DE2531161A1

DE2531161A1 - Mikrophon

Info

Publication number: DE2531161A1
Application number: DE19752531161
Authority: DE
Inventors: Peter Graham Craven; Michael Anthony Gerzon
Original assignee: National Research Development Corp UK; National Research Development Corp of India
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1974-07-12
Filing date: 1975-07-11
Publication date: 1976-01-22
Also published as: NL186058C; NL7508270A; JPS6216080B2; DE2531161C2; FR2278218A1; GB1512514A; US4042779A; NL186058B; FR2278218B1; JPS5132319A

Description

Herne, 8000 München 40,

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

Bankkonten:

ICI Bayerische Vereinsbank München 952

IW I nrnsrtnnr Rank AR Harn» 7-«n AVt

Dresdner Bank AG Herne 7-520 Postscheckkonto Dortmund 558 68-467

Be,.: MO 5252 Sj/st

in der Antwort bitte angeben

Zuschrift bitte nach:

München

National Research Development Corporation

Kingsgate House
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

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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.

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

12A 12B 12C 12D

links hinten nach unten links vorne 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.

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

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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

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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

Patentansprüche

Q/ 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.

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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 _

+ i

aufweisen,
wobei t* = ζ

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r = 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.

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