DE2803411A1 - Kopfhoerer zum verbesserten raeumlichen hoeren - Google Patents

Kopfhoerer zum verbesserten raeumlichen hoeren

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Description

AKG Akustische u. Kino-Geräte Gesellschaft m.b.H. Brunhildengasse 1, Wien 15 (Österreich)
Kopfhörer zum verbesserten räumlichen Hören
Gegenstand der Erfindung ist ein Kopfhörer der circumauralen Bauart, bei dem das den Kopplungsraum bildende jedem Ohr zugeordnete schalenförmige Gehäuse mit seinem Rand am Kopfe des Benutzers aufliegt und dabei dessen Ohr umschließt.
Derartige Kopfhörer haben derzeit eine weite Verbreitung gefunden, da sie ein angenehmes Tragen auch über längere Zeit ermöglichen und dem Konstrukteur ausreichend Platz für akustische und bzw. oder elektrische Anordnungen zur Verbesserung der Wiedergabeeigenschaften des Hörers zur Verfügung steht.
Der Nachteil der bekannten Kopfhörer dieser Art liegt jedoch darin, daß auch sie bisher das Problem der "Im Kopf Lokalisation" des Hörereignisses nicht lösen konnten.
Es ist das Ziel der Erfindung, sowohl das Richtungsais auch das Entfernungshören zu verbessern, und überdies die störende Erscheinung der "Im Kopf Lokalisation" zu eliminieren. Der erfindungsgemäße Kopfhörer^ist auch für Zwecke der Audiometrie geeignet.
Bekannte Hörerkonstruktionen, die dasselbe Ziel erreichen sollen, wie beispielsweise die Vorschläge gemäß den DT-OSen 2 540 680 und 2 343 818, bringen zwar eine
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gewisse Verbesserung des räumlichen Hörens mit sich, es fehlt diesen Konstruktionen jedoch die Eigenschaft, das Hörereignis entsprechend dem Schallereignis genügend weit nach außen bzw, nach vorne darzubieten, so daß im allgemeinen nach wie vor der Eindruck erweckt wird, man befinde sich, beispielsweise bei der Wiedergabe eines Musikstückes, mitten im Orchester.
Eingehende Untersuchungen und Messungen am äußeren Ohr haben ergeben? öaG die Ohrmuschel dan größten Einfluß auf das Eichtungs- und Entfernungshören hat. Es hat sich weiters gezeigt, daß eine schailreflektierende Fläche, selbst wenn sie von sehr kleiner Ausdehnung ist, z.B. von 2 cm", in unmittelbarer Nähe der Ohrmuschel, bzw.
2 gang
von 1 cm in der iTähs des Gehörieingangs bereits lineare Verzerrungen der Ghrsignale bewirkt, die einen nachteiligen Einfluß auf das Eichtimgs- und Entfernungshoren haben.
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V/enn en auch zutreffend ist, daß im allgemeinen Schallreflexionen mit optischen Reflexionen verglichen werden können,, so ist wichtig, festzustellen, daß bei Schallreflexionen die reflektierende Fläche als Entstehungsort der Schallwelle empfunden wird.
Die Erfindung geht davon aus, daß sich keine
reflektierenden Flächen, vor allem schallharte Flächen, selbst kleiner Ausdehnung in der Nähe der Ohrmuschel befinden dürfen, wenn Störungen der Ohrsignale vermieden werden sollen. Besonders störend sind Flächen rings xim den elektroakusti sehen Wandler oder das Ohrpolster, selbst wenn letzteres nur etwa 1 cm hoch ist und das Ohr umschließt- Die Ohrmuschel muß in ihren akustischen Eigenschaften ungestört wirksam sein können, um verzerrungsfreie Ohrsignale zu erhalten.
Die Erfindung betrifft demnach einen Kopfhörer der eingangs beschriebenen Art, bei dem erfindungsgemäß keine reflektierenden Flächen auftreten. Dies wird dadurch erreicht, daß das wenigstens einen elektroakustischen Wandler enthaltende schalenförmige Gehäuse zur Gänze als akustischer Reibungswiderstand bzw. als Träger eines solchen ausgebildet ist und gegebenenfalls den Abfall bei den tiefen Frequenzen kompensierende elektrische und bzw. oder akustische Anordnungen vorgesehen sind.
Maßnahmen zur Anhebung der niederen Frequenzen beim erfindungsgemäßen Hörer können deshalb erforderlich sein, weil über den durch das Gehäuse gebildeten Reibungswiderstand eine Verbindung mit der Außenluft hergestellt bzw. zur Rückseite der v.'andlermemebran ist, was ohne besondere Maßnahmen zu einem bei den tiefen Frequenzen abfallenden Frequenzgang führt.
Als akustische Maßnahmen zum Ausgleich des Abfalles können vorteilhaft passive oder Blindmembranen vorgesehen sein? die sich unmittelbar vor der Wand des schalenförmigen«, als Reibungswiderstand ausgebildeten Gehäuses befinden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, an die Membran öms elektroakustischen Wandlers eine Luftmasse anzukoppeln, um ihre Eigenresonana in den Bereich der tiefen Frequenzen au verlegeru
Der Frequenzgang kann aber auch elektrisch.
kompensiert werden, beispielsweise durch Einschaltung eines Tiefpassfilters. Erforderlichenfalls ist es zweckmäßig, gleichzeitig zwei oder drei der vorstehend beschriebenen Maßnahmen zum Ausgleich des Frequenzganges anzuwenden.
Für den erfindungsgemäß angestrebten Effekt ist der Ort, an dem der oder die elektroakustischen Wandler im schalenförmigen Hörergehäuse angeordnet werden, von entscheidender Bedeutung, da Ja die Ohrmuschel des Hörerbenutzers in gleicher Weise ihre Funktion ausüben soll wie beim natürlichen Hören. V/ird der erfindungsgemäße Hörer als Stereokopfhörer ausgebildet, dann kann der Wandler jeder Hörermuschel so angeordnet sein, daß bei aufgesetztem Hörer der Schall für den Benutzer von vorne kommt. Dies ist dann der Fall, wenn der elektroakustisch^ Wandler jeder Hörermuschel seitlich vorne, in der llähe des Randes des schalenförmigen Gehäuses zu liegen kommt.
Bei der Ausbildung des erfindungsgemäßen Hörers für quadrophonysehe Wiedergabe ist sinngemäß ein zweiter Wandler in jeder Hörermuschel vorgesehen, der sich, in der Gebrauchslage des Hörers, seitlich hinten, ebenfalls in der Nähe des Randes des schalenförmigen Gehäuses, befindet.
Zur besseren Abdichtung zwischen dem Kopf und dem schalenförmigen, als Reibungswiderstand ausgebildeten Gehäuse sowie zur Steigerung des Tragekomforts ist erfindungsgemäß ein an sich bekannter ringförmiger Wulst am Rande des Gehäuses vorgesehen. Derartige Wulste sind bekannt. Im allgemeinen haben sie eine Höhe von 1 bis 2 cm. Beim erfindungsgemäßen Kopfhörer sind derartig hohe Wulste nicht geeignet, da ihre Hache immerhin einen erheblichen Reflexionsfaktor besitzt und bei den herkömmlichen Dimensionen gemäß der Erkenntnis, auf der die Erfindung beruht, einen störenden Einfluß mit sich bringt. Der erfindungsgemäße Kopfhörer weist daher- sine Wulst auf, dessen Höhe vorzugsweise zwischen 2 und 3 es. liegt« Als vorteilhaft hat sich ein mit einer Flüssigkeit gefüllter Wulst erwiesen,
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Durch die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen wird demnach jede Reflexion des Schalls, insbesondere bei den hohen Frequenzen,unterbunden, und der angestrebte Effekt des Riehtungs- und Entfernungshörens erzielt«,
. · Weitere Einzelheiten der Erfindung können der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung entnommen werden, in der in Fig. 1 zur Erläuterung des Erfindungsgedankens die monaurale Freifeldübertragungsfunktion für 0°, 90° und 180° des menschlichen Ohres dargestellt ist, und in Fig» 2 in axonometrischer Darstellung die zugehörige Messanordnung gezeigt ist, Fig« 3 stellt den Frequenzgang eines erfindungsgemäßen Kopfhörers .dar, Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung durch einen erfindungs=- gemäßen Kopfhörer mit im Zentrum angeordnetem Wandler,, Fig« 5 zeigt einen Kopfhörer mit ringförmigem Wandler, Fig. 6 ist die Draufsicht auf den Hörer nach Fig. 5? Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem in der Seitenwand des schalenförmigen Gehäuses eingebauten Wandler im Horizontalschnitt, Fig. 8 dasselbe im Längsschnitt, der V/analer kann auch schräg eingebaut sein, Fig. 9 stellt einen Hörer dar, dessen Wandler die ganae Seitenwand ausfüllt und nach dem orthodynamisehen, elektrostatischen oder nach dem piezomembran-Prinzip arbeitet-, Figo 10 zeigt9 wie außer dem akustischen Reibungswiderstand der Gehäuseschale eire über die ganze Fläche des Kopplungsraumes sich erstreckende Eembrananordnung vorgesehen ist, in Fig«, 11 ist als akustischer Reibungswiderstand Sintermaterial vorgesehen, an dem sich in geringem Abstand eine Membrananordnung befindet, Fig,, 12 zeigt einen elektrostatischen Kopfhörer gemäß der Erfindung mit einer großflächigen Membran und seitlichen Gehäuseteilen, die zur Gänze mit akustischem Reibungswiderstand und davor angeordneten Membranen versehen sind, die in den Fige 13 und 14 dargestellten Ausführungsbeispiele sind für quadrophonisehe Übertragung bestimmt» In den Fig. 15 ^^d 16 ist ein Ausführungsbeispiel einer Kopfhörermuschel mit 15 passiven Membranen und einem dynamischen Schallwandler in einer Seitenwand wiedergegeben.
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Pie in Fig. Λ ζ.υτ Ρ>·läuterung der Erfindung dargestellte Kurven sind Meßergebnisse an einer Vorrichtung gemäß Fig. 2, bestehend aus einer künstlichen Ohrmuschel O,aus einem der mechanischen Beschaffenheit des menschlichen Ohres entsprechenden weichplastischen Kunststoff mit anschließendem Gehörkanal g, der "/on einer akustischen Impedanz Z abgeschlossen ist, deren V/ert dem des Trommelfells entspricht, im ebenen Schallfeld für die Einfallswinkel O0 von vorne, 90° von der Seite und 180° von hinten, bezogen auf den menschlichen Kopf, die Übertragungsfxxnktion für den gesamten Hörbereich mit Hikrophonsonde S umgesteuert wurde, die seitlich am Ende des Gehörkanals angeschlossen ist.
Da die Ohrmuschel allein, ohne Kopf, im freien ebenen Schallfeld angeordnet ist, ergibt die Messung die akustische Wirkung der Ohrmuschel und des Gehörganges allein.
V/f;iin, wie es allgemein geschieht, die stereophonische Aufnahme mit sv/ei Mikrophonen, deren maximale Empfindlichkeiten im Winkel von etwa 120° stehen, erfolgen, ist die Kopfabschattung beim natürlichen Hören und die Eichtcharakteristik der Einzelmikrophone nachgeahmt. Lie Qrresonanzen kommen bei Lautsprecherwiedergabe er ab durch den Hörvorgang hinzu.
Bei den meisten Kopfhörern, auch bei elektrostatischen, wurden nicht beachtet, daß die Ohrresonanzen wirksam werden müssen, um ein räumliches Hörereignis zu erhalten. Wenn der elektroakustisch^ Wandler in die öhrachse, also in Richtung des Gehörgangs, strahlt, so können nicht die charakteristischen Ohrresonanzen entstehen, die bei frontalem Schalleinfall wirksam sind.
Aus Fig. 1 ist der Unterschied ersichtlich. Um das vom Kopfhörer verursachte Hörereignis möglichst nach vorne, wo zumeist die Schallquellen sich befinden, zu verschieben, wird
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erfindungsgemäß vorzugsweise der elektroakustisch^ Wandler in die vordere Seitenwand des Kupplungsgehäuses eingebaut und die Strahlungsrichtung entsprechend dem 0° Schalleinfall beim natürlichen Hören gewählt. Mir Quadrophonie werden zwei Wandler in den gegenüberliegenden Seitenwänden des Kopplungsgehäuses eingesetzt. An sich ist bekannt, Wandler seitlich einzubauen, doch wurde nicht beachtet, daß schon kleine schallreflektierende Flächen in unmittelbarer Nähe des Ohres, bzw. die Seitenwände oder das Ohrpolster die Wirkung des seitlichen Schalleinfalls gänzlich unwirksam machen. Akustischer Reibungswiderstand, z.B. Faservlies, das auf einem Gitterrost aufgezogen ist, ist geeignet, nur einen geringen Teil der Schallwellen zu reflektieren. Dieser geringe Prozentsatz ist praktisch nicht störend, weil er durch den Verdeckungseffekt akustisch nicht zur Wirkung kommt.
Der großflächig wirksame akustische Reibungswiderstand besteht vorzi.agsweise aus porösem Material von geringer Dicke. So eignet sich Faservliesstoff, Sintermaterial oder geätztes, bzw. galvanisch hergestelltes Metallochblech. Als Tragegerüst können mechanische Konstruktionen aller Art verwendet werden, die so schalldurchlässig sind, daß deren akustisches Reflexionsvermögen auch bei höchsten Frequenzen vernachlässigbar ist.
Die Fig. 3 zeigt die Übertragungsfunktion eines erfindungsgemäßen Kopfhörers. Die Ähnlichkeit mit der Kurve für 0° Schalleinfall der Fig. 1 ist gegeben. Es ist zu berücksichtigen, daß jede Abweichung vom natürlichen Ohrsignal als Störung des räumlichen Hörens auftritt. Dabei ist es gleichgültig, ob die Abweichung vom elektroakustischen Wandler oder von anderen Teilen des Kopfhörers herrührt.
Da Im-Kopf-Lokalisation dann entsteht, wenn die Ohrsignale der beiden Ohren kohärent sind, tritt bei Kopfhörern diese störende. Er scheinung dann auf, wenn durch lineare oder nichtlineare Verzerrungen im Kopfhörer für beide Ohren über-
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einstimmende Hörereir;nisse entstehen. Da Kopfhörer symmetrisch gebaut sind, ergeben sich übereinstimmende Verzerrungen, z.B.
durch die Schallwandler, Resonanzen und Reflexionen im Kopplungsraum. Diese herrschen gegenüber den nur wenig unterschiedlichen, das Richfcungs- und Ertfernungshören bestimmenden Ohrsignalen vor, so daß zumindest eine Störung des räumlichen Hörens, wenn nicht die Im-Kopf-Lokalisation, auftritt. Jeder für einen Kopfhörer typische Klang ist eine lineare Verzerrung, die als Einhüllende des Iiutzschalls auftritt und durch die Symmetrie die Im-Kopf-Lokalisation bewirkt.
Die Erfindung ist für alle Umwandlungsprinzipien in gleichem Maße wirksam, z.B. für elektrodynamische, elektrostatische, piezomembrane oder orthodyriamische Systeme.
Anstelle eines voluminösen Ohrpolsters, wie es bei circumauralem Floren üblich war, wird zur Erfüllung der Bedingungen der Erfindung, wonach die Resonanζwirkung eines Ohrpolsters auszuschalten ist, nur ein flacher., zarter Dichtungswulst aus Textil, Gummi oder Kunststoff verwendet, der überdies den Trage-Komfort erhöht. Flüssigkeitsgefüllte sehr flache Polster (z.B. von ca 2 - 3 mm Höhe sind sehr wirksam. Die Fig. 4- bis 12 zeigen Stereo-Kopfhörer, die Fig. 13 bis 14 Kopfhörer für Quadrophonie.
Im folgenden sind Ausführungsbeispiele von Kopfhörermuscheln dargestellt. Es versteht sich, daß ein Kopfhörer aus zwei Muscheln besteht, die durch einen elastischen Kopfbügel miteinander verbunden sind.
In Pig. 1V ist der. Wandler 1 in das Gehäuse 2 in Gitterstruktur aus Kunststoff oder Metall so eingebaut, daß er in die Richtung des Gehörganges 3 strahlt. Die Ohrmuschel 4 ragt in den Hohlraum des Gehäuses 2 hinein. Ein flacher elastischer Ring 5 dient sowohl dem praktisch dichten Anliegen des Hörers am Kopf als auch dem Komfort.
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über die ganze Oberfläche des Gehäuses 2 erstreckt sich der akustische Reibungswiderstand 6. ICr liegt zweckmäßig an der Innenseite des Gehäuses 2. Das Gehäuse kann auch rechteckige Form aufweisen und die Ohrmuschel mit geringem Abstand umschließen.
Die Fig. 5 weist einen ringförmigen Schallwandler 7, z.B. nach dem elektrostatischen oder orthodynamisehen Prinzip aiaf. Der akustische Keibungswiderstand 6 befindet sich auch vor dem Gehörgang, was sich günstig auswirkt.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die Ausführung der
In Fig. 7 ist ein horizontaler Querschnitt durch einen Hörer dargestellt. Der dynamische Wandler 8 ist mit seiner Schauöffnung 9 an die Seitenwand des Gehäuses 2 angeschlossen. Fig. 8 zeigt den Längsschnitt durch die Anordnung nach Fig. 7-
In Fig. 9 ist ein die ganze vordere Seitenwand des Gehäuses 2 ausfüllender Wandler 10, z.B. der elektrostatischen oder orthodynamischen Arbeitsweise angeschlossen.
In Fig. 10 sind Membranen 11 vor dem akustischen Reibungswiderstand 14, der auf dem Gitterrost 13 aufgezogen ist, vorgesehen. Zum mechanischen Schutz ist vor den Membranen ein Gitter 12 angeordnet. Die S^hallbeaufschlagung kann z.B. in der vorderen Seitenwand erfolgen.
In Fig. 11 ist ein Gehäuse 15 aus Sintermaterial, aus Metall oder Kunststoff vorgesehen, das zur Gänze mit einer Membrananordnung 16 versehen ist. Das Gitter 17 dient dem mechanischen Schutz der Membran. Auch in dieser Ausführung kann die vordere Seitenwand den Schallstrahler darstellen.
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Die Fig. 12 zeigt einen großflächigen elektrostatischen V/andler, der aus der Membran Ί8 und den zu beiden Seiten im Abstand befindlichen perforierten Elektroden 19» 20 besteht. Dadurch, daß die Membran 18 eine außerordentlich geringe Masse darstellt, ist sie besonders für hochwertige Schallübertragung geeignet. Die Seitenwände bestehen aus den Membranen 21, dem Gehäuse in Gitterstruktur 22, dem akustischen Reibungswiderstand 24 und dem Schutsgitter 23.
Die rig. 13 und 14 stellen Ausführungsbeispiele von Kopfhörern für Quadrophonie dar. In Fig. 13 silo, die Wandler 23 und 26 in die f.eitenwände des Gehäuses 27 eingebaut. Die gesamte Fläche des Gehäuses in Gitterstruktur ist mit akustischem Reibungswiderstand 28 versehen. Auch die große Fläche 29 besteht sur Gänze aus akustischen Reibungswiderständen. Die Darstellung gibt den Blick in den Hohlraum des Gehäuses wieder. Vor dem akustischen Reibungswiderstand kann eine Membrananordnung vorgesehen sein.
In Fig. 14 sind zwei elektrostatische Wandler mit den Membranen 30, 3? zwischen den Elektroden 31, 32 bzw. 34-, 35 vorgesehen und füllen die Seitenwände vollständig aus.
Als Beispiel ist in der oberen Seitenfläche der Gehäuseteil 40 mit einer Membrananordnung 36 und davor der akustische Reibungswiderstand 37 auf dem Gitter 39 versehen. An der unteren Seitenwand ist die Reihenfolge anders. Hinter dem Gitter 39 ist die Membrananordnung 36 auf dem Gitter 41 befestigt, das auch den akustischen Reibungswiderstand 38 trägt.
Die Membrananordnung kann aus vielen kleinen.Einzelmembranen oder aus einer einzigen, die ganze Fläche bedeckenden Membran für jede Flächenpartie bestehen. Sie Eigenschwingung der Membran wird so gewählt, daß in Verbindung mit der Frequenzcharakteristik des elektr©akustischen Wandlers und dem großflächigen akustischem Reibungswiderstand die Frequenzcharakteristik gemäß Kurven in Fig. 1 für z.B. frontalem Schalleinfall entsteht.
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Dadurch, daß mehrere Parameter bestehen, die in verschiedenen Frequenzgebieten bevorzugt wirksam sind, ist es möglich, die optische Frequenzkurve des Kopfhörers zu erhalten.
Die Fig. 15 stellt die axonometrische Darstellung in Draufsicht einer Kopfhörermuschel mit fünfzehn passiven Membranen dar. In einem Gehäuse 42 sind fünfzehn akustische Reibungswiderstände 43 eingesetzt, vor denen je eine passive Membran angeordnet ist. In Fig. 16 sind diese Membranen 44 sichtbar. In der Darstellung ist der Übersichtlichkeit halber das vor den Membranen angeordnete Schutzgitter weggelassen. Ein elektroakustischer Wandler 45 ist in der Seitenwand des Gehäuses 42 eingesetzt und sendet Schall durch die Öffnung 47 in den Kopplungsraum. Das Ohrpolster ist sehr flach ausgebildet, um gemäß der Erfindung keine Reflexionen hervorzurufen.
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Claims (6)

  1. 2803411 Patentanwälte DipL-lng. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Rüger
    7300 Esslingen (Neckar), Webergasse 3, Postfach 348
    26. Januar 1978
    PA 19R c,rr Telefon
    r±\ ι LO tay Stuttgart (0711) 35 65 39
    35 9619
    Telex 07 256610 smru
    Telegramme Patentschutz Esslingenneckar
    Patentansprüche;
    jJKopfhörer der circumauralen Bauart, bei dem das den Kopplungsraum bildende schalenförmige Gehäuse im Gebrauchsfalle mit seinem Rand am Kopf des Benutzers anliegt und dabei das Ohr desselben umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens einen elektroakustischen Wandler enthaltende schalenförmige Gehäuse zur Gänze als akustischer Reibungswiderstand bzw. als Träger eines solchen ausgebildet ist und gegebenenfalls den Abfall bei den tiefen Frequenzen kompensierende akustische und bzw. oder elektrische Anordnungen am Hörer vorgesehen sind.
  2. 2. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Frequenzgang bei den Tiefen kompensierende Anordnung Blindmembranen aufweist, die unmittelbar vor der Wand des schalenförmig ausgebildeten Reibungswiderstandes vorgesehen sind.
  3. 3. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Frequenzgang bei den Tiefen kompensierende Anordnung eine an die Membran des elektroakustischeri Wandlers angekoppelte Luftmasse aufweist.
  4. 4. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Frequenzgang bei den Tiefen kompensierende Anordnung ein im elektrischen Kreis des Hörers eingebauter Tiefpass ist.
  5. 5. Kopfhörer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, daß er als Stereokopfhörer ausgebildet ist, bei dem der elektroakustisch Wandler jeder Hörermuschel in der Gebrauchslage des Hörers seitlich vorne, in der Nähe des Randes des schalenförmigen Gehäuses zu liegen kommt. '
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  6. 6. Kopfhörer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß er als Quadrophoniehörer ausgebildet ist, bei dem ein elektroakustischer Wandler in der Gebrauchslage des Hörers seitlich vorne und der andere ''andler seitlich hinten, beide in der Nähe des Randes des schalenform igen Gehäuses angeordnet sind.
    7« Kopfhörer nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Gebrauchslage des Hörers dem Kopf des Benutzers zugekehrte Hand des schalenförmigen Gehäuses einen flachen Dichtungsring aufweist, dessen Höhe maximal 5 mm betragt.
    ORIGINAL INSPECTED
    809831/0813
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