Водонепроницаемый акустический порт в ушном слуховом устройстве
WATERPROOF ACOUSTIC PORT IN HEARING AID

Область техники
Настоящее описание относится к портам, применяемым в слуховых устройствах, в частности к водонепроницаемым акустически прозрачным портам в ушных слуховых устройствах.
Уровень техники
Широко известно применение устройств для защиты органов слуха, а также устройств для ослабления шума, при этом ранее было рассмотрено множество типов устройств. Такие устройства включают ушные вкладыши и устройства с частичным размещением в ухе, которые могут вставляться в ушной канал пользователя или размещаться поверх него для препятствования прохождению звуковых волн во внутреннее ухо. Определенные слуховые устройства могут содержать микрофоны для улавливания звуков из внешней окружающей среды и их ретрансляции в ухо пользователя с использованием динамика защитного устройства. Проблема, связанная с такой системой, заключается в корректном приеме полного звукового сигнала из внешней окружающей среды с одновременным обеспечением защиты микрофона и окружающих его компонентов от проникновения воды.
Сущность изобретения
C
I
C
I
В одном аспекте настоящее описание относится к водонепроницаемому акустическому порту. Водонепроницаемый акустический порт содержит корпус, герметичную камеру внутри корпуса, впускную микротрубку, расположенную в стенке корпуса, и гидрофобное покрытие, покрывающее по меньшей мере часть стенок впускной микротрубки. Камера имеет объем V. Впускная микротрубка обеспечивает связь по текучей среде между камерой и окружающей средой снаружи корпуса, при этом впускная микротрубка имеет объем V. Объем впускной микротрубки выбран таким образом, чтобы он был больше или равен суммарному объему V и V, умноженному на величину (1 - (внешнее давление в воздушной среде / внешнее давление при погружении)). В некоторых воплощениях погодозащищенный акустический порт может дополнительно содержать по меньшей мере вторую впускную микротрубку, расположенную в стенке корпуса. Вторая впускная микротрубка, также как и первая впускная микротрубка, может обеспечивать связь по текучей среде между камерой и окружающей средой снаружи корпуса, при этом она также может быть покрыта гидрофобным покрытием. Объем второй впускной микротрубки также представляет собой часть объема впускной микротрубки.
В другом аспекте настоящее описание относится к погодозащищенному акустическому порту, содержащему корпус, герметичную камеру внутри корпуса, впускную микротрубку, расположенную в стенке корпуса, и полупроницаемый дивертор, расположенный на поверхности корпуса над впускной микротрубкой. Впускная микротрубка обеспечивает связь по текучей среде между камерой и окружающей средой снаружи корпуса, при этом впускная микротрубка характеризуется объемом и устойчивостью к проникновению окружающей воды при погружении по меньшей мере на один метр. Полупроницаемый дивертор обеспечивает дополнительную защиту впускной микротрубки от проникновения воды вследствие импульсных воздействий. В некоторых воплощениях впускная микротрубка представляет собой одну из множества впускных микротрубок, при этом дивертор расположен над всеми впускными микротрубками.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - вид в поперечном сечении акустического порта согласно настоящему описанию.
Фиг. 2 - вид в поперечном сечении акустического порта согласно настоящему описанию.
Фиг. 3 - вид в поперечном сечении электронного устройства для защиты органов слуха согласно настоящему описанию.
Фиг. 4 - вид в поперечном сечении электронного устройства для защиты органов слуха согласно настоящему описанию.
Чертежи необязательно приведены в масштабе. Подобные ссылочные позиции на чертежах относятся к подобным компонентам. Тем не менее, следует понимать, что использование ссылочной позиции для обозначения компонента на заданном чертеже не предназначено для ограничения указанного компонента на другом чертеже, обозначенного той же ссылочной позицией.
Подробное описание изобретения
В следующем подробном описании предпочтительных воплощений приводятся ссылки на сопроводительные чертежи, на которых показаны специфические воплощения, в которых настоящее изобретение может быть реализовано на практике. Показанные воплощения не охватывают все воплощения согласно настоящему изобретению. Следует понимать, что могут применяться и другие воплощения, при этом могут быть сделаны конструкционные или логические изменения без отклонения от объема настоящего изобретения. Таким образом, нижеследующее подробное описание не следует рассматривать в ограничительном смысле; объем настоящего изобретения определяется приложенной формулой изобретения.
Если не указано иное, все числа, обозначающие технологические размеры, количества и физические свойства, используемые в описании и формуле изобретения, должны рассматриваться как дополненные во всех случаях термином "приблизительно". Соответственно, если не указано обратное, числовые параметры, указанные в следующем описании и прилагаемой формуле изобретения, являются приблизительными значениями, которые могут изменяться в зависимости от предпочтительных свойств, которые стремятся получить специалисты в данной области техники с применением описанных в настоящем документе идей.
Используемые в настоящем описании и прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа включают воплощения, имеющие ссылки на множественное число, если содержание ясно не указывает на обратное. Используемый в настоящем описании и прилагаемой формуле изобретения термин «или» обычно применяется в том смысле, который включает значение «и/или», если содержание ясно не указывает на обратное.
Термины, относящиеся к пространственному расположению, включая, но не ограничиваясь следующими терминами - "вблизи", "дистальный", "нижний", "верхний", "под", "ниже", "над" и "сверху", если таковые используются в настоящем документе, применяются для простоты описания пространственных расположений элементов относительно друг друга. Такие относящиеся к пространственному расположению термины охватывают различные ориентации устройства при использовании или функционировании, в дополнение к частным вариантам ориентаций, показанным на чертежах и описанным в настоящем документе. Например, если изображенный на чертежах объект опрокинут или перевернут, тогда части ранее описанные, как находящиеся внизу или под другими элементами, теперь будут расположены над указанными другими элементами.
В рамках настоящего документа, когда, например, элемент, компонент или слой описан как формирующий "совпадающую границу раздела" с, или расположенный "на", "присоединенный к", "соединенный с", "уложенный на" или "контактирующий с" другим элементом, компонентом или слоем, он может быть расположен непосредственно на, присоединен непосредственно к, соединен непосредственно с, уложен непосредственно на, контактировать непосредственно с, или при этом промежуточные элементы, компоненты или слои могут быть расположены на, присоединены к, соединены с, или контактировать, например, с конкретным элементом, компонентом или слоем. Если элемент, компонент или слой, например, указан как расположенный "непосредственно на", "присоединенный непосредственно к", "соединенный непосредственно с" или "контактирующий непосредственно с" другим элементом, то в таким случае не предполагается наличия, например, промежуточных элементов, компонентов или слоев.
C
I
I
C
I
3
3
3
3
На фиг. 1 показан вид в поперечном сечении водонепроницаемого акустического порта 100 согласно настоящему описанию. Водонепроницаемый акустический порт 100 содержит корпус 102 и герметичную камеру 104, расположенную внутри корпуса. Корпус 102 может быть изготовлен из любого числа подходящих материалов, например пластмассовых материалов, таких как, кроме прочих, ABS или полипропилен, обеспечивающих возможностью формования корпуса в виде подходящей формы и обеспечивающих возможность формирования потенциально полой камеры внутри него. Корпус может быть изготовлен из термоформуемых или термореактивных полимеров. Кроме того, корпус 102 может быть сформирован из композитных материалов, сплавов или других материалов. В некоторых воплощениях корпус может быть выполнен из множества различных материалов, при этом, например, материал, окружающий впускные микротрубки, отличается от материала в остальной части корпуса. Следует понимать, что камера 104 имеет заданный объем V. В некоторых воплощениях объем камеры может составлять от приблизительно 5 мм до приблизительно 10 мм, при этом подходящими могут быть как меньшие, так и большие значения объема. Водонепроницаемый акустический порт дополнительно содержит впускную микротрубку 106, расположенную в стенке 108 корпуса. Впускная микротрубка 106 обеспечивает связь по текучей среде между камерой 104 и окружающей средой ПО, находящейся снаружи корпуса. В рамках настоящего описания термин "герметичная камера" означает, что камера является полностью закупоренной, за исключением впускных микротрубок, соединяющих ее с внешней окружающей средой. Поскольку акустический порт в сущности является частью носимого электронного устройства для защиты органов слуха, внешняя окружающая среда представляет собой то, что окружает пользователя. Соответственно, иногда внешняя окружающая среда может представлять собой воздух. В других случаях внешняя окружающая среда может представлять собой воду, например, при погружении пользователя, носящего устройство для защиты органов слуха. Впускная микротрубка также имеет заданный объем V. В одном воплощении объем V впускной микротрубки составляет более 10% объема V камеры. Как правило, объем впускной микротрубки составляет от приблизительно 0,5 мм до приблизительно 1,0 мм, хотя следует отметить еще раз, что V в определенных воплощениях может быть больше или меньше.
Кроме того, по меньшей мере часть стенок впускной микротрубки 106 может быть покрыта гидрофобным покрытием 112. Такое гидрофобное покрытие 112 в некоторых воплощениях может представлять собой покрытие 3М Novec™, такое как 3М Novec™ 1720 (от компании 3М Company, St. Paul, MN), хотя подходящими могут быть и другие покрытия с малой поверхностной энергией. Гидрофобное покрытие выполняет функцию предотвращения капиллярного эффекта во впускной микротрубке в отношении воды, находящейся снаружи впускной микротрубки или частично заполняющей ее. Капиллярный эффект возникает, когда адгезионные силы между водой и стенкой трубки превышают когезионные силы между водой и самими молекулами. Чем большей аффинностью к материалу обладает вода, тем большее расстояние она пройдет внутри трубки. Высота, на которую вода поднимется и с которой она опустится в капиллярной трубке, обусловлена законом Юрина (Jurin's Law). Высота h столба жидкости задана уравнением 1:
Уравнение 1:
где γ - поверхностное натяжение жидкости, θ - угол контакта жидкости на стенке трубки, ρ - плотность жидкости, g - локальное ускорение вследствие действия силы гравитации и r - радиус трубки.
Cos(θ) может представлять собой любое значение от -1 до +1 и, таким образом, оказывает существенное влияние на степень продвижения воды в трубке. Материал, характеризующийся углом θ>90, считается гидрофобным. Если угол контакта превышает 150 градусов, тогда материал считается супергидрофобным. Пластмассовый материал, используемый в некоторых воплощениях корпуса акустического порта, характеризуется углом контакта с водой, составляющим менее 90 градусов. Это может обеспечить капиллярный эффект, который может действовать или с обеспечением предварительного заполнения впускной микротрубки или микротрубок некоторым количеством воды, в случае чего последующее погружение акустического порта в воду вызовет затопление камеры, или с обеспечением "перекрывания" впускных микротрубок. Было обнаружено, что обработка впускных микротрубок гидрофобным покрытием обеспечивает увеличение угла контакта до значений свыше 100 градусов и предотвращает указанные проблемы, связанные с капиллярным эффектом.
Комбинирование объемов впускных микротрубок вместе с применением гидрофобного покрытия позволяет акустическому порту быть в сущности водонепроницаемым до определенных глубин погружения. По меньшей мере в некоторых воплощениях, описанных в настоящем документе, впускная микротрубка или впускные микротрубки в случае множества впускных микротрубок (как описано ниже) способны препятствовать проникновению воды в полость при погружении на глубину 1 м. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что это означает, что водонепроницаемый акустический порт может соответствовать стандартам IP-67. Кроме своей способности препятствовать проникновению воды водонепроницаемый акустический порт согласно настоящему описанию является звукопроницаемым, т.е сжимающие воздушные волы способны проходить через указанный порт в сущности беспрепятственно.
DIS
C
INT
ЕХТ
I
C
I
C
а
s
a
s
Водонепроницаемость акустического порта обусловлена, отчасти, созданием перепада давления между камерой и внешней окружающей средой, что способствует препятствованию проникновению воды из внешней окружающей среды в камеру. На фиг. 2 показан вид в поперечном сечении водонепроницаемого акустического порта согласно настоящему описанию во внешней окружающей среде 100 в виде воды. По мере продвижения воды вниз по впускной микротрубке 106 она вытесняет воздух из впускной микротрубки V, в результате чего обеспечивается сжатие воздуха в объеме V камеры. Это сжатие увеличивает давление воздуха P во внутреннем объеме. Система достигает равновесия, как только внешнее давление воды Р (определенное по глубине погружения) уравновешивается внутренним давлением воздуха. При условии, если увеличение давления воды не проталкивает воду через весь объем впускной микротрубки в камеру, вода, присутствующая во впускной микротрубке, будет удаляться при возвращении акустического порта обратно в воздушную внешнюю окружающую среду. Мы можем обозначить общий внутренний объем устройства как V, состоящий из объема (V) впускной микротрубки и объема (V) камеры (V=V+V). Если мы дополнительно установим, что внешнее давление над водой представляет собой Р, а внешнее давление при погружении представляет собой P, а также что общий объем V воздуха над водой представляет собой V, а при погружении представляет собой V, то в таком случае исходя из уравнения состояния идеального газа можно вывести следующее (исходя из того, что температура поддерживается постоянной):
Уравнение 2:
a
s
I
Для препятствования попаданию воды в камеру общее уменьшение объема (V-V) должно быть меньше, чем объем V впускной микротрубки. Таким образом, чтобы обеспечить непопадание воды в камеру, должно соблюдаться следующее:
Уравнение 3:
s
В результате решения уравнения 1 для V получаем уравнение 4:
Уравнение 4:
s
Замена значения V из уравнения 3 в уравнении 2 дает следующее:
Уравнение 5:
I
Таким образом, суммарный объем V впускной микротрубки или микротрубок должен быть больше или равен объему впускной микротрубки и камеры в состоянии над водой, умноженному на величину (1 - внешнее давление в воздушной среде, деленное на внешнее давление при погружении). Соблюдение этого условия обеспечит непрохождение водой всей впускной микротрубки (микротрубок) и, таким образом, непопадание в герметичную камеру. Другими словами, акустический порт является в сущности "водонепроницаемым." Объем впускной микротрубки или микротрубок в настоящем изобретении выбран в соответствии с зависимостью, приведенной в уравнении 5.
I
I
Другое воплощение акустического порта, а также устройства, в котором он может применяться, представлено на фиг. 3. Электронное устройство 200 для защиты органов слуха содержит акустический порт 201. В этом воплощении погодозащищенный акустический порт содержит первую впускную микротрубку 206а, а также вторую впускную микротрубку 206b, каждая их которых расположена в стенке 208 корпуса 202. В некоторых воплощениях, как показано, акустический порт может содержать третью впускную микротрубку 206с или любое другое подходящее количество впускных микротрубок, например 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 или, возможно, большее количество. Вторая впускная микротрубка обеспечивает связь по текучей среде между герметичной камерой 204 и окружающей средой снаружи корпуса. Как и в случае воплощения, показанного на фиг. 1, вторая впускная микротрубка, как и первая впускная микротрубка, покрыта гидрофобным покрытием 212. В этом воплощении, в котором присутствует более одной впускной микротрубки, общие объемы каждой микротрубки складываются для получения общего V. Другими словами, объем V впускной микротрубки представляет собой сумму объемов впускных микротрубок 206а, 206b и 206с. Длина L впускных микротрубок будет в сущности подобной. В одном воплощении первая и вторая впускные микротрубки (а также третья впускная микротрубка) имеют длину от приблизительно 0,9 до 1,25 мм. Предпочтительно, чтобы впускная микротрубка или микротрубки не были чрезмерно длинными. Это может послужить причиной возникновения резонанса в трубках, а также чрезмерного акустического сопротивления. Оба случая оказывают влияние на качество акустического поля в камере, которое, как было описано применительно к фиг. 3, может захватываться микрофоном.
На фиг. 3 показаны дополнительные потенциально возможные элементы акустического порта 201. Герметичная камера 204 частично окружена корпусом 202 и впускными микротрубками 206а, 206b и 206с. Тем не менее, камера может быть дополнительно окружена дополнительными элементами, например печатной платой 214, как показано на фиг. 3. Кроме того, камера 204 может быть частично окружена уплотнением 216, отделяющим корпус 202 от печатной платы 214. Печатная плата 214 может представлять собой печатный узел (РСВА). В одном воплощении уплотнение 216 может представлять собой кольцевое уплотнение. Также могут применяться и другие подходящие уплотнения, например другие прокладочные материалы. Кроме того, камера может быть частично окружена микрофоном 218, расположенным под печатной платой 214 и соединенным с ней. В одном воплощении микрофон может представлять собой микрофон микроэлектромеханического (MEMS) типа, при этом он может быть соединен с печатной платой посредством его припаивания к нижней стороне платы. Микрофон может применяться для улавливания звука, поступающего в акустический порт 201. Затем звук может быть ретранслирован с помощью динамика из отдельного звукоизлучающего отверстия (не показано), располагаемого внутри ушного канала пользователя.
На фиг. 4 показано дополнительное изображение определенных воплощений настоящего изобретения. На этом чертеже акустический порт также содержит первую впускную микротрубку 406а и может дополнительно содержать вторую впускную микротрубку 406b и, возможно, третью впускную микротрубку 406с, а также, возможно, дополнительные впускные микротрубки. В этом воплощении впускные микротрубки могут не содержать гидрофобного покрытия на своих стенках. Как было указано ранее, впускная микротрубка или микротрубки отделяют камеру 404 от внешней окружающей среды 410. Тем не менее, в этом воплощении водонепроницаемый акустический порт дополнительно содержит полупроницаемый дивертор 420, расположенный на поверхности корпуса 402 над впускной микротрубкой 406а или микротрубками 406а, 406b, 406с, при этом полупроницаемый дивертор 420 исключает линию прямой видимости к впускной микротрубке. Дивертор содержит небольшие отверстия 422, расположенные на его сторонах. Вследствие этого, вода, свободно ударяющаяся о верхнюю часть порта, не может при приложении усилия беспрепятственно проходить в акустический порт. Дивертор, вероятно, будет подвержен проникновению в него воды лишь при погружении акустического порта. Этот полупроницаемый дивертор обеспечивает дополнительную защиту или защищает герметичную камеру от проникновения воды не вследствие погружения, а в случае импульсных воздействий, например при контакте с водой на высокой скорости. Такой импульсный контакт может создавать пиковые усилия, превышающие усилия, создаваемые водой, например, на глубине 1 м, и может при отсутствии дивертора вызвать затопление впускных микротрубок, идущих к камере.