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Horgeratetechnik Abbildung: Ein Multimeter Inhalte 1. Elektrotechnik 1.1 Grundgegriffe 1.1 Eigenschaften elektrischer Ladungen a 1.2 Spa...

Horgeratetechnik Abbildung: Ein Multimeter Inhalte 1. Elektrotechnik 1.1 Grundgegriffe 1.1 Eigenschaften elektrischer Ladungen a 1.2 Spannung, Strom und Leistung 1.3 Spannungs- und Stromarten u 1.4 Strom- und Spanungsquellen oa 1.5 Messen elektrischer Größen oa 1.6 Leiterwerkstoffe == 1.7 Halbleiter oa 1.8 Nichtleiter (Isolator) aA 1.2 Ohmsches Gesetz, Kirchhoffsche Regeln, Der Stromkreis 1.2.1 Das Ohmsche Gesetz 1.2.2 Kirchhoffsche Regeln 1.2.3 Aufbau eines Stromkreises 1.3 Passive Bauteile 1.3.1 Ohmscher Widerstand, Parallel- und Reihenschaltung 1.3.1.1 Reihenschaltung von Widerständen 1.3.1.2 Parallelschaltung von Widerständen 1.3.2 Spannungsteiler 1.3.3 Die Spule 1.3.4 Der Kondensator 1.3.4.1 Passive Filterschaltungen 1. Ordnung 1.4 Aktive Bauelemente (Halbleiter) 1.4.1 Halbleiterphysik (P und N Material) 1.4.2 PN-Ubergang, die Halbleiterdiode 1.4.3 Bipolare Transisitoren 1.5 Grundlagen der Digitaltechnik Signalverarbeitung 2.1 Kenntnisse der Signalverarbeitung 2.2 Signale 2.2.1 Grundbaustein: Sinus, dargestellt als Frequenz- und Zeitbe reich 2.2.2 Periodische Signale 2.2.3 Diracstoß, Delta-Distribution (Diracimpuls) 2.2.4 Fourier-Transformation 2.2.5 Nicht periodische Signale m Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 2 q Ö H | Optomatrie & Hörahustik initiative  2.2.6 Fensterfunktion 2.2.7 Fastperiodische Signale 2.3 Symmetrieprinzip 2.4 Systemanalyse 2.5 Systeme 2.5.1 Linearitat 2.5.2 Zeitvarianz Verstarkerschaltungen Gleichspannung und Darlingtonsschaltung 3.2 Wechselspannungsverstarker 3.2.1 NF-Verstarker mit Gleichstromkopplung 3.3 Leistungsverstarker (Endstufen) 3.3.1 A-Betrieb 3.3.2 B-Betrieb 3.3.3 AB-Betrieb 3.3.4 Class-H-Verstarker 3.3.5 Class-D-Verstarker 3.4 Schaltverstarker 3.5 Differenzverstarker 3.5.1 Differenzverstarker im Differenzbetrieb 3.5.2 Differenzverstarker im Gleichtaktbetrieb 3.6 Operationsverstarker (Rechenverstarker) 3.6.1 Schaltungen des Operationsverstärkers mit ohmschen Wider- standen 3.6.2 Schaltungen des Operationsverstarkers mit frequenzspezifi- schen Widerstanden Schallwandler Mikrofone 4.1.1 Begriffserklarungen zum Kennzeichen von Mikrofoneigenschaf- ten 4.1.2 Membranen und ihre Schwingungsverhalten 4.1.3 Druckkapsel (Schalldruckempfanger) 4.1.4 Druckgradientenempfanger 4.1.5 Direktionalitat und Polardiagramm 4.1.6 Nahbesprechungseffekt 4.1.7 Kammfiltereffekt 4.1.8 Wandlerprinzipien = q Ö H | Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 3 Optemetris & Hörakuniik initiative  4.1.8.1 Elektromagnetische Schallempfanger 4.1.8.2 Elektrodynamische Schallempfanger 4.1.8.3 Elektrostatische Schallempfanger 4.1.8.4 Kohlemikrofon 4.1.8.5 Piezoelektrisches Mikrofon 4.1.8.6 Silizium-Mikrofon 4.1.9 Überblick über die Mikrofonarten 4.2 Anwendungen von Mikrofonen 4.2.1 Mikrofone in der Hörakustik 4.3 Mikrofonsysteme 4.3.1 Beamforming 4.3.2 Delay-and-Sum-Beamformer 4.3.3 Frost-Beamformer 4.3.4 Adaptive Beamformer 4.3.5 Binaurale Aspekte bei Mirkofonsystemen 4.4 Lautsprecher und Hörer 4.4.1 Lautsprecher 4.4.2 Akustischer Kurzschluss, Lautsrpecherboxen 4.4.3 Hörgerätehörer Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 4 COHI Optomeire & Hörakustik Initiative 1. Elektrotechnik Seit Menschengedenken kennen wir elektrische Vorgange nur von Naturphanomenen wie Blitz, Nordlicht oder Elmsfeuer. Diese Erscheinungen konnte man sich nicht oder nur schwer erklären. Der Grund dafür liegt darin, dass man elektrische Ladungen nicht sehen kann. Elektrische Vorgänge lassen sich nur anhand der Wirkungen erkennen. Dies sind: e Wärmewirkung: o Der elektrische Strom erwärmt jeden Leiter. e Magnetische Wirkung: o Der elektrische Strom verursacht in seiner Umgebung eine magnetische Wir- kung. e Lichtwirkung: o Z.B. Leuchtröhren, Glimmlampen, Leuchtdioden. e Chemische Wirkung: o Der elektrische Strom zerlegt leitende Flüssigkeiten (Elektrolyse). e Wirkung auf Lebewesen: o z.B. Elektroweidezäune. Eimsfeuer Im 17. Jahrhundert wurden die ersten elektri- schen Erscheinungen von Physikern untersucht und erklärt. In der Mitte des 18. Jahrhunderts wurde von Ewald Georg von Kleist und Pieter van Musschenbroek die Leidener Flasche er- funden. Die der Leidener Flasche ist die älteste Bauform eines Kondensators. Das Wort Elektro- technik ist eine Wortprägung von Werner von Siemens, der im 19. Jahrhundert mit der Stark- stromtechnik in näheren Kontakt kam. Diese Ingenieurswissenschaft befasst sich mit den elektrischen und magnetischen Vorgängen in Natur und Technik. Der weltweit erste Studien- gang für Elektrotechnik wurde 1883 an der Technischen Hochschule in Darmstadt gestar- tet. Heute sind elektrische Geräte und Anlagen in Haushalt, Fahrzeugen, Beruf und Industrie ein | — unverzichtbarer Teil des Alltags. -% Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 5 a Ö H | Optometrie & Hörakuatik Initiative Beispiele für elektrische Haushaltsgeräte: e Waschmaschine e Spülmaschine e Trockner e Toaster e Küchenmaschine e Herd e Mikrowelle 1.1 Grundbegriffe Grundlage der Elektrotechnik sind elektrische Ladungen, die sich auf dem Aufbau der Mate- rie ableiten lassen. 1.1.1 Eigenschaften elektrischer Ladungen Der physikalische Begriff Ladung ist eher abstrakt in der Physik und verknüpft die Eigen- schaften von Teilchen mit dem Begriff Feld. Mit der elektrischen Ladung werden die Eigen- schaften von Teilchen einer Materie mit elektrischen und magnetischen Feldern beschrie- ben. Aus dem täglichen Leben ist Wirkung des Magnetischen Feldes bekannt. Sehen kön- nen wir dieses aber nicht. Diese Nicht- __ Sichtbarkeit der Felder behindert unsere Vorstellungskraft. Um die Vorstellungskraft zu unterstützen, kann die Wirkung von Fel- dern durch Linien verdeutlicht werden. Feld- linien bzw. Kraftlinien geben die Richtung der von einem Feld auf einen Körper ausge- übten Kraft vor. Elementarteilchen und deren Eigen- schaften Die Materie besteht aus einer Reihe von kleinen Bausteinen. Die kleinsten, chemisch nicht weiter zerlegbaren Teilchen werden u | Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 6 ät ) Ö H | Optometric & Mörniuntik Initiatives Atome genannt. Es gibt mehrere physikalische Modellvorstellungen zum Aufbau der Materie. Nach einem einfachen Modell lassen sich Atome in Atomkern und Atomhille gliedern. Ein Atomkern besteht grundsätzlich aus: e dem elektrisch positiv geladene Proton e und dem elektrisch neutralen Neutron Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen Elektronen. Atome sind nach außen elektrisch neutral, wenn, es sind gleiche Mengen von positiven und negativen Ladungen be- sitzt. Aufbau eines Atoms Der Betrag der elektrischen Ladungen trägt das Formelzeichen Q. Alle Elementarteilchen sind gleich groß und trägt den Namen Elementarladung mit dem Formelzeichen e. Nur die Polarität ist unterschiedlich. Die Elementarladung ist die kleinste frei vorkommende La- dung in der Elektrotechnik (e = 1,602 x 107? C). ,C* > Coulomb > Einheit der elektrischen Ladung Alle vorkommenden Ladungen sind jeweils ganzzahlige Vielfache der Elementar- ladung, was aber im täglichen Leben infolge der geringen Größe der Elementarladung nicht auffällt. ‘ *% Pa Hy % "4 _ a A „Atornhülle Kemteilchen (Nukleonen) Neutron O Proton Elektron schematischer Aufbau eines Atoms Elektrostatik Wird z.B. durch Reiben von einem Atom ein oder mehrere Elektronen „geklaut“, so wird durch das Fehlen des Elektron das Atom elektrisch positiv geladen. Bei trockenem Wetter führt dies beim Laufen über einen Teppichboden zur Aufladung des Körpers. Die Ladung fleisst dann wieder zurück, wenn ein geerdeter Gegenstand angefasst wird. Aufgeladene ty Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 7 q Ö H | Optometris & Hörakustik Initiative Körper werden mit einem elektrischen Feld umgeben unsd veruchen stets die Ladung aus- zugleichen. Elektrisch geladene Gegenstände, die die gleiche Ladungspolarität haben, stoßen sich gegenseitig ab, ungleich geladene Körper ziehen sich an. Beim Verpacken mit Styroporschnipseln stoßen sich diese fortwährend voneinander ab, während sie am Fin- ger und an der Kleidung „kleben" bleiben. Grundlagen der Elektrotechnik Elektrizität kann man nicht direkt sehen, sondern nur anhand ihrer Wirkung erfahren. Grund- lage der Elektrotechnik ist die elektrische Ladung Q. Sie beruht auf dem Aufbau der Materie. Ein Elektron trägt die negative, ein Proton die positive Elementarladung (e). Eine Ladung ist ein Begriff der Physik und verknüpft die Eigenschaften von Teilchen mit dem Begriff Feld. Elektrische Ladungen ungleicher Polarität ziehen sich an, gleicher Polarität sto ßen sich gegenseitig ab. Neben elektrischen existieren auch magnetische Felder. 1.1.2 Spannung, Strom und Leistung Um sich elektrische Vorgänge besser vorstellen zu können, nehmen wir uns einen geschlos- senen Wasserkreislauf in der Natur zu Hilfe. Nicht zufällig spricht man auch bei einem gro- ßen Fluss von einem Strom. Unterhalb von Schaffhausen führt der Rhein im Schnitt 373 m?/s. Ein Strom beschreibt also die Bewegung von Wasser. Analog dazu ist der elektri- sche Strom (Formelzeichen I) eine Größe, die die Bewegung elektrischer Ladung be- schreibt. Damit das Wasser im Rhein fließen kann, muss ein Gefälle vorhanden sein. Von der Rheinquelle bis zur Mündung wird ein Höhenunterschied von 2345 m gemessen. Damit sich elektrische Ladungen bewegen, muss ist eine elektrische Spannung (Formel- zeichen U, lateinisch: urgere = drängen, treiben, drücken, Einheit Volt V) vorhanden sein. Sie gibt die Potenzialdifferenz der Pole einer Spannungsquelle an. Jedem Punkt einer elektrischen Schaltung kann ein bestimmtes Potenzial (Formelzeichen 6 (Phi), Einheit Volt) zugeordnet werden. Eine Potenzialdifferenz ist ein von einem Körper unabhängiges Maß für die Stärke eines elektrischen Feldes. Sie entspricht in der Modellvorstellung der Hö- hendifferenz zwischen zwei Punkten. u ) Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 8 q Ö H | ‘Optometric &-Hornkuatih Initiative Formel für elektrischen Strom Strom = elektrische Ladung / Zeit Einheiten 1A = 1 C/s A = Ampere > elektrischer Strom | Formel I = Q/t C = Coulomb, elektrische Ladung S = Sekunde, Zeit =t Spannungsquellen besitzen grundsätzlich zwei Pole mit unterschiedlichen Ladungen. Die elektrische Spannung U gibt den Unterschied der Ladungen zwischen zwei Polen an. Die x Anode (Minuspol) hat einen Elektronenmangel, die Kathode (Pluspol) einen Elektronen- Any = vor überschuss. Bei einer leitenden Verbindung beider Pole kommt es zu einer Ladungsver- schiebung. Im Innenohr gibt es auch ein elektrisches Potential. Elektrische Spannungen ergeben sich aus der Differenz der Potenziale. Wählt man die inne- ren Haarsinneszellen als Bezug, so hat eine äußere Haarsinneszellen zu ihr eine elektrische Spannung von: Un ZU Uzur = -40mV-(-70mV) = +30 mV GM Baw) ment 8 od Omv ee = € y _ Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 9 q Ö H | Optometriv & Hörakustik Initiative Spannungsquellen und Strom Elektrische Vorgänge können verständlicher durch den Wasserkreislauf beschrieben wer- den. Ein elektrischer Strom (Formelzeichen 1, Einheit Ampere A) ist bewegte La- dung/Zeiteinheit. Werden positive und negative Ladungsträger getrennt, entsteht eine elekt- rische Spannung (Formelzeichen U, Einheit Volt V), das dazu verwendete Bauteil oder Gerät heißt elektrische Spannungsquelle. Es besitzt zwei Pole (Anschlüsse), die als Anode (Plus- pol) und Kathode (Minuspol) bezeichnet werden. Elektrische Leistung Die elektrische Leistung P (Einheit Watt) wird aus dem Produkt von Spannung und Strom berechnet. Auf Verbrauchern, z.B. einer Glühlampe, ist eine Leistungs- und Spannungsan- gabe angebracht. Bei einem Aufdruck von 230V und 40W darf diese Glühbirne mit einer Wechselspannung von 230V betrieben werden. Die Nennleistung 40 W gibt an, welche Leis- tung in diesem Fall aufgenommen wird. Formel für elektrische Leistung, Elektrische Energie (Arbeit) Die elektrische Leistung P ist das Produkt von Spannung U * Stromstärke | Formel: P=UxI Einheiten: 1 W = 1 V* 1A (Watt) Formel: Feiekt. = U x 1 x At Einheiten: 1Ws = 1VAs (Wattsekunden) 1.1.3 Spannungs- und Stromarten Eine Batterie trennt auf chemischem Weg elektrische Ladungen und wird somit zu einer einer Spannungsquelle. Bei einem geschlossenen Stromkreis entstehen am Minuspol ver- mehrt Elektronen und wandern über die Leitungen zum Verbraucher. Hier erfolgt eine Energieumwandlung. Die Elektronen wandern dann weiter zum Pluspol der Batterie. Die „physikalische Stromrichtung" im Stromkreis erfolgt also von - zum + Pol. Der Begriff der „physikalischen Stromrichtung" beschreibt umgangssprachlich die Strömungsrichtung von Elektronen in Metallen. Daneben gibt es auch der Ausdruck „technische Stromrich- tung". Dieser Begriff ist historisch bedingt. Er beruht darauf das Strom aus positiven La- dungsträgern besteht, der sich vom elektrisch positiven zum negativen Spannungspol be- wegte. Zur Zeit dieser Begriffsbildung waren die negativ geladenen Elektronen, die in metal- u Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 10 q Ö H | Optametne & Mirakuztik Initiative lischen Leitern als Ladungstrager vom negativen zum positiven Pol fließen, noch nicht be- kannt. Leiter und Isolatoren Strom fließt nicht allen Materialien gleich gut. Fließt ein verschwindend kleiner Strom, spricht man von Isolatoren. In Metallen, insbesondere in Kupfer, Silber und Gold ist dage- gen der Stromfluss nur in geringem Maß eingeschänkt. Solche Stoffe heißen elektrische Leiter. Bestimmte Festkörper können sowohl als Leiter als auch als Nichtleiter betrachtet werden. Sie werden Halbleiter genannt. Spannungen und Spannungsquellen können nach unterschiedlichen Gesichtspunkten unter- schieden werden: e Netzspannung: o Spannung, die im Haushaltsnetz anliegt Versorgungsspannung: o Spannung, die zum Betreiben eines elektrischen Geräts eingesetzt wird Nennspannung: o vom Hersteller oder Lieferanten spezifizierter Wert der elektrischen Spannung im Normalbetrieb Signalspannung: o Spannung die als Informationsträger verwendet wird Hochspannung: o elektrische Spannung, die größer als 1000 V ist a no et >! Gleiehsiram OC Zeichen = Wechselstrom AC Zeichen - Mischstrom UC Zeichen = e Gleichspannung: o elektrische Spannung, die Uber einen längeren Zeitraum den gleichen Zah- lenwert und die gleiche Polarität aufweist. Manchmal wird auch dann von Gleichspannung gesprochen, wenn die Spannung - im Gegensatz zur Wech- selspannung - ihre Polarität nicht wechselt m Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 11 q Ö H | Optomotrie & Hörakustik Initiative  e Wechselspannung: o Spannung, die ihre Polarität regelmäßig wechselt (und deren zeitlicher Mittel- wert 0 Volt beträgt) e Summenspannung: o Überlagerung mehrerer Spannungen e Mischspannung: o Überlagerung einer Wechsel- und einer Gleichspannung In der Hörakustik ist die Gleichspannung (Hörgerätebatterie) als Versorgungsspannung des Hörsystems und die Mischspannung als Signalspannung von Wichtigkeit. Analog zu den Bezeichnungen der Spannungen werden auch die Stromverläufe benannt Spannungen und Ströme Spannungen und Ströme können nach verschiedenen Gesichtspunkten unterteilt werden. Bei der Wechselspannung (-strom) (Alternating Current AC) ändert sich fortwährend die Po- larität der Spannungsquelle. Bei einer Gleichspannung (-strom) (Directed Current DC) bleibt diese immer erhalten. Bei Mischspannungen sind Wechsel- und Gleichspannungen überla- gert. Wichtige Informationen über elektrische Spannung: 1. Die elektrische Spannung übt eine Kraft auf freie Elektronen bzw. Ladungsträger aus. 2. Die elektrische Spannung ist die Ursache für einen elektrischen Strom. 3. Die elektrische Spannung entsteht stets durch den Ladungsunterschied zweier Punk- te. [> N Ges | AN ad“ Wichtige Informationen über elektrischen Strom: \t'! > von Nes 1. Die Ursache eines elektrische Stroms ist stets eine elektrische Spannung. 2. Elektrischer Strom ist bewegte Ladung je Zeiteinheit. 3. In Metallen bewegen sich die Elektronen stets vom Minus zum Pluspol (Physikalische Stromrichtung). -% Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 12 q Ö H | Optamstrie & Hörakuellk Initiative 1.1.4 Strom- und Spannungsquellen Beide Begriffe werden meistens beide benutzt, um ein Gerat zu beschreiben, welches Ener- gie liefert. Technisch müssen beide aber getrennt betrachtet werden. e Spannungsquelle: liefert elektrische Spannung je nach Belastung e Stromquelle: liefert elektrischen Strom je nach Verbraucher Beide Begriffe beschreiben idealisierte Vorstellungen technischer Geräte. Sie haben zuei- nander entgegengesetzte Eigenschaften. Beide Systeme gibt es sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrom. Einige Arten der Spannungserzeugung: e Spannungserzeugung durch Induktion © Wird in einem Magnetfeld ein elektrischer Leiter bewegt, so wird durch Induk- tion ein Strom erzeugt. Diese Art der Spannungserzeugung findet man in Generatoren und z.B. im Dynamo des Fahrrades e Spannungserzeugung durch chemische Vorgänge o Werden zwei Metallplatten aus unterschiedlichem Material in eine leitende Flüssigkeit gegeben, entsteht eine Gleichspannung. Der Versuchsaufbau wird als galvanisches Element bezeichnet. Diesen Aufbau finden wir in unseren Batterien e Spannungserzeugung durch Wärme o Erwärmt man einen Kupfer- und einem Konstantandraht entstehen an den Drahtenden eine Spannung im Millivoltbereich. e Spannungserzeugung durch Kristallverformung (Piezo-Elektrizität) o Durch Druckkräfte auf einen Kristall kann durch die Verformung eine Span- nung erzeugt werden. Sie wird als Piezo-Elektrizität bezeichnet. Eigenschaften von Spannungsquellen An dem Beispiel von Strömen und Flüssen kann man die Entladung einer Spannungsquelle erklären. Im Laufe der Zeit transportieren sie auf ihrem Weg zum Meer Schlamm und Geröll mit sich und lagern es im Meer ab. Das Nildelta ist das Beste Beispiel für den Materialtrans- port. Über einen Zeitraum von Jahrtausenden betrachtet können sie ein Gebirge einebnen. Bei einer Hörgerätebatterie wird im laufe der Zeit die Spannung auch immer schwächer, bis sie schließlich so gering ist, dass sie durch eine neue Batterie ersetzt werden muss. Batte- rien und Akkumulatoren verlieren durch inneren Stofftransport ihre Spannung, sie werden entladen. Im Gegensatz dazu wird die Netzspannung im Haushalt durch elektromagnetische = Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 13 NO Elektrische Spannungen (Voltmeter) Zur Messung einer elektrischen Spannung verwendet man ein Voltmeter. Es wird parallel zur ZU messenden Spannung U in den Stromkreis eingebracht. Damit das Messergebnis sehr genau ausfallt, hat das Voltmeter einen sehr grossen Innenwiderstand. Der Messbe- reichs kann durch das Einbringen geeichter ,Vorwiderstande" vergrößert werden. ( ler Elektrische Ströme (Amperemeter) « lo. ue de Cats Die Leitfähigkeit von Metallen ist von der Anzahl der Elektronen auf der äußersten Schale abhängig. Wichtige metallische Leiterwerkstoffe sind Kupfer und Aluminium. Metallatome verbinden sich zu einer gitterförmigen Struktur. In regelmäßigen Abständen finden sich Atomanhäufungen. Metalle gehen eine starke Bindung ein, in der die Elektronen nur schwach gebunden sind. In diesem Verbund gibt jedes Metallatom seine Valenzelektronen on duften “eto: (die Atome der äußeren Schale) ab. Diese sind innerhalb des Kristallgitter des Metalls frei beweglich und werden auch freie Elektronen genannt. Sie bilden eine Art Wolke, die auch Elektronengas genannt wird. Die Rest-Atome verbleiben unbeweglich im Gitter. Ein Kupfer- würfel von 1 cm? enthält ca. 1023 freie Elektronen. Die höchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle hat Silber. Die Leitfähigkeit hängt unter anderem auch von der Temperatur ab. Bei Metallen bleibt sie innerhalb bestimmter Temperaturgrenzen konstant. Der spezifische Wi- derstand (Materialeigenschaft) der meisten Leiter vergrößert sich bei Erwärmung. Die Leitfä- higkeit von Metallen ist bei 25°C > 10° S/m (S = Siemens). || u | Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 17 q Ö H | Optometrie & Hörakustik Initiative Flussigkeiten (Leiter 2. Klasse) Reines Wasser kann den Strom nicht leiten. Gibt man jedoch Kochsalz zum Wasser, kann ein elektrischer Strom fließen. Sogenannte lonen-Leiter sind Leiter 2. Klasse. Solche Elektro- Iytflüssigkeiten besitzen eine durch lonen bedingte elektrolytische Leitfähigkeit. Der mensch- liche Körper, der zu einem bestimmten Prozentsatz aus einer Salzlösung besteht, ist ein Lei- ter. Elektrische Ströme die durch den Körper fließen, können für den Menschen unter Um- ständen lebensbedrohende Folgen haben. Gase In Gasen erfolgt nur unter bestimmten Bedingungen ein Leitungsvorgang. Wenn durch loni- sation oder Emission frei bewegliche Elektronen oder lonen entstehen, kann ein Strom flie- ßen. Diese können durch Erhitzung oder energiereiche Strahlung erzeugt werden. Der Blitz beweist: Auch Luft kann beim Vorliegen einer hohen Spannung leitfähig werden. Vorschaltgerät Spannung O Leuchtstoff eo o “ 90 3) 8 wi 9 Starter Das Gase leuchten sieht am Beispiel einer Leuchtstoffröhre -% Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 18 q j Ö H | Optenetriv & Hörnxiuntik tnltiatve 1.1.7 Halbleiter Es gibt Werkstoffe die sowohl als Leiter, als auch als Isolator arbeiten. Sie werden als Halb- leiter bezeichnet. Ihre Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig. Halbleiter bilden das Ba- sismaterial für moderne integrierte Baugruppen. Zu den Halbleitermaterialen zählen Silizium, Germanium und Selen. Die bekanntesten Bauteile sind Dioden. 1.1.8 Nichtleiter (lsolator) Stoffe, die nur wenig freie Elektronen besitzen, werden Isolatoren genannt. Wichtige Isolato- ren sind: e Kunststoffe e Glas e Keramik e Gummi e Lacke e Ole e Glimmer Elektrische Leitfahigkeit Der elektrische Strom kann in Leitern aus festen, flüssigen und gasförmigen Materialien flie- ßen. Metalle werden auch als Leiter 1. Klasse bezeichnet. Jedes Metallatom gibt seine Va- lenzelektronen ab. Diese sind im Kristallgitter des Metalls frei beweglich und werden auch freie Elektronen genannt. Reines Wasser kann Strom nicht leiten. Fügt man Salz hinzu und erstellt eine Salzlösung entstehen Ströme, die eine Stoffzerlegung hervorruft und Elektrolyse genannt wird. Diese Flüssigkeiten werden als Leiter 2. Klasse bezeichnet. In Gasen erfolgt nur dann ein Weiterleitug von Elektronen, wenn durch lonisation oder Emission frei bewegli- che Elektronen oder lonen vorhanden sind. Nichtleiter haben sehr wenige freie Ladungsträ- ger. Halbleiter können sowohl leiten als auch isolieren. -% Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 19 q Ö H | Optometric & Hbrakustih tnitlative 1.2 Ohmsches Gesetz, Kirchhoffsche Regeln, Der Stromkreis Im Ohmschen Gesetz werden die elektrischen Größen Spannung (U), Strom (I) und ohm- scher Widerstand (R) in ein physikalische Beziehung zu einander gestellt. Die Spannung an einem ohmschen Widerstand wird auch als Spannungsfall (oder Spannungsabfall) oder auch als Verbraucherspannung bezeichnet. Das Ohmsche Gesetz wurde im Jahr 1826 von Georg Simon Ohm festgestellt und gehört zu den grundlegenden Gesetzen der Physik. 1.2.1 Das Ohmsche Gesetz Mit dem Ohmschen Gesetz kann man mit zwei gegebenen Grundgrößen jeweils die fehlende „dritte“ Größe bestimmen. Das Gesetz gilt streng gesehen für „normale" Widerstände. Bei Widerständen, wie z.B. einer Glühlampe, der stark temperaturabhangig ist, funktioniert diese Rechnung leider nicht. Bei komplexen Widerständen wie dem Kondensator und der Induktivi- tät einer Spule, muss mit komplexen Zahlen gerechnet werden. Formel für das Ohmsche Gesetz An einem ohmschen Widerstand ist die elektrische Spannung U gleich dem Produkt von Wi- derstand R und Strom I, der durch ihn fließt. Eselsbrücke: URI, manche bezeichnen auch die Urgroßmutter so (URoml) Einheiten: Formel: U=Rx\l V= Volt, elektrische Spannung U A = Ampere, elektrischer Strom | Q = Ohm, elektrischer Widerstand R v el Verte 6 Ohmsches Gesetz Das wichtige Ohmsche Gesetz setzt die elektrischen Größen Spannung U, Strom | und Wi- derstand R in Beziehung zueinander. 4% Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 20 q Ö H | Optometde & Horahwetib initiative 1.2.2 Kirchhoffsche Regeln In einem geschlossenen Stromkreis kann nur elektrischer Strom fließen. Die Aussage: In der Steckdose ist Strom, ist physikalisch falsch. In der Steckdose liegt zwischen den beiden „Löchern“ eine Spannung an. Erst wenn ein Gerät an die Steckdose angeschlossen werden und über den Schalter der Verbraucher den Stromkreis schließt, fließt ein elektrischer Strom. Zur weiteren Berechung und Erklärung von Stromkreisen gibt es weitere elementare Geset- ze der Elektrotechnik. Dieses sind die zwei Kirchhoffschen Regeln. Die Knotenpunkts- regeln befassen sich mit den elektrischen Strömen an einem Knotenpunkt, die Ma- schenregel mit den Spannungen in jeder beliebigen Masche. Maschen und Knotenpunkte In einer Schaltung bildet jeder denkbare geschlossene Stromkreis eine Masche. Punkte, die Leitungsverzweigungen oder -vereinigungen bilden, nennt man in der Elektrotechnik Kno- tenpunkte. Mithilfe von Symbolen kann der Aufbau eines Stromkreises schematisch verdeut- licht werden. Knoten werden als „dicke" Punkte dargestellt. Bei einer Kreuzung zweier Linien im Schaltbild ohne Punkt sind die entsprechenden Leiter nicht miteinander verbunden. In einer Steckdose ohne angeschlossene Geräte gibt es keine Maschen, da der Stromkreis nicht geschlossen ist. Schließt man z.B. einen Verbraucher an und schaltet diesen ein, so wird der Stromkreis geschlossen. Es entsteht automatisch eine Masche. In den Steckkontak- ten der beiden Geräte teilt sich der Strom. Es bilden sich jeweils 2 Knotenpunkte. 4 ch im wy ff vergleichbar sind Maschen und Knoten mit einem Autobahnkreuz -% Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 21 q Ö H | Optometite & Hörakustik Initiativa 1. Kirchhoffsche Regel (Knotenpunktsregel) > 7 An einem Knoten ist die Summe aller Ströme Null. Das bedeutet, dass die Summe der zu- fließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme sein muss. In einem Knoten- punkt kann weder zusätzliche Ladung auftauchen (Quelle) noch Ladung verschwinden (Sen- ke) oder gar Ladungsträger gespeichert werden. Bei der Addition der Ströme sind deren Zählpfeile zu berücksichtigen. 2. Kirchhoffsche Regel (Maschenregel).,, In einer Masche ist die Summe der Spannungen Null. Das bedeutet, dass die Erzeuger- spannung gleich der Summe der Verbraucherspannungen sein muss. Bei der Addition der Spannungen muss wiederum die Richtung der Zählpfeile beachtet werden. Kirchhoffsche Regeln Zur Überprüfung elektronischer Schaltungen in Verbindung mit dem Ohmschen Gesetz sind die Kirchhoffschen Regeln besonders hilfreich. Die Knotenpunktsregel besagt, dass an ei- nem Knoten weder Ladung hinzukommt (keine Quelle) noch Ladung verschwindet (keine Senke). Dies trifft auf andere Knoten z.B. den Verkehrsknoten, ebenfalls zu. Die Maschenre- gel bestätigt, dass sich in jedem geschlossenen Umlauf (Masche) die Potenziale zu Null ad- dieren. Dies trifft auch für eine Bergwanderung (Höhendifferenzen) zu, deren Ausgangs- und Endpunkt gleich ist. 1.2.3 Aufbau eines Stromkreises Ein Stromkreis enthält eine Spannungsquelle und einen Verbraucher sowie die Hin- und Rückleiter. Strom kann nur fließen, wenn er geschlossen ist. Die Spannungsquelle liefert die elektrische Energie, die im Verbraucher in andere Energieformen umgewandelt wird. In den Leitungen wird die elektrische Energie zum Verbraucher transportiert. Beispiel für einen Stromkreis ist z.B. der Leuchtstab, der ähnlich wie eine Taschenlampe aufgebaut ist. Damit die Energie der als Spannungsquelle benutzten Batterie nur beim Arbeitsvorgang entnom- men wird, ist ein Schalter zum Unterbrechen des Stromkreises vorhanden. u |n-leitend E pleilend nJeilend ® |D => PO - EO Linke Grafik zeigt eine Diode in Sperrrichtung / Rechte Abbildung zeigt eine Diode in Flußrichtung Sperrichtung Plus zieht Minus an / Flussrichtung Minus drückt immer mehr Minus in die Diode Halbleiterdiode Eine Halbleiterdiode besteht aus einem PN-Übergang, an dem Kontakte angebracht sind. Der N-Leiter ist die Kathode (durch einen Ring auf dem Gehäuse gekennzeichnet), der P- Leiter ist die Anode der Diode. , Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 32 t N Ö H | Optometric & Hörskustik Initiative  A Strom 88|1|20 920 OB Bla @ so 5 HI oe sa Spannung seeloo9 > Schleusenspannung Plaitend n-leitend Anode Kathode Sperrbereich Durchlassbereich Schaltzeichen einer Halbleiterdiode, ab einer Schleusenspannung von 0,3 - 0,7 Volt wird eine Diode leitend Fahradveniil 2,8 7 (um || Schaltzeichen der Diode Eine Halbleiterdiode kann wie ein Fahrradventil gesehen werden. Die Luft geht hier auch nur in eine Richtung. Gleichrichterdioden Gleichrichterdioden sind Leistungsdioden und können große Wechselleistungen schalten. Zur besseren Wärmeleitung sind sie in ein Metallgehäuse integriert. Spitzendioden Spitzendioden verfügen über kleine Kapazitäten und bestehen aus einem n-leitenden Mate- rial, auf dem eine Metallspitze aufgesetzt ist. Es bildet Sich Somit ein PN-Übergang aus. Leuchtdioden Fließt durch eine Leuchtdiode Strom in Durchlassrichtung, so Sendet sie Licht, Infrarotstrah- lung oder Ultraviolettstrahlung aus. Die Wellenlänge der Strahlung ist vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängig. % Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 33 q Ö H | Optomytrin & Härphustik Initialen  Epoxidharz-Linse / - Gehäuse Bonddraht Peflektorwarıne Ne Halbleiterkristall ii ae ) lead Fame how : VEX mit — AN Anode [ 1 Kathode Schematischer Aufbau einer Leuchtdiode Z-Dioden Z-Dioden werden überwiegend in Sperrrichtung betrieben, wobei ein Vorwiderstand zur Vermeidung von zu hohen Strömen in Reihe dazugeschaltet wird. Eine Begrenzerdiode nutzt den Sperrstrom aus, der im Durchbruchbereich steil ansteigt. Die Dotierung des Halbleiters legt die Höhe der Durchbruchspannung fest. Dioden Dioden sind mit einem Fahrradventil zu vergleichen. Sie lassen den Strom nur in eine Rich- tung fließen und sperren die Gegenrichtung. In Hörsystemen werden sie z.B. bei der Dioden- PC eingesetzt. ~ Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 34 q Ö H | Optometric & Hörakustih Initiative 1.4.3 Bipolare Transisitoren Transistoren sind verstarkende Halbleiterbauteile. Abhangig davon ob ein oder beide La- dungstragerarten zum Aufbau Verwendung finden unterscheidet man uni- bzw. bipolare Transistoren. Bipolare Transistoren bestehen grundsätzlich aus 3 Halbleiterzonen. Sie können die Schichtenfolge npn oder pnp haben. Beide Transistorarten ergänzen sich beide miteinan- der. Hauptsächlich wird das Halbleitermaterial Silizium genutzt. Die Halbleiterzonen sind jeweils mit Kontakten versehen, die nach Aussen geführt werden. Sie tragen die Namen Ba- sis, Emitter und Kollektor. Der Emitter sendet aus, der Kollektor sammelt ein und die Basis ist für den Steuerstrom zuständig. An den Materialübergängen (PN) bilden sich Sperrschich- ten aus, vergleichbar wie bei der Diode. Die Basis-Emitterstrecke ist beim Transistor in Durchlassrichtung geschaltet, die Basis-Kollektorstrecke in Sperrrichtung. E B Schematischer Aufbau eines Transisitors ~~, Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 35 q Ö H | Optometric & Hörakustik Inlllative  ® |O | @ Cc p-leitend |n-leitend| p-leitend ak 2 |O | SO € Emitter Basis Kollektor echt su! akt wer py 6“ el m at Schematsicher Aufbau eine pnp-Transistors inkl. Schaltsymbol Vergleichbar ist der Aufbau auch mit zwei gegenphasig geschalteten Dioden Der sogenannte Emitterpfeil im Schaltzeichen gibt die technische Stromrichtung an. Ein klei- ner Basisstrom Is verursacht einen großen Kollektorstrom Ic. Zur Steuerung ist nur eine ge- ringe Leistung erforderlich. Das Verhalten eines Transistors wird durch sein Kennlinienfeld beschrieben. i Basisstrom (+) ( -) n-leitend |p-leitend| n-leitend 3 & (= Emitter Basis Kollektor | Kollektorstrom schematischer Aufbau eines npn-Transistors Ein kleiner Basisstrom steuert einen großen Kollektorstrom 2 Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 36 q Ö H | Optometrie & Hörakustik Initiative Der Transistor als Verstärker (data) Ein variabler Strom Is am Basis-Emitter Stromkreis hat eine zum Steuerstrom proportionale Änderung des wesentlich stärkeren Kollektorstroms Ic im Kollektor-Emitter Stromkreis zur Folge. Diese Anwendung des Transistors ist in analogen Schaltungen anzutreffen. Der Transistor als Schalter /wi2'\°\. In der Digitaltechnik arbeitet man grundsätzlich mit einem binären Code, der wie der Name es schon Sagt aus zwei Ziffern besteht. Diese Ziffern Sind „O“ und „1“. Diese werden durch Zustande elektronischer Schaltungen codiert. Transistoren werden als Schalter eingesetzt die zwei Zustände einnehmen Sollen: leiten oder nicht leiten. Die Funktion des idealer Schal- ter ist technisch nicht erreichbar. Grund dafür ist der immer noch Sehr geringe Strom und die Spannung. Im Fließrichtungsszustand fällt am Transistor immer noch eine geringe Durch- lassspannung ab und in Sperrichtung fließt noch ein geringer Reststrom. Transistoren Bipolare Transistoren bestehen aus einer dreischichtigen Folge von P- und N-Material. Npn und pnp-Transistoren sind in ihren Eigenschaften zueinander komplementar (erganzend). Die Anschlüsse des bipolaren Transistors werden Basis, Emitter und Kollektor genannt. 1.5 Grundlagen der Digitaltechnik Die Digitaltechnik arbeitet nicht mit analogen Verstärkerschaltungen, sondern und verarbeitet die Signale als Zahlenwerte. Zahlensysteme Die Zahl ist ein Grundbegriff der Mathematik. Die Ziffer muss somit separat betrachtet wer- den. Der Begriff Zahl steht im Zusammenhang mit Zählen und bezog sich ursprünglich auf die positiven ganzen Zahlen (1, 2, 3, 4,... ). Der Bereich der Zahlen wurde im Laufe der Zeit immer weiter vergrößert. Eine Zahl wird un- ter zu Hilfenahme eines Zeichens oder eine Kombination von Zeichen dargestellt. Mit Hilfe von mathematischen Formeln und Verknüpfungen können mit Zahlen Operationen berechnet und durchgeführt werden. Das Einzelsymbol einer Zahl nennt man Ziffer. Es gibt verschiede- ne Zahlzeichen, z.B. Römische Ziffern, heute verwendet man vor allem die arabischen Zif- fern. Mithilfe von Ziffern lassen sich verschiedene Zahlensysteme definieren. -% Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 37 q Ö H | Optometris & Hörahustik Initiative Im taglichen Gebrauch wird das Dezimalsystem verwendet. Es bendtigt zehn Ziffern (0 bis 9), aus denen jede Dezimalzahl zusammengesetzt ist. In der elektronischen Datenverarbeitung werden die Ziffern durch elektrische Spannungen codiert. Mit dem Dezimalsystem brauchte man 10 verschiedene Spannungswerte. Wirde man Signalverarbeitung mit Dezimalzahlen durchführen, wären die Nachteile wie in der ana- logen Signalverarbeitung. Die Alterung der Bauteile und auftretenden Störgrößen müssten berücksichtigt werden. Binäres Zahlensystem In der elektronischen Datenverarbeitung wird das Binärsystem mit den beiden Ziffern 0 und 1 benutzt. Werden nur zwei Ziffern eingesetzt (Spannung vorhanden/ Spannung nicht vorhan- den), so ist die Störanfälligkeit um einiges geringer. Nachteil an diesem Verfahren ist, dass man vergleichsweise viele Stellen zur Darstellung einer Zahl braucht. Digitaltechnik Die Digitaltechnik hat in der Hörakustik fast ausnahmslos Einzug gehalten. Sie beruht darauf, dass die Signalverarbeitung „rechnerisch" erfolgt. Das eingesetzte Zahlensystem (Binärsys- tem) kennt nur zwei Ziffern (0 und 1). Die Störanfälligkeit ist viel geringer als bei der Ana- logtechnik. Signalerfassung und Digitalisierung Physikalische Größen liegen in der Regel als analoge Größen vor. Das Mikrofon wandelt den eintreffenden Schall in eine proportionale elektrische Signalspannung um. Damit ein digitaler Signalprozessor das Signal berechnen, wird das analoge Signal in einen AD-Wandler (Ana- log-Digital-Wandler) jeweils zu bestimmten Zeiten in eine Digitalzahl umgeformt. Die Um- wandlung erfolgt durch zyklische „Probenentnahme" (Abtastung) des Analogsignals. Es ent- steht eine zeit- und wertediskrete „Treppenfunktion". Shannonsches Abtasttheorem Die Abtastrate bzw. Abtastfrequenz und die Stellenzahl der Digitalzahl müssen an die jewei- lige Aufgabenstellung angepasst werden. Das Shannonsche Abtasttheorem (Theorem = Lehrsatz) gehört zu den grundlegenden Gesetzen der digitalen Nachrichtentechnik. Ein bandbegrenztes Signal mit einer höchsten Frequenz fmax muss mit einer Frequenz größer als 2 X fmax abgetastet werden. Somit ist das erhaltene Signal eine Rekonstruktion des Ur- sprungssignales ohne Informationsverlust. Die Bandbegrenzung erfolgt bei digitalen Hörsys- temen durch einen analogen Tiefpassfilter. Wird das Abtastgesetz nicht eingehalten, so kommt es zu einem Fehler. Diesen Fehler nennt man „Spiegelfrequenzen". m) Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 38 q Ö H | Optometie & Hörakustih Initiative  Schalldruck Signalspannung 0 0 100 200 300 400; 500 600 700 Hz | Frequenz f Darstellung eines Signals Ein Signal, z.B. der Kammerton a kann als Auslenkung e über den Zeitbereich oder als Amplitude (bzw. Phasenlage) e uber der Frequenz (Frequenzbereich) dargestellt werden. e Beide Darstellungsarten tragen die gleiche Informationen und sind deshalb gleichwer- tig -% Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 45 a Ö H | Optometric & Hifi Inlilativs  „ol: Fritzen Dantehra Yernassen Teite We isk 25 50 Fe 100 125 16D Ws 290 Die Darstellung eines Signales im Zeitbereich Der Zeit- und Frequenzbereich zeigt jeweils die gleichen vollständigen Informationen über das dargestellte Signal an. Das Signal, in der unten gezeigten Grafik ist Schwer zu interpre- tieren. Würde man es hörbar machen ist es Sehr leicht. 82 el dla bi }——} a u | ita) [=] ta u 4 H na T I zwei Töne mit den Frequenzen von 125 Hz und 750 Hz. Amplituden sind gleich groß Im Frequenzbereich fällt es viel leichter, den Sachverhalt zu erkennen, wie die nachstehende Grafik zeigt. Die beiden Töne kann man auch bei genügend großer Differenz der Tonhöhen klar hören, das Ohr besitzt eine Signalverarbeitung im Frequenzbereich. = | Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 46 q O H | Optametrin & Hörskuntik Initiative:  0 =D 90 75D 1000 120 1500 17 27 2 00 750 X00 520 SD 375) 8000 ARE Deutlich zu erkennen, dass es sich um 2 Frequenzen handelt > Spektum In der spektralen Darstellung fallt es leichter den Sachverhalt eines Signales dazustellen. Hier wird deutlich, um was für ein Signal es sich handelt. 2.2.2 Periodische Signale Die Sinusschwingung ist das einzige akustische Signal, das aus einem einzelnen Ton be- steht, alle anderen Signale sind eine Zusammensetzung aus mehreren Tönen. Typische weitere periodische Signale sind die Rechteckschwingung, die Dreieckschwingung, der Sä- gezahn und die Impulsfolge. ly Die Abbildung zeigt eine Sägezahnsignal, welches sich aus einer Reihe aus Tönen besteht -% Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 47 A Ö H | Optomotris & Hörakustik Initiative Alle diese Schwingungen setzen sich aus Tönen zusammen, die jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz sind. Sie müssen die gleiche Periodizität aufweisen. Theore- tisch müssen diese Signale unendlich lang „klingen“, um im mathematischen Sinn periodisch zu sein. Diese Zusammensetzung sorgt dafür, dass die Darstellung im Frequenzbereich Linien auf- weisen. Periodische Signale besitzen grundsätzlich nur ein Linienspektrum. Vergleicht man das Sägezahn- mit dem Dreieckssignal so wird deutlich, dass in der Dreiecksschwingung die Oberwellen vergleichsweise kleinere Amplituden haben. Das folgt daraus, dass die Dreiecks- form eine sehr große Ähnlichkeit mit der Grundwelle des Sinussignals hat und keine steile Flanke aufweist. Steile Flanken die ins unendliche laufen würden sind technisch nicht um- setzbar, weil dazu unendlich hohe Frequenzen erforderlich sein müssten. -% Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 48 q Ö H | Optamotiie & Hörakustik initiniier: 2.2.3 Diracstoß, Delta-Distribution (Diracimpuls) Der Diracimpuls (z.B. ein Klatschen und ein Klicken) ist in der Technik eine nicht einwandfrei herzustellende Größe. Ein Impuls mit e der Breite ,0", e der Höhe „unendlich" und e der Fläche , 1", der interessante Eigenschaften besitzt, die komplementär zum Si- nussignal sind. Im Zeitbereich stellt er eine Linie, im Frequenzbereich ein kontinuierliches Spektrum Uber alle Frequenzen dar. Die Amplitude ist gleich und zeigt „1". en Rs IN Yan ER RER „7 In der Audiometrie werden Klick-Signale genutzt. Die Transformation in den Frequenzbereich lässt erkennen warum: Ein Klick regt ein System breitbandig an. „Alle" Frequenzen sind mit (nahezu) gleicher Signalamplitude enthalten. Eigenschaften der Signale Praktischen Konsequenzen für den Hörakustiker e Alle periodischen (und einmaligen) Signale können stets als Summe von einzelnen Sinusschwingungen aufgefasst werden. Ist das Verhalten eines Systems auf Sinus- schwingungen unterschiedlicher Frequenzen bekannt, so kann man daraus das Ver- halten für alle denkbaren Signale ableiten. Der Sinus ist damit das wichtigste Test- signal in der Nachrichtentechnik, natürlich auch in Audiometrie und Hörakustik. Das passende Gegenstück ist die Delta-Distribution und wird als Klick in der Audiometrie verwendet (Klick-BERA). e Je steiler die Signalflanke z.B. durch Filter, schnelle Regelungen oder peak-clipping ausfällt, desto höherfrequent sind die entstehenden Oberwellen und umso beeinflusst das Klangverhalten. Deshalb sollte man in der Anpassung auf „schnelle Regelvor- gänge" aber auch steile Filterflanken nach Möglichkeit verzichten. e Zeit- und Frequenzbereich ergänzen sich zueinander. Große Größen im Zeitbereich = Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 49 q Ö H | Optamottie & Horakuatih intimen  werden im Frequenzbereich klein. Kleine Größen im Zeitbereich werden im Fre- quenzbereich groß. Viele Hörsysteme arbeiten mit einer Signalverarbeitung, im Fre- quenzbereich. e Das Ohr nimmt Änderungen im Phasenspektrum kaum wahr, sonst würde sich bei unterschiedlichen Beobachtungsabständen Musik unterschiedlich anhören. Änderun- gen im Amplitudenspektrum werden jedoch umgehend erkannt. Das Ohr analysiert die Frequenzmuster und entnimmt diesen die Informationen (Mustererkennung). Das Ohr arbeitet im Frequenzbereich! 2.2.4 Fourier — Transformation Die Fourier - Transformation ist ein Rechenvorgang, um die o.g. Signale aus dem Zeit- in den Frequenzbereich umzuwandeln. Sie wird als Diskrete -Fourier - Transformation (DFT) bzw. in ihrer schnellen Form als Fast — Fourier - Transformation (FFT) umgesetzt. Um aus dem Frequenz - in den Zeitbereich zurückzukommen, gibt es jeweils umgekehrte Umwand- lungen. 2.2.5 Nicht periodische Signale Wenn man sich Signale anschaut sind alle nicht periodisch. Wären Sie das, müssten sie unendlich lang andauern. Nichtperiodische Signale sind welche, die sehr kurz anhalten. Ein typische Beispiel für aperiodisches Signal ist der Knall. Um das Spektrum dichter werden zu lassen, wird eine Impulsfolge von Rechtecksimpulsen die Frequenz verringert. Die nachfolgenden Grafiken zeigen dieses sehr deutlich. = = = =. Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 50 q j Ö H | Optometrie & HOrshustih Initiative  ee _ a 2222 oi =| | y Vue ao R ß " 4q E ee m mn ee ee vem natalie nn nn Zu z 0 7 = 30 Ma 820.35 20 408 +05 ZM 45 SE 1 ZU 5 MU vu AL wa nn. EEE 7-5 | |' £ | | | = r Mh —— - x um m 2 = = H, = = —— T- — = tl) = | a D re % [31 175 ZD as = u 1 Zn = “ AT. - = a darf | |L = -T en ann aD 48) KO "vo T ar oD ar ri | zur - j. JE F ds LAT SSS SE 1 159 ' ZL pa, 7 = Eine Folge von Rechteckimpulsen im Zeit - und Frequenzbereich, Je niedriger die Frequenz, desto breiter wird das Spektrum. Ein einmaliger Impuls hat ein kontinuierliches Spektrum. Periodische und nicht periodische Signale Alle periodischen Signale haben im Zeitbereich eine kontinuierliche (unendliche) Dauer und im Frequenzbereich ein Linienspektrum. Umgekehrt haben nicht periodische Signale im Zeitbereich eine endliche Dauer und im Frequenzbereich ein kontinuierliches (unendlich brei- tes) Spektrum. Nicht periodische Signale können als periodische Signale mit sehr großer (unendlicher) Schwingungsdauer T aufgefasst werden. | Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 51 q Ö H | Optometric & Hörakustik Initiative Unscharfeprinzip Damit eine Frequenz erkannt wird, muss eine bestimmte Signaldauer aufgewiesen werden. Je kirzer ein Signal andauert, desto breiter wird das Signalspektrum. Eine eindeutige Fre- quenz kann somit bei kurzen Signalen nicht mehr zugeordnet werden. zeigt Signale im Zeit- bereich, die diese Aussage verdeutlichen. Auslenkung 4 Im PY 1 hen a ‘Ca aj Fuss — | Wie das Fourier-Prinzip handelt es sich um ein | | Naturgesetz und kann nicht umgangen oder a „überlistet“ werden = Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 52 q Ö H | Optometrie & Hbrakustik inilimtie Bedeutung des Unschärfeprinzips für die tägliche Praxis der Hérakustik e Bei der Tonaudiometrie werden Signale breitbandiger und somit unschärfer, je kürzer sie sind. Deshalb sollte man bei der Messung der Tonaudiometrie bei tiefen Frequen- zen langsamer vorgehen (längere Signaldauer) als bei den hohen Frequenzen. e Die Verarbeitungszeit (Delay) eines Hörsystems richtet sich nach der tiefsten Fre- quenz, die übertragen werden soll. Bei einem Delay von 5 ms ergibt sich ein theoreti- scher Wert von f =1/T = 200 Hz. Rauschsignale Ein Geräusch gehört zu der akustischen Hörempfindung, der weder die Bezeichnung Ton oder Klang trägt. Ursache eines Rauschens sind nicht periodische Schwingungen, die sich grundsätzlich in ihrer zeitlichen Struktur ändern können. Ein Geräusch kann nach e seiner Herkunft, e seinen Verdeckungseigenschaften oder e seinem Spektrum bezeichnet bzw. beschrieben werden. Ein Rauschsignal kann z.B. ein Wasserfall oder ein Sack Erbsen, die in einem Eimer gefüllt werden. Eine große Zahl einzelner Tröpfchen und Erbsen prallen aufeinander und in die Tie- fe. Diese Überlagerung ergibt ein charakteristisches Geräusch, das im Frequenzbereich vom Infra - bis in das Ultraschallgebiet liegt. Rauschen hat als Ursache eine schnelle Folge un- vorhersehbarer extrem kurzer Einzelereignisse. Rauschen kommt im Alltag regelmäßig vor, somit auch in der Elektronik. Daher ist es tech- nisch unmöglich, durch immer höhere Verstärkung beliebig kleine Signale e messbar, e hörbar oder e sichtbar zu machen. In der Signalverarbeitung ist das auftretende Rauschen in vielen Fällen eine Störquelle. Stochastisches Rauschen stellt das „absolute Chaos" dar, innerhalb eines bestimmten Zeit- raums ist alles zufällig und unvorhersehbar. un! Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker — Hörgerätetechnik- Seite 53 q Ö H | Ortometrie A Hörnkuntik, Initintive  Rauschsignal im Zeitbereich (rot) und als Spektrum (blau) Spektrale Leistungsdichte Die spektrale Leistungsdichte ist die Leistung pro (infinitesimal=widerspruchsfrei) kleiner Bandbreite, sie ist von der Frequenz abhangig. Die Schallintensitat von Rauschsignalen wird mithilfe eines 1 Hz breiten Signals ermittelt. Formel Schallintensitatsdichtepegel Ir eines 1 Hz breiten Signales hi IL, K A = We leyE ETZ — Ir = Schallintensitätpegel des 1 Hz breiten Signales Lr = Schallintensitätspegel B = Bandbreite des Rauscsignales in Hz Schallintensitätsdichtepegel Ein Schmabandrauschen mit einer Bandbreite B von 50 Hz und einem Rauschpegel Lz von 60 dB hat einen Schallintensitätsdichtepegel Ir von: H LL af = Ra — Be IH: I, = ed — 101g S042 = 43.01.08 -% Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 54 q Ö H | Dptemetiiv & Hörakuntik initiative Weißes Rauschen Weißes Rauschen ist ein Vorgang mit konstanter spektraler Rauschleistungsdichte oder auch als Intensitätsdichte genannt. Analog zum weißen Licht, in dem alle Frequenzen des sichtbaren Lichtes mit gleicher Leistung (Intensität) vorhanden sind, sind im Weissen Rau- schen alle hörbaren Frequenzen gleicher Intensität enthalten. Dies ist praktisch nur für ein großes Frequenzband umzusetzten, da sonst eine unendlich große Leistung transportieren werden muss. Das Weiße Rauschen hat in jedem zulässigen gleichgroßen Frequenzab- schnitt und in jedem Zeitabschnitt die gleichen Eigenschaften. Daraus folgt, dass die spekt- rale Intensitätsdichte konstant ist. Der Pegel steigt um 3 dB/Oktave (Energieverdopplung). Intensitätsdichtepegel/dB Rauschpegel/dB & A '3dB eine Oklave > > Frequenz/Hz Frequenz/Hz Eigenschaften von weissem Rauschen Farbiges Rauschen Als „farbige Rauschen“ bezeichnet man Rauchen, bei denen die spektrale Leistungsdichte, in einem fur die Praxis relevanten Frequenzbereich, deutlich von einem konstantem Wert abweicht. Die Bezeichnung „Rosa Rauschen (RR,PR)" wird sowohl für Rauschen mit einer spektralen Rauschleistungsdichte, die umgekehrt proportional zur Frequenz abfällt (,,1/f- Rauschen"), als auch für Rauschprozesse mit einer spektralen Rauschleistungsdichte, die umgekehrt proportional zum Quadrat der Frequenz (1/P-Rauschen) abfällt verwendet. Das 1/P-Rauschen wird zu besseren Unterscheidung zum „Rosa Rauschen" als „Rotes Rau- schen" oder „ Braunes Rauschen" bezeichnet.. Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 55 q Ö H | Optometrie & Hörakustih Initiative Rosa Rauschen (1/f-Rauschen, Pink Noise) Als „Rosa Rauschen” wird hier das 1/f-Rauschen bezeichnet. Es ist eine Geräusch, das in jedem Oktavabschnitt und in jedem Zeitabschnitt die gleichen Eigenschaften hat. Die spekt- rale Intensitatsdichte ist umgekehrt proportional zur Frequenz. Intensitätsdichlepagel/dB Kauschpegel/dB A A 3B * eing Oktava p> > Fraquenz/Hz Frequenz/Hz Eigenschaften des Rosa Rauschens Rotes Rauschen, 1/f2-Rauschen Die spektrale Intensitätsdichte ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Frequenz. Intensitätscichtepegel/dB Rauschpegel/dB A A 608 adB | eine Oktave > > > Frequenz/Hz Frequenz/Hz Eigenschaften des Roten Rauschens Blaues Rauschen Die spektrale Intensitätsdichte ist direkt proportional zum Quadrat der Frequenz. Intensilätsdichtapsgal/dB RauschpegelidB A A ee Se eine Oktave > > | Frequenz/Hz PrequenziHz ay Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 56 q Ö H | Optomotrio & Horihuatie titiatien Gleichmäßig verdeckendes Rauschen, Langenbeck -Rauschen Das gleichmäßig verdeckende Rauschen nutzt man zur Verdeckung von Sinus-Tönen. Es handelt sich um ein Störsignal, das eine Mithörschwelle eines Sinusdauertons erzeugt, das im gesamten Hörbereich von der Frequenz unabhängig ist. Rauschen Als Rauschen wird in der Akustik ein Schallereignis bezeichnet, dass sich aus mehreren hörbaren Frequenzen zusammensetzt. Diese Schallereignisse sind grundsätzlicher statisti- scher Natur und werden durch die Hüllkurve des Intensitätsspektrums unterschieden. Rauschen ist für das menschliche Gehör mit keiner konkreten akustischen Information ver- bunden. Analog zu den Farbbezeichnungen unterscheidet man nach ihren spektralen Eigenschaften z.B.: e Weißes Rauschen e Rosa Rauschen e Rotes Rauschen e Blaues Rauschen Frequenzbänder Frequenzbänder sind in der Akustik bestimmte Frequenzbereiche. Durch die Musik sind z.B. die Oktave und die Terz bekannt. Bezeichnungen e fm = Mittenfrequenz e f0 = obere Frequenz e fu = untere Frequenz Formel für die Berechnung konstant relative bzw. absolute Bandbreite Bei einer konstant relativen Bandbreite ist (fo- fu)/fm = constant Bei der absoluten Bandbreite ist fo - fu = constant Formel für die Berechnung der Frequenzverhältnisse I. = Sn Intervollverhälnis TY. » Inervaliverhäls® f, uf V detervadtrerteitterts % Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 57 q Ö H | Optometris & Hörakustik Initiative Oktave Als Oktave bezeichnet man ein Intervall, das in der Musik eine bestimmte Einteilung in 8 Tonstufen einer diatonischen (Die Tonleiter hat eine sogenannte 4-Tonfolge), heptatonischen (siebentönige) Tonleiter umspannt. Das Frequenzverhältnis zwischen tiefem und hohem Ton betragt 1:2. Formel Frequenzen der Oktave fos I, fr = Fat, ef. fa = fad 5we Buffet„2 he | Beispiel Eine Oktave mit der unteren Frequent fu = 1000 Hz hat eine Mittenfrequenz von: Sa = Sn? = 10002 »1,414 = 141427 und eine obere Frequenz von: TJ. = 2% fw 200084: Terz Die Terz bezeichnet in der Musik ein Intervall, das drei Tonstufen einer diatonischen, hepta- toniSchen Tonleiter umfasst. ES wird in drei verschiedene Varianten unterschieden. In der Akustik gilt: Formel Frequenzen der Terz Beispiel: Eine Terz mit der unteren Frequenz f,=1000 Hzhat eine Mittenfrequenz von: J, = HN = L000: »1,1224 = 1122.4Ae und eine obere Frequenz und Bandbreite von: „ [, = N2 xf, = 100042 «14422 = 1442.27 8 = 0,234 f, 20.234) 122,4 = 258.177 -% Vorbereitung auf die Meisterprüfung Hörgeräteakustiker - Hörgerätetechnik- Seite 58 q Ö H |