DK176255B1 - Elektroakustisk kommunikationsenhed - Google Patents

Description

i DK 176255 B1

Elektroakustisk kommunikationsenhed

Opfindelsen angår en elektroakustisk kommunikationsenhed, såsom en mobiltelefon og et telefonhåndsæt eller -hoved-5 sæt, der skal holdes i anlæg mod en brugers øre, men også en hovedtelefon.

Særlig inden for mobiltelefonområdet har der været en udvikling mod enheder, som både vejer stadigt mindre og er 10 mindre i størrelse. Dette stiller store krav til designere og fabrikanter af elektroniske og elektroakustiske komponenter, som her omfatter mikrofoner og lydfrembringer- eller højttalertransducere. Også disse transducere findes i dag i mindre dimensioner end før.

15

De foretrukne elektroakustiske højttalertransducere, som anvendes her, er af den elektrodynamiske type med en membran til frembringelse af akustiske signaler i form af lyd med frekvenser i det hørbare område. Traditionelt 20 fastgøres transduceren til den indre side af telefonens husvæg f.eks. ved hjælp af et klæbemiddel eller en blød gummifitting, som tilvejebringer en forsegling. Akustiske forbindelser i form af åbninger i husvæggen overfører lyd, der frembringes af transduceren, til brugerens øre 25 og har en nøje udformet form for at give den ønskede akustiske impedans- og frekvenskarakteristik, når telefonen er i anlæg mod brugerens øre. Traditionelt fastgøres transduceren til den indre side af husvæggen i umiddelbar nærhed af de akustiske forbindelser.

30

En spole af elektrisk ledende tråd fastgjort til transducerens membran driver membranen i afhængighed af elektriske strømme i spolen. Lyd udsendes herved fra begge sider af membranen, hvorved transduceren kan betragtes som en 2 DK 176255 B1 dipol. De foretrukne transducere er lydtrykgeneratorer med lav akustisk impedans, hvor enhver af membranens sider kan anvendes til at frembringe lyd, der skal overføres til brugerens øre. Den vigtigste forskel mellem lyd-5 signaler fra de to sider af membranen er en faseforskydning på 180 grader.

Når membranen bevæger sig, udsender den lyd til brugerens øre fra den ene side, som traditionelt omtales som forsi-10 den, og for at transduceren skal kunne fungere tilfredsstillende, er det nødvendigt, at et luftvolumen af en vis størrelse er til rådighed på den modsatte side, der traditionelt omtales som bagsiden, af membranen, eftersom membranen ellers vil blive blokeret og hindret i at be-15 væge sig. Hvis et for lille luftvolumen er til rådighed for membranens bagside, vil følsomheden og dermed også transducerens effekt blive reduceret ved lave frekvenser. Ydermere vil en eventuel lækage eller ukontrolleret utæthed i husets samling i kombination med det lille luftvo-20 lumen på membranens bagside resultere i en frekvenskarakteristik, der har et uheldigt og ukontrollabelt forløb i form af et dyk. Med andre ord skal transducerens membran have et vist arbejdsvolumen af luft på begge sider af membranen. Med den traditionelle montering af højttaler-25 transduceren tæt på husvæggens indre side vil membranens forside gennem åbninger i husvæggen have adgang til luftvolumenet i brugerens ydre øre, og membranens bagside vil have adgang til et luftvolumen inde i huset eller via åbninger i huset til den omgivende luft.

30

Mobiltelefoner og telefonhåndsæt afprøves for deres akustiske kvalitet under anvendelse af en øresimulator. Den internationale telekommunikationsunions (ITU) anbefaling ITU-T P.57 og internationale standarder såsom IEC 318 og 3 DK 176255 B1 IEC 711 definerer øresimulatorer, som alle er baseret på brugssituationen, hvor en bruger holder telefonen eller håndsættet mod sit øre. For at sikre reproducerbare målinger giver disse standarder og anbefalinger retningsli-5 nier for den mekaniske og fysiske konstruktion af øresimulatoren og dens akustiske funktion med henblik på en så god simulering som muligt af et menneskes øre, og det er angivet, hvorledes en afprøvning skal udføres, herunder hvorledes telefonen skal bringes i anlæg mod øresimulato-10 ren, og især den nøjagtige stilling og orientering af telefonen i forhold til øresimulatoren.

Dette indebærer, at det for en given telefon og på basis af standarderne er muligt at definere telefonens anlægs-15 flade mod øresimulatoren i den standardiserede eller anbefalede afprøvning, som ifølge standarden eller anbefalingen vil svare til anlæg mod en brugers øre. I det følgende vil udtrykket "flade til anlæg mod en brugers øre" derfor blive anvendt som synonym for kommunikationsenhe-20 dens anlæg mod en standardiseret øresimulator, eftersom disse flader er identiske ifølge det ovenstående.

Sådanne standardiserede øresimulatorer er kommercielt tilgængelige f.eks. fra Bruel & Kjær som type 4157, type 25 4185, type 4195 og type 4128. Anlægsfladen er typisk et cirkulært område med en diameter på 25 mm, idet øresimulatoren har en ringformet anlægsflade med en diameter på 25 mm. Inden for øresimulatorens ringformede anlægsflade er der et luftvolumen, der svarer til volumenet af et 30 menneskes ydre øre. Dette volumen er øresimulatorens lydindgangsåbning til en mikrofon, ved hjælp af hvilken lyden fra telefonen kan registreres.

4 DK 176255 B1

Størrelsen af luftvolumenet i lydindgangen i øresimulatoren eller i det menneskelige øre påvirker i væsentlig grad den akustiske belastning af kommunikationsenhedens højttalertransducer. En eventuel lækage til omgivelserne 5 kan bevirke en betydelig stigning i dette volumen, hvilket giver en signifikant ændring af den akustiske belastning. Ændringer af den akustiske belastning kan forårsage måleresultater, som ikke svarer korrekt til kommunikationsenhedens akustiske egenskaber, som det ønskes at måle. ίο For at opnå korrekte og reproducerbare testmålinger, som er karakteristisk for kommunikationsenheden, skal kommunikationsenheden i overensstemmelse med standarderne derfor være i tætpassende forbindelse med øresimulatorens ringformede anlægsflade.

15 I normal brug vil der være betydelige variationer i tæt-hedsgraden af kommunikationsenhedens anlæg mod de individuelle brugeres øre, hvilket giver større eller mindre akustiske lækager til omgivelserne. Sådanne variationer 20 påvirker den akustiske belastning af modtagertransduceren, som igen afhængigt af enhedens følsomhed over for den akustiske belastningsimpedans kan ændre kommunikati-onsenhedens akustiske egenskaber. Brugeren opfatter sådanne ændringer som variationer i kommunikationsenhedens 25 lydkvalitet. Dette er uønskeligt.

Der er derfor behov for kommunikationsenheder, som er læktolerante, det vil sige enheder, som giver en opfattet lydkvalitet for brugeren samt måleresultater på en øresi-30 mulator, som alle i størst muligt omfang er uafhængige af lækager både i enhedens anlæg mod brugerens øre og mod øreSimulatoren.

5 DK 176255 B1 WO 98/24214 og WO 00/21330 angiver hver især en sådan kendt mobiltelefon, hvor der anvendes en læktolerant konstruktion omkring højttalertransduceren. Figur 1 viser et forenklet akustisk ækvivalent diagram over de akustiske 5 impedanser, som er involveret i forbindelse med højttalertransducerne i en sådan kendt telefon. Højttalertransduceren er vist som en lydtrykgenerator P med en kompleks akustisk udgangsimpedans Zl. LI og L2 repræsenterer de akustiske impedanser i vejen fra "forsiden" af højttaler-10 transduceren gennem lydudgangsåbningen til brugerens øre, som er repræsenteret af den akustiske belastningsimpedans Zear. L2 og R2 repræsenterer de akustiske impedanser i lydvejen fra "bagsiden" af højttalertransduceren til en åbning til brugerens øre, hvorved telefonen gøres lækto-15 lerant. L3 og R3 repræsenterer den akustiske impedans i lækagerne i samlingen mellem telefonhusets skaller og andre eventuelle lækager eller utætheder i huset, og Cl repræsenterer det indre luftvolumen i telefonen.

20 I figur 1 udgør Cl parallelt med LI en parallel resonator på bagsiden af højttalertransduceren. Denne parallelle resonator har en resonansfrekvens med en meget høj impedans. Ved resonansfrekvensen blokerer den høje impedans mere eller mindre membranen og hindrer den i at bevæge 25 sig, hvorved der skabes et uønsket dyk i frekvensgangen.

Små indre luftvolumener resulterer i et alvorligere dyk end større luftvolumener. Mobiltelefoner gøres stadig mindre og mere kompakte med det indre luftvolumen reduceret til det mindst mulige, hvorved problemet med dykket i 30 frekvensgangen bliver endnu mere alvorligt.

Telefoner med et meget lille indre luftvolumen kan med den kendte teknik ikke uden videre gøres læktolerante, eftersom læktolerance kræver, at transduceren har adgang 6 DK 176255 B1 til et vist luftvolumen bag transduceren - typisk nogle cm3. Af rent akustiske grunde ville et stort indre luftvolumen være ønskeligt, men dette er ikke acceptabelt, da det vil øge enhedens størrelse. Som alternativ til et 5 stort indre luftvolumen kunne der tilvejebringes akustiske åbninger fra et lille indre luftvolumen til den omgivende luft uden for telefonen. Transduceren ville herved via det lille indre luftvolumen have adgang til et uendeligt stort luftvolumen, og der kunne opnås en læktolerant 10 funktion. En sådan konstruktion med et lille indre volumen vil danne et akustisk resonanskredsløb, der består af disse akustiske åbningers akustiske induktans og det lille indre luftvolumens akustiske kapacitans. Et sådant resonanskredsløb vil medføre, at telefonens frekvensgang 15 har et forholdsvis dybt og skarpt dyk, som vil være bestemt af geometrien af åbningerne og det indre luftvolumen og vil uheldigvis ofte ligge i midten af det nyttige hørbare frekvensområde.

20 GB 2 310 559 viser en konstruktion, fx en mobiltelefon, hvor højttalertransduceren er beskyttet mod mekanisk beskadigelse udefra ved, at transmissionsvejen fra transduceren til lydudgangsåbningen er udformet som en labyrint. Transmissionsvejen er således en kanal med en eller 25 flere snoninger, hvorved det forhindres, at man kan stikke noget ind gennem lydudgangsåbningen og beskadige transduceren. Dette skrift omhandler kun i ringe grad de akustiske forhold.

30 Sammenfatning af opfindelsen

Med den foreliggende opfindelse er det blevet muligt at gøre de akustiske egenskaber og især frekvensgangen af højttalertransduceren i det væsentlige uafhængig eller i 7 DK 176255 B1 det mindst mindre afhængig af størrelsen af det indre luftvolumen i kommunikationsenheden.

Dette skyldes, at ifølge opfindelsen er luftvolumenet, 5 som altid er til stede i kommunikationsenhedens hus, nu indgår i den primære transmissionsvej fra en første side af transducerens membran gennem lydudgangen til brugerens øre. Den modsatte side af membranen belastes af en akustisk impedans, der er specielt designet, så at den ίο under normale og alle praktiske anvendelsesforhold - og især også andre forhold end de standardiserede testforhold med en øresimulator - vil dominere over den akustiske impedans i den primære transmissionsvej. Transduceren er fortrinsvis af den type, som har et lavfrekvensboost, is dvs. den har en øget følsomhed ved lave frekvenser, og den primære transmissionsvej er også ventileret til den omgivende luft gennem en akustisk forbindelse til den omgivende luft. Denne akustiske forbindelse er udformet til at kompensere for transducerens lavfrekvensboost og give 20 den ønskede frekvensgang især ved lave frekvenser.

Kommunikationsenheden er herved gjort læktolerant som beskrevet ovenfor.

Designere af kommunikationsenheder såsom mobiltelefoner 25 opnår herved frihed i valget af placeringen af transduceren i telefonens hus. Traditionelt er designerens frihed ved placeringen af højttalertransduceren blevet begrænset til den indre side af husvæggen for anlæg mod brugerens øre og den tætte nærhed af lydudgangsåbningen eller -åb-30 ningerne. Med opfindelsen kan designeren nu frit vælge at placere transduceren på et hvilket som helst bekvemt sted i telefonen. Især kan transduceren nu placeres i stillinger, der ligger mere fjernt fra lydudgangsåbningen. Designeren kan nu vælge at placere transduceren ved en kant 8 DK 176255 B1 eller et hjørne af husvæggen, og transduceren kan endog placeres på en hvilken som helst anden passende konstruktion i telefonen.

5 Yderligere en fordel ved opfindelsen er, at af akustiske årsager er der praktisk talt ikke behov for et indre luftvolumen i kommunikationsenheden. I overensstemmelse' med opfindelsen udgør det indre luftvolumen i kommunikationsenheden en del af lydvejen fra højttalertransduceren 10 til brugerens øre, og det indre luftvolumen, der udgør en del af lydvejen, vil ikke have nogen negativ indvirkning på de akustiske egenskaber, og et lille luftvolumen foretrækkes frem for et større luftvolumen. Opfindelsen er således den ideelle løsning for moderne mobiltelefoner, 15 hvor en lille størrelse er et krav.

I figur 1 repræsenterer L3 og R3 bl.a. de akustiske impedanser på grund af den som oftest uundgåelige lækage i grænsefladen mellem husets skaller, dvs. langs disses 20 kanter. Produktions- og samlingstolerancerne for husets skaller resulterer i ukontrollerede og variable lækager eller åbninger i huset, som ved de kendte telefoner resulterer i ukontrollerede og uforudsigelige dyk i frekvensgangen. Ved opfindelsen minimeres indflydelsen af 25 sådanne ukontrollerede lækager.

Kort beskrivelse af tegningerne

Foretrukne udførelsesformer for opfindelsen beskrives i 30 det følgende med henvisning til tegningerne, hvor

Figur 1 viser et forenklet ækvivalent diagram over de akustiske impedanser ved et kendt telefonhåndsæt, 9 DK 176255 B1

Figur 2 skematisk viser et tværsnit gennem en mobiltelefon ved en første udførelsesform for opfindelsen og en øresimulator til måling af dens præstation, 5 Figur 3 viser et forenklet ækvivalent diagram over de akustiske impedanser i telefonen i figur 2,

Figur 4 skematisk viser et tværsnit gennem en mobiltelefon ved en anden udførelsesform for opfindelsen og en io øresimulator til måling af dens præstation,

Figur 5 viser et forenklet ækvivalent diagram over de akustiske impedanser i telefonen i figur 4.

15 Detaljeret beskrivelse af opfindelsen I figur 2 og 4 har en mobiltelefon henholdsvis 10 og 10a et hus 11, der fortrinsvis omfatter to skaller samlet på kendt måde til dannelse af husets ydre og generelt luk-20 kede indre. I figurerne har tilsvarende konstruktioner samme henvisningsbetegnelser i begge udførelsesformer. I huset 11 er der antydet en trykt kredsløbsplade med elektroniske komponenter 16 til drift af telefonen. Sædvanligvis er huset ikke fuldstændig lufttæt, idet der 25 vil være en række utætheder, fx langs skallernes kanter eller mellem andre konstruktionsdele såsom tastatur, display, stikforbindelse og antenne.

I fig. 2 er en elektroakustisk højttalertransducer 12 30 fastgjort til den indre side af huset 11 ved hjælp af en klæbemiddelring 14. Transduceren 12 er af den elektrody-namiske type med en membran 13, men der kan også anvendes andre typer. Højttalertransduceren 12 har en frekvensgangskurve med et forhøjet lavfrekvensparti, som kaldes 10 DK 176255 B1 et lavfrekvensboost. Den viste membran har en kuppelformet profil og dens konvekse side vender mod husvæggen.

Der kan anvendes andre profiler såsom en flad, korrugeret eller en hvilken som helst anden passende profil. Trans-5 duceren 13 har en første side 15, der vender bort fra husvæggen. I den første side 15 af transduceren er der en akustisk forbindelse til membranens 13 konkave side.

Denne akustiske forbindelse er antydet med en stiplet linie .

10 I huset findes der et første luftvolumen Cl og en første åbning 17 i husvæggen. Åbningen 17 i husvæggen er beregnet til anlæg mod en brugers øre, og i stedet for brugerens øre er der vist en øresimulator 18. Åbningen kan 15 være placeret ved midterlinien af telefonen eller forskudt derfra. Fra den konkave side af membranen 13 er der således en akustisk forbindelse eller vej gennem transducerens første side 15 via det første volumen Cl af luft og den første åbning 17 til øresimulatoren eller bruge-20 rens øre. Den første åbning 17 har akustiske impedanser LI, der repræsenterer luftens masse i åbningen, og RI, der repræsenterer luftmassens friktion. Den første åbning 17 er fortrinsvis udformet til at have en lav akustisk impedans, og den kan inddeles i to eller flere mindre åb-25 ninger end den ene, der er vist, eller åbningen kan være dækket af et gitter eller et net.

Gennem en anden åbning 19 i husvæggen er der en anden akustisk forbindelse eller vej gennem transducerens før-30 ste side 15 og volumenet Cl af luft til den omgivende luft. Den anden åbning 19 har akustiske impedanser L3 og R3, der tilsvarende repræsenterer henholdsvis luftmassen og dens friktion i åbningen 19. Den anden åbning 19 er udformet til at balancere især transducerens boost ved 11 DK 176255 B1 lave frekvenser for at gøre især lavfrekvensgangen mindre afhængig af variationer i den akustiske belastning af brugerens øre. Telefonen er herved gjort læktolerant. De to husskaller er udformet til at passe til hinanden langs 5 deres kanter og danne et hovedsagelig lukket hus, idet den anden åbning 19 er den eneste undtagelse. Imidlertid er pasningen som oftest ikke perfekt, hvilket resulterer i en læk. Andre lækager kan findes i forbindelse med tastatur, display, stikforbindelse, antenne og andre 10 konstruktionsdele. Den anden åbning 19 er udformet således, at dens akustiske impedans i det mindste ved lave frekvenser er lav og fortrinsvis også er mindre end den akustiske impedans i de eventuelle lækager ved samlinger mellem konstruktionsdele, hvorved lækagernes 15 indflydelse er ubetydelig.

En tredje åbning 20 tilvejebringer en akustisk forbindelse eller vej fra den konvekse side af membranen 13 til den omgivende luft. Den tredje åbning har akustiske impe-20 danser L5, R5, der tilsvarende repræsenterer henholdsvis luftmassen og dens friktion i åbningen 20. Den tredje åbning 20 er udformet således, at den akustiske impedans i det mindste ved lave frekvenser er lav, hvorved det sikres, at transducerens membran kan bevæge sig i det 25 væsentlige frit og generere lyd også ved lave frekvenser. Transducerens lavfrekvensboost kompenseres af den anden åbning 19, som ved lave frekvenser også har en lav akustisk impedans.

30 Når elektriske signaler ved lydfrekvenser føres til transduceren, sættes membranen i vibration, og akustiske signaler eller lydsignaler frembringes derved på begge sider af membranen. Fra membranens konkave side sendes lydsignaler gennem transducerens første side 15 ind i vo- 12 DK 176255 B1 lumenet Cl og fra volumenet Cl videre gennem den første åbning 17 til brugerens øre og også gennem den anden åbning 19 til den omgivende luft. Fra membranens konvekse side sendes lydsignaler gennem den tredje åbning 20 til 5 den omgivende luft.

I figur 3 er der vist det elektriske ækvivalent diagram for den ovenfor beskrevne konstruktion. Transduceren har en akustisk udgangsimpedans Zl, og den frembringer et 10 akustisk lydtryk P. Zear er den akustiske belastningsimpedans i brugerens øre eller i øresimulatoren. I ækvivalent diagrammet vil impedansen af eventuelle lækager være parallel med de mindre impedanser R3 + L3 i den anden åbning 19. Dette indebærer, at impedansen i den an-15 den åbning 19 vil dominere over impedansen i lækagerne. Eventuelle lækager og deres variationer vil derved ikke have nogen eller kun ubetydelig indflydelse på telefonens akustiske præstation. Volumenet Cl udgør sammen med L3 en parallel resonanskreds, og ved resonansfrekvensen af 20 denne resonanskreds vil dens impedans være stor, så den ikke belaster udgangssignalet fra transduceren.

I figur 4 er der vist en alternativ udførelsesform for opfindelsen. Her er transduceren ikke fastgjort til hus-25 væggen, men derimod til en indre konstruktion såsom en trykt kredsløbsplade eller en indre væg i mobiltelefonen.

Her etablerer en tredje åbning 20a med akustiske impedanser R6, L6 en akustisk forbindelse til et lukket volumen C2 i telefonen. I volumenet C2 kan der fx findes radio-30 frekvenskomponenter. Som i figur 2 er volumenet C2 og de akustiske impedanser R6, L6, der fører ind i volumenet, udformet til at dominere transducerens akustiske præstation. Den alternative udførelsesform i figur 4 har de samme ovennævnte fordele som udførelsesformen i figur 2.

13 DK 176255 B1

Figur 5 viser det elektriske ækvivalent diagram for konstruktionen i figur 4.

Claims (4)

14 DK 176255 B1

1. Elektroakustisk kommunikationsenhed (10, 10a) omfat tende 5 - et hus (11) med en væg, der afgrænser husets indre med et indre volumen (Cl) og husets ydre, - en elektroakustisk transducer (12) i det indre af huset 10 (11), hvor transduceren (12) har en første side og en an den side modstående den første side og mellem den første (15) og den anden transducerside har en membran (13) med en første side og anden side modstående den første side, hvor membranen (13) er i stand til at vibrere i afhængig- 15 hed af elektriske indgangssignaler til transduceren (12) til frembringelse af akustiske signaler, som repræsenterer de elektriske indgangssignaler, og hvor transduceren (12) har en akustisk forbindelse mellem den første side af membranen (13) og den første transducerside (15) og en 20 akustisk forbindelse mellem membranens anden side og den anden transducerside, - en første akustisk forbindelse omfattende en første åbning (17) i husvæggen, der etablerer akustisk forbindelse 25 fra membranens (13) første side gennem den første transducerside (15) og den første åbning (17) i husvæggen til husets ydre, hvorved akustiske signaler, der frembringes af membranen (13), udsendes fra enheden gennem den første åbning (17) i husvæggen, hvor der på ydersiden af husvæg-30 gen og i relation til den første åbning (17) i husvæggen er defineret en flade for anlæg af kommunikationsenheden mod en brugers øre (18), hvorved de akustiske udgangssignaler fra enheden kan indføres i brugerens øre (18), når enheden holdes mod brugerens øre (18), og hvor den første 15 DK 176255 B1 akustiske forbindelse er den eneste akustiske forbindelse mellem membranen (13) og fladen for anlæg af kommunikationsenheden mod en brugers øre (18), 5 kendetegnet ved, at transducerens første side (15) vender mod volumenet (Cl) af luft i husets (11) indre således, at den første akustiske forbindelse omfatter i det mindste en del af dette volumen (Cl), og at en anden akustisk forbindelse omfattende en anden 10 akustisk åbning (19) i huset (11) etablerer akustisk forbindelse fra membranens første side til husets ydre, idet den anden akustiske åbning (19), som i det mindste ved lave frekvenser har en lav akustisk impedans, er beliggende uden for fladen for anlæg af kom-15 munikationsenheden mod en brugers øre (18) og, og at en tredje akustisk forbindelse (20, 20a), som i det mindste ved lave frekvenser har en lav akustisk impedans, etablerer akustisk forbindelse fra membranens (13) anden side til et sted uden for fladen for anlæg af kom-20 munikationsenheden mod en brugers øre (18).

2. Elektroakustisk kommunikationsenhed (10a) ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den tredje akustisk forbindelse (20a) etablerer akustisk forbindelse fra mem- 25 branens (13) anden side til et andet volumen (C2) af luft i husets (11) indre.

3. Elektroakustisk kommunikationsenhed (10) ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den tredje akustisk 30 forbindelse omfattende en tredje akustisk åbning (20) i husvæggen etablerer akustisk forbindelse fra membranens anden side til husets ydre, idet den tredje akustiske åbning (20) er beliggende uden for fladen for anlæg af kommunikationsenheden mod en brugers øre (18). 16 DK 176255 B1

4. Elektroakustisk kommunikationsenhed (10, 10a) ifølge krav 1-3, kendetegnet ved, at det indre volumen (Cl) afgrænses af mindst to at kommunikationsenhedens 5 konstruktionsdele.