Die Erfindung betrifft eine elektroakustische Kommunikationseinheit wie ein Mobiltelefon und einen Telefonhandapparat oder Kopfsprechhörer, der in Eingriff mit einem Ohr des Benutzers gehalten werden soll, aber auch einen Kopfhörer.

Insbesondere auf dem Gebiet der Mobiltelefone gibt es eine Entwicklung zu Einheiten hin, die sowohl weniger wiegen als auch kleiner sind. Dies stellt eine große Anforderung an die Gestalter und Hersteller der elektronischen und elektroakustische Komponenten, die hier ein Mikrophon und einen Schallgenerator oder Empfängerwandler umfassen. Auch diese Wandler sind heute in kleineren Abmessungen als zuvor erhältlich.

Die bevorzugten elektroakustischen Empfängerwandler, die hier verwendet werden, bestehen aus dem elektrodynamischen Typ mit einer Membran zur Erzeugung akustischer Signale in der Form von Schall mit Frequenzen im hörbaren Bereich. Herkömmlicherweise ist der Wandler an der Innenseite der Gehäusewand des Telefons z.B. mittels eines Klebemittels oder einer Weichgummibefestigung befestigt, die eine Dichtung herstellt. Akustische Verbindungen in der Form von Öffnungen in der Gehäusewand übertragen Schall, der durch den Wandler erzeugt wird, zum Ohr des Benutzers und weisen eine sorgfältig gestaltete Form auf, um die erwünschten Kennlinien der akustischen Impedanz und Frequenz zu ergeben, wenn sich das Telefon im Eingriff mit dem Ohr des Benutzers befindet. Herkömmlicherweise ist der Wandler an der Innenseite der Gehäusewand in der unmittelbaren Nähe der akustischen Verbindungen befestigt.

Eine Spule eines elektrisch leitenden Drahts, die an der Membran des Wandlers befestigt ist, treibt als Reaktion auf elektrische Ströme in der Spule die Membran an. Es wird daher Schall von beiden Seiten der Membran emittiert, wodurch der Wandler als ein Dipol betrachtet werden kann. Die bevorzugten Wandler sind Schalldruckgeneratoren mit niedriger akustischer Impedanz, wo jede Seite der Membran verwendet werden kann, um Schall zu erzeugen, der zum Ohr des Benutzers übertragen werden soll. Der Hauptunterschied zwischen den Schallsignalen von den beiden Seiten der Membran ist eine Phasenverschiebung von 180 Grad.

Wenn sich die Membran bewegt, emittiert sie Schall zum Ohr des Benutzers von einer Seite, die herkömmlich als die Vorderseite bezeichnet wird, und damit der Wandler zufriedenstellend arbeitet, ist es notwendig, daß ein Luftvolumen einer bestimmten Größe auf der gegenüberliegenden Seite zur Verfügung steht, die herkömmlich als die Rückseite der Membran bezeichnet wird, da die Membran anderfalls blockiert und an einer Bewegung gehindert wird. Wenn der Rückseite der Membran ein zu kleines Luftvolumen zur Verfügung steht, wird die Empfindlichkeit und daher auch die Ausgangsleistung des Wandlers bei niedrigen Frequenzen reduziert werden. Zusätzlich wird jede undichte Stelle bei der Montage des Gehäuses in Kombination mit dem kleinen Luftvolumen auf der Rückseite der Membran zu einer Frequenzkennlinie führen, die einen unglücklichen Verlauf in der Form eines Einschnitts aufweist. Mit anderen Worten muß die Membran des Wandlers ein bestimmtes Arbeitsvolumen von Luft auf beiden Seiten der Membran aufweisen. Bei der herkömmlichen Befestigung des Lautsprecherwandlers nahe der Innenseite der Gehäusewand wird die Vorderseite der Membran durch Öffnungen in der Gehäusewand Zugang zum Luftvolumen im Außenohr des Benutzers haben, und die Rückseite der Membran wird Zugang zu einem Luftvolumen im Gehäuse oder über Öffnungen im Gehäuse zur umgebenden Luft haben.

Mobiltelefone und Telefonhandapparate werden unter der Verwendung eines Ohrsimulators auf ihre akustische Qualität geprüft. Die International Telecommunication Union (ITU) Empfehlung ITU-T P.57 und internationale Normen wie IEC 318 und IEC 711 definieren Ohrsimulatoren, die alle auf der Verwendungssituation beruhen, wo ein Benutzer das Telefon oder den Handapparat gegen sein Ohr hält. Um reproduzierbare Messungen sicherzustellen, stellen diese Normen und Empfehlungen Richtlinien für die mechanische und physikalische Struktur des Ohrsimulators und seine akustischen Funktion hinsichtlich dessen bereit, ein menschliches Ohr so gut wie möglich zu simulieren, und es ist niedergelegt, wie eine Prüfung auszuführen ist, einschließlich wie das Telefon mit dem Ohrsimulator in Eingriff zu bringen ist, und insbesondere die genaue Position und Orientierung des Telefons relativ zum Ohrsimulator.

Dies bedeutet, daß es für jedes gegebene Telefon und auf der Grundlage der Normen möglich ist, die Eingriffsfläche des Telefons mit dem Ohrsimulator in der genormten oder empfohlenen Prüfung zu definieren, die gemäß der Norm oder der Empfehlung dem Eingriff mit einem Ohr des Benutzers entsprechen wird. Im folgenden wird der Ausdruck „Fläche zum Eingriff mit einem Ohr des Benutzers" daher als ein Synonym für den Eingriff der Kommunikationseinheit mit einem genormten Ohrsimulator verwendet, da diese Flächen gemäß des vorhergehenden identisch sind.

Solche genormten Ohrsimulatoren sind z.B. von Brüel & Kjær als Typ 4157, Typ 4185, Typ 4195 und Typ 4128 kommerziell erhältlich. Die Eingriffsfläche ist typischerweise ein kreisförmiger Bereich mit einem Durchmesser von 25 mm, wobei der Ohrsimulator eine ringförmige Eingriffsfläche mit einem Durchmesser von 25 mm aufweist. Einwärts von der ringförmigen Eingriffsfläche des Ohrsimulators gelegen gibt es ein Luftvolumen, das dem Volumen des menschlichen Außenohrs entspricht. Dieses Volumen ist die Schalleintrittsöffnung des Ohrsimulators zu einen Mikrophon, mittels dessen der Schall vom Telefon registriert werden kann.

Die Größe des Luftvolumens im Schalleintritt des Ohrsimulators oder des menschlichen Ohrs beeinflußt die akustische Belastung des Empfängerwandlers der Kommunikationseinheit wesentlich. Jede undichte Stelle zur Umgebung kann eine wesentliche Zunahme dieses Volumens bewirken, was eine deutliche Veränderung der akustischen Belastung ergibt. Änderungen der akustischen Belastung können Meßergebnisse verursachen, die nicht korrekt den akustischen Eigenschaften der Kommunikationseinheit entsprechen, die gemessen werden soll. Um korrekte und reproduzierbare Testmessungen zu erzielen, die für die Kommunikationseinheit charakteristisch sind, muß die Kommunikationseinheit daher gemäß der Normen in einer eng anliegenden Beziehung mit der ringförmigen Eingriffsfläche des Ohrsimulators stehen.

Im Normalgebrauch wird es merkliche Variationen im Grad der Dichtheit des Eingriffs der Kommunikationseinheit mit den Ohren einzelner Benutzer geben, was größere oder kleinere akustische undichte Stellen mit der Umgebung ergibt. Solche Variationen beeinflussen die akustische Belastung des Empfängerwandlers, was wiederum abhängig von der Empfindlichkeit der Einheit gegenüber einer akustischen Lastimpedanz die akustischen Eigenschaften der Kommunikationseinheit ändern kann. Der Benutzer nimmt solche Änderungen als Variationen der Klangqualität der Kommunikationseinheit wahr. Dies ist unerwünscht.

Folglich gibt es einen Bedarf nach Kommunikationseinheiten, die gegenüber undichten Stellen tolerant sind, das heißt, Einheiten, die sowohl eine wahrgenommene Klangqualität für den Benutzer als auch Meßergebnisse an einem Ohrsimulator ergeben, von denen alle im größtmöglichen Ausmaß sowohl beim Eingriff der Einheit mit dem Ohr des Benutzers als auch mit dem Ohrsimulator von undichten Stellen unabhängig sind.

WO 98/24214 und WO 00/21330 offenbaren jeweils ein solches bekanntes Mobiltelefon, das einen gegenüber undichten Stellen toleranten Aufbau der Hörmuschel aufweist. 1 zeigt ein vereinfachtes akustisches Ersatzschaltbild der betreffenden akustischen Impedanzen in Verbindung mit den Lautsprecherwandlern in einem solchen bekannten Telefon. Der Lautsprecherwandler wird als ein Schalldruckgenerator P mit einer komplexen akustischen Ausgangsimpedanz Z1 gezeigt. L1 und R1 repräsentieren die akustischen Impedanzen im Weg von der „Vorderseite" des Lautsprecherwandlers durch die Schallaustrittsöffnung zum Ohr des Benutzers, das durch die belastende akustische Impedanz Zear repräsentiert wird. L2 und R2 repräsentieren die akustischen Impedanzen im Schallweg von der „Rückseite" des Lautsprecherwandlers zu einer Öffnung zum Ohr des Benutzers, wodurch das Telefon tolerant gegenüber undichten Stellen gemacht wird. L3 und R3 repräsentieren die akustische Impedanz in den undichten Stellen der Telefongehäuseschalen, und C1 repräsentiert das innere Luftvolumen im Telefon.

In 1 bildet C1 parallel mit L1 einen Parallelresonator auf der Rückseite des Lautsprecherwandler. Dieser Parallelresonator weist eine Resonanzfrequenz mit einer sehr hohen Impedanz auf. Bei der Resonanzfrequenz blockiert die hohe Impedanz mehr oder weniger die Membran und hindert sie an einer Bewegung, wodurch ein unerwünschter Einschnitt in den Frequenzgang erzeugt wird. Kleine innere Luftvolumen führen zu einem stärkeren Einschnitt als es große Luftvolumen tun. Mobiltelefone werden immer kleiner und kompakter gemacht, wobei das innere Luftvolumen auf so wenig wie möglich reduziert wird, wodurch das Problem mit dem Einschnitt in den Frequenzgang noch größer wird.

Telefone mit einem sehr kleinen inneren Luftvolumen können durch den Stand der Technik nicht ohne weiteres tolerant gegenüber undichten Stellen gemacht werden, da es eine Toleranz gegenüber undichten Stellen erfordert, daß der Wandler Zugang zu einem bestimmten Luftvolumen hinter dem Wandler hat – typischerweise einige cm³. Aus rein akustischen Gründen wäre ein größeres inneres Luftvolumen wünschenswert, jedoch ist dies nicht akzeptabel, da dies die Größe der Einheit erhöhen würde. Als Alternative zu einem großen inneren Luftvolumen könnten akustische Öffnungen von einem kleinen inneren Luftvolumen zur umgebenden Luft außerhalb des Telefons hergestellt werden. Der Wandler würde hierdurch über das kleine innere Luftvolumen Zugang zu einem unendlich großen Luftvolumen haben, und es könnte eine gegenüber undichten Stellen tolerante Funktion erzielt werden. Eine solche Struktur mit einem kleinen inneren Volumen wird einen akustischen Resonanzkreis bilden, der aus der akustischen Induktivität dieser akustischen Öffnungen und der akustischen Kapazität des kleinen inneren Luftvolumens besteht. Ein solcher Resonanzkreis wird bewirken, daß der Frequenzgang des Telefons einen verhältnismäßig tiefen und scharfen Einschnitt aufweist, der durch die Geometrie der Öffnungen und dem inneren Luftvolumen bestimmt und leider häufig in der Mitte des nutzbaren Tonfrequenzbereichs liegen wird.

Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich geworden, die akustischen Eigenschaften, und insbesondere den Frequenzgang des Empfängerwandlers im wesentlichen unabhängig, oder mindestens weniger abhängig von der Größe des inneren Luftvolumens in der Kommunikationseinheit zu machen.

Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß erfindungsgemäß das Luftvolumen, das immer im Gehäuse der Kommunikationseinheit vorhanden ist, nun in den primären Übertragungsweg von einer ersten Seite der Membran des Wandlers durch den Schallaustritt zum Ohr des Benutzers eingeschlossen wird. Die gegenüberliegende Seite der Membran wird durch eine akustische Impedanz belastet, die insbesondere so gestaltet ist, daß sie unter normalen und allen praktischen Anwendungsbedingungen und insbesondere auch anderen Bedingungen als den genormten Prüfbedingungen mit einem Ohrsimulator gegenüber der akustischen Impedanz im primären Übertragungsweg vorherrschen wird. Der Wandler besteht vorzugsweise aus dem Typ, der eine Niederfrequenzverstärkung aufweist, d.h. er weist eine erhöhte Empfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen auf, und der primäre Übertragungsweg ist außerdem zur umgebenden Luft durch eine akustische Verbindung mit der umgebenden Luft belüftet. Diese akustische Verbindung ist dazu bestimmt, die Niederfrequenzverstärkung auszugleichen und insbesondere bei niedrigen Frequenzen den erwünschten Frequenzgang zu ergeben. Die Kommunikationseinheit wird hierdurch gegenüber undichten Stellen tolerant gemacht, wie oben beschrieben wird.

Die Gestalter von Kommunikationseinheiten wie Mobiltelefonen wird hierdurch die Freiheit bei der Wahl der Stelle für den Wandler im Telefongehäuse gegeben. Herkömmlicherweise ist die Freiheit des Gestalters bei der Anordnung des Empfängerwandlers auf die Innenseite der Gehäusewand zum Eingriff mit dem Ohr des Benutzers und die nähere Umgebung der Schallausgangsöffnung oder -Öffnungen beschränkt gewesen. Durch die Erfindung kann der Gestalter nun frei wählen, den Wandler an jeder bequemen Stelle im Telefon anzuordnen. Insbesondere kann der Wandler nun an Positionen angeordnet werden, die von der Schallausgangsöffnung weiter entfernt sind. Der Gestalter kann nun wählen, den Wandler an einer Kante oder einer Ecke der Gehäusewand anzuordnen, und der Wandler kann sogar an jeder anderen geeigneten Struktur im Telefon angeordnet werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß aus akustischen Gründen praktisch kein inneres Luftvolumen in der Kommunikationseinheit benötigt wird. Erfindungsgemäß bildet das innere Luftvolumen in der Kommunikationseinheit einen Teil des Schallwegs vom Lautsprecherwandler zum Ohr des Benutzers, und das innere Luftvolumen, das einen Teil des Schallwegs bildet, wird keine negative Auswirkungen auf die akustischen Eigenschaften haben, und es ist ein kleines Luftvolumen gegenüber einem größeren Luftvolumen zu bevorzugen. Die Erfindung ist folglich die ideale Lösung für moderne Mobiltelefone, wo eine kleine Größe ein Erfordernis ist.

In 1 repräsentieren L3 und R3 die akustischen Impedanzen infolge der häufigsten unvermeidlichen Undichtigkeit an der Grenzfläche zwischen den Gehäuseschalen, d.h. längs ihrer Kanten. Die Herstellungs- und Montagetoleranzen der Gehäuseschalen führen zu unkontrollierbaren und variablen undichten Stellen oder Öffnungen im Gehäuse, die in den bekannten Telefonen in unkontrollierten und unvorhersehbaren Einschnitten im Frequenzgang führen. Durch die Erfindung wird der Einfluß solcher unkontrollierter undichter Stellen minimiert.

Es werden im folgenden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der akustischen Impedanzen in einem Telefonhandapparat des Stands der Technik,

2 schematisch einen Querschnitt durch ein Mobiltelefon in einer ersten Ausführungsform der Erfindung und einen Ohrsimulator zur Messung seiner Leistung,

3 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der akustischen Impedanzen im Telefon in 1,

4 schematisch einen Querschnitt durch ein Mobiltelefon in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und einen Ohrsimulator zur Messung seiner Leistung,

5 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der akustischen Impedanzen im Telefon in 3.

In den 2 und 4 weist ein Mobiltelefon 10, 10a jeweils ein Gehäuse 11 auf, das vorzugsweise zwei Schalen aufweist, die in einer bekannten Weise zusammengebaut sind, um ein im wesentlichen geschlossenes Inneres und ein Äußeres des Gehäuses zu bilden. In den Figuren weisen ähnliche Strukturen in beiden Ausführungsformen dieselben Verweise auf. Im Gehäuse 11 wird eine gedruckte Schaltung mit elektronischen Komponenten 16 zum Betreiben des Telefons angezeigt.

In 2 ist ein elektroakustischer Lautsprecherwandler 12 an der Innenseite des Gehäuses 11 mittels eines Klebstoffrings 14 befestigt. Der Wandler 12 besteht aus dem elektrodynamischen Typ mit einer Membran 13, jedoch können auch andere Typen verwendet werden. Die Lautsprecherwandler 12 weist eine Frequenzgangkurve mit einem angehobenen Niederfrequenzabschnitt auf, der als Niederfrequenzverstärkung bezeichnet wird. Die gezeigte Membran weist ein gewölbtes Profil auf und weist mit ihrer konvexen Seite zur Gehäusewand. Es können andere Profile verwendet werden, wie ebene, gewellte oder irgendein anderes geeignetes Profil. Der Wandler 13 weist eine erste Seite 15 auf, die von der Gehäusewand weg weist. In der ersten Seite 15 des Wandlers gibt es eine akustische Verbindung zur konkaven Seite der Membran 13. Diese akustische Verbindung wird durch eine gepunktete Linie angezeigt.

Im Gehäuse gibt es ein erstes Luftvolumen C1 und eine erste Öffnung 17 in der Gehäusewand. Die Öffnung 17 ist in der Gehäusewand zum Eingriff mit einem Ohr des Benutzers bestimmt, und anstelle des Ohrs des Benutzers wird ein Ohrsimulator 18 gezeigt. Die Öffnung kann auf der Mittellinie des Telefons oder versetzt davon angeordnet sein. Von der konkaven Seite der Membran 13 gibt es folglich über das erste Luftvolumen C1 und die erste Öffnung 17 eine akustische Verbindung oder Weg durch die erste Seite 15 des Wandlers zum Ohrsimulator oder zum Ohr des Benutzers. Die erste Öffnung 17 weist akustische Impedanzen L1, die die Masse der Luft in der Öffnung repräsentieren, und R1 auf, die die Reibung der Luftmasse repräsentieren. Vorzugsweise ist die erste Öffnung 17 so gestaltet, daß sie eine niedrige akustische Impedanz aufweist, und sie kann in zwei oder mehrere kleinere Öffnungen als die gezeigte unterteilt werden, oder die Öffnung kann durch ein Gitter oder ein Netz bedeckt sein.

Durch eine zweite Öffnung 19 in der Gehäusewand gibt es eine zweite akustische Verbindung oder Weg durch die erste Seite 15 des Wandlers und des Luftvolumens C1 zur umgebenden Luft. Die zweite Öffnung 19 weist akustische Impedanzen L3 und R3 auf, die entsprechend die Luftmasse bzw. ihre Reibung in der Öffnung 19 repräsentieren. Die zweite Öffnung 19 ist dazu bestimmt, insbesondere die Verstärkung des Wandlers bei niedrigen Frequenzen auszugleichen, um insbesondere den Niederfrequenzgang weniger von Variationen der akustischen Belastung durch das Ohr des Benutzers abhängig zu machen. Das Telefon wird hierdurch tolerant gegenüber undichten Stellen gemacht. Die beiden Gehäuseschalen sind dazu bestimmt, längs ihrer Kanten zueinander zu passen und ein geschlossenes Gehäuse zu bilden, wobei die zweite Öffnung 19 die einzige Ausnahme ist. Jedoch ist die Anpassung häufig nicht perfekt, was zu einer undichten Stelle führt. Die zweite Öffnung 19 ist so gestaltet, daß ihre akustische Impedanz kleiner als die akustische Impedanz in den möglichen undichten Stellen ist, wodurch der Einfluß der undichten Stellen vernachlässigbar ist.

Eine dritte Öffnung 20 stellt eine akustische Verbindung oder Weg von der konvexen Seite der Membran 13 zur umgebenden Luft her. Die dritte Öffnung weist akustische Impedanzen L5, R5 auf, die entsprechend die Luftmasse bzw. ihre Reibung in der Öffnung 20 repräsentierten. Die dritte Öffnung 20 mit ihren Impedanzen L5 und R5 ist dazu bestimmt, die akustische Leistung des Wandlers zu beherrschen.

Wenn elektrische Signale bei Tonfrequenzen in den Wandler eingegeben werden, wird die Membran in Schwingungen versetzt, und es werden dadurch auf beiden Seiten der Membran akustische oder Schallsignale erzeugt. Von der konkaven Seite der Membran werden Schallsignale durch die erste Seite 15 des Wandlers in das Volumen C1 übertragen, und vom Volumen C1 weiter durch die erste Öffnung 17 zum Ohr des Benutzers und außerdem durch die zweite Öffnung 19 zur umgebenden Luft. Aus der konvexen Seite der Membran werden Schallsignale durch die dritte Öffnung 20 zur umgebenden Luft übertragen.

In 3 wird das elektrische Ersatzschaltbild für die oben beschriebene Struktur gezeigt. Der Wandler weist eine akustische Ausgangsimpedanz Z1 auf, und er erzeugt einen akustischen Schalldruck P. Zear ist die akustische Lastimpedanz des Ohrs des Benutzers oder des Ohrsimulators. Im Ersatzschaltbild wird die Impedanz möglicher undichter Stellen parallel zu den kleineren Impedanzen R3 + L3 in der zweiten Öffnung 19 liegen. Dies bedeutet, daß die Impedanz in der zweiten Öffnung 19 gegenüber der Impedanz in den undichten Stellen vorherrschen wird. Mögliche undichte Stellen und ihre Variationen werden dadurch keinen oder nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf die akustische Leistung des Telefons haben.

In 4 wird eine alternative Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Hier ist der Wandler nicht an der Gehäusewand, sondern vielmehr an einer inneren Struktur wie einer gedruckten Schaltung oder einer Innenwand des Mobiltelefons befestigt. Hier stellt eine dritte Öffnung 20a mit den akustischen Impedanzen R6, L6 eine akustische Verbindung zu einem geschlossenen Volumen C2 im Telefon her. Das Volumen C2 kann Hochfrequenzkomponenten einschließen. Wie in 2 sind das Volumen C2 und die akustischen Impedanzen R6, L6, die in das Volumen führen, dazu bestimmt, die akustische Leistung des Wandlers zu beherrschen. Die alternative Ausführungsform in 4 weist dieselben oben erwähnten Vorteile wie die Ausführungsform in 2 auf.

5 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild für die Struktur in 4.