DE2748288C2 - - Google Patents
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- DE2748288C2 DE2748288C2 DE2748288A DE2748288A DE2748288C2 DE 2748288 C2 DE2748288 C2 DE 2748288C2 DE 2748288 A DE2748288 A DE 2748288A DE 2748288 A DE2748288 A DE 2748288A DE 2748288 C2 DE2748288 C2 DE 2748288C2
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Richtempfangssystem der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Derartige Richtempfangssysteme werden beispielsweise benötigt,
um bei der Tonaufnahme unerwünschte Geräusche, beispielsweise
das Kamerageräusch zu unterdrücken, wenn bei einer Tonfilmauf
nahme das Mikrophon mit der Kamera verbunden ist.
Es ist der Zeitschrift "Ultrasonics", Juli 1968, Seite 153
bis 159 ein elektronisches Sektorabtast-Verfahren für Ultra
schalldiagnostik bekannt geworden, bei dem mehrere Empfangs
elemente vorgesehen sind, von denen jedes auf einen einfallenden
zeitlich veränderlichen Vorgang anspricht und ein entsprechendes
zeitlich veränderliches Signal liefert. Der gegenseitige Abstand
dieser Elemente bestimmt die Einfallswinkel gegenüber der Haupt
keule, bei denen ein Empfang von Signalen unterdrückt wird, um
bevorzugt das Nutzsignal für die Ultraschalldiagostik zu er
halten. Es ist eine Signalbehandlungseinrichtung vorgesehen,
in welcher die Ausgangssignale der Elemente derart kombiniert
werden, daß der Empfang richtungsabhängig beeinflußt wird. Eine
solche für eine medizinische Diagnostik vorgesehene Technik,
bei der es darauf ankommt, die von einem ganz bestimmten eng
begrenzten Körperteil ausgehenden Echosignale diefiniert zu
empfangen (und die Restsignale auszublenden) eignet sich natur
gemäß nicht zur Unterdrückung der Signale, die von einer Quelle
ausgehen, die in einer vorbestimmten Lage zu den Empfangselemen
ten angeordnet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfach und
billig aufgebautes Richtempfangssystem zu schaffen, welches
insbesondere in Verbindung mit Tonfilmaufnahme-Kameras anwend
bar ist und die Möglichkeit schafft, die von einer Störsignal
quelle ausgehenden Frequenzen zu unterdrücken, ohne den Rundum
empfang merklich zu beeinträchtigen.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs
teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Als Empfangselemente können bei dem erfindungsgemäßen Richt
empfangssystem einfach aufgebaute Mikrophone Anwendung finden,
deren gegenseitige Lageanordnung in Verbindung mit der Signal
behandlungseinrichtung eine einwandfreie Ausblendung der Stör
signale gewährleistet.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Tonfilmkamera, die
mit einem erfindungsgemäßen Richtempfangssystem ausgestattet
ist,
Fig. 2 den Frequenzgang des Kamerageräuschs einer typischen
Tonfilmkamera,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer linearen
Gruppe von Empfangselementen bei Einfall einer
ebenen Welle willkürlicher Frequenz unter einem
willkürlichen Einfallswinkel,
Fig. 4 ein Blockdiagramm des Empfangssystems gemäß der
Erfindung, an dem die angewendete Signalbehand
lung erläutert wird,
Fig. 5 die polare Richtcharakteristik des erfindungs
gemäßen Empfangssystems für einen bestimmten Wert
der relativen Verstärkung von Summensignal und
integriertem Signal bei niedriger Frequenz,
Fig. 6 ein für den Empfang in Richtung der linearen
Gruppe geltendes Diagramm des Amplitudenverlaufes
des Summensignals und des integrierten Signals
für das System nach Fig. 4, das auch den Ver
lauf der Amplitudendifferenz von Summensignal
und integriertem Signal wiedergibt, und zwar für
zwei ausgewählte Fälle, nämlich für die Fälle,
daß der Abstand zwischen dem Paar von Mikrophon
elementen, deren Ausgangssignale substrahiert
werden, gleich groß bzw. zweimal so groß ist wie
der Abstand zwischen dem Paar von Mikrophonele
menten, deren Ausgangssignale addiert werden,
Fig. 7 ein der Fig. 6 ähnliches Diagramm, nur daß der
Abstand zwischen den Mikrophonelementen so ge
wählt ist, daß die Amplitudendifferenz von
Summensignal und integriertem Signal für eine
ausgewählte, von Null verschiedene Frequenz
verschwindet,
Fig. 8 ein der Fig. 7 ähnliches Diagramm für den
Amplitudenverlauf von Summensignal und inte
griertem Signal bei einem Einfallswinkel von
ungefähr 30°,
Fig. 9 ein der Fig. 8 ähnliches Diagramm bei einem
Einfallswinkel von ungeführ 60°,
Fig. 10 ein Blockschema der Signalbehandlungseinrichtung,
die zur erfindungsgemäßen Signalbehandlung
dient, und zwar für eine Gruppe mit vier Mikrophon
elementen.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Tonfilmsystem 10
dargestellt, das aus einer Bildkamera 11 und einem zu
gehörigen Tonaufzeichnungssystem 12 besteht. Dieses
System 12 ist mit einer linearen Gruppe von (nicht
einzeln dargestellten) Mikrophonelementen ausgestattet,
die nachfolgend insgesamt als "Mikrophon" bezeichnet
wird und mit dem Bezugszeichen 13 versehen ist.
Das Mikrophon 13 wird von einem Ausleger 14 in fester
Lage bezüglich der Kamera 11 gehalten. Mit der Kamera
ist über ein Kabel 16 eine Signalbehandlungseinrichtung
15 verbunden. Die Kamera 11 hat ein übliches Gehäuse
17, das den Film, den (nicht dargestellten) Filmantrieb
und das Aufnahmeobjektiv 18 enthält, welches ein Bild
der aufzunehmenden Szene auf dem innerhalb des Kamera
gehäuses befindlichen Film erzeugt.
Mit der optischen Achse Z des Objektivs 18 der Kamera
ist ein Bildsucher 19 eingefluchtet, in dem der Filmer
die aufzunehmende Szene sieht. Überdies ist die Kamera
mit einem Griff 20 ausgestattet, der es dem Filmer
ermöglicht, mit einer Hand die Kamera zu halten und
sie durch Drücken des Auslösers 21 mit einem Finger
dieser Hand zu betätigen, so daß die andere Hand zum
Abstützen der Kamera frei bleibt.
Die lineare Gruppe von Mikrophonelementen, welche das
Mikrophon 13 bilden, ist längs der mit X bezeichneten
Achse ausgerichtet, die unter einem spitzen Winkel
(z. B. von 20°) zur optischen Achse Z nach unten ge
neigt ist und mit der Z-Achse und dem Griff 20 in
einer gemeinsamen Ebene liegt. Das Mikrophon 13 wird
vom Ausleger 14 gegenüber der Kamera nach vorne und
unten versetzt gehalten und befindet sich außerhalb
des Gesichtsfeldes des Objektivs 18.
Bei Inbetriebnahme der Kamera hält der Filmer den
Griff 20 in einer Hand und stützt die Kamera mit der
anderen Hand ab, wobei er die zu filmende Szene durch
den Bildsucher 19 betrachtet. Durch Drücken des Aus
lösers 21 werden die Kamera und das Mikrophon einge
schaltet, wodurch die im Gesictsfeld des Bilsuchers
befindliche Szene gefilmt wird und von dieser Szene
kommende Schallereignisse synchron aufgezeichnet
werden. Bei der dargestelllten Orientierung des
Auslegers 14 nimmt das Mikrophon 13 eine Lage ein, in
der es den von der gefilmten Szene kommenden Schall
empfangen kann. Wie später noch genauer erläutert wird,
hat das Mikrophon 13 eine kardioidenförmige System
charakteristik (die mit der Eigencharakteristik jedes
Mikrophonelementes zu multiplizieren ist). Die räum
liche Richtcharakteristik als Funktion der Frequenz
wird durch die Signalbehandlungseinrichtung 15 festge
legt. Im wesentlichen unterdrückt das Mikrophon 13 den
Schall, der innerhalb eines vorgegebenen Sperrkegels
einfällt, in dem die Kamera 11 liegt, wie dies in
Fig. 1 durch die strichpunktierten Linien 22 ange
deutet ist. Die Winkellage der X-Achse bezüglich der
Z-Achse und der Abstand des Mikrophons von der Kamera
sind Parameterwerte, die vom Öffnungswinkel des Sperr
kegels abhängen, dessen Spitze mit dem Mikrophon 13
zusammenfällt. Der Öffnungswinkel des Sperrkegels hängt
seinerseits von der Arbeitsweise der Signalbehandlungs
einrichtung 15 ab und ist innerhalb weiter Grenzen
zwecks Anpassung an eine vorgegebene Kamera veränderbar.
Fig. 1 zeigt die Richtcharakteristiken 23, 24 des
Mikrophons in zwei orthogonalen Ebenen, die sich längs
der X-Achse schneiden. Diese Richtcharakteristiken sind
bezüglich der X-Achse symmetrisch; sie geben qualitativ
den typischen Verlauf der Empfindlichkeit des Mikrophons
13 innerhalb des interessierenden Frequenzbandes an.
Fig. 2 zeigt qualitativ den Frequenzverlauf des Geräusch
spektrums einer typischen Filmkamera. Es wurde gefunden,
daß dieses Geräusch beim Betrieb der Kamera sehr niedrige
Frequenzkomponenten enthält und bei etwa 2000 Hz ein
deutliches Maximum hat, das im Bereich der maximalen
Empfindlichkeit des menschlichen Ohres liegt. Die höhe
ren Frequenzen sind im Frequenzspektrum schwächer ver
treten und verschwinden bei etwa 6000 Hz ganz. Durch
die Arbeitsweise der Signalbehandlungseinrichtung 15
kann die Richtcharakteristik des Mikrophons 13 so ein
geregelt werden, daß das Mikrophon hauptsächlich jene
Geräusche unterdrückt, die von der Kamera ausgehen und
innerhalb eines relativ weiten Frequenzbandes liegen,
einschließlich bei Frequenzen von etwa 2000 Hz.
Um zu erläutern, auf welche Weise die erfindungsgemäße
Signalbehandlungseinrichtung die Richtcharakteristik des
Mikrophons 13 beeinflußt, wird auf Fig. 3 verwiesen,
welche das Zusammenwirken zwischen einer ebenen Schall
welle 30 und einer linearen Gruppe von Mikrophonelementen
M 1 bis M 4 darstellt, die insgesamt das Mikrophon 13
bilden. Die Mikrophonelemente sind in gleichen gegen
seitigen Abständen längs der X-Achse dargestellt, um
die folgende Analyse zu vereinfachen, doch brauchen
ihre Abstände theoretisch nicht gleich zu sein. Die
Elemente M 2 und M 3 des mittleren Paares haben einen
gegenseitigen Abstand d₁ und die Elemente M 1 und M 4
des äußeren Paares einen gegenseitigen Abstand d₂.
Zur Vereinfachung der Analyse sei angenommen, daß der
Abstand zwischen den Elementen M 1 und M 2 gleich groß
ist wie der Abstand zwischen den Elementen M 3 und M 4.
Die sinusförmige ebene Schallwelle 30 habe die Frequenz
ω und falle in Richtung der Λ-Achse ein, die mit der
positiven X-Achse einen Winkel a einschließt und diese
im Punkt 31 in der Mitte zwischen den Elementen M 2 und
M 3 schneidet. Da sich die ebene Welle als Funktion der
Zeit ändert, gilt die Darstellung nach Fig. 3 nur für
einen bestimmten Zeitpunkt. Der Amplitudenverlauf der
Welle in diesem Zeitpunkt längs der X-Achse ist durch
eine strichpunktierte Linie 32 angegeben, welche die
Schnittlinie der Welle mit einer die Y-Achse enthalten
den Ebene durch die X-Achse darstellt, die senkrecht zu
der von den Achsen Λ und X definierten Ebene liegt.
Die Y-Achse verläuft durch den Punkt 31. Die Amplitude
der Welle 32 in einem beliebigen Zeitpunkt bezüglich
eines Punktes auf der X-Achse ist ein Maß für die je
weilige Schallamplitude in diesem Punkt.
Der Abstand zwischen einander entsprechenden Punkten
auf der ebenen Welle, gemessen längs der Λ-Achse, ist
mit dem Abstand zwischen diesen Punkten, gemessen längs
der X-Achse, durch den Faktor cos α verknüpft, wobei α
der Einfallswinkel der ebenen Welle ist. Bezeichnet, man
die Wellenlänge der Welle 30 längs der Λ-Achse mit g₀,
dann steht die Wellenlänge x₀ längs der Welle in der
Ebene 33, welche durch die Achsen X und Y definiert ist,
mit λ₀ in der Beziehung:
worin V die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der ebenen
Welle auf f = l/2 π ist. Die Schallgeschwindigkeit
beträgt bei 20°C und Meeresniveau 344 m/s.
Die Periodendauer T₀ der ebenen Welle ist gegeben durch
Aus Gleichung (2) ist erkennbar, daß die Zeit τ₁, welche
der Punkt 34 auf der Welle 30, dessen Projektion auf
die X-Achse mit dem Punkt 31 in der Mitte zwischen den
Elementen M 2 und M 3 zusammenfällt, zur Bewegung zum
Punkt 35 hin benötigt, dessen Projektion auf die X-Achse
den Abstand d 1/2 vom Punkt 31 hat und dem Ort entspricht,
in dem sich das Element M 3 befindet, wie folgt angegeben
werden kann:
Die Zeit, die der Punkt 34 auf der ebenen Welle benötigt,
um das Element M 4 zu erreichen, beträgt analog:
Unter Berücksichtigung der Gleichungen (3) und (4) ist
erkennbar, daß auf Grund einer angenommen analytischen
Form der Welle im Punkt 31 analytische Ausdrücke für die
Welle in den vier Orten der Mikrophonelemente abgeleitet
werden können, die von den Phasendifferenzen bezüglich
der angenommenen Wellenform abhängen. Es sei nun ange
nommen, daß die Welle im Punkt 31 die Form sin( ω t-τ₀)
habe; dann ist die Welle in den Orten der vier Elemente
wie folgt gegeben:
bei M 1: sin ω (t-τ₀+t₂) (5 A)
bei M 2: sin ω (t-τ₀+τ₁) (5 B)
bei M 3: sin ω (t-τ₀-τ₁) (5 C)
bei M 4: sin ω (t-τ₀-τ₂) (5 D),
bei M 2: sin ω (t-τ₀+τ₁) (5 B)
bei M 3: sin ω (t-τ₀-τ₁) (5 C)
bei M 4: sin ω (t-τ₀-τ₂) (5 D),
worin τ₀ die Zeit bedeutet, welche die Welle benötigt, um
längs der Λ-Achse eine Viertelwellenlänge zu wandern
(so daß die folgenden Ausdrücke entweder als cos-oder
sin-Funktionen der Einheitsamplitude dargestellt werden
können). Da jede zusammengesetzte Welle in eine Fourier-
Reihe mit sin-oder cos-Gliedern zerlegt werden kann, ist
die nachfolgende Analyse allgemein anwendbar, obwohl
sich die Gleichungen auf eine einzelne Sinuswelle mit
der Kreisfrequenz ω beziehen.
Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, welche die einzel
nen Teile der Signalbehandlungseinrichtung 15 darstellt.
Jedes der Elemente M 1 und M 4 ist auf einfallende, zeit
lich veränderliche Welle empfindlich, wie beispielsweise
auf eine Schallwelle, und erzeugt ein entsprechendes
zeitlich veränderliches Ausgangssignal, das entsprechend
dem in Fig. 4 dargestellten Blockschema behandelt wird.
Insbesondere enthält diese Behandlungseinrichtung außer
den Mikrophonelementen einen Summenkanal mit einer
Addierstufe 40, welche die Ausgangssignale des inneren
Paares von Mikrophonelementen M 2 und M 3 addiert, und
einen Integrierkanal mit einer Subtrahierstufe 41,
welche die Differenz der Ausgangssignale des äußeren
Paares von Mikrophonelementen M 1 und M 4 bildet. Das von
der Subtrahierstufe 41 gebildete Differenzsignal wird
in einer Integrierstufe 42 integriert, deren Ausgangs
signal nachfolgend als integrierts Signal bezeichnet
wird. Ferner enthält die Signalbehandlungseinrichtung
15 eine Kombinationseinrichtung 43, in welcher die Aus
gangssignale des Summenkanals und des Integrierkanals
kombiniert werden. Insbesondere umfaßt diese Kombina
tionseinrichtung in jedem der Kanäle einen Verstärkungs
regler, durch welchen die Verstärkung des einen Kanals
bezüglich des anderen festgelegt werden kann, um so ein
verstärkungsgeregeltes integriertes Signal zu erhalten,
das im Ausgang des Verstärkers 44 erscheint, der den
Verstärkungsgrad B hat, sowie ein verstärkungsgeregeltes
Summensignal, das im Ausgang des Verstärkers 45 mit dem
Verstärkungsgrad A erscheint. Die Kombinationsreinrich
tung 43 enthält auch eine Addierstufe 46 für diese bei
den verstärkungsgeregelten Signale. Im Ausgang 47 der
Addierstufe 46 erscheint das fertigbehandelte Ausgangs
signal des Mikrophons 13.
Wenn die Eingangssignale der Mikrophonelemente M 1 bis
M 4 den Gleichungen (5) entsprechen, so hat das im Aus
gang der Addierstufe 40 erscheinende Summensignal S die
Form
S = [2 cos ωτ₁] sin ω (t-τ₀) (6)
während das Differenzsignal D, das im Ausgang der Sub
trahierstufe 41 erscheint, durch
D = [-2 sin ωτ₂] cos ω (t-τ₀) (7)
dargestellt wird, worin das Minuszeichen eine Phasen
umkehr gegenüber dem Summensignal bedeutet.
Die Integration des Differenzsignals D in der Integrier
stufe 42 ergibt das integrierte Signal I wie folgt:
Nach Verstärkung des Summensignals und des integrierten
Signals in den Verstärkern 45 bzw. 44 haben die beiden
resultierenden verstärkungsgeregelten Signale, wie er
sichtlich, gleiche Phase, so daß eine arithmetische
Amplitudenaddition dieser Signale erfolgen kann. Die
Amplitude des verstärkungsgeregelten Summensignals
A ( ω, α ) ist gegeben durch:
während der Betrag des verstärkungsgeregelten integrier
ten Signals B ( ω, a) gegeben ist durch:
Damit ergibt sich das Ausgangssignal Δ ( ω, α ) der
Addierstufe 46 mit:
Δ ( ω, α ) = A ( ω, α ) - B ( ω, α ), (11)
woraus folgt:
Das Minuszeichen beruht hierbei auf der Inversion in der
Subtrahierstufe 41.
Aus Gleichung (12) ist erkennbar, daß das Ausgangs
signal der Addierstufe 46 bei beliebiger Frequenz und
beliebigem Einfallswinkel der Welle bei der Gruppe von
Mikrophonelementen auf Null gebracht und damit die
einfallende Welle vollständig unterdrückt werden kann,
indem die relative Verstärkung A/B der verstärkungsge
regelten Signale und die Abstände d₁ und d₂ zwischen
den Mikrophonelementen entsprechend gewählt werden.
Für Wellen niedriger Frequenz, für welche ω gegen Null
strebt, reduziert sich die Gleichung (12) auf
Aus Gleichung (12 A) ist ersichtlich, daß das Ausgangs
signal der Addierstufe 46 Null wird, wenn der Klammer
ausdruck in dieser Gleichung den Wert Null annimmt. Für
einen vorgegebenen Einfallswinkel α₀ läßt sich daher
die relative Verstärkung A/B der verstärkungsgeregelten
Signale, welche zu einer vollständigen Unterdrückung
der niedrigen Frequenzen führt, wie folgt angeben:
Setzt man die relative Verstärung aus Gleichung (12 B)
in die Gleichung (12) ein, so erhält man folgenden all
gemeinen Ausdruck für das Ausgangssignal der Addier
stufe 46, das zu einer Unterdrückung von Wellen niedri
ger Frequenz führt, welche bei der Gruppe von Mikrophon
elemeten unter einem Winkel α₀ einfallen:
Zur Unterdrückung oder Sperrung niederfrequenten Schalls,
der bei der Gruppe von Mikrophonelementen unter α₀ = 0
einfällt, reduziert sich die Gleichung (13) auf
Aus Gleichung (13 A) ist erkennbar, daß die Richtcharak
teristik des Mikrophonsystems für niedrige Frequenzen
die Form einer Kardioide hat, deren Symmetrieachse längs
der Achse der Elementengruppe, d. h. längs der X-Achse
verläuft, wobei diese Kardioidenform ausschließlich auf
der beschriebenen Behandlung der Signale von den einzel
nen Elementen der Gruppe beruht.
Die Empfindlichkeit des Mikrophons bei höheren Frequen
zen ergibt sich für in Richtung der Gruppe einfallende
Signale, also für α = 0, aus Gleichung (13).
Der Abstand d₁ der Mikrophonelemente, von denen das Summen
signal abgeleitet wird, kann nun so gewählt werden, daß
eine Unterdrückung einer einfallenden Welle mit beliebi
ger Frequenz ω und einem Einfallswinkel α₁ erfolgt.
Dieser Wert d₁ wird erhalten, indem man den Klammer
ausdruck in Gleichung (13 B) gleich Null setzt und sodann
nach d₁ auflöst. Auf diese Weise ergibt sich
Für α₁ = α₂ = 0, was besagt, daß eine Unterdrückung
von Wellen erfolgen soll, die längs der X-Achse aus
positiver Richtung bei der linearen Gruppe einfallen,
reduziert sich die Gleichung (14) wie folgt:
Fig. 5 entspricht nun in Diagrammform der Gleichung
(13 A) und stellt somit die Richtcharakteristik der
Gruppe von Mikrophonelementen für niederfrequente
Wellen als Funktion ihres Einfallswinkels dar, wenn
die Ausgangssignale der einzelnen Elemente gemäß Fig. 4
behandelt werden. Es ist erkennbar, daß eine lineare
Gruppe von allseitig empfangenen Mikrophonelementen
auf diese Weise in ein Mikrophonsystem umgewandelt
wird, das eine kardioidförmige Richtcharakteristik
aufweist, und zwar ausschließlich infolge der Signalbe
handlung, die in der Behandlungseinrichtung 15 erfolgt.
Wenn die einzelnen Elemente selbst bereits eine
kardioidenförmige Elementencharakteristik haben, dann
ergibt sich durch die zusätzliche erfindungsgemäße
Signalbehandlung für das gesamte Mikrophon eine
Kardioidencharakteristik höherer Ordnung.
Die Empfindlichkeit einer Gruppe von Mikrophonelementen
auf in Richtung der Gruppe, d. h. unter α = 0 einfallen
de Wellen höherer Frequenz ist in Fig. 6 dargestellt,
die auf Gleichung (13 B) beruht. Die Kurve 50 stellt
den Verlauf von
in Abhängigkeit vom Para
meter
dar und gilt für das ver
stärkungsgeregelte Summensignal im Ausgang des Ver
stärkers 45; die Kurve 51 stellt den Verlauf des Aus
druckes
in Abhängigkeit vom Parameter
dar und gilt für das verstärkungsgeregelte
integrierte Signal im Ausgang des Verstärkers 43. Es
ist zu beachten, daß für d₁ die Elemente M 1 und
M 2 mit den Elementen M 3 bzw. M 4 zusammenfallen, wobei
sich ein Mikrophonsystem mit nur zwei statt mit vier
Elementen ergibt. Ein solches Mikrophonsystem unter
drückt niedrige Frequenzen gut, doch nimmt seine
Fähigkeit zur Unterdrückung höherfrequenter Wellen
mit zunehmender Frequenz merklich ab, wie die Kurve 52
erkennen läßt, welche die Differenz zwischen den
Kurven 50 und 51 darstellt und somit der für das Aus
gangssignal der Addierstufe 47 geltenden Gleichung (13)
entspricht.
Für d₁ = d 2/2 haben die Elemente M 1 bis M 4 gleiche
gegenseitige Abstände, woraus folgt, daß das Mikrophon
vier Elemente aufweist. Die Kurve 53 stellt die Funktion
für diesen Fall dar, und man erkennt, daß die
Kurve 53 ziemlich ähnlich der Kurve 51 verläuft. Die
Differenz zwischen den Kurven 51 und 53 wird durch die
Kurve 54 dargestellt. Es ist daraus erkennbar, daß die
Anwendung von vier Elementen mit d₁ = d2/2 eine erheb
lich verbesserte Nullstelle in der Charakteristik, ver
glichen mit einem Mikrophon mit nur zwei Elementen,
ergibt.
Der Frequenzskala in Fig. 6 liegt der Wert d₂ = 254 cm
(= 1 Zoll) zugrunde, für welchen die beiden Kurven 51
und 53 bei = 13,548 Hz Nullstellen haben. Eine
weitere Verbesserung hinsichtlich der Unterdrückung
von Wellen, deren Einfallsrichtung mit der Gruppe ein
gefluchtet ist und die im Frequenzband bis 6000 Hz
liegen, welches das Störfrequenzband der Kamera dar
stellt, ist durch geeignete Wahl des Verhältnisses von
d₁ zu d₂ möglich. Gegenwärtig wird d₁ vorzugsweise so
gewählt, daß die Amplitude des verstärkungsgeregelten
Summensignals (d. h. die Frequenz der cos-Kurve) gleich
der des verstärkungsgeregelten integrierten Signals
(d. h. der sin-Kurve) bei einer Frequenz von etwa 59%
des verstärkungsgeregelten integrierten Signals ist.
Für d₂ = 2,54 cm ergibt sich diese Gleichheit bei
8000 Hz, und aus Gleichung (14 A) folgt d₁ = 1,40 cm
(= 0,55 Zoll).
Die Kurve 60 in Fig. 7 stellt das verstärkungsgeregelte
Summensignal unter diesen Bedingungen dar, und die
Kurve 61 zeigt das verstärkungsgeregelte integrierte
Signal; diese Signale sind bei 8000 Hz gleich stark.
Bei niedrigeren Frequenzen ist die Unterdrückung außer
ordentlich gut, was an der Kurve 62 erkennbar ist,
welche die Differenz zwischen den Kurven 60 und 61 an
gibt und dem Ausgangssignal 47 der Addierstufe 46 ent
spricht.
Die in Fig. 7 gezeigten Kurven gelten für Eingangs
wellen, die in Richtung der linearen Gruppe einfallen,
die Fig. 8 und 9 für Eingangswellen unter den Einfalls
winkeln 30° bzw. 60°. In Fig. 8 stellt insbesondere
die Kurve 63 das verstärkungsgeregelte Summensignal
und die Kurve 64 das verstärkungsgeregelte integrierte
Signal für α = 30° dar. Die Kurve 65 gibt die Differenz
zwischen den Kurven 63 und 64 an. In Fig. 9 stellt die
Kurve 66 das verstärkungsgeregelte Summensignal und die
Kurve 67 das verstärkungsgeregelte integrierte Signal
für α = 60° dar. Die Kurve 68 gibt wieder die Differenz
zwischen den Kurven 66 und 67 an. Es ist ersichtlich,
daß sich für d₁ = 2,54 cm und d₂ = 1,40 cm eine extrem
gute Unterdrückung bei α = 0° und bei = 30° (ent
sprechend einem Sperrkegel mit einem Spitzenwinkel
von 60°) ergibt.
Andere Charakteristiken mit Sperrsektoren können durch
geeignete Wahl der relativen Verstärkung im Summen
kanal und im Integrierkanal und des relativen Abstandes
zwischen den Paaren von Summen- und Differenzelementen
erhalten werden. Ferner sind auch analytische Lösungen
möglich, wenn die Abstände der einzelnen Elemente nicht
gleichmäßig sind.
In der vorstehenden Beschreibung wird auf Schallwellen
und auf Mikrophone Bezug genommen, doch ist klar, daß
die Erfindung auch im Zusammenhang mit anderen Wellen
anwendbar ist, auf welche einzelne Empfängerelemente
unter Erzeugung eines Ausgangssignals ansprechen.
Beispielsweise kommen als weitere Anwendungsgebiete
der Erfindung Rundfunkwellen und Empfangsantennen in
Betracht.
Fig. 10 ist ein schematisches Schaltungsbild einer
Behandlungseinrichtung gemäß der Erfindung, die zur
Erzielung einer gewünschten Sperrcharakteristik dient.
Die Einrichtung 15 A enthält vier Mikrophonelemente M 1
bis M 4, wobei jedem dieser Elemente ein Vorverstärker 70
zugeordnet ist. Die vorverstärkten Ausgangssignale der
Elemente M 2 und M 3 werden in einer Analog-Addierstufe
71 addiert, um das Summensignal S zu bilden. Die vor
verstärkten Signale der Elemente M 1 und M 4 werden
subtrahiert und in einem Norton-Differenzintegrator 72
integriert, in dessen Ausgang sich das integrierte
Signal I ergibt. Das Summensignal S und das integrierte
Signal I werden in einer Analog-Addierstufe 73 addiert
und ergeben das Ausgangssignal Δ.
Claims (6)
1. Richtempfangssystem für den Empfang von sich im Raum
fortpflanzenden Vorgängen, wie akustischen oder elektromagne
tischen Wellen, mit einer Vielzahl von Empfangselementen, die
je ein zeitlich veränderliches Ausgangssignal liefern und mit
einer Signalbehandlungsvorrichtung, die diese Ausgangssignale
zwecks Bildung einer gewünschten Richtcharakteristik zusammen
faßt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Signalbehandlungseinrichtung
(15) eine Subtrahierstufe (41) zur Erzeugung eines Differenz
signals aus den Ausgangssignalen zweier Empfangselemente (M 1,
M 4) und anschließend daran eine Integrierstufe (42) zur Inte
gration dieses Differenzsignals enthält, und daß die Signal
behandlungseinrichtung (15) einen Summenkanal mit einer Addier
stufe (40) enthält, in welcher die Ausgangssignale zweier
Empfangselemente (M 2, M 3) addiert werden, gefolgt von einer
Kombinationsstufe, beispielsweise einer Addierstufe (46), in
welcher das Summensignal und das integrierte Differenzsignal
kombiniert werden.
2. Richtempfangssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsstufe (43) einen
Verstärkungsregler (45, 46) enthält, der eine Änderung der
Verstärkung zumindest in einem Kanal bezüglich der Verstärkung
im anderen Kanal ermöglicht.
3. Richtempfangssystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationseinrichtung (43)
einen Verstärkungsregler (45) für das Summensignal und einen
Verstärkungsregler (44) für das integrierte Differenzsignal aufweist.
4. Richtempfangssystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß vier Empfangselemente (M 1, M 2, M 3,
M 4) vorgesehen sind, wobei jene Elemente (M 2, M 3), deren Aus
gangssignale im Summenkanal addiert werden, zwischen den Ele
menten (M 1, M 4) liegen, deren Ausgangssignale zur Bildung des
Differenzsignals subtrahiert werden.
5. Richtempfangssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Signalbehandlungseinrichtung
die Ausgangssignale der Empfangselemente im Sinne der Bildung
einer kardioidenförmigen Richtcharakteristik kombiniert, deren
Minimumstelle eine vorgegebene Richtung bezüglich der Achse
der Gruppe von Empfangselementen einnimmt.
6. Tonfilmkamera, deren Objektiv ein vorgegebenes Gesichts
feld hat und deren Tonaufzeichnungssystem ein von einer Mikro
phongruppe gebildetes Richtempfangssystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 5 aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrophongruppe außerhalb des
Gesichtsfeldes der Kamera (11) angeordnet und fest mit dieser
verbunden ist, wobei die Abstand zwischen den Mikrophonen und
die Kombination der Ausgangssignale so gewählt sind, daß beim
Betrieb der Kamera eine Unterdrückung des Kamerageräusches im
Tonaufzeichnungssignal erfolgt.
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