DE2531161A1 - Mikrophon - Google Patents
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Description
Frerllgralhstraße 19 _. . . _ -. — . Eisonacher Straße 17
Postfach 140 υφΙ.-llig. R. H. Bahr Pat.-Anw. B.lzler
Dipl.-PhVS. Eduard BetZler Fernsprecher: 36 3011
Fernsprecher: 51013 r # 36 3012
51014 Dipl.-Ing. W. Herrmann-Trentepohl X30'3
Telegrammanschrift: Telegrammanschrift:
Bahrpalente Herne PATENTANWÄLTE Babetzpat München
Telex 08229853 Telex 5215360
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Dresdner Bank AG Herne 7-520 Postscheckkonto Dortmund 558 68-467
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National Research Development Corporation
Kingsgate House
66-74, Victoria Street
66-74, Victoria Street
London S.W.1, (England)
Mikrophon
Die Erfindung bezieht sich auf Mikrophonanordnungen und insbesondere
auf Mikrophonanordnungen, deren Ausgangssignale äquivalent mit den Ausgangssignalen von einer Vielzahl von
koinzidenten Mikrophonen sind.
Die Anordnung koinzidenter Mikrophone, bei der zwei oder mehr Mikrophone mit verschiedenen Richtcharakteristiken
am gleichen Ort angebracht sind, stellt ein übliches Erfordernis dar. Beispielsweise lassen sich koinzidente
Mikrophone zur Erzeugung von Signalen für ein Tonwiedergabesystem verwenden, wie sie beispielsweise in den
deutschen Patentanmeldungen P 22 04 668.9 bzw. P 25 12 287.6 beschrieben sind. Es ist jedoch einsichtig, daß es physikalisch
nicht möglich ist, zwei einzelne Mikrophone exakt an der gleichen
Stelle anzuordnen, vielmehr sind geringe lokale Differenzen unvermeidlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mikrophonanordnung zur Erzeugung von Ausgangssignalen anzugeben, welche äquivalent
509884/1088 - 2 -
mit den von von einer Vielzahl von koinzidenten Mikrophonen mit verschiedenen Richtcharakteristiken erzeugten Signalen
sind.
Die erfindungsgemäße Mikrophonanordnung zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die äquivalent mit den von einer Vielzahl
von koinzidenten Mikrophonen erzeugten Signalen sind, wobei die Richtcharakteristik jedes der koinzidenten Mikrophone
eine entsprechende Kugelfunktion ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrophonahordnung mindestens vier einzelne
wechselseitig an den Integrationspunkten einer In- = tegrationsvorschrift für eine Kugeloberfläche angeordnete
Mikrophone aufweist, daß eine Matrix mit einer entsprechenden Summationseinrichtung für die jeweiligen gewünschten
Kugelfunktionen und mit einer Einrichtung versehen ist, die die Ausgangssignale der jeweiligen Mikrophone der Summationseinrichtung
mit einer Verstärkung proportional zum Gewicht der Integrationsvorschrift entsprechend den Integrationspunkten, an denen die jeweiligen Mikrophone angeordnet sind,
mit
und deiner weiteren Verstärkung zuführt, die ebenso groß wie der Betrag der Kugelfunktion in Richtung der maximalen Richtcharakteristik des jeweiligen Mikrophons ist.
und deiner weiteren Verstärkung zuführt, die ebenso groß wie der Betrag der Kugelfunktion in Richtung der maximalen Richtcharakteristik des jeweiligen Mikrophons ist.
In diesem Zusammenhang wird der Ausdruck "Integrationsvorschrift11
im Sinne einer numerischen Vorschrift verwendet, die über die Fläche einer Kugel sämtliche Kugelfunktionen
bis zum zweifachen der höchsten Ordnung, für die eine Richtcharakteristik erforderlich ist, im wesentlichen exakt integriert.
Geeignete Integrationsvorschriften sind in A.H. Stroud, "Approximate Calculation of Multiple Integrals",
Prentice-Hall Inc. 1971, insbesondere Kapitel 8 beschrieben. In der Praxis ist es so, daß die Anzahl der Integrationspunkte gleich der Anzahl der Mikrophone ist.
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Bis zu einer Grenzfrequenz weist eine erfindungsgemäße Mikrophonanordnung
frequenzunabhängige Richtcharakteristiken auf. Obwohl die Gesamtverstärkung und Phasenverschiebung frequenzabhängig
sein kann, lassen sich diese ohne weiteres kompensieren. Sämtliche Kugelfunktionen der gMchen Ordnung weisen die gleiche
Frequenzcharakteristik auf. Infolgedessen ist für jede Ordnung von Kugelfunktionen nur eine Entzerrungscharakteristik erforderlich.
Weist die Integrationsvorschrift die Eigenschaft auf, daß die Integrationspunkte und damit die Orte der einzelnen Mikrophone
in den Mittelpunkten von Flächen eines regelmäßigen Körpers angeordnet sind, so sind sämtliche Gewichte gleich groß. ·
Der Begriff "Körper" ist dabei dreidimensional aufzufassen, wobei nicht erforderlich ist, daß dieser Körper physikalisch
vorhanden sein muß.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der nur Kugelfunktionen nullter und erster Ordnung erforderlich
sind, wird eine Tetraeder-Integrationsvorschrift verwendet. Infolgedessen benötigt man vier einzelne Mikrophone, die
jeweils auf einer entsprechenden Fläche eines regelmäßigen Tetraeders angeordnet sind. Da ein derariger Tetraeder einen
regelmäßigen Körper darstellt, sind die Verstärkungen sämtlicher Mikrophone gleich groß.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles und anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
Die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mikrophonanordnung; und in
Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Darstellung der elektrischen Verbindungen der erfindungsgemäßen Mikrophonanordnung
nach ?ig. 1.
-U-
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Wie aus Fig. 1 erkennbar weist ein Tetraeder 10 vier an den jeweiligen Flächen des Tetraeders angeordnete Mikrophonkapseln
12A, 12B, 12C und 12D auf. Der Tetraeder 10 ist lediglich zum besseren Verständnis mit eingezeichnet und es ist klar,
daß in der Praxis die aneinander angrenzenden Mikrophonkapseln 12A, 12B, 12C und 12D miteinander in Berührung stehen
und so angeordnet sind, daß die Verlängerungen ihrer Rückseiten
einen Tetraeder bilden würden. Der Tetraeder 10 ist in der Zeichnung von einem imaginären Würfel 14 umschlossen,
welcher einen Bezugsrahmen bildet. Der Tetraeder 10 ist so angeordnet, daß die Würfelfläche zwischen den Eckpunkten .
16, 17, 18 und 19 oben, die Fläche zwischen den Eckpunkten
17, 18, 22 und 21 vorne und die Fläche zwischen den Eckpunkten 17, 16, 20 und 21 links angeordnet ist.
Jede der Mikrophonkapseln 12A, 12B, 12C und 12D weist eine
Richtcharakteristik der Form (1 + k cos Θ) auf, beispielsweise eine Kardioide oder eine Hyperkardioide, wobei k für
jede Frequenz eine Konstante ist. Die Symmetrieachse der Richtcharakteristik jedes Mikrophons steht senkrecht auf
der entsprechenden Fläche des Tetraeders 10. Somit weisen die Mikrophone die Maxima ihrer Richtcharakteristiken in
folgenden Richtungen auf:
Mikrophon
Richtung des Maximums
der Richtcharakteristik
der Richtcharakteristik
12A 12B 12C 12D
links hinten nach unten links vorne nach oben
rechts vorne nach unten rechts hinten nach oben
rechts vorne nach unten rechts hinten nach oben
Wie aus Fig. 2 erkennbar sind die Ausgänge der Mikrophone 12A, 12B, 12C lind 12D über entsprechende Verstärker 24, 26, 28 und
30 an eine Matrix 32 angeschlossen. Wie bereits erläutert sind die Verstärkungen der Verstärker 24, 26, 28 und 30 gleich
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- 5 groß, da ein Tetraeder ein regelmäßiger Körper ist.
Die Matrix 32 ist so eingerichtet, daß sie aus den vier Eingangssignalen
A, B, C und D über die Verstärker 24, 26, 28 bzw. 30 vier Ausgangssignale E, F, G und H erzeugt. Das
Ausgangssignal F ist eine Kugelfunktion nullter Ordnung
und somit ein Rundstrahlersignal, d.h. ein Signal, das einem solchen Signal äquivalent ist, wie es von einem
Mikrophon mit kugelförmiger Richtcharakteristik erzeugt würde. Die restlichen drei Signale E, G und H sind Kugelfunktionen
erster Ordnung und entsprechen somit Signalen,' wie sie von Mikrophonen mit Lemniskaten-Richtcharakteristiken
erzeugt wurden. Die Richtung der maximalen Empfindlichkeit verläuft für das Ausgangssignal E von vorn nach hinten, für
das Ausgangssignal G von links nach rechts und für das Ausgangssignal
H von oben nach unten. Die tatsächliche Wirkungsweise der Matrix 32 ist folgendermaßen:
Es ist nunmehr erforderlich, die Signale E, F, G und H zu entzerren, so daß der jeweilige Frequenz- und Phasengang
in sämtlichen Richtungen, auf die die jeweiligen Mikrophone ansprechen, der gleiche ist. Wie bereits erläutert, weisen
sämtliche Kugelfunktionen der gleichen Ordnung den gleichen Frequenz- und Phasengang auf. Infolgedessen ist es erforderlich,
eine Entzerrungscharakteristik für das Signal F nullter Ordnung und eine weitere Entzerrungscharakteristik für die
Signale E, G und H erster Ordnung zu verwenden.
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Es wird angenommen, daß die erforderliche Lemniskaten-Richtcharakteristik
eine derarige Form aufweist, daß die maximale Verstärkung das /2*-fache der Verstärkung nach allen Richtungen
ausmacht. Diese Form hat den Vorteil, daß bei allen vier Kanälen ungefähr gleich große Signalpegel erzeugt werden, so
daß kein Kanal für besonders hohe Signalpegel erforderlich ist. Wenn die Mikrophone eine vollständige Kardioiden-Richtcharakteristik
aufweisen und "akustisch transparent" sind, so daß sie nicht miteinander interferieren, so hat bei dieser
Form der Verstärkungsfaktor des Signales F nullter Ordnung gegenüber 'den Signalen E, G und H erster Ordnung den Wert
/6*bei mittleren Frequenzen, wie z.B. 1 kHz. Die optimalen
theoretischen Entzerrungscharakteristiken W und X für das Signal nullter Ordnung in alle Richtungen und für die Lemniskaten-Signale
erster Ordnung für den erforderlichen Frequenzbereich haben im wesentlichen folgende Form:
-h
1 +
wobei 7* = ?,
r = effektiver Abstand des Zentrums der Mikrophonkapseln
12 vom Zentrum des Tetraeders 10, c = Schallgeschwindigkeit,
cj = Winkelfrequenz.
cj = Winkelfrequenz.
In der Praxis sollteyaie Entzerrung vorzugsweise so erfolgen,
daß eine geeignete flache Energiecharakteristik im Hinblick auf Frequenzen im Hörbereich erreicht wird, wenn die Mikrophonanordnung
einem statistisch gleichmäßigen Schallfeld mit
- 7 S09884/1088
Randinhomogenitäten ausgesetzt ist, wie beispielsweise bei verhalltem Schall, Diese Bedingung wird erfüllt, wenn der
Frequenzgang der Matrix im niedrigen Frequenzbereich des Hörfrequenzbereiches den oben angegebenen EntζerrungsCharakteristiken
entspricht, jedoch im oberen Frequenzbereich des Hörfrequenzbereiches für Lemniskaten-Signale erster Ordnung
bei zunehmender Frequenz gegenüber der Charakteristik im mittleren Frequenzbereich von z.B. 1 kHz die Abnahme der
Charakteristik auf einen Faktor von ungefähr 1//>, und für
Signale.nullter Ordnung in alle Richtungen die entsprechende
Zunahme auf einen Faktor von V3 beschränkt ist.
Zur Erzeugung des obigen Frequenzganges lassen sich beliebige bekannte Filterkreise verwenden. Um eine maximale Flachheit
der Charakteristik für statistisch gleichmäßige Schallfelder mit Randinhomogenitäten zu erreichen, kann es wünschenswert
sein, daß die Übergangsfrequenz (pivot frequency) des Filters für Signale aus allen Richtungen sich von denjenigen Frequenzen der
Filter für Lemniskaten-Signale unterscheidet, was im einzelnen in M.A. Gerzon, "Design of Precisely Coincident Microphone
Arrays for Stereo and Surround Sound", Audio Engineering Society, Proceedings of 50th Convention, London, 1975
beschrieben ist.
Zur Durchführung dieser Entzerrung sind die jeweiligen Ausgaigssignale E, F, G und H der Matrix 32 an entsprechende
Entzerrer 34, 36, 38 und 40 angeschlossen. Der Entzerrer 36 weist die Charakteristik W auf, während die Entzerrer
34, 38 und 40 die Charakteristik X haben. Das Ausgangssignal
am Ausgang 44 ist dann das erforderliche entzerrte Rundstrahlersignal,
während die Ausgangssignale an den Ausgängen 42, 46 und 48 entzerrte Lemniskaten-Signale sind, die die jeweilige
Information aus den Richtungen vorn-hinten, linksrechts und oben-unten wiedergeben. Sollen die Signale über
eine horizontale, zweidimensionale Lautsprecheranordnung
- 8 509884/1088
wiedergegeben werden, wie sie beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen P 22 04 668.9 bzw. P 25 12 287.6 beschrieben
sind, so bildet das Ausgangssignal des Ausgangs 44 das Rundstrahlersignal,
während das Azimuth-Signal so gebildet wird, daß das Ausgangssignal des Ausganges 46 um 90° phasenverschoben
und zu dem Ausgangssignal des Ausganges 42 addiert wird. Das aus dem Ausgang 48 kommende Ausgangssignal, welches die
Höheninformation geben würde, wird nicht verwendet und infolgedessen braucht ein entsprechender Entzerrer 40 nicht vorhanden
zu sein.
Die Ausgangssignale aus den Ausgängen 42, 44, 46 und 48 können einer Matrix aufgegeben werden, um beliebige Polardiagramme
oder Diagramme von Kugelfunktionen mit Komponenten nullter und erster Ordnung zu erzielen. Andererseits lassen
sich die Matrix 32 und die Entzerrer 34, 36, 38 und 40 sowie daran anschliessende Matrixstufen durch eine beliebige, linear
frequenzabhängige Matrix ersetzen, welche die am Ausgang gewünschten Ausgangssignale erzeugt.
Solange die Entzerrer ¥ und X geeignet eingestellt sind, wird die Wirkungsweise der Mikrophonanordnung nicht von in der Nähe
befindlichen Objekten mit sphärischer Symmetrie beeinträchtigt. Beispielsweise können die Mikrophone auf der Oberfläche einer
Billardkugel angeordnet sein. In ähnlicher Weise kann es wünschenswert sein, verschiedene Frequenzbänder mit Mikrophonen
aufzunehmen, welche auf Schalen mit verschiedenen Radien angeordnet sind und jeweils einen eigenen daran anschliessenden
Schaltkreis aufweisen, wobei die dabei entstehenden Ausgangssignale über Kreuzungs-Netzwerke miteinander kombiniert werden.
Auch wenn die äußere Schale oder Schalen im wesentlichen sphärisch-symmetrisch aufgebaut sind, so werden sie nicht in
ungünstiger "Weise die Funktion der Mikrophone auf der innersten Schale beeinträchtigen.
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Die Mikrophone können ein verbindendes akustisches Netzwerk
aufweisen, welches die gleiche Symmetrie wie die Mikrophonanordnung aufweist.
Patentansprüche: - 10 -
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Claims (8)
- PatentansprücheQ/ Mikrophonanordnung zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die den Ausgangssignalen von einer Vielzahl von koinzidenten Mikrophonen äquivalent sind, wobei die Richtcharakteristiken der jeweiligen koinzidenten Mikrophone eine entsprechende Kugelfunktion ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Mikrophonanordnung mindestens''vier einzelne wechselseitig an den Integrationspunkten einer Integrationsvorschrift für eine Kugeloberfläche angeordnete Mikrophone (12A-12D) aufweist, daß eine Matrix mit einer entsprechenden Suaeationseinrichtung (32) für die jeweiligen gewünschten ■■ Kugelfunktionen und mit einer Einrichtung (24-30) versehen ist, die die Ausgangssignale der jeweiligen Mikrophone (12A-12D) der Summationseinrichtung (32) mit einer Verstärkung proportional zum Gewicht der Integrationsvorschrift entsprechend den Integrationspunkten, an denen die jeweiligen Mikrophone (12A-12D) angeordnet sind, undl/einer weiteren Verstärkung zuführt, die ebenso groß wie der Betrag der Kugelfunktion in Richtung der maximalen Richtcharakteristik des jeweiligen Mikrophons (12A-12D) ist.
- 2. Mikrophonanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichne t , daß jedes Mikrophon (12A-12D) eine Richtcharakteristik der Form (1 + k cos Θ) aufweist, wobei k_ für jede Frequenz eine Konstante ist.
- 3. Mikrophonanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Mikrophon (12A-12D) im Zentrum einer Fläche eines regelmäßigen Körpers angeordnet ist.
- 4. Mikrophonanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch vier Mikrophone (12A-12D), die jeweils im Zentrum einer entsprechenden Fläche eines regelmäßigen Tetraeders (10) angeordnet sind.- 11 -509884/1088
- 5. Mikrophonanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Summationseinrichtung (32) aus den vier Eingangssignalen (A, B, C, D) ein Ausgangssignal (F) nullter Ordnung und drei Ausgangssignale (E, G, H) erster Ordnung bildet, wobei:
- 6. Mikrophonanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Matrix (32) an Entzerrer (34-40) angeschlossen sind, die sämtliche Ausgangssignale von Kugelfunktionen der gleichen Ordnung in identischer Weise entzerren.
- 7. Mikrophonanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Entzerrer (34-40) für Ausgangssignale nullter Ordnung einen Entzerrer (36) mit einer Charakteristik der Form:W =1 +und für die jeweiligen Ausgangssignale erster Ordnung jeweils einen Entzerrer (34, 38, 40) mit einer Charakteristik der Form:γ _+ iaufweisen,
wobei t* = ζ- 12 -509884/1088r = effektiver Abstand des Zentrums der Mikrophonkapseln 12 vom Zentrum des Tetraeders 10, c = Schallgeschwindigkeit,
O= Winkel frequenz. - 8. Mikrophonanordnung nach Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß im oberen Frequenzbereich des Hörfrequenzbereiches die Zunahme der Richtcharakteristik für Signale nullter Ordnung auf einen Faktor von yfp und die entsprechende Abnahme der Richtcharakteristik für Signale.erster Ordnung auf einen Wert von 1/ /"^beschränkt ist.609884/1088Leerseite
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