DE2803411B2 - Kopfhörer zum verbesserten räumlichen Hören - Google Patents
Kopfhörer zum verbesserten räumlichen HörenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kopfhörer 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.
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/oder elektri
sche Anordnungen zur Verbesserung der Wiedergabeeigenschaften des Kopfhörers zur Verfügung steht.
Aus der DE-OS 26 H 729 ist eine Kopfhörermuschel
bekannt, bei der ein ringförmiger weichelastischer ϊ Wulst eine Trägerplatte für einen darauf angeordneten
elektroakustischen Wandler haltert, wobei die Trägerplatte entweder selbst als Reibungswiderstand ausgebildet ist oder solche trägt Beim Tragen des Kopfhörers
liegt der Wulst am Kopf des Benutzers an und Lichtet ίο einen durch den Wuist und die Trägerplatte gebildeten
akustischen Kopplungsraum nach außen ab.
Der Reibungswiderstand der bekannten Kopfhörermuschel dient nur dazu, Resonanzeffekte im Kopplungsraum zu verhindern. Wegen der erheblichen Dicke des
π Wulstes entstehen an diesem jedoch störende Reflexionen, die zu linearen Verzerrungen führen.
Aus den OE-OS 25 40 680 und 23 43 818 sind weitere
Kopfhörerkonstruktionen bekannt, die zwar eine gewisse Verbesserung des räumlichen Hörens mit sich
bringen, jedoch fehlt diesen Konstruktionen 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, als befinde man sich beispielsweise bei der Wiedergabe eines Musikstückes mitten im
Orchester.
Eingehende Untersuchungen und Messungen am äußeren Ohr haben nämlich ergeben, daß die Ohrmuschel den größten Einfluß auf das Richtungs- und
jo Entfernungshören hat Es hat sich weiter gezeigt, daß eine schallreflektierende Fläche, selbst wenn sie von
sehr kleiner Ausdehnung ist z- B. von 2 cm2, in unmittelbarer Nähe der Ohrmuschel bzw. von 1 cm2 in
der Nähe des Gehörgangs bereits lineare Verzerrungen Ji der Ohrsignale bewirkt, die einen nachteiligen Einfluß
auf das Richtungs- und Entfernungshören haben.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb einen Kopfhörer zu schaffen, bei dem sowohl das Richtungs- als auch das
Entfernungshören verbessert und überdies die störende to Erscheinung der »im Kopf-Lokalisation« eliminiert ist
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Kopfhörer durch die Merkmale des Hauptanspruches
gekennzeichnet
Wenn es auch zutreffend ist, daß im allgemeinen Schalireflexionen mit optischen Reflexionen verglichen
werden können, so ist es wichtig, festzustellen, daß bei Schallreflexionen die reflektierende Fläche als Entstehungsort der Schallwelle empfunden wird.
to reflektierenden Flächen, vor allem schallharte Flächen,
selbst kleiner Ausdehnung in der Nähe der Ohrmuschel
befinden, so daß Störungen der Ohrsignale vermieden
weruen. Besonders störend sind nämlich Flächen rings
um den elektroakustischen Wandler oder das Ohrpol-
ster, 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.
beim erfindungsgemäßen Kopfhörer können deshalb
erforderlich sein, weil über den durch das Gehäuse
gebildeten Reibungswiderstand eine Verbindung mit
der Außenluft hergestellt bzw. zur Rückseite der
b5 zu einem bei den tiefen Frequenzen abfallenden
Als akustische Maßnahmen zum Ausgleich des Abfalles können vorteilhaft oassive oder Blindmembra-
nen vorgesehen sein, die sich unmittelbar vor der Wand
des sehalenförmigen, als Reibungswiderstand ausgebildeten Gehäuses befinden. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, an die Membran des elektroakustischer! Wandlers eine Luftmasse anzukoppeln, um ihre r.
Eigenresonanz in den Bereich der tiefen Frequenzen zu verlegen.
Der Frequenzgang kann aber auch elektrisch kompensiert werrten, beispielsweise durch Einschaltung
eines Tiefpaßfilters. Erforderlichenfalls ist es zweckmä- ι ο
Big, gleichzeitig zwei oder drei der vorstehend beschriebenen Maßnahmen zum Ausgleich des Frequenzganges anzuwenden.
Für den erfindungsgemäS angestrebten Effekt ist der
Ort, an dem der oder die elektroakustisch en Wandler im η schalenförmigen Kopfhörergehäuse angeordnet werden, von entscheidender Bedeutung, da ja die Ohrmuschel des Benutzers in gleicher Weise ihre Funktion
ausüben soll wie beim natürlichen Hören. Wird der erfindungsgemäße Kopfhörer als Stereokopfhörer >n
ausgebildet dann kann der Wandler jeder Hörermuschel so angeordnet sein, daß bei aufgesetztem
Kopfhörer der Schall für den Benutzer von vorne kommt. Dies ist dann der Fall, wenn der elektroakustische Wandler jeder Hörermuschel seitlich vorne, in der 2ϊ
Nähe des Randes des schalenförmigen Gehäuses zu liegen kommt
Bei der Ausbildung des erfindungsgemäßen Kopfhörers für quadrophonische Wiedergabe ist sinngemäß ein
zweiter Wandler in jeder Hörermuschel vorgesehen, ni der sich, in der Gebrauchslage des Kopfhörers, seitlich
hinten, ebenfalls in der Nähe des Randes des schalenförmigen Gehäuses, befindet.
Zur besseren Abdichtung zwischen dem Kopf und dem schalenförmigen, als Reibungswiderstand ausgebil- η
deten 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 br 2 cm. Bei dem Kopfhörer sind derartige <u>
hohe Wulste nicht geeignet, da ihre Fläche 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 Kopfhörer weist daher einen Wulst auf, dessen Höhe vorzugsweise zwischen 2 und 3 mm
liegt. Als vorteilhaft hat sich ein mit einer Flüssigkeit gefüllter Wulst erwiesen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt w
F i g. 1 das Diagramm der monauralen Freifeldübertragungsfunktion für 0°, 90° und 180° eines menschlichen Ohres,
F i g. 2 die Meßanordnung zum Messen der Freifeldübertragungsfunktio» nach Fig. 1 in perspektivischer
Darstellung,
Fig.3 das Diagramm des Frequenzgangs eines Kopfhörers gemäß der Erfindung,
F i g. 4 einen Kopfhörer gemäß der Erfindung mit im Zentrum angeordnetem Schallwandler in einem Längsschnitt,
Fig.5 einen Kopfhörer gemäß der Erfindung mit
einem ringförmigen Schallwandler in einem Längsschnitt,
F i g. 6 den Kopfhörer nach F i g. 5 in einer Draufsicht. M
Fig. 7 einen Kopfhörer gemäß der Erfindung mit einem in der Seitenwand de-.schalenförmigen Gehäuses
eingebauten Schallwandler in einem Querschnitt,
Fig,8 den Kopfhörer nach Fig,7 in einem
Längsschnitt,
F i g, 9 einen Kopfhörer gemäß der Erfindung, dessen Schollwandler die ganze Seitenwand ausfüllt und nach
dem orthodynamischen, elektrostatischen oder nach dem piezomembran-Prinzip arbeitet,
Fig. 10 einen Kopfhörer gemäß der Erfindung, bei
dem zusätzlich zu dem akustischen Reibungswiderstand der Gehäuseschale eine sich über die ganze Fläche des
Kopplungsraumes erstreckende Membrananordnitng vorgesehen ist in einem Längsschnitt,
F i g. Π einen Kopfhörer gemäß der Erfindung mit
einem Reibungswiderstand aus Sintermetall, vor dem im geringen Abstand eine Membrananordnung vorgesehen
ist in einem Längsschnitt
F i g. 12 einen elektrostatischen Kopfhörer gemäß der
Erfindung mit einer großflächigen Membran und seitlichen Gehäuseteilen, die gänzlich mit einem
akustischen Reibungswiderstand und davor angeordneten Membranen versehen sind, in einen» Längsschnitt
Fig. 13 und 14einen Kopfhörergeiürff}der Erfindung
für quadrophone Wiedergabe in einer Draufsicht und
F i g. 15 und 16 einen Kopfhörer gemäß der Erfindung mit fünfzehn passiven Membranen und einem dynamischen Schallwandler in perspektivischer Darstellung.
Die iii Fig.1 zur Erläuterung der Erfindung
dargestellten 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 Kunststorf mit anschließendem Gehörkanai g, der von einer akustischen Impedanz Z
abgeschlossen ist deren Wert dem des Trommelfells entspricht im ebenen Schallfeld für die Einfallswinkel 0°
von vorne, 90° von der Seite und 180° von hinten, bezogen auf den menschlichen Kopf, wobei die
Übertragungsfunktion für den gesamten Hörbereich mit Mikrophonsonde 5 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.
Wenn, wie es allgemein geschieht die stereophonische Aufnahme mit zwei Mikrophonen, deren maximale
Empfindlichkeiten im Winkel von etwa 120° stehen, erfolgen, ist die Kopfabschattung beim natürlichen
Hören und die Richtcharakteristik der Einzelmikrophone nachgeahmt. Die Ohrresonanzen kommen bei
Lautsprecherwiedergabe erst durch den Hörvorgang hinzu.
Bei den meisten Kopfhörern, auch bei elektrostatischen, wurde nicht beachtet, daß die Ohrresonanzen
wirksam werden müssen, um ein räumliches Hörereignis
zu erhalten. Wenn der elektroakustische Wandler in die Ohrachse, also in Richtung des Gehörgangs, strahlt, so
können nicht die charakteristischen Ohrresonanzen entstehen, die bei frontalem Schalleinfall wirksam sind.
Aus F i g. 1 ist der Unterschied ersichtlich. Um das vom Kopfhörer verursachte Hörereignis möglichst
näcli vorne, wo zumeist die Schallquellen sich befinden,
zu verschieben, wird erfindungsgemäß vorzugsweise der elektroakustische Wandler in die vordere Seitenwand des Kopplungsgehäuses eingebaut und die
Strahlungsrichtung entsprechend dem 0° Schalleinfall
beim natürlichen Hören gewählt. Für Quadrophonie werden zwei Wandler in den gegenüberliegenden
Seitenwänden des KopplunesKehäuses eineesetzt 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 vorzugsweise 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
sind. Haß Ηργρπ
Reflexionsvermögen auch bei höchsten Frequenzen vernachlässigbar
ist.
Die F i g. 3 zeigt die Übertragungsfunktion eines entsprechenden Kopfhörers. Die Ähnlichkeit mil 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 elcktroakustischcn 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 Erscheinung dann auf. wenn
durch lineare oder nichtlineare Verzerrungen im Kopfhörer für beide Ohren übereinstimmende Hörereignisse
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 Richtungs- und Entfernungshören bestimmenden Ohrsignalen vor. so
daß zumindest eine Störung des räumlichen Hörens, wenn nicht die Im-Kopf-Lokalisation, auftritt, leder für
einen Kopfhörer typische Klang ist eine lineare Verzerrung, die als Einhüllende des Nutzschalls 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, piezomcmbranc oder orthodynamische
Systeme.
Anstelle eines voluminösen Ohrpolsters, wie es bei bekannten circumauralen Kopfnörern üblich ist. wird
zur Erfüllung der Bedingungen der Erfindung, wonach die Resonanzwirkung 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 F i g. 4 bis 12 zeigen Stereo-Kopfhörer, die F i g. 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 Fig.4 ist der Wandler 1 in das Gehäuse 2 in
Gitterstruktur aus Kunststoff oder Metal! 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.
Über die ganze Oberfläche des Gehäuses 2 erstreckt sich der akustische Reibungswiderstand 6. F.r liegt
zweckmäßig an der Innenseite des Gehäuses 2. Das Gehäuse kann auch rechteckige Form aufweisen und die
Ohrmuschel mit geringem Abstand umschließen.
Die F i g. 5 weist einen ringförmigen Schallwandler 7, z. B. nach dem elektrostatischen oder orthodynami·
sehen Prinzip auf. Der akustische Reibungswiderstand 6
befindet sich auch vor dem Gehörgang, was sich günstig auswirkt.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die Ausführung der Fig. 5.
In F i g. 7 ist ein horizontaler Querschnitt durch einen
Hörer dargestellt. Der dynamische Wandler 8 ist mit seiner Schallöffnung 9 an die Seitenwand des Gehäuses
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Anordnung nach F i g. 7.
In F i g. 9 ist ein die ganze vordere Seitenwand des
Gehäuses 2 ausfüllender Wandler 10, z. B. der elektrostatischen oder orthodynamischen Arbeitsweise
angeschlossen.
In Fi g. IO sind Membranen 11 vor dem akustischen
Reibungswiderstand 6, der auf dem Gitterrost 13 aufgezogen ist, vorgesehen. Zum mechanischen Schutz
ist vor C1In Membranen ein Gitter 12 angeordnet. Die
Schallbeaufschlagung kann z. B. in der vorderen Seitenwand erfolgen.
In Fig. 11 ist ein Gehäuse 15 ai-s Sintcrmaterial. 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.
Die Fig. 12 zeigt einen großflächigen elektrostatischen
Wandler, der aus der Membran 18 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 6 und dem Schutzgitter 23.
Die Fig. 13 und 14 stellen Ausführungsbeispiele von
Kopfhörern für Quadrophonie dar. In Fig. 13 sind die
Wandler 25 und 26 in die Seitenwände des Gehäuses 27 eingebaut. Die gesamte Fläche des Gehäuses in
Gitterstruktur ist mit akustischem Reibungswiderstand 28 versehen. Auch die große Fläche 29 besteh» zur
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 F i g. 14 sind zwei elektrostatische Wandler mit den Membranen 30,33 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
7 8
bestehen. Die Eigenschwingung der Membran wird so passiven Membranen. In einem Gehäuse 42 sind
gewählt, daß in Verbindung mit der Frequenzcharakte- fünfzehn akustische Reibungswiderstände 43 eingesetzt,
ristik des elektroakustischen Wandlers und dem vor denen je eine passive Membran angeordnet ist. In
großflächigen akustischem Reibungswiderstand die Fig. 16 sind diese Membranen 44 sichtbar. In der
z. B. frontalem Schalleinfall entsteht. Membranen angeordnete Schutzgitter weggelassen. Ein
verschiedenen Frequenzgebieten bevorzugt wirksam Gehäuses 42 eingesetzt und sendet Schall durch die
sind, ',H es möglich, die optimale Frequenzkurve des öffnung 47 in den Kopplungsraum. Das Ohrpolster ist
Die Fig. 15 enthält die perspektivische Darstellung in Reflexionen hervorzurufen.
Draufsicht einer Kopfhörermuschel mit fünfzehn
Claims (8)
1. Kopfhörer 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 elektroakustischer! Wandler (1, 7,8,10,18,25,26) enthaltende
schalenförmige Genäuse (2, 15, 19, 20, 27, 42) zur Gänze als akustischer Reibungswiderstand (6,14,15,
28, 29, 37, 38) bzw. als Träger eines das Ohr umschließenden Reibungswiderstandes (6,14,28,29,
37,38) ausgebildet ist
2. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihm den Abfalls bei den tiefen
Frequenzen kompensierende akustische und bzw. oder elektrische Anordnungen (11, 16, 21, 36, 43)
zugeordnet sind.
3. Kopfhörer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da^jjie den Frequenzgang bei den Tiefen
kompensierende Anordnung Blindmembranen (11, 16, 21, .36) aufweist, die unmittelbar vor der Wand
(13,15, 22,40,41) des schalenförmig ausgebildeten
Reibungswiderstandes (6,15,38) vorgesehen sind.
4. Kopfhörer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Frequenzgang bei den Tiefen
kompensierende Anordnung eine an die Membran des elektroakustischen Wandlers angekoppelte
Luftmasse aufweist.
5. Kopfhörer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß d«_- den Frequenzgang bei den Tiefen
kompensierende Anordnung eh im elektrischen Kreis des Kopfhörers eingf bauter Tiefpaß ist
6. Kopfhörer nach einem οάΐ^ mehreren der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er als Stereokopfhörer ausgebildet ist, bei dem der
elektroakustische Wandler jeder Hörermuschel in der Gebrauchslage des Kopfhörers seitlich vorne, in
der Nähe des Randes des schalenförmigen Gehäuses (2,15,19,20) zu liegen kommt.
7. Kopfhörer narh einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er
als Quadrophoniehörer ausgebildet ist, bei dem ein elektroakustischer Wandler (25, 26, 30, 33) in der
Gebrauchslage des Hörers seitlich vorne und der andere Wandler seitlich hinten, beide in der Nähe
des Randes des schalenförmigen Gehäuses (27, 32, 34) angeordnet sind.
8. Kopfhörer dach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
in seiner Gebrauchslage dem Kopf des Benutzers zugekehrte Rand des schalenförmigen Gehäuses (2)
einen flachen Dichtungsring (5) aufweist, dessen Höhe maximal 3 mm beträgt.
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