DE2336319A1

DE2336319A1 - Verfahren zur rueckkopplungsstabilisierung und miniatur-tonverstaerkersystem, insbesondere fuer schwerhoerigengeraete

Info

Publication number: DE2336319A1
Application number: DE19732336319
Authority: DE
Inventors: Abraham Lichowsky
Original assignee: AMBITEX CORP; CENDEV CORP
Current assignee: AMBITEX CORP; CENDEV CORP
Priority date: 1972-07-24
Filing date: 1973-07-17
Publication date: 1974-02-14
Also published as: FR2194080B1; US3763333A; CA973481A; GB1404279A; JPS4946803A; FR2194080A1

Description

Verfahren zur Rückkopplungsstabilisierung und Miniatur-Tonverstärkersystem, insbesondere für Schwerhörigengeräte.

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden US-Anmeldung Serial No. 274 β07 vom 24. Juli I972 in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft ganz allgemein Stabilisierungsmaßnahmen in Tonverstärkersystemen und insbesondere ein Verfahren zur Rückkopplungsstabilisierung zwecks Steigerung der Linearität und Verringerung von Signalverzerrung über einen vorgegebenen Frequenzbereich in einem aus Mikrofon, Verstärker und Lautsprecher bestehenden Miniatur-Tonverstärkersystem, insbesondere für Schwerhörigengeräte, sowie ein zur Ausführung des Verfahrens geeignetes Miniatur-Tonvers tärkersys tem.

Die bekannten Miniatur-Tonverstärkersysteme, wie sie beispielsweise für Schwerhörigengeräte verwendet werden, weisen ein in Subminiatur-Bauweise„ausgeführtes Mikrofon auf, das im allgemeinen durch einen dünnen Schlauch akustisch mit einem Schallauffangtrichter gekoppelt ist. Das von dem Mikrofon abgegebene elektrische Ausgangssignal wird in einer

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elektronischen Schaltung verstärkt und steuert einen Empfänger oder Lautsprecher, der ebenfalls durch einen dünnen Schlauch mit einer Hörmuschel akustisch gekoppelt ist. Bei manchen Ausführungen von Schwerhörigengeräten sind sämtliche Bestandteile inneraalt eines verhältnismäßig kleinen Gehäuses untergebracht, das entweder in das Ohr eingesteckt oder am Ohr wie z.B. hinter dem Ohr befestigt werden kann.

Das Mikrofon erzeugt typischerweise Terzerrungen in der Größenordnung von 5#. Die durch den elektronischen Verstärker hervorgerufenen Verzerrungen können Je nach Qualität der Verstärkerschaltung und der im Verstärker verwendeten Gegenkopplung zwischen 1# und 1O# betragen. Aufgrund der verhältnismäßig kleinen Größe des Empfängers oder Lautsprechers werden außerdem weitere angenähert Verzerrung hervorgerufen.

Aus den vorstehenden Darlegungen geht klar hervor, daß die Leistung eines derartigen Geräts im Hinblick auf die auftretenden Verzerrungen und die Nichtlinearität sehr verbesserungsfähig ist. Zu diesem Zweck kann die Elektronikschaltung nur begrenzt verbessert werden, da insbesondere für Schwerhörigengeräte kleine Abmessungen eingehalten werden müssen, und derartige Tonverstärkersysteme wirtschaftlich herstellbar sein sollen.

Durch die Erfindung sollen daher ein Verfahren zur 409807/1010

Rüekkopplungsstabilisierung zwecks Steigerung der Linearität und Verringerung von Signalverzerrung über einen vorgegebenen Frequenzbereich in einem aus Mikrofon, Verstärker und Lautsprecher bestehenden Miniatur-Ionverstärkersystem, insbesondere für Schwerhörigengeräte, und ein nach diesem Verfahren arbeitendes Miniatur-[Donverstärker sys tem geschaffen werden.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Mikrofonmembran und Lautsprechermembran ein !Eonkopplungskanal, dessen Länge weniger als 1/4 der Signalwellenlänge der höchsten Frequenz innerhalb des Frequenzbereichs beträgt, angeordnet und die akustische Kopplung zwischen den Membranen vermittels einer verstellbaren akustischen Gegenkopplungsschleife für das Verstärkersystem veränderlich eingestellt wird.

Die akustische Kopplung arbeitet in der Weise, daß das !Eonaus gangs signal über den zwischen Mikrofon und Lautsprecher angeordneten Tonkopplungskanal unmittelbar auf das !Eoneingangssignal zur Einwirkung gebracht wird. Diese akustische Rückkopplung läßt sich jedoch nur unter der Bedingung ausführen, daß die Kopplung zwischen den Membranen über eine Strecke erfolgt, die einem kleinen Bruchteil der Signalwellenlänge der höchsten Frequenz innerhalb des zu verstärkenden Frequenzbereiches entspricht. Biese Bedingungen sind in Miniatur-Tonverstärkersystemen wie z.B. von Schwerhörigengeräten erfüllt.

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Entsprechend dem zweiten vorgeschlagenen Verfahrensschritt kann die akustische Kopplung zwischen Mikrofon- und Lautsprechermembran über den Tonkopplungskanal durch Veränderung des physikalischen Querschnitts des Tonkopplungskanale veränderlich eingestellt werden. Vermittels dieser veränderlichen Einstellung läßt sich nicht nur die akustische Gegenkopplungsschleife veränderlich einstellen, sondern es wird zugleich auch eine Lautstärkeregelung bewirkt.

Das zur Ausführung des Verfahrens vorgeschlagene Miniatur-Xonverstärkersystem ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch ein Gehäuse, in dem Mikrofon- und Lautsprechermembran angeordnet sind, und das einen zur akustischen Kopplung zwischen Mikrofon und Lautsprecher dienenden Tonkopplungskanal bildet, der wesentlich kurzer ist als die Wellenlänge entsprechend der höchsten in einem vorgegebenen Frequenzbereich liegenden, zu verstärkenden frequenz, und ein in dem eine akustische Gegenkopplungsschleife für das Verstärkersystem bildenden Tonkopplungskanal angeordnetes und zur gesteuerten Veränderung der akustischen Kopplung dienendes Dämpfungsglied.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in diesem Miniatur-Tonverstärkersystem der Verstärker mit einer elektronischen Gegenkopplungsschleife versehen, deren frequenzgang an das verhältnismäßig schwache Ansprechvermögen von Mikrofon und Lautsprecher angepaßt ist und

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somit eine Auslegung der Gesamtverstärkersystem-Dämpfungskennlinie und einen stabilen Betrieb im geschlossenen Kreis mit fa.ob.em Anteil an akustischer Gegenkopplung gestattet.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 ist eine stark schematisierte Darstellung

eines Miniatur-Tonverstärkersystems zur Erläuterung des Prinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 ist ein teilweiser Querschnitt durch eine praktische Ausführungsform und zeigt die Anordnung des Tonverstärkersystems von Fig. in einem typischen Miniatur gerät wie z.B. einem Schwerhörigengerät.

Fig. 3 zeigt mehrere mathematische Darstellungen

des Frequenzganges zur Erläuterung der verbesserten Arbeitsweise nach dem Verfahren und vermittels des Tonverstärkersystems nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist schematisch ein Gehäuse 10 mit einer innenliegenden Mikrofon-Tonkammer 11 dargestellt, der ein Schallsignal durch einen Schalltrichter 12 zuführbar ist. Ein Mikrofon 13 wandelt Schallsignale in elektrische Signale um, welche über einen Verstärker H einem Empfänger oder Wandler 15 zugeführt werden, welcher in Art eines Lautsprechers die elektrischen Signale innerhalb einer

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Lautsprecher-Tonkammer 16 wiederum in Schallsignale umsetzt. Diese Schallsignale werden beispielsweise durch einen Schalltrichter 17 wieder nach außen abgegeben. Die Tonkammern und 16 sind durch eine starre Trennwand 18 voneinander getrennt. In beiden Xonkammern wird die gegenüberliegende Wand jeweils von einer mechanisch mit dem Mikrofon 13 verbundenen Mikrofonmembran 19 bzw. von einer mechanisch mit dem Empfänger 15 verbundenen Lautsprechermembran 20 gebildet.

In der Trennwand 18 des Gehäuses 10 befindet sich ein Tonkopplungskanal 21, welcher die Tonkammern, in denen sich die Membranen 19 bzw. 20 befinden, miteinander verbindet. Die Länge des Tonkopplungskanals 21, d.h. in diesem falle der Abstand zwischen den Membranen ist wesentlich, kleiner als die Wellenlänge der höchsten frequenz in dem zu verstärkenden Signalfrequenzbereich.

Zur gesteuerten Einstellung der akustischen Kopplung durch den Tonkopplungskanal 21 ist ein Gewindeteil 22 vorgesehen, durch den die effektive Querschnittsfläche des Tonkopplungskanals durch Schraubverstellung des Gewindeteils 22 veränderlich eingestellt werden kann.

Der Verstärker 14 ist mit einer elektronischen Rückkopplungsschleife versehen, die durch den Block N angedeutet und so bemessen ist, daß der frequenzgang des Verstärkers den zusammengenommenen Frequenzgang von Mikrofon

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13 und Empfänger 15 und der diesen zugeordneten Membrane 19 und 20 ausgleicht. Aufgrund dieses Ausgleichs kann das TonverBtärkersystem in geschlossener Schleife mit hohem Anteil an akustischer Gegenkopplung durch den Tonkopplungskanal 21 betrieben werden.

In Fig. 2 ist eine praktische Ausführungsform für die anhand Pig. 1 beschriebenen Bauteile dargestellt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 hat das Gehäuse 23 solche Abmessungen und Formgebung, daß es als sogenanntes Hinterohrgerät verwendbar ist. Selbstverständlich kann die Formgebung auch so gewählt werden, daß das Gerät auf das Ohr aufsteckbar ist. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Mikrofon 24 mit einer Membran, die mit einem Toneintrittskanal 25 in Verbindung steht. Der Mikrofonausgang ist zu einem Verstärker 26 geführt, welcher verstärkte Signale an einen Smpfänger oder'Lautsprecher 27 abgibt. Der Verstärker 26 kann außerdem eine Batterie oder eine in beliebiger Weise ausgebildete Stromquelle enthalten. Der Empfänger oder Lautsprecher 27 und die zugeordnete . Membran sind mit einem !Eonaustrittskanal 28 und über einen dünnen Schlauch 29 mit einer Hörmuschel 30 verbunden.

Der einen Tonkopplungskanal 31 bildende Teil des Gehäuses 23 verläuft quer zu Toneintrittskanal 25 und Tonaustrittskanal 28. Wie anhand Fig. 1 ausgeführt, entspricht die Länge des Tonkopplungskanals 31 von Lautsprechermembran bis zu Mikrofonmembran einem kleinen

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Bruchteil und vorzugsweise weniger als einer Viertel Wellenlänge der höchsten Frequenz innerhalb des zu verstärkenden Frequenzbereichs.

Die veränderliche Einstellung der akustischen Kopplung durch den Tonkopplungskanal 31 erfolgt vermittels eines Gewindeteils 32, der wie dargestellt teilweise seitlich in den Kanal hineinragt. Der Gewindeteil 32 ist von der Außenseite des Gehäuses 23 aus zugänglich und gestattet somit die veränderliche Einstellung des effektiven Querschnitts und damit der akustischen Kopplung durch den Tonkopplungskanal 31.

Wenngleich die theoretischen Grundlagen der vorstehend beschriebenen akustischen Rückkopplung verhältnismäßig einfach sind, ist die praktische Ausführung einer solchen nicht offensichtlich oder einfach, was auf mechanische und elektromechanische Beschränkungen im Tonkopplungskanal und der elektrischen Schaltung, sowie auf die mechanischen Eigenschaften von Mikrofon, Empfänger und der diesen zugeordneten Membranen zurückzuführen ist.

Wie anhand der vorstehenden Beschreibung zu ersehen, kann eine durch die Schallausbreitungsgeschwindigkeit bedingte Phasenverschiebung dadurch sehr klein gemacht werden, daß die Abmessungen des Tonkopplungskanals im Vergleich zur Wellenlänge der höchsten frequenz im interessierenden !Frequenzbereich sehr klein gemacht werden, d.h.

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wenn der Verstärkungsgrad bei offener Schleife null dB überschreitet. Bei Schwerhörigengeräten liegt die obere Grenzfrequenz normalerweise bei etwa 5 IcHz. Die dieser Frequenz entsprechende Wellenlänge beträgt etwa 6,3 cm, wobei sich im falle von Miniatur-Schwerhörigengeräten keine Schwierigkeit ergibt, den Abstand zwischen den Membranen durch den !Eonkopplungskanal gleich einem kleinen Bruchteil dieser Wellenlänge zu bemessen.

Dagegen sind jedoch Phasenverschiebungen aufgrund elektromechanischer Resonanzen kritisch, da der frequenzgang von Mikrofon und Lautsprecher am oberen Ende des konstruktiv angesetzten Frequenzbereiches normalerweise eine Dämpfung von -12 dB/Oktave aufweisen. Diese Dämpfung ergibt sich üblicherweise bei der Herstellung, welche darauf zielt, die Mikrofonempfindlichkeit und den Wirkungsgrad des Empfängers möglichst hoch zu machen, insbesondere in Subminiaturausführungen. Die zusammengefaßte Dämpfung von -24 dB/Oktave muß daher abgeglichen werden, um für das gesamte Tonverstärkersystem eine Gresamtdämpfung von -6 dB/Oktave bis weit über den nutzbaren Frequenzbereich hinaus zu erhalten.

Der Bereich, über den ein Phasenabgleich herbeigeführt werden muß, hängt von dem gewünschten Rückkopplungsverhältnis ab, das seinerseits von dem gewünschten Verhältnis aus Eigenverzerrung in der offenen Schleife zu zulässiger Verzerrung in der geschlossenen Schleife abhängt.

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iür Mikrofon, Verstärker, Empfänger und lonkopplungskanal bei der in Pig. 2 dargestellten Ausführungsform seien beispielsweise die folgenden Bedingungen angenommen:

1. L s 20 dB, wobei L der gesamte akustische Eingangs-Ausgangs-Verlust von Mikrofon und Lautsprecher ist.

2. D₀ s= 15#| wobei D_Q die maximale Verzerrung bei offener Schleife ist.

3. D_ = 1»5#» wobei D die höchst zulässige Ver-

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zerrung bei geschlossener Schleife ist.

4. Gr_n « 30 dB, wobei Q_n der Schallverstärkungsgrad

C C

bei geschlossener Schleife ist.

5. Frequenzbereich des Signals Ϊ von 0,3 kHz bis 5 kHz.

für die vorstehend angegebenen Bedingungen lassen sieb. folgende Konstruktionsparameter angeben:

Wenn G der Verstärkungsgrad bei offener Schleife und M das Rückkopplungsverhältnis ist, welches für eine Verzerrungeverringerung von 10 zu 1 angenähert 20 dB betragen sollte, dann gilt:

G « G +M, und der Verstärkungsgrad des elektronischen Verstärkers beträgt:

^& _Λ + ^Lo - 70 dB.

Ein stabilisierter Verstärker in geschlossener Schleife muß daher Signalformungskreise aufweisen. Der frequenzgang bei offener Schleife muß für eine Dämpfung von -6 dB/Oktave beginnend von 0,5 kHz an abgeglichen werden.

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In Pig. 3 sind schematisch die Frequenzgänge bei offener Schleife dargestellt. Die unterste, gestrichelte Καττβ A stellt angenähert den mittleren frequenzgang von Mikrofon und Empfänger gemeinsam dar.

Die oberste, gestrichelte Kurve B stellt den erforderlichen frequenzgang bei geschlossener ScHeife für die elektrische Verstärkerschaltung dar, nachdem die elektronische Gegenkopplung im Ausgleich an den in der gestrichelten Kurve A dargestellten frequenzgang von Mikrofon und Lautsprecher oder Empfänger eingestellt worden ist.

Die strichpunktierte Linie C zeigt den frequenzgang des Gesamtsystems bei offener Schleife, d.h. die Summe der Kurven A und B. Dieser Frequenzgang erfüllt damit die förderung nach Stabilität.

Die ausgezogene Kurve D stellt den frequenzgang für das gesamte !Donverstärkersystem mit akustischer Gegenkopplung dar und zeigt, daß ein im wesentlichen flacher frequenzgang von 0,030 kHz bis 5 kHz erhalten wird.

Aufgrund der akustischen Gegenkopplung werden daher Verzerrungen und Frequenzgangabweichungen praktisch ausgeschaltet, welche normalerweise durch Mikrofon und Empfänger und deren Membranen hervorgerufen werden. Außerdem wird die Linearität verbessert. Im Hinblick auf die verbesserte Linearität ist es natürlich möglich, leichter

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gewünschte Amplitudenumrisse zu erhalten.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ist allgemein auf alle Tonverstärkersysteme anwendbar, bei denen Mikrofon und Verstärker in unmittelbarer Nachbarschaft angeordnet sind, so beispielsweise in Kopfhörern für High Pidelity-Tonwiedergabe oder in industriellen Anwendungen zur schnurlosen Verstärkung oder Frequenzgangbeeinflussung, um gegenüber einem vorhandenen Geräuschpegel bessere Verständlichkeit oder höhere Hörempfindlichkeit in bestimmten Frequenzbereichen zu erzielen.

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Claims

Patentang pr fie he

(\y Verfahren zur Büekkopplungsstabilisierung zwecks Steigerung der Linearität und Verringerung von Signalver- ^; zerrung über einen vorgegebenen Frequenzbereich in einem aus Mikrofon, Verstärker und Lautsprecher bestehenden . Miniatur-Tonverstärkersystem, insbesondere für Schwerhörigengeräte, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zwischen Mikrofonmembran (19) und lautsprechermembran (20) ein Tonkopplungskanal (21, 31.), dessen Länge weniger als ein Viertel der Signalwellenlänge der höchsten Frequenz innerhalb des Frequenzbereichs beträgt, angeordnet und

b) die akustische Kopplung zwischen den Membranen vermittels einer verstellbaren akustischen Gegenkopplungssehleife für das Verstärkersystem veränderlich eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (I4)mit einer elektronischen Gegenkopplungsschleife (N) versehen wird, deren Frequenzgang an den des Mikrofons (13) und des Lautsprechers (20) derart angepaßt ist, daß durch diesen die Gesamtverstärkungsdämpfung auf bestimmte Werte bringbar und ein stabiler Betrieb im geschlossenen Kreis mit hohem Anteil an akustischer Gegenkopplung einstellbar ist.

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-H-
3. Miniatur-Ionverstärkersystem, zur Ausführung des Verfahrens nach. Anspruch 1 oder 2, bestehend aus einem Mikrofon, einem Verstärker und einem Lautsprecher, gekennzeichnet durch

a) ein Gehäuse (10, 23), in dem Mikrofon- und Lautsprechermembran "(19, 20) angeordnet sind, und das einen zur akustischen Kopplung zwischen Mikrofon (13, 24) und Lautsprecher (15, 27) dienenden Tonkopplungskanal (21, 31) bildet, der wesentlich kurzer ist als die Wellenlänge entsprechend der höchsten in einem vorgegebenen Frequenzbereich liegenden, zu verstärkenden !Frequenz, und

b) ein in dem eine akustische Gegenkopplungsschleife für das Verstärkersystem bildenden Tonkopplungskanal angeordnetes und zur gesteuerten Veränderung der akustischen Kopplung dienendes Dämpfungsglied (22, 32).
4. Tonverstärkersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (H) eine elektronische Gegenkopplungeschleife (N) aufweist, deren Frequenzgang an den von Mikrofon und Lautsprecher angepaßt und für einen stabilen Betrieb im geschlossenen Kreis mit hohem Anteil an akustischer Gegenkopplung ausgelegt ist.
5. Tonverstärkersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (23) in Größe und Formgebung an das menschliche Ohr angepaßt ist und einen mit dem Mikrofon

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(24) in Verbindung stehenden Toneintrittskanal (25) und einen mit dem lautsprecher (27) in Verbindung, stehenden Tonaustrittskanal (28) aufweist, der Tonkopplungskanal (31) zwischen Toneintritts- und Tonaustrittskanal angeordnet ist und das in dem Tonkopplungskanal angeordnete Dämpfungsglied aus einem von der Gehäuseaußenseite aus verstellbaren, teilweise seitlich in den Tonkopplungskanal hinein vorstehenden Gewindeteil (32) besteht, der durch Schraubverstellung eine Veränderung der effektiven Querschnittsfläche des Tonkopplungskanals und damit eine lautstärkeregelung gestattet.

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