DE102006011932A1

DE102006011932A1 - Matratze mit einem aktiven Gegenschallsystem

Info

Publication number: DE102006011932A1
Application number: DE102006011932A
Authority: DE
Inventors: Christian Gerner; Delf Prof. Dr. Sachau; Jochen Sommer
Original assignee: HELMUT SCHMIDT UNI UNI DER BUN; Helmut Schmidt Universitaet
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG; Helmut Schmidt Universitaet
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-27

Abstract

Eine Matratze (12) ist mit einem aktiven Gegenschallsystem ausgerüstet, das eine Regeleinrichtung (2), mindestens einen Lautsprecher (3) und mindestens ein als Fehlersensor geschaltetes Mikrofon (4) aufweist. Die Regeleinrichtung (2) steuert bei einer einfallenden Primärschallwelle (6) die Lautsprecher (3) als Antwort auf von den Fehlersensoren (4) abgegebene Fehlersignale (9) so an, dass in einem vorgegebenen Bereich der Matratze (12), vorzugsweise im Kopfbereich, der Schalldruck durch Überlagerung der von den Lautsprechern (3) erzeugten Sekundärschallwellen (5) mit der Primärschallwelle (6) reduziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Matratze mit einem aktiven Gegenschallsystem sowie ein Verfahren zum Reduzieren des Schalldrucks an einer Matratze.

Um unerwünschten Lärm zu reduzieren, gibt es verschiedene Maßnahmen. So lässt sich durch Kapselung der Lärmquelle eine Verminderung der Schallemissionen erreichen. In schallgedämpfte Räume dringt nur wenig Lärm ein. Solche Maßnahmen sind jedoch in der Regel aufwendig und erfordern einen hohen Materialeinsatz. Daneben besteht die Möglichkeit, dass lärmexponierte Personen einen Ohrenschutz tragen, was aber unbequem ist. All diese Maßnahmen arbeiten mit passiven Mitteln.

Mittlerweile gibt es auch Ansätze für eine personenbezogene aktive Lärmreduzierung. Ein Beispiel sind Kopfhörer zum Hören von Musik, die gleichzeitig mittels einer Steuerung der Lautsprechermembranen den von außen eindringenden Schalldruckpegel an den Ohren des Trägers reduzieren. Derartige Kopfhörer werden z.B, von Bose unter der Bezeichnung "QuietComfort^®" und von Sennheiser unter der Bezeichnung "NoiseGard^TM" vermarktet. Solche aktiv gedämpfte Kopfhörer stellen jedoch auch personengebundene Maßnahmen dar, die direkt am Körper getragen werden müssen, was nicht immer angenehm ist und z.B. bei liegenden Personen zu unerwünschten Einschränkungen des Comforts führen kann. Jones und Elliott (Jones, M.; Elliott, S.: The Implementation of an Active Headrest for Personal Audio. In: Twelfth International Congress on Sound and Vibration, Lissabon, 2005) sowie Hinchliffe et al. (Hinchliffe, R.; et al.: Broadband Active Control in Practice. In: Active 04, Williamsburg, VA, 2004) beschreiben weitere Verfahren. Dabei werden Fehlermikrofone und als Sekundäraktuatoren dienende Lautsprecher in die Kopfstützen von Sitzen integriert, wobei es das Ziel ist, durch Ansteuerung der Sekundäraktuatoren mittels der von den Fehlermikrofonen empfangenen Signale den Schalldruckpegel im Bereich der Kopfstützen, der sich durch Überlagerung der von den Sekundäraktuatoren abgegebenen Schallwellen mit einer von außen eindringenden Primärschallwelle ergibt, zu minimieren. Es handelt sich dabei also um stark ortsgebundene Systeme für sitzende Personen, die zudem nur vergleichsweise geringe Bewegungen des Kopfes gestatten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, um liegende Personen ohne aufwendige passive Schalldämmungsmaßnahmen und ohne Komfortbeeinträchtigung wirkungsvoll vor unerwünschten Lärmbelästigungen zu schützen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Matratze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Reduzieren des Schalldrucks an einer Matratze mit den Merkmalen des An spruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Matratze ist mit einem aktiven Gegenschallsystem versehen, das eine Regeleinrichtung, mindestens einen Lautsprecher und mindestens ein als Fehlersensor geschaltetes Mikrofon aufweist. Die Regeleinrichtung ist dazu eingerichtet, bei einer einfallenden Primärschallwelle den bzw. die Lautsprecher in Antwort auf von dem Fehlersensor bzw. den Fehlersensoren abgegebene Fehlersignale so anzusteuern, dass in einem vorgegebenen Bereich, vorzugsweise im Kopfbereich der Matratze, der Schalldruck durch Überlagerung der von dem Lautsprecher bzw. den Lautsprechern erzeugten Sekundärschallwellen mit der Primärschallwelle reduziert wird. Der Begriff "Primärschallwelle" umfasst hier generell auch eine Überlagerung von Schallwellen aus verschiedenen Richtungen und mit unterschiedlichen Amplituden, Frequenzen und Phasen, wie es in der Praxis der Fall ist, z.B. bei Lärm.

Vorzugsweise sind im Kopfbereich der Matratze mehrere Lautsprecher und mehrere Fehlersensoren angeordnet. Dabei kann jedem Lautsprecher ein Fehlersensor zugeordnet sein. Auf diese Weise lässt sich eine relativ große lärmarme Zone in dem sensiblen Kopfbereich der Matratze erzielen.

Die Regeleinrichtung steuert die Lautsprecher vorzugsweise so an, dass der Schalldruck an den Fehlersensoren minimiert wird. Die Fehlersensoren erfassen also die Überlagerung der einfallenden Primärschallwelle, die insbesondere von einer unerwünschten Lärmquelle stammt, mit den von den Lautsprechern erzeugten Sekundärschallwellen und geben Fehlersignale an die Regeleinrichtung ab, die es der Regeleinrichtung ermöglichen, die Lautsprecher so nachzuregeln, dass der aus der Überlagerung resultierende Schalldruck an den Fehlersensoren minimiert ist. Wenn sich die Fehlersensoren in der Nähe der Ohren einer auf der Matratze liegenden Person befinden, bedeutet dies, dass die Person nur eine geringe Lärmbelästigung erfährt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform steuert die Regeleinrichtung bei einer vorgegebenen Frequenz der Primärschallwelle mindestens einen der Lautsprecher in Gegenphase zu der Primärschallwelle an, sodass der Schalldruck bei der Überlagerung der Schallwellen reduziert wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Regeleinrichtung über ein vorgegebenes Frequenzintervall der Primärschallwelle zur Reduzierung des Schalldrucks mindestens einen der Lautsprecher bei den Frequenzen aus dem vorgegebenen Frequenzintervall in Gegenphase zu der Primärschallwelle ansteuert. Dadurch wird eine effiziente Schallreduzierung in dem gesamten Frequenzintervall erreicht. Unter "in Gegenphase" ist hier zu verstehen, dass sich Primärschallwelle(n) und Sekundärschallwellen(n) am Ort eines Fehlersensors in Gegenphase befinden sollen.

Im Prinzip genügt die Ansteuerung der Regeleinrichtung über die Fehlersignale der Fehlersensoren, um die erwünschte Schallreduzierung im Kopfbereich der Matratze zu erzielen. Ein Referenzsensor (oder mehrere Referenzsensoren), der mit der Steuereinrichtung verbunden ist und die Primärschallwelle erfasst, kann jedoch der Steuereinrichtung direkte Information über die Primärschallwelle liefern, was die Regelung erleichtert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Regeleinrichtung, mindestens ein Lautsprecher und mindestens ein Fehlersensor (und bei mehreren Lautsprechern und Fehlersensoren vorzugsweise alle Lautsprecher und Fehlersensoren) in den Matratzenkörper integriert. Dabei können harte Bauteile mit weichem Material überzogen sein, sodass die Matratze für den Benutzer bequem ist. Rein äußerlich wirkt eine derartige Matratze wie eine herkömmliche Matratze, und es sind keine se paraten Teile erforderlich, die an den Matratzenkörper angeschlossen werden müssen. Im Prinzip könnte das aktive Gegenschallsystem über Batterien oder Akkumulatoren betrieben werden. Bei einem Betrieb über das Stromnetz geht von dem Matratzenkörper ein Netzkabel oder ein Zuleitungskabel zu einem separaten Netzteil aus. Wenn ein Referenzsensor oder mehrere Referenzsensoren vorhanden sind, können diese ebenfalls in den Matratzenkörper integriert sein, aber vorzugsweise nicht in der schallreduzierten Zone. Es ist auch denkbar, einen Referenzsensor als separates Bauteil zu gestalten, damit er die Primärschallwelle weitgehend unbeeinflusst von den Sekundärschallwellen empfangen kann, und über ein Kabel mit dem Matratzenkörper zu verbinden. Eine kabellose Übertragung der Signale des Referenzsensors an die Regeleinrichtung ist ebenfalls möglich.

Die erfindungsgemäße Matratze und das damit durchgeführte Verfahren zum Reduzieren des Schalldrucks an einer Matratze ermöglichen kostengünstig, effizient und komfortabel für den Benutzer eine erhebliche Schallreduzierung im Kopfbereich der Matratze, und das ohne passive schalldämmende Maßnahmen. Im Kopfbereich der Matratze wird eine Zone der Ruhe erzeugt, die unabhängig von der Lage (seitlich, Rücken- oder Bauchlage) des auf der Matratze liegenden Benutzers einen reduzierten Schalldruckpegel an den Ohren bewirkt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
1 eine schematische Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise des in der erfindungsgemäßen Matratze benutzten aktiven Gegenschallsystems zur Geräuschreduzierung und
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Matratze, wobei der Kopfbereich der Matratze mit dem Kopf einer darauf liegenden Person sowie die verwendeten Komponenten eines aktiven Gegenschallsystems gezeigt sind.
Die prinzipielle Funktionsweise eines Systems zur aktiven Geräuschreduzierung (aktives Gegenschallsystem) wird zunächst anhand von 1 kurz erläutert.
Eine Lärmquelle 1 erzeugt hier sinusförmige Schallwellen, d.h. die Primärschallwelle 6. Die Aufgabe einer Regeleinrichtung 2 ist es, durch Überlagerung der Primärschallwelle 6 mit einer in der Phase um 180° verschobenen Gegenschallwelle (Sekundärschallwelle) 5 gleicher Amplitude und Frequenz den Schalldruckpegel an einem als Fehlersensor 4 geschalteten Mikrofon gegen Null zu bringen. Dazu verarbeitet sie das von dem Fehlersensor 4 abgegebene Fehlersignal 9, das dem Schalldruckpegel am Fehlersensor 4 entspricht, und optional ein zur Primärschallwelle 6 synchrones Referenzsignal 7 und berechnet ein Sekundärsignal 8 der Frequenz des Referenzsignals 7 (also der Primärschallwelle 6), jedoch anderer Amplitude und Phase. Dieses Sekundärsignal 8 wandelt ein als Sekundäraktuator dienender Lautsprecher 3 in eine Gegenschallwelle oder Sekundärschallwelle 5 um. Dabei variiert die Regeleinrichtung 2 das Sekundärsignal 8 solange, bis der Schalldruckpegel am Ort des Fehlersensors 4 minimiert ist.
Wenn die Lärmquelle 1 über einen größeren Frequenzbereich Primärschallwellen 6 abstrahlt, werden in der erläuterten Weise Sekundärschallwellen 5 verschiedener Frequenzen erzeugt, die dem Frequenzbereich der Lärmquelle 1 entsprechen. Falls der Lautsprecher 4 nur bei vorgegebenen Frequenzen oder in vorgegebenen engen Frequenzbereichen angesteuert werden soll, optimiert die Regeleinrichtung 2 die Sekundärsignale 8 zur An steuerung des Lautsprechers 3, sodass auch in diesem Fall am Ort des Fehlersensors 4 ein möglichst geringer Schalldruckpegel herrscht.
In 2 ist in schematischer Weise eine Ausführungsform einer Matratze 12 dargestellt, in die ein aktives Gegenschallsystem mit den anhand von 1 erläuterten Komponenten integriert ist. Die 2 zeigt einen Ausschnitt der Matratze 12, nämlich den Kopfbereich, wobei zur Verdeutlichung der Kopf 13 einer auf der Matratze 12 liegenden Person eingezeichnet ist. Der nicht dargestellte Teil der Matratze 12 ist von herkömmlicher Art.
Die Komponenten des aktiven Gegenschallsystems, nämlich eine Regeleinrichtung 2, mehrere (im Ausführungsbeispiel vier) als Sekundäraktuatoren dienende Lautsprecher 3 sowie mehrere (im Ausführungsbeispiel wiederum vier) als Fehlersensoren 4 geschaltete Mikrofone, befinden sich im Inneren der Matratze 12. Dabei sind diese Komponenten so gepolstert, dass sie den Benutzer nicht stören, wobei sich aber die Membranen der Lautsprecher 3 und die Fehlersensoren 4 knapp unter der Oberfläche der Matratze 12 befinden, damit die Schallabstrahlung bzw. die Schallerfassung durch in der Matratze 12 befindliches Dämpfungsmaterial möglichst wenig gestört wird.
Die Regeleinrichtung 2 verarbeitet die von den Fehlersensoren 4 abgegebenen Fehlersignale 9 und erzeugt eine Anzahl von Sekundärsignalen 8, die von den Lautsprechern 3 in Sekundärschallwellen 5 umgewandelt werden. Bei Bedarf verarbeitet die Regeleinrichtung 2 zusätzlich ein von einem optionalen Referenzsensor 11 abgegebenes Referenzsignal 7, das direkt der einfallenden Primärschallwelle 6, also dem Lärm, entspricht. Damit der Referenzsensor 11 nicht zu sehr von den Sekundärschallwellen 5 beeinflusst wird, was das Referenzsignal 7 verfälschen könnte bzw. zusätzliche Maßnahmen zur Kompensation dieser Beeinflussung notwendig machen würde, kann es sinnvoll sein, den Referenzsensor 11 außerhalb der Matratze 12 anzuordnen und z.B. über ein Kabel mit der Regeleinrichtung 2 zu verbinden. Es ist auch denkbar, das Referenzsignal 7 drahtlos zu übertragen. Das Referenzsignal 7 erleichtert es der Regeleinrichtung 2, geeignete Sekundärsignale 8 zu erzeugen. Im Prinzip ist es aber auch möglich; die Sekundärschallwellen 5 ausschließlich aufgrund des von den Fehlersensoren 4 erfassten Schalldruckpegels bereitzustellen.
Die Sekundärschallwellen 5 haben die gleiche spektrale Zusammensetzung wie die Primärschallwelle 6, jedoch abweichende Amplituden und Phasenbeziehungen. Die Überlagerung der Primärschallwelle 6 mit den Sekundärschallwellen 5 resultiert in einer gedämpften Primärschallwelle 10 im Bereich des Kopfes 13.
Die Anzahl, Art und Anordnung der Lautsprecher 3 und der Fehlersensoren 4 sind von der Lautstärke und der spektralen Zusammensetzung des zu bekämpfenden Lärms, von der Größe der zu erzeugenden Zone der Ruhe, den möglichen Bewegungen des Kopfes 13 und dem gewünschten Grad der Beruhigung abhängig. Grundsätzlich gilt, dass mit einer größeren Zahl von Lautsprechern 3 und Fehlersensoren 4 eine größere Ruhezone erzeugt werden kann. Die optimale Zuordnung der Fehlersensoren 4 zu den Lautsprechern 3 hängt ebenfalls von den Gegebenheiten ab. So kann es sinnvoll sein, jedem Lautsprecher 3 einen bestimmten Fehlersensor 4 zuzuordnen, wobei die Sekundärsignale 8 für diesen Lautsprecher 3 nur aufgrund der von dem ihm zugeordneten Fehlersensor 4 abgegebenen Fehlersignale 9 bestimmt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Regeleinrichtung 2 zunächst die Fehlersignale 9 aller Fehlersensoren 4 oder auch einer ausgewählten Gruppe von Fehlersensoren 4 erfasst und daraus Sekundärsignale 8 zur optimalen Ansteuerung der Lautsprecher 3 herleitet oder berechnet.

Claims

Matratze, gekennzeichnet durch ein aktives Gegenschallsystem mit einer Regeleinrichtung (2), mindestens einem Lautsprecher (3) und mindestens einem als Fehlersensor geschalteten Mikrofon (4), wobei die Regeleinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, bei einer einfallenden Primärschallwelle (6) den bzw. die Lautsprecher (3) in Antwort auf von dem Fehlersensor (4) bzw. den Fehlersensoren (4) abgegebene Fehlersignale (9) so anzusteuern, dass in einem vorgegebenen Bereich, vorzugsweise im Kopfbereich der Matratze (12), der Schalldruck durch Überlagerung der von dem Lautsprecher (3) bzw. den Lautsprechern (3) erzeugten Sekundärschallwellen (5) mit der Primärschallwelle (6) reduziert ist.
Matratze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kopfbereich der Matratze (12) mehrere Lautsprecher (3) und mehrere Fehlersensoren (4) angeordnet sind, wobei vorzugsweise jedem Lautsprecher (3) ein Fehlersensor (4) zugeordnet ist.
Matratze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Lautsprecher (3) so anzusteuern, dass der Schalldruck an den Fehlersensoren (4) minimiert ist.
Matratze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, bei einer vorgegebenen Frequenz der Primärschallwelle (6) mindestens einen der Lautsprecher (3) zur Reduzierung des Schalldrucks in Gegenphase zu der Primärschallwelle (6) anzusteuern.
Matratze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, über ein vorgegebenes Frequenzintervall der Primärschallwelle (6) zur Reduzierung des Schalldrucks mindestens einen der Lautsprecher (3) bei den Frequenzen aus dem vorgegebenen Frequenzintervall in Gegenphase zu der Primärschallwelle (6) anzusteuern.
Matratze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mindestens einen mit der Steuereinrichtung (2) wirkmäßig verbundenen oder verbindbaren Referenzsensor (11), der dazu eingerichtet ist, die Primärschallwelle (6) zu erfassen.
Matratze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (2), mindestens ein Lautsprecher (3) und mindestens ein Fehlersensor (4) sowie optional mindestens ein Referenzsensor (11) in den Matratzenkörper integriert sind.
Verfahren zum Reduzieren des Schalldrucks an einer Matratze, die ein aktives Gegenschallsystem mit einer Regeleinrichtung (2), mindestens einem Lautsprecher (3) und mindestens einem als Fehlersensor geschalteten Mikrofon (4) aufweist, wobei die Regeleinrichtung (2) bei einer einfallenden Primärschallwelle (6) den bzw. die Lautsprecher (3) in Antwort auf von dem Fehlersensor (4) bzw. den Fehlersensoren (4) abgegebene Fehlersignale (9) so ansteuert, dass in einem vorgegebenen Bereich, vorzugsweise im Kopfbereich der Matratze (12), der Schalldruck durch Überlagerung der von dem Lautsprecher (3) bzw. den Lautsprechern (3) erzeugten Sekundärschallwellen (5) mit der Primärschallwelle (6) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Kopfbereich der Matratze (12) mehrere Lautsprecher (3) und mehrere Fehlersensoren (4) angeordnet sind, wobei vorzugsweise jedem Lautsprecher (3) ein Fehlersensor (4) zugeordnet ist, und dass die Regeleinrichtung (2) die Lautsprecher (3) so ansteuert, dass der Schalldruck an den Fehlersensoren (4) minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (2) bei einer vorgegebenen Frequenz der Primärschallwelle (6) mindestens einen der Lautsprecher (3) zur Reduzierung des Schalldrucks in Gegenphase zu der Primärschallwelle (6) ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (2) über ein vorgegebenes Frequenzintervall der Primärschallwelle (6) zur Reduzierung des Schalldrucks mindestens einen der Lautsprecher (3) bei den Frequenzen aus dem vorgegebenen Frequenzintervall in Gegenphase zu der Primärschallwelle (6) ansteuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mit der Steuereinrichtung (2) wirkmäßig verbundener Referenzsensor (11) die Primärschallwelle (6) erfasst und der Steuereinrichtung (2) direkte Information über die Primärschallwelle (6) liefert.