äänentuottojärjestelmissä voidaan saavuttaa korkeam-35 piakin dB-arvoja, mutta huomattavasti kapeammalla kaistalla. Sopiva tapa vertailla kokonaistulosta on laskea desibeliarvot terssikaistoittain ja summata nämä. Keksinnöllä tehty kuvasta 2 laskettu kokonaisvaimennustulos on 231 terssidesibeliä, kun äänillä tehtävissä kompensoinneissa on päästy arvoihin Chelsean-menetelmä 87 9 94287 terssidesibeliä ja lentäjän korvakuulokkeisiin tuotettu vastamelu 161 terssidesibeliä. US-patentissa 4 985 925 on päästy esitetyllä taajuuskaistalla 100 - 5000 Hz arvoon 207,70 terssidesibeliä, kun esillä olevalla keksinnöllä vastaavalla kaistalla on mitattu arvo 210,35 terssidesibeliä.

5

Kuvassa 3 on vertailun helpottamiseksi kolme samaa käyrää kuin kuvassa 2 ('Hyötykanava' = 'Akt. viritys'), mutta kuvan 2 melukanavan tilalla on kuvassa 3 'Pass, viritys', joka on mitattu siten, että anturikonstruktio on ollut viritettynä passiiviseen vaimennukseen, mikä tapahtui sulkemalla paineentasausreiät (10). Tällöin 10 passiivinen vaimennus muuttuu kuvan 3 käyrän 'Akt. viritys' tasosta käyrän 'Pass, viritys' tasoon. Vertaamalla kuvan 3 käyriä 'Pass, viritys'ja 'Kompensoitu' havaitaan, että aktiivinen kompensointi vaimentaa määrän 0 - 12 dB taajuuskaistalla 100 - 2000 Hz. Vaimennuksen kokonaisvaikutus on 120 terssidesibeliä. Tätä vaimennusta voidaan pitää keksinnön aktiivisen vaimennuksen ansiosta tapahtuneena 15 absoluuttisena parannuksena verrattuna passiivisella vaimennuksella saavutettuun tasoon. Keksintöä virittämällä ja kehittämällä on todennäköisesti mahdollisuus päästä vielä jonkin verran parempaan vaimennustulokseen.

Claims (12)

1. Häiriönvaimennusmenetelmä kiinteän aineen pinnalta mitattavan hyötysig-naalin laadun parantamiseksi, kun häiriösignaali tulee ympäröivän väliaineen kautta ja kun ensimmäisellä mikrofonilla (1) mitataan hyötysignaalia ja häiriösignaalia ja 5 samanlaisella tai vastaavalla toisella mikrofonilla (2) mitataan pelkästään häiriösignaalia, tunnettu siitä, että passiivisen ja aktiivisen häiriönvaimennuksen vaikutukset yhdistetään siten, että ensimmäinen mikrofoni (1) ja toinen mikrofoni (2) sijoitetaan toisistaan akustisesti eristettyinä akustisesti vaimentavan, resonanssit ja kaiut estävällä vaimenit) nusmateriaalilla (9) varustetun suojakuoren (7, 8) sisään molemmille mikrofoneille (1, 2) tulevan häiriösignaalin vaimentamiseksi passiivisesti olennaisesti yhtä voimakkaasti, mikrofonit (1, 2) sijoitetaan samalla mahdollisimman pienelle etäisyydelle toisistaan, jotta häiriösignaali voidaan saada kytkeytymään mikrofoneille (1,2) 15 olennaisen tarkasti samanlaisena, häiriösignaalin kytkeytymistä mikrofoneille (1,2) samanlaistetaan lisäksi kammiojärjestelyllä, johon kuuluvat ainakin toisiaan vastaavat ensimmäinen kammio (3), joka ensisijaisesti kytkee hyötysignaalin ensimmäiselle mikrofonille (1), ensimmäisen mikrofonin (1) edessä ja toinen kammio (4) toisen mikrofonin (2) 20 edessä, ja kammioiden paineentasausjärjestelyllä (10), ja toiselta mikrofonilta (2) saadun signaalin mukainen signaali poistetaan ensimmäiseltä mikrofonilta (1) saadusta signaalista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen häiriönvaimennusmenetelmä, tunnettu siitä, 25 että toiselta mikrofonilta (2) saadun signaalin mukainen signaali poistetaan ensimmäiseltä mikrofonilta (1) saadusta signaalista vähentämällä suoraan toiselta mikrofonilta (2) saatu signaali ensimmäiseltä mikrofonilta (1) saadusta signaalista.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen häiriönvaimennusmenetelmä, tunnettu siitä, 30 että ensimmäisen ja toisen mikrofonin (1, 2) signaalit johdetaan erillisinä jatkokäsi- teltäviksi, jolloin toiselta mikrofonilta (2) saadun signaalin mukaisen signaalin poistaminen ensimmäiseltä mikrofonilta (1) saadusta signaalista tapahtuu signaalien käsittelyn ja/tai analysoinnin jälkeen.

4. Anturikonstruktio hyötysignaalin mittaamiseksi kiinteän aineen pinnalta, kun ympäröivän väliaineen kautta tulee häiriösignaali, konstruktion sisältäessä ensim-^' mäisen mikrofonin (1) sekä hyötysignaalin että häiriösignaalin mittaamiseksi ja sa- 94287 manlaisen tai vastaavan toisen mikrofonin (2) pelkästään häiriösignaalin mittaamiseksi, tunnettu siitä, että se sisältää: akustisesti vaimentavan, resonanssit ja kaiut estävällä vaimennusmateriaalilla (9) varustetun suojakuoren (7, 8), jonka sisään ensimmäinen mikrofoni (1) ja toinen 5 mikrofoni (2) on istutettu mahdollisimman pienelle etäisyydelle toisistaan ja toisistaan eristettyinä, molemmille mikrofoneille (1,2) tulevan häiriösignaalin vaimentamiseksi passiivisesti olennaisesti yhtä voimakkaasti ja sen mahdollistamiseksi, että passiivisesti vaimennettu häiriösignaali voi kytkeytyä molemmille mikrofoneille (1, 2. olennaisen tarkasti samanlaisena, sekä 10 häiriösignaalin mikrofoneille (1,2) kytkeytymisen samankaltaistamiseksi li säksi järjestelyn, johon kuuluvat ainakin: ensimmäisen mikrofonin (1) edessä kiinteän aineen pintaan, kun anturi on pintaa vasten, rajoittuva ensimmäinen kammio (3), jonka ensisijaisena tehtävänä on hyöty signaalin kytkeminen ensimmäiselle mikrofonille (1), 15 toisen mikrofonin (2) edessä ensimmäistä kammiota (3) vastaava, suojakuoren (7, 8) sisään muodostettu toinen kammio (4), sekä kammioiden paineentasausjärjestely (10).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen anturikonstruktio, tunnettu siitä, että toinen 20 kammio (4) on muodostettu tilavuudeltaan olennaisesti yhtä suureksi kuin ensimmäinen kammio (3).

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen anturikonstruktio, tunnettu siitä, että sanottu järjestely häiriösignaalin mikrofoneille (1,2) kytkeytymisen samankaltais- • 25 tamiseksi sisältää lisäksi mikrofonit (1,2) vastaaviin akustisiin kammioihin (3, 4) nähden vastakkaisilta puoliltaan akustisesti toisiinsa yhdistävän symmetrisen onkalon (5) suojakuorimateriaalissa (7).

7. Jonkin patenttivaatimuksen 4-6 mukainen anturikonstruktio, tunnettu siitä, 30 että kammioiden (3, 4) paineentasausjärjestelyn muodostavat kammioihin (3, 4) suojakuoressa (7, 8) sen ulkopinnalta johtavat vastaavat ohuet paineentasausreiät (10) , jotka ovat yhtä pitkät ja yhtä etäällä mikrofoneista (1, 2) ja sijoittuvat suoja-kuoren (7, 8) ulkopinnalla välittömästi vierekkäin.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 4-7 mukainen anturikonstruktio, tunnettu siitä, että ensimmäinen akustinen kammio (3) on muotoiltu siten, että mittauspinnan . suhde kammion tilavuuteen on suuri, jolloin saadaan aikaan vahvistusvaikutus hyötysignaaliin. 94287

9. Jonkin patenttivaatimuksen 4-8 mukainen anturikonstruktio, tunnettu siitä, että ensimmäinen mikrofoni (1) toimii samalla tulppana eli osana mikrofonien (1, 2. välistä passiivista suojaa, jolla estetään hyötysignaalin pääsy toiselle mikrofonille (2). 5

10. Jonkin patenttivaatimuksen 4-9 mukainen anturikonstruktio, tunnettu siitä, että suojakuori (7, 8) muodostuu monikerroksisesta kuoresta (8) ja akustisesti hyvin vaimentavasta runkomateriaalista (7).

10 94287

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen anturikonstruktio, tunnettu siitä, että run- komateriaali (7) on akustisesti hyvin vaimentavaa kumimateriaalia.

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen anturikonstruktio, tunnettu siitä, että monikerroksinen kuori (8) koostuu kovista muovikerroksista ja niiden välissä ole-15 vasta huokoisesta solukumista.