DE10026078C1 - Richtmikrofonanordnung und Verfahren zur Signalverarbeitung in einer Richtmikrofonanordnung - Google Patents
Richtmikrofonanordnung und Verfahren zur Signalverarbeitung in einer RichtmikrofonanordnungInfo
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Abstract
Eine Anordnung von fünf Achtmikrofonen ist derart ausgestaltet, dass Empfangssignale generiert werden, die zumindest nahezu proportional zu sin(alpha), cos(alpha), sin(alpha)*cos(alpha), cos·2·(alpha) bzw. sin·2·(alpha) sind, d. h. sowohl Richtmikrofone erster Ordnung als auch Richtmikrofone zweiter Ordnung realisiert sind. Des Weiteren ist ein Verfahren zur Signalverarbeitung derart ausgestaltet, dass es geeignete Empfangssignale auswählt, verschiedene von der Ausrichtung phi der Hauptkeule abhängige trigonometrische Funktionen erzeugt und derart mit den Empfangssignalen verknüpft, so dass steuerbare Richtmikrofonanordnungen mit Charakteristiken erster und/oder zweiter Ordnung erzeugt werden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Richtmikrofonanordnung und ein
Verfahren zur Signalverarbeitung in einer Richtmikrofonanord
nung.
Richtmikrofone sind ein wirkungsvolles Mittel, um das Sprach
verstehen in störschallerfüllter Umgebung zu erleichtern, da
sie eine von der Schalleinfallsrichtung abhängige Empfind
lichkeit (Richtcharakteristik) aufweisen und damit eine räum
liche Unterdrückung von Störgeräuschen bewirken.
Richtcharakteristik bzw. Richtwirkung beschreibt das Verhält
nis der Empfindlichkeiten eines Mikrofons für Schallquellen,
die aus allen Richtungen einer Ebene auf das Mikrofon auf
treffen und hängt im wesentlichen von der Bauform des Mikro
fons ab. Bekannte Richtcharakteristiken sind Kugel-, Acht-,
Kardioid(Nieren-), Superkardioid(Supernieren-), Hyperkardi
oid(Hypernieren-) und Keulencharakteristik.
Die Kugelcharakteristik zeichnet sich dadurch aus, dass der
Schall aus allen Richtungen gleich stark aufgenommen wird.
Ein Mikrofon mit Kugelcharakteristik ist beispielsweise der
"Druckempfänger", dessen Membran, die nur mit der Vorderseite
dem Schallfeld ausgesetzt ist, alle im Schallfeld befindli
chen Druckschwankungen aufnimmt, gleichgültig aus welcher
Richtung sie kommen. Da dieses Mikrofon keine bevorzugte
Richtwirkung hat, weist es eine Kugelcharakteristik auf und
wird häufig mit "Kugelmikrofon" bezeichnet.
Eine Achtcharakteristik zeichnet sich dadurch aus, dass der
Schall aus zwei ausgewählten sich gegenüberliegenden Richtun
gen besonders stark aufgenommen wird. Mikrofone mit Achtcha
rakteristik - auch als "Achtmikrofone" bezeichnet - sind u. a.
für das M/S Stereoverfahren entwickelt worden und ermöglichen
eine nachträgliche Beeinflussung der Stereobasis bis hin zu
Mono.
Ein Mikrofon mit Achtcharakteristik ist z. B. der "Druckgra
dientenempfänger" bzw. "Druckdifferenzempfänger", der so kon
struiert ist, dass der Schall sowohl von vorne, aber auch von
hinten an die Membran gelangt, wobei hierfür 2 Schallein
tritts-Öffnungen erforderlich sind, so dass bei seitlich ein
treffendem Schall keine Auslenkung der Membran erfolgt und
eine "achtförmige" Richtcharakteristik gewährleistet ist.
Eine weitere Möglichkeit, eine Achtcharakteristik zu erzie
len, die zudem flexibler ist als die rein mechanische Anord
nung des Druckgradientenempfängers, ist eine Anordnung aus 2
einfachen Kugelmikrofonen die örtlich leicht versetzt sind
(Array). Die Richtwirkung ergibt sich hierbei durch elektro
nische Subtraktion des (aus Sicht des einfallenden Schalls)
vorderen Kugelmikrofonsignals von dem verzögerten Signal des
hinteren Kugelmikrofons. Die genaue Form der Richtcharakte
ristik wird durch den Mikrofonabstand und die interne elekt
rische Verzögerung festgelegt.
Der Druckdifferenz- bzw. Druckgradientenempfänger liefert bei
einem unter einem Winkel α einfallenden Schall ein zu cos(α)
proportionales Signal und ist daher ein Richtmikrofon mit ei
ner Richtcharakteristik erster Ordnung.
Der Verzicht auf Nahbesprechungsmikrofone am Telefon, in Vi
deokonferenzen oder bei der automatischen Spracherkennung
führt zu einer Überlagerung von Sprache mit Nachhall und Hin
tergrundgeräuschen. Diese unerwünschten Signalanteile werden
durch den Einsatz eines Richtmikrofons mit einer der eingangs
genannten Charakteristiken, insbesondere durch ein steuerba
res (Richt-)Mikrofonarray, dessen Hauptkeule, insbesondere
automatisch, auf den Sprecher fokussiert wird, kompensiert.
"Steuerbar" bedeutet hierbei, dass sich die (Aus-)Richtung
der Hauptkeule, die durch einen Winkel (ϕ) bestimmt ist, wel
cher voreingestellt oder durch Verfahren der Ortung und der
Sprachdetektion automatisch auf einen Sprecher ausgerichtet
wird (d. h. variierbar ist), durch, insbesondere digitale,
Nachbearbeitung "signal processing" der - aufgrund eines ein
fallenden Schalls von den Richtmikrofonen erzeugten - Emp
fangssignale einstellen lässt.
In bekannter Weise ergibt sich ein steuerbares Richtmikrofon
erster Ordnung daher, wenn ein von einem Richtmikrofon erster
Ordnung (z. B. Druckdifferenzempfänger) erzeugtes Signal mit
tels "signal processing" nachbearbeitet wird, so dass dem
Signal eine gewünschte Richtung (ϕ) der Hauptkeule eingear
beitet wird und sich schließlich ein Signal ergibt, welches
proportional zu cos(ϕ + α) ist.
Richtmikrofonanordnungen mit Richtcharakteristik der zweiten
Ordnung, insbesondere steuerbare Richtmikrofonanordnungen,
sind jedoch nicht bekannt.
Aus der DE 44 98 516 C2 ist ein Richtungsgradientenmikrofon
system bekannt, bei dem maximal drei Mikrofone mit gleicher
Gradientenordnung und Frequenzgang auf einer Achse zu liegen
kommen, wobei von den Mikrofonen erzeugte Signale einem Pro
zessor zugeführt werden, der ein Ausgangssignal mit einer
Gradientenordnung erzeugt, die um mindestens zwei Gradienten
ordnungen größer ist als die Gradientenordnung jedes der Mik
rofone.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine An
ordnung und ein Verfahren anzugeben, die eine, insbesondere
steuerbare, Richtmikrofoncharakteristik zweiter Ordnung ge
währleisten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1
bzw. des Patentanspruches 9 gelöst.
Gemäß Anspruch 1 weist eine erfindungsgemäße Richtmikrofonan
ordnung
ein erstes Richtmikrofon mit Achtcharakteristik ("Achtmik rofon") und ein zweites Achtmikrofon, die derart angeord net sind, dass die Hauptachse des ersten Achtmikrofons und die Hauptachse des zweiten Achtmikrofons parallel zu einer ersten Achse verlaufen,
ein drittes Achtmikrofon und ein viertes Achtmikrofon, die derart angeordnet sind, dass die Hauptachse des dritten Achtmikrofons und die Hauptachse des vierten parallel zu einer zweiten Achse verlaufen, wobei die erste Achse und die zweite Achse sind orthogonal zueinander,
ein fünftes Achtmikrofon, das derart angeordnet ist, dass die Hauptachse des fünften Achtmikrofons zur Hauptachse des ersten Achtmikrofons orthogonal verläuft,
7 eine Einrichtung zur Phasenverschiebung, die dem zweiten Achtmikrofon und dritten Achtmikrofon nachgeschaltet ist,
auf.
ein erstes Richtmikrofon mit Achtcharakteristik ("Achtmik rofon") und ein zweites Achtmikrofon, die derart angeord net sind, dass die Hauptachse des ersten Achtmikrofons und die Hauptachse des zweiten Achtmikrofons parallel zu einer ersten Achse verlaufen,
ein drittes Achtmikrofon und ein viertes Achtmikrofon, die derart angeordnet sind, dass die Hauptachse des dritten Achtmikrofons und die Hauptachse des vierten parallel zu einer zweiten Achse verlaufen, wobei die erste Achse und die zweite Achse sind orthogonal zueinander,
ein fünftes Achtmikrofon, das derart angeordnet ist, dass die Hauptachse des fünften Achtmikrofons zur Hauptachse des ersten Achtmikrofons orthogonal verläuft,
7 eine Einrichtung zur Phasenverschiebung, die dem zweiten Achtmikrofon und dritten Achtmikrofon nachgeschaltet ist,
auf.
Durch diese Anordnung ist gewährleistet, dass mit einer mini
malen Anzahl von Richtmikrofonen aus einer Schallwelle, die
aus einer Richtung mit dem Winkel α (bezogen auf die erste
Achse) Empfangssignale generiert werden, die zumindest nahezu
proportional zu sin(α), cos(α), sin(α).cos(α), cos2(α) bzw.
sin2(α) sind, d. h. sowohl Richtmikrofone erster Ordnung
(Empfangssignal proportional cos(α)) als auch Richtmikrofone
zweiter Ordnung (Empfangssignal proportional cos2(α)) reali
siert sind, wobei die Filtereinrichtung eine Phasenverschie
bung ausgleicht. Zudem benötigt die Anordnung nur einen ge
ringen Raum, da der Abstand zwischen dem erste Achtmikrofon
und dem zweiten Achtmikrofon sowie der Abstand zwischen dem
dritten Achtmikrofon und vierten Achtmikrofon in der Größen
ordnung von 3 cm liegt.
Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 9 wird
- a) eine erste Anordnung aus zwei Achtmikrofonen mit zueinan der parallelen Hauptachsen werden derart angesteuert, dass sich ein erstes Empfangssignal proportional zu A . cos2(α) ergibt,
- b) eine zweite Anordnung aus zwei Achtmikrofonen mit zuein ander parallelen Hauptachsen werden derart angesteuert, dass sich ein zweites Empfangssignal proportional zu B . sin2(α) ergibt,
- c) ein fünftes Achtmikrofon mit einer zu einem Achtmikrofon der ersten Achtmikrofonanordnung oder einem Achtmikrofon der zweiten Achtmikrofonanordnung orthogonalen Hauptachse wird derart angesteuert, dass sich ein drittes Empfangs signal proportional zu C.cos(α).sin(α) ergibt,
- d) ein Achtmikrofon der ersten Achtmikrofonanordnung und ein Achtmikrofon der zweiten Achtmikrofonanordnung, deren Hauptachsen zueinander orthogonal verlaufen, werden der art angesteuert, dass sich ein viertes Empfangssignal proportional zu D.cos(α) + E.sin(α) ergibt,
- e) das vierte Empfangssignal um 90° phasenverschoben und mit
der Summe des ersten Empfangssignals, des zweiten Emp
fangssignals sowie dritten Empfangssignals linear kombi
niert wird, wobei
A := cos2(ϕ)
B := sin2(ϕ)
C := -2cos(ϕ).sin(ϕ)
D := cos(ϕ)
E := -sin(ϕ)
eingestellt wird, und wobei
α := Richtung aus der eine Schallwelle kommt
ϕ := gewünschte Richtung der Hauptkeule
ist.
Wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens nach
Anspruch 9 ist eine einfache Realisierung einer steuerbaren
Richtcharakteristik, die zumindest annähernd einer Richtcha
rakteristik der zweiten Ordnung entspricht, wobei durch die
teilweise Mehrfachverwendung bzw. Signalverarbeitung einzel
ner durch die Achtmikrofone aufgrund eines mit α einfallen
den Schalls erzeugter Empfangssignale erreicht wird, dass ein
eine minimale Anzahl von Achtmikrofonen zur Erzeugung einer
Richtcharakteristik zweiter Ordnung genügt. Zudem wird mit
diesem Verfahren auch eine Richtcharakteristik erster Ordnung
erzeugt (viertes Empfangssignal), so dass je nach Bedarf
wahlweise die Richtcharakteristik erster oder zweiter Ordnung
gewählt werden kann, wobei auch die Richtcharakteristik erster
und zweiter in Kombination gewählt werden können, so dass
insgesamt die Erzeugung unterschiedlicher Formen von Richt
charakteristiken möglich ist.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 ermöglicht eine Nachbear
beitung der von den Achtmikrofonen erzeugten Empfangssignale,
je nach Einsatz der Richtmikrofonanordnung, so wird bei
spielsweise bei einem Einsatz in Systemen, wo der zu empfan
gende Schall aus einer bevorzugten Richtung kommt, durch ein
durch die Steuereinrichtung durchgeführtes "signal proces
sing" eine Hauptkeulenrichtung (Winkel ϕ) festgelegt und in
Systemen, wo der zu empfangende Schall keine bevorzugte Rich
tung aufweist, ebenfalls durch spezielle Algorithmen des
"signal processing" eine Hauptkeulerichtung je nach aktueller
Schalleinfallsrichtung eingestellt.
Die Weiterbildung nach Anspruch 3 und/oder 4 erlaubt die Er
zeugung von Empfangssignalen, exakterer Proportionalität zu
cos(α).sin(α) und cos2(α), für die diese Richtmikrofone ver
antwortlich sind.
Die Weiterbildung nach Anspruch 5 und/oder 6 erlaubt die Er
zeugung von Empfangssignalen, exakterer Proportionalität zu
cos(α) und -sin(α), für die diese Richtmikrofone verantwort
lich sind.
Bei der Weiterbildung gemäß Anspruch 7 handelt es sich um ei
ne einfache Form eines Richtmikrofons mit Achtcharakteristik
(Achtmikrofon).
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 8 gewährleistet eine höhere
Flexibilität der Anordnung bezüglich der Richtcharakteristik,
da die Achtcharakteristik durch zwei Kugelcharakteristiken
erzeugt wird und daher sowohl Achtcharakteristiken als auch
Kugelcharakteristiken bei Bedarf verfügbar sind. Zudem hat
diese Weiterbildung den Vorteil eines höheren Freiheitsgrades
bei der Abstimmung der Anordnung, da die Kugelmikrofone der
Kugelmikrofonpaare, die jeweils ein Achtmikrofon realisieren,
umpositioniert werden können.
Die Weiterbildung nach Anspruch 10 erlaubt eine exaktere Bil
dung der Richtcharakteristik zweiter Ordnung, da zur exakten
Erzeugung einer solchen Charakteristik zweiter Ordnung ein
Signalanteil mit Kugelcharakteristik erforderlich ist, falls
man ihn nicht - wie im Allgemeinen der Fall - vernachlässigt,
wobei die Kugelcharakteristik beispielsweise durch mit Hilfe
einer Weiterbildung gemäß Anspruch 8 erzielen kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der einzi
gen Figur erläutert. Diese zeigt:
Eine steuerbare Richtmikrofonanordnung mit fünf
Achtmikrofonen (abstrakte Darstellung)
In der FIGUR ist eine erste Achse x1 zu sehen und eine zweite
Achse x2 zu sehen. Desweiteren sind fünf Richtmikrofone
(Achtmikrofone) Mik1, Mik2, Mik3, Mik4 und Mik5 mit achtför
miger Richtcharakteristik (Achtcharakteristik) zu sehen, wo
bei diese Achtmikrofone jeweils durch ein Paar von versetzt
angeordneten Richtmikrofonen mit Kugelcharakteristik (Kugel
mikrofone) gebildet werden, wobei die Achtcharakteristik
durch Subtraktion der von den einzelnen Kugelmikrofonen des
Kugelmikrofonpaares erzeugten Signale erzielt wird.
Alternativ zu den Kugelmikrofonpaaren ist auch der Einsatz
von anderen Druckgradientenempfängern als Achtmikrofon bzw.
eine Mischform der einzelnen Varianten, insbesondere mit Ku
gelmikrofonpaaren z. B. bei einer Notwendigkeit mindestens ei
ner Kugelcharakteristik, möglich.
Auf der ersten Achse x1 ist das erste Achtmikrofon Mik1 und
versetzt dazu das zweite Mikrofon Mik2 derart angeordnet,
dass ihre Hauptachsen parallel, insbesondere nahezu deckungs
gleich, zur ersten Achse x1 verlaufen.
Die Hauptachse der in der Figur dargestellten Achtmikrofone
Mik1, Mik2, Mik3, Mik4 und Mik5 verläuft dabei senkrecht und
mittig zu den Kugelmikrofonpaaren. Bei der Ausführungsform
der Achtmikrofone als Druckgradientenempfänger verläuft die
Hauptachse senkrecht und mittig zur Membran bzw. zu der/den
Schalleintrittsöffnungen.
Dieses versetzte Platzieren des ersten Achtmikrofons Mik1 und
zweiten Achtmikrofons Mik2 auf einer Achse ergibt eine Richt
mikrofonanordnung zweiter Ordnung, da sie bei Einfall eines
Schalls unter dem Winkel α (als Bezugsachse für Winkel wird
die erste Achse x1 angenommen) ein Empfangsignal proportional
zu cos2(α) liefert.
Auf der zweiten Achse x2 ist das dritte Achtmikrofon Mik3 und
versetzt das vierte Achtmikrofon Mik4 derart angeordnet, dass
ihre Hauptachsen jeweils parallel, insbesondere nahezu de
ckungsgleich, zur zweiten Achse x2 verlaufen.
Diese Platzierung ergibt ebenfalls eine Richtmikrofonanord
nung zweiter Ordnung, erzeugt jedoch bei Einfall eines
Schalls unter dem Winkel α, wobei die Bezugsachse wiederum
die erste Achse x1 ist, ein Empfangssignal proportional zu
sin2(α), da die zweite Achse x2 orthogonal zur ersten Achse
x1 verläuft.
Insbesondere wenn das zweite Achtmikrofon Mik2 und das dritte
Achtmikrofon Mik3 dicht nebeneinander platziert sind, so dass
sie nahezu deckungsgleich zu liegen kommen, wobei insbesonde
re die Mittelpunkte der Mikrofone nahezu deckungsgleich zu
liegen kommen, werden Anforderungen an den Platzbedarf bei
der Realisierung einer Richtmikrofonanordnung zweiten Ordnung
auf ein Minimum reduziert.
Hierbei sind die Mittelpunkte bei Verwendung von Kugelmikro
fonpaaren zur Realisierung von Achtmikrofonen durch den Mittelpunkt
der Verbindungsstrecke der beiden Kugelmikrofone
bzw. bei Verwendung von anderen Druckdifferenzempfängern
durch den Mittelpunkt der Membran bestimmt.
Durch diese Platzierung wird bei einem unter dem Winkel α
einfallenden Schall zum einen vom zweiten Achtmikrofon Mik2
ein Empfangssignal proportional zu cos(α) und zum anderen
vom dritten Achtmikrofon Mik3 ein Empfangssignal proportional
zu sin(α) erzeugt.
Das fünfte Achtmikrofon Mik5 ist insbesondere derart plat
ziert, dass es nahezu deckungsgleich mit dem ersten Achtmik
rofon Mik1 zu liegen kommt, insbesondere so dass die Mittel
punkte (siehe oben) nahezu deckungsgleich zu liegen kommen.
Aus dieser Platzierung ergibt sich durch die Versetzung vom
ersten Achtmikrofon Mik1 und dem zweiten Achtmikrofon Mik2 in
Verbindung mit der orthogonalen Beziehung vom zweiten Acht
mikrofon Mik2 zum dritten Achtmikrofon Mik3 bei einem unter
dem Winkel α einfallenden Schall ein Empfangssignal propor
tional zu cos(α) . sin(α).
Die genaue Platzierung der einzelnen Achtmikrofone
Mik1 . . . Mik5, d. h. der jeweilige Versetzungsabstand der Mikro
fone auf den jeweiligen Achsen x1, x2, ob Deckungsgleichheit
mit den Achsen x1, x2 bzw. den jeweiligen Mittelpunkten oder
ob Parallelität zu den Achsen x1, x2 gegeben ist, hängt von
verschiedenen Parametern ab, beispielsweise vor allem von To
leranzen der verwendeten Mikrofone oder gewünschten Genauig
keit der Richtcharakteristik, daneben auch in geringem Maße
vom zu erwartendes Einsatzgebiet (Geräuschkulisse, Übertra
gungsfunktion des Raums), so dass sie letztendlich durch Si
mulation und/oder Versuchaufbauten in Verbindung mit geeigne
ten Messungen ermittelt werden muss und daher leichte Varia
tionen möglich sind.
Um eine Steuerbarkeit der beschriebenen Achtmikrofonanordnung
zu erzielen, sind die genannten Achtmikrofone Mik1 . . . Mik5 mit
einer Steuereinrichtung µP, beispielsweise einem Mikroprozes
sor verknüpft. Steuerbarkeit bedeutet hierbei, dass die je
weiligen Empfangssignale der einzelnen Achtmikrofone
Mik1 . . . Mik5 derart, vorzugsweise digital, weiterverarbeitet
werden, dass ihnen jeweils von einem Winkel ϕ abhängige Koef
fizienten bzw. Faktoren zugeordnet werden, wobei der Winkel ϕ
(ebenfalls auf die erste Achse x1 bezogen) die gewünschte
Ausrichtung der Hauptkeule ist.
Ob die Ausrichtung festgelegt wird oder variierbar sein soll,
hängt von der geplanten Einsatzart einer Richtmikrofonanord
nung ab und spiegelt sich in den zur Festlegung von der Aus
richtung ϕ verwendeten Algorithmen wider.
Durch die Steuereinrichtung wird die beschriebene Achtmikro
fonanordnung des Weiteren zudem derart angesteuert, dass sie
nun eine steuerbare Richtmikrofonanordnung der ersten Ordnung
und/oder eine steuerbare Richtmikrofonanordnung der zweiten
Ordnung realisiert.
Eine Richtmikrofonanordnung mit allgemeiner Richtcharakteris
tik der zweiten Ordnung wird mit einem Ausgangssignal der An
ordnung, welches proportional zu
K + L.cos(α + ϕ) + M.cos2(α + ϕ)
ist, erzielt, wobei der Term (Koeffizient) K sich durch ein
Signal mit Kugelcharakteristik, der Term L.cos(α + ϕ) bei ei
nem Signal mit Achtcharakteristik der ersten Ordnung und der
Term M.cos(α + ϕ) bei einem Signal mit Achtcharakteristik der
zweiten Ordnung ergibt und wobei der Term K im allgemeinen
vernachlässigbar ist, so dass es im Wesentlichen genügt, eine
Achtcharakteristik erster Ordnung und eine Achtcharakteristik
zweiter Ordnung zu erzeugen.
Für eine Achtcharakteristik der ersten Ordnung wird die An
ordnung daher in einem Verfahrensschritt derart angesteuert,
dass zwei der von den Achtmikrofonen Mik1 . . . Mik5 ausgewählt
werden, die bei einem mit α einfallenden Schall, Empfangs
signale erzeugen, von denen eines proportional zu cos(α)
(drittes Achtmikrofon Mik3) und eines proportional zu sin(α)
(zweites Achtmikrofon Mik2) ist, erzeugen, wobei diese Emp
fangssignale linear gemäß folgender Formel
D.cos(α) + E.sin(α)
kombiniert werden.
Damit man eine zu cos(α + ϕ) proportionale Form erhält, wird
nun in einem Signalverarbeitungsschritt der Faktor D = cos(ϕ)
und der Faktor E = -sin(ϕ) erzeugt, so dass sich nach dem Ad
ditionstheorem
cos(x + y) = cos(y).cos(x) - sin(y).sin(x)
das Signal (viertes Empfangssignal)
cos(α + ϕ) = cos(ϕ).cos(α) - sin(ϕ).sin(α)
ergibt.
Für die Erzeugung einer Achtcharakteristik der zweiten Ord
nung werden daher in einem weiteren Verfahrensschritt zwei
weitere Achtmikrofonen (erstes Achtmikrofon Mik1 und zweites
Achtmikrofon Mik2) von den Achtmikrofonen Mik1 . . . Mik5 gewählt,
die bei dem mit α einfallenden Schall, ein erstes Empfangs
signal, welches proportional zu cos2(α) ist erzeugen sowie
das dritte Achtmikrofon Mik2 und vierte Achtmikrofon Mik4
ausgewählt, die in Verbindung zu einander ein zweites Emp
fangssignal proportional zu sin2(α) erzeugen.
Des weiteren wird das dritte Achtmikrofon Mik3 und das fünfte
Achtmikrofon Mik5 ausgewählt, die in Verbindung zueinander
ein drittes Empfangssignal proportional zu sin(α).cos(α) er
zeugen.
Erstes, zweites und drittes Empfangssignal werden daraufhin
in einem Signalverarbeitungsschritt gemäß folgender Formel
A . cos2(α) + B.sin2(α) + C.cos(α).sin(α)
kombiniert.
Damit sich ein Signal gemäß cos2(α + ϕ) ergibt, werden die
Faktoren A, B und C durch Signalverarbeitung unter Anwendung
des Additionstheorems
cos2(x + y) = [cos(y).cos(x) - sin(y).sin(x)]2
= cos2(y).cos2(x) - 2.sin(y).sin(x).cos(y).cos(x) +
sin2(y).sin2(x)
auf folgende Weise entwickelt
A = cos2(ϕ)
B = sin2(ϕ)
C = -2.sin(ϕ).cos(ϕ),
so dass sich die Achtcharakteristik zweiter Ordnung gemäß cos2(ϕ + α) ergibt.
A = cos2(ϕ)
B = sin2(ϕ)
C = -2.sin(ϕ).cos(ϕ),
so dass sich die Achtcharakteristik zweiter Ordnung gemäß cos2(ϕ + α) ergibt.
Um letztendlich die steuerbare Richtmikrofonanordnung mit
allgemeiner Richtcharakteristik der zweiten Ordnung zu reali
sieren, wird zunächst eine Phasenverschiebung um 90°, welche
zwischen der Achtcharakteristik der ersten Ordnung und der
Achtcharakteristik der zweiten Ordnung besteht, mittels einer
Einrichtung (beispielsweise Hilbertsfilter), die dem zweiten
Achtmikrofon Mik2 und dem dritten Achtmikrofon Mik3 nachge
schaltet wird, ausgeglichen, so dass ein fünftes Empfangssignal
entsteht und anschließend werden das erste, zweite, drit
te und vierte Empfangsignal mit Faktoren gewichtet addiert.
Falls der Anteil der Kugelcharakteristik (Term K) an der all
gemeinen Richtcharakteristik der zweiten Ordnung nicht ver
nachlässigt weiden soll, kann dieser Anteil, beispielsweise
bei einer Realisierung der Achtmikrofone Mik1 . . . Mik5 durch Ku
gelmikrofone, durch Abgreifen mindestens eines der von den
einzelnen Kugelmikrofonen erzeugten Signale und anschließende
Signalverarbeitung als ein fünftes Empfangssignal erzeugt
werden.
Alternativ bietet sich auch die Möglichkeit, das erste und
zweite Empfangssignal derart linear zu kombinieren, dass sich
ein fünftes Empfangssignal mit Kugelcharakteristik ergibt,
dass dann zur Summe aus dem ersten, zweiten, dritten und
vierten Empfangssignal mit einem Faktor gewichtet addiert
wird.
Claims (10)
1. Richtmikrofonanordnung mit folgenden Merkmalen:
- a) Ein erstes Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik1) und ein zweites Mikrofon mit achtförmiger Richt charakteristik (Mik2) sind derart angeordnet, dass die Hauptachse des ersten Mikrofons mit achtförmiger Richt charakteristik (Mik1) und die Hauptachse des zweiten Mik rofons mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik2) paral lel zu einer ersten Achse (x1) verlaufen,
- b) ein drittes Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik3) und ein viertes Mikrofon mit achtförmiger Richt charakteristik (Mik4), die derart angeordnet sind, dass die Hauptachse des dritten Mikrofons mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik3) und die Hauptachse des vierten (Mik4) parallel zu einer zweiten Achse (x2) verlaufen,
- c) die erste Achse (x1) und die zweite Achse sind orthogonal zueinander,
- d) ein fünftes Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik5) ist derart angeordnet, dass die Hauptachse des fünften Mikrofons mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik5) zur Hauptachse des ersten Mikrofons mit achtförmi ger Richtcharakteristik (Mik1) orthogonal verläuft,
- e) eine Einrichtung zur Phasenverschiebung (PV) ist zwei Achtmikrofonen (Mik2, Mik3), deren Hauptachsen orthogonal zueinander verlaufen, nachgeschaltet.
2. Richtmikrofonanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (µP) mit
dem ersten Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik
(Mik1) sowie zweiten Mikrofon mit achtförmiger Richtcha
rakteristik (Mik2), dem dritten Mikrofon mit achtförmiger
Richtcharakteristik (Mik3) sowie vierten Mikrofon mit
achtförmiger Richtcharakteristik (Mik4) und/oder dem
fünften Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik
(Mik5) derart verbunden ist, dass die jeweilige Ausrichtung
Hauptkeule der Richtmikrofonanordnung variierbar
ist.
3. Richtmikrofonanordnung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste
Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik1) und
das fünfte Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik
(Mik5) derart angeordnet sind, dass das erste Mikrofon
mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik1) und das
fünfte Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik
(Mik5) benachbart zu liegen kommen.
4. Richtmikrofonanordnung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste
Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik1) und
das fünfte Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik
(Mik5) derart angeordnet sind, dass der Mittelpunkt des
ersten Mikrofons mit achtförmiger Richtcharakteristik
(Mik1) und der Mittelpunkt des fünften Mikrofons mit
achtförmiger Richtcharakteristik (Mik5) nahezu deckungs
gleich zu liegen kommen.
5. Richtmikrofonanordnung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite
Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik2) und
das fünfte Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik
(Mik3) derart angeordnet sind, dass das zweite Mikrofon
mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik2) und dritte
Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik3) na
hezu deckungsgleich zu liegen kommen.
6. Richtmikrofonanordnung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite
Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik2) und
das fünfte Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik
(Mik3) derart angeordnet sind, dass der Mittelpunkt des
zweiten Mikrofons mit achtförmiger Richtcharakteristik
(Mik2) und der Mittelpunkt des dritten Mikrofons mit
achtförmiger Richtcharakteristik (Mik3) nahezu deckungs
gleich zu liegen kommen.
7. Richtmikrofonanordnung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest
ein Teil der Mikrofone mit achtförmiger Richtcharakteris
tik (Mik1, Mik2, Mik3, Mik4, Mik5) als Druckgradienten
empfänger ausgestaltet sind.
8. Richtmikrofonanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Mikrofone
mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik1, Mik2, Mik3,
Mik4, Mik5) durch jeweils zwei versetzt angeordnete Ku
gelmikrofone realisiert sind.
9. Verfahren zur Signalverarbeitung in einer Richtmikrofon
anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
folgenden Merkmalen:
- a) Eine erste Anordnung aus zwei Achtmikrofonen (Mik1, Mik2) mit zueinander parallelen Hauptachsen wird derart ange steuert, dass sich ein erstes Empfangssignal proportional zu A . cos2(α) ergibt,
- b) eine zweite Anordnung aus zwei Achtmikrofonen (Mik3, Mik4) mit zueinander parallelen Hauptachsen werden derart angesteuert, dass sich ein zweites Empfangssignal propor tional zu B . sin2(α) ergibt,
- c) ein fünftes Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik5) mit einer zu einem Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik der ersten Achtmikrofonanordnung oder einem Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik der zweiten Achtmikrofonanordnung orthogonalen Hauptachse wird derart angesteuert, dass sich ein drittes Empfangs signal proportional zu C . cos(α) . sin(α) ergibt,
- d) ein Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik2) der ersten Achtmikrofonanordnung und ein Mikrofon mit achtförmiger Richtcharakteristik (Mik3) der zweiten Achtmikrofonanordnung deren Hauptachsen zueinander orthogonal verlaufen werden derart angesteuert, dass sich ein vier tes Empfangssignal proportional zu D . cos(α) + E . sin(α) ergibt,
- e) das vierte Empfangssignal um 90° phasenverschoben und mit
der Summe des ersten Empfangssignals, des zweiten Emp
fangssignals sowie dritten Empfangssignals jeweils mit
Faktoren gewichtet linear kombiniert wird, wobei
A := cos2(ϕ)
B := sin2(ϕ)
C := -2cos(ϕ) . sin(ϕ)
D := cos(ϕ)
E := -sin(ϕ)
eingestellt wird, und wobei
α := Richtung aus der eine Schallwelle kommt
ϕ := gewünschte Richtung der Hauptkeule
ist.
10. Verfahren zur Signalverarbeitung nach Anspruch 9, da
durch gekennzeichnet, dass
- a) das erste Empfangssignal und das zweite Empfangssignal derart linear kombiniert werden, dass ein fünftes Emp fangssignal mit einer kugelförmigen Richtmikrofoncharakte ristik gebildet wird,
- b) das erste Empfangssignal, zweite Empfangssignal, dritte Empfangssignal, vierte Empfangssignal und fünfte Empfangs signal jeweils mit Faktoren gewichtet linear kombiniert werden.
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