DE2531161C2

DE2531161C2 - Mikrophonanordnung

Info

Publication number: DE2531161C2
Application number: DE2531161A
Authority: DE
Inventors: Peter Graham Headington Oxford Craven; Michael Anthony Oxford Gerzon
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1974-07-12
Filing date: 1975-07-11
Publication date: 1984-08-23
Also published as: US4042779A; FR2278218B1; DE2531161A1; JPS5132319A; GB1512514A; JPS6216080B2; NL186058C; NL7508270A; NL186058B; FR2278218A1

Description

G = -(A + B-C- D)

H = _Ί {-

B-C

6. Mikrophonanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch jeden Entzerrer (34, 36, 38, 40) eine solche Entzerrung erfolgt, daß alle Ausgänge im wesentlichen denselben Phasengang zu Tönen aus allen Richtungen bis zu einer Grenzfrequenz besitzen.

7. Mikrophonanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entzerrer (34-40) für Ausgangssignale nuilter Ordnung einen Entzerrer (36) mit einer Charakteristik dei Form:

W=

1 +j(UT — -■ (ο¹ τ²

« i~
1 + Jj

und für die jeweiligen Ausgangssignale erster Ordnung jeweils einen Entzerrer (34, 38, 40) mit einer Charakteristik der Form:

aufweisen,

wöbe; T= —
c

r = effektiver Abstand des Zentrums der Mikronphonkapseln 12 vom Zentrum des Tetraeders 10,

c = Schallgeschwindigkeit,

id = Winkelfrequenz.

8. Mikrophonanordnung nach Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Frequenzbereich des Hörfrequenzbereiches die Zunahme der Richtcharakteristik für Signale nuilter Ordnung auf einen Faktor von |/3 und die entsprechende Abnahme der Richtcharakteristik für Signale erster Ordnung auf einen Wert von l/|/3 beschränkt ist.

Die Erfindung betrifft eine Mikrophonanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Die Anordnung koinzidenter Mikrophone, bei weleher 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 Signa-

lon für Tonwiedergabesysteme verwenden, wie sie beispielsweise beschrieben sind in DH-OS 2204668 und DE-OS 25 12287. Dabei ist es klar, daß es physikalisch nicht möglich ist, zwei einzelne Mikrophone exakt an der gleichen Stelle anzuordnen, vielmehr sind geringe Unterschiede der Lage unvermeidlich.

Bei einer bekannten Mikrophonanordnung (DE-AS 11 48 268) zur Erhöhung des Geräuschspannungsabstar«- des in Ausgangssignalen aus einer Anzahl von Mikrophonen werden die Ausgangssignale vor dem Glied mit dem ungünstigen Geräuschspannungsabstand in einem linearen Prozeß so kombiniert, daß zu jedem Zeitpunkt jede Komponente der resultierenden Signale aus demselben Eingangssignal dieselbe Amplitude in sämtlichen resultierenden Signalen, jedoch in bestimmten Fällen teilweise um 180° phasenverschoben, besitzt. Nach Passieren des Gliedes mit dem ungünstigen Geräuschspannungsabstand werden die Signale in komplementärer Weise kombiniert, um dementsprechend Signale herauszuziehen. Allerdings dient die bekannte Mikrophonanordnung nicht zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die denen einer Anzahl von koinzidenlcn Mikrophonen äquivalent ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mikrophonanordnung zur Erzeugung von Ausgangssignalen zu schaffen, welche äquivalent mit den von einer Anzahl von koinzidenten Mikrophonen mit verschiedenen Richtcharakteristiken erzeugten Signalen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 enthaltenen Maß nahmen gelöst, wobei zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet sind.

In diesem Zusammenhang wird der Ausdruck »Integrationsvorschrift« 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 InIegrationsvorschriften sind in A. H. Stroud. »Approximate Calculation of Multiple Integrals«. Prentice-Hall Inc. 1971, insbesondere Kapitel S beschrieben. In der Praxis ist es so. daß die Anzahl der Integrationspunktc gleich der Anzahl der Mikrophone ist.

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 gleichen 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.

Uei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der nur Kugelfunktionen nullter und erster Ordnung erforderlich sind, wird eine Tetraeder-] nlegrationsvorschrifl verwende"!. Infolgedessen benötigt m;in vier ein/eine Mikropho'ie. die jeweils auf einer entsprechenden Fläche ein*-\ regelmäßigen Tetraeders angeordnet sind. Da ein derartiger Tetraeder einen regelmäßigen Körper darstellt, sind die Verstärkungen sämtlicher Mikrophone gleich groß.

Die Erfindung sol! 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 Mikro-

lu phonanordnungnach Fig. 1.

Wie aus Fig. 1 erkennbar, weist ein Tetraeder 10 vier an den jeweiligen Flächen des Tetraeders angeordnete Mikrophone 12/1, 125. 12C und 12£> auf. Der Tetraeder 10 ist lediglich zum besseren Verständnis mit

is eingezeichnet und es ist klar, daß in der Praxis die aneinander angrenzenden Mikrophone 12/1, 125, 12C und 12D miteinander in Berührung stehen und so angeordnet sind, daß die Verlängerungen ihrer Rückseiten einen Tetraeder bilden würden. Der Tetraeder 10 ist

yi in der Zeichnung von einem imaginären Würfel 14 umschlossen, welcher einen Bezugsrahmen bildet. Der Tetraeder 10 ist so angeordnet, daß bezüglich der Schalleinfallsrichtungen die Würfelflächc 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.

Jedes Mikrophon 12/1, 125, 12C und 12D weist eine Richtcharakteristik der Form (ϊ+k cosO) auf, bei-

JIi spielsweise 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

12/1
12fl

nc

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 12/1. 12ß. 12Cund 12D über entsprechende Verstärker 24. 26, 28 und 30 an eine Matrix 32 angeschlossen. Wie bereits erläutert, sind die Verstärkungen

5» der Verstärker 24, 26, 28 und 30 gleich groß, da ein Tetraeder ein regelmäßiger Körper ist.

Die Matrix 32 ist so eingerichtet, daß sie aus den vier Eingangssignalen A, S, C und D über die Verstärker 24, 26, 28 bzw. 30 vier Ausgangssignale £, F, G und H erzeugt. Das Ausgangssignal F ist eine Kugelfunktion nulller 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

«ι drei Signale F, G und H sind Kugelfunktionen erster Ordnung und entsprechen somit Signalen, wie sie von Mikrophonen mit l.emniskaten-Richlcharakteristiken erzeugt würden. Die Richtung der maximalen Empfindlichkeit verläuft für das Ausgangssignal F von vorn

fö nach hinten, für das Ausgangssignal G von links nach rechts und für das Ausgangssignal // von oben nach unten. Die talsächliche Wirkungsweise der Matrix 32 ist folgendermaßen:

E=

F= -(A + B+C+ I)) G= I₁ (A + B-C-D) H= ^ (-/1 + B-C + D)

Es ist nunmehr erforderlich, die Signale E. F, G und // 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 Kugclfunktionen der gleichen Ordnung den gleichen Frequenz- und Phasengang auf. Infolgedessen ist es erforderlich, eine Entzerrungscharakteristik für das Signal F nulltcr Ordnung und eine weitere Entzerrungscharakteristik für die Signale E, G und H erster Ordnung zu verwenden.

Es wird angenommen, daß die erforderliche Lemniskaten-Richtcharakteristik eine derartige 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 nulltcr Ordnung gegenüber den Signalen E, G und H erster Ordnung den Wert \/t bei mittleren Frequenzen, wie z.B. 1 kHz. Die optimalen theoretischen Entzerrungscharaklcristikcn 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:

W=

— — t»-

= j/ 6

fl + y./««r- -or-r
1 + ^ μοτ

wobei τ = — .
c

r = effektiver Abstand des Zentrums der Mikrophonkapscln 12 vom Zentrum des Tetraeders 10,

c = Schallgeschwindigkeit,

to = Winkelfrequenz.

In der Praxis sollte die 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 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 Entzerrungscharakteristiken 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/[O, und für Signale nulller Ordnung in alle Richtungen die entsprechende Zunahme auf einen F;iklor von 1/3 beschränk! ist.

Zur Urzeugung des obigen Frequenzganges lassen sich beliebige bekannte Fillerkreisc verwenden. Um eine maximale Flachheit der Charakteristik für statistisch gleichmäßige Schallfelder mit Randinhomogenilälen /u

is erreichen, kann es wünschenswert sein, daß die ilbergangsfrequcnz (pivot frequency) des Filters für Signale aus allen Richtungen sich von denjenigen Frequenzen der Filter für Lcmni.skaten-Signalc unterscheidet, was im einzelnen in M. A. Gerzon, »Design of Precisely Coiii-

:o cident 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 Ausgangssignale E, F, C und H der Matrix 32 an

:s entsprechende Entzerrer 34. 36. 38 und 40 angeschlossen. Der Entzerrer 36 weist die Charakteristik H' auf, während die Entzerrer 34, 38 und 40 die Charakteristik A' 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, links-rechls und oben-unten wiedergeben. Sollen die Signale über eine horizontale, zwcidimensionale Lautsprecheran-Ordnung wiedergegeben werden, wie sie beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen P 2204668.9 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 Ausgangssigna! 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 W 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

H) 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, wo-

<>5 bei 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

2(1

nicht in ungünstiger Weise die Funktion der Mikrophone |

auf der innersten Schale beeinträchtigen. ^λ

Die Mikrophone können ein verbindendes akusti- ··

sches Netzwerk aufweisen, welches die gleiche Symmetrie 'c

wie die Mikrophonanordnung aufweist. > '

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen tj

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrophonanordnung zur Erzeugung von Ausgangssignalen mit zumindest Funktionen nuilter und erster Ordnung, mit mindestens vier Mikrophonen mit vorbestimmten Richtcharakteristiken, einer Matrix mit einer entsprechenden Kombiniereinrichtung für die jeweils gewünschte Funktion, die eine erste Kombiniereinrichtung für die Funktionen nullt er Ordnung und eine zweite Kombiniereinrichtung für die Funktionen erster Ordnung besitzt, und mit einer Einrichtung zur Zuführung des Ausgangssignals eines jeden Mikrophons zur Kombiniereinrichtung, in welcher die Ausgangssignale in vorbestimmter Weise zur Erzeugung der erforderlichen Ausgangssignale der Mikrophonanordnung kombiniert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die zumindest Funktionen nuilter und erster Ordnung äquivalent zu den Ausgangssignalen einer Anzahl von koinzidenten Mikrophonen sind, die Richtcharakteristik der jeweiligen koinzidenten Mikrophone eine entsprechende Kugelfunktion ist, daß die Mikrophone (12Λ-12Ο) an den Integrationspunkten einer Integrationsvorschrift für eine Kugeloberfläche angeordnet sind, daß die Einrichtung (24-30) zur Zuführung des Ausgangssignals eines jeden Mikrophons zur Kombiniereinrichtung einen Verstärkungsfaktor proportional zum Gewicht der Integrationsvorschrift entsprechend dem Integrationspunkt, an dem das Mikrophon (MA-MD) angeordnet ist, sowie einen weiteren Verstärkungsfaktor aufweist, der ebenso groß wie der Betrag der Kugclfunktion in Richtung der maximalen Richtcharakteristik des jeweiligen Mikrophons (MA-MD) ist, und daß ferner ein erster Entzerrer (36) an der ersten Kombiniereinrichtung zur Entzerrung des Ausgangs und ein zweiter Entzerrer (34, 38, 40) an der zweiten Kombiniereinrichtung zur Entzerrung des Ausgangs angeschlossen sind, wobei die Entzerrung derart erfolgt, daß alle Ausgänge eines jeden Entzerrers (34, 36, 38, 40) im wesentlichen dieselbe Frequenzcharakteristik zu Tönen aus allen Richtungen bis zu einer Grenzfrequenz besitzen und im wesentlichen identisch zu den Ausgängen aus einer Anzahl von koinzidenten Mikrophonen sind.

2. Mikrophonanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Mikrophon (MA- MD) eine Richtcharakteristik der Form (1 + k cosO) aufweist, wobei k für jede Frequenz eine Konstante ist.

3. Mikrophonanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Mikrophon (MA- MD) im Zentrum einer Fläche eines regelmäßigen Körpers angeordnet ist.

4. Mikrophonanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch vier Mikrophone (MA-MD), die jeweils im Zentrum einer entsprechenden Fläche eines regelmäßigen Tetraeders (10) angeordnet sind.

5. Mikrophonanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationseinrichtung (32) aus den vier Eingangssignalen (A, B, C, D) ein Ausgangssignal (F) nuilter Ordnung und drei Ausgangssignale (£, G, H) erster Ordnung bildet, wobei:

F = — (A t-ß + C+D)