CN101874411A - 包括三个压力梯度换能器的麦克风装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种麦克风装置，其由三个压力梯度换能器(1，2，3)组成，各自具有振膜和外壳。各压力梯度换能器(1，2，3)具有通向振膜前面的第一声音入口开口(1a，2a，3a)，和通向振膜背面的第二声音入口开口(1b，2b，3b)。各压力梯度换能器(1，2，3)的指向特性包含全向部分、8字型部分，和最大灵敏度方向-主方向，压力梯度换能器(1，2)的主方向彼此相互倾斜。为了能生成B格式，三个压力梯度换能器(1，2，3)的声学中心位于半径对应于压力梯度换能器(1，2，3)振膜最大维度的两倍的假想球体内，三个压力梯度换能器的主方向在由三个压力梯度换能器(1，2，3)的第一声音入口开口(1a，2a，3a)延展成的基准平面上的投影彼此形成值在110°到130°之间的角度。

Description

包括三个压力梯度换能器的麦克风装置

技术领域

本发明涉及一种麦克风装置(microphone arrangement)，由三个压力梯度换能器(pressure gradient transducer)组成，各压力梯度换能器具有振膜(diaphragm)。各压力梯度换能器具有通向振膜的前面的第一声音入口开口，以及通向振膜的背面的第二声音入口开口。其中，各压力梯度换能器的指向特性包括全向部分和8字型部分，以及最大灵敏度方向，即主方向，并且各压力梯度换能器的主方向相对于彼此相互倾斜。本发明还涉及一种用于将来自依据本发明的麦克风装置的一个或多个麦克风信号合成的方法。

背景技术

在美国专利No.4，042，779A(相应的DE 2531161C1)中披露了一种称为声场麦克风(有时也称为B格式麦克风)形式的梯度换能器的多信号同步装置(coincident arrangement)，该专利的全部内容被包括在本文中作为参考。这是一种由四个压力梯度振膜舱(capsule)组成的麦克风，各个振膜舱被布置成四面体形式，使得各个振膜舱的振膜基本平行于四面体的假想表面。这些压力梯度接收器中的每一个传送它自己的信号A、B、C，或D，并具有偏离于球型的指向特性，该指向特性可大致表示为k+(1-k)×cosθ的形式，其中θ表示方位角，振膜舱在该方位角下曝露给声音，比例系数k指示全向信号的百分比是多大(在球型中，k＝1，在8字型中，k＝0)。各个振膜舱的信号用A、B、C，和D表示。每个单个麦克风的指向特性的对称中心线垂直于振膜和四面体的相应表面。因此，各个振膜舱的指向特性的对称中心线(也称为各个振膜舱的主方向)彼此成大约109.5°的角度。

依据一种计算过程，四个单个振膜舱的信号现在可转换为所谓的B格式(W，X，Y，Z)：

W＝1/2(A+B+C+D)

X＝1/2(A+B-C-D)

Y＝1/2(-A+B+C-D)

Z＝1/2(-A+B-C+D)

形成的信号是一个球型(W)和三个彼此正交的8字型(X，Y，Z)。三个8字型(X，Y，Z)也在空间上沿三个方向布置。为了在所有方向上配置频率和相位响应，使得在可听范围的频率中获得平坦的能量特性，有必要均衡信号W、X、Y、Z。对于零阶信号(W)和一阶信号X、Y、Z，在US4，042，779A中给出了理论的均衡特性，它取决于频率和麦克风振膜舱的中心与四面体的中心相距的有效距离。

8字型X、Y、Z的主方向垂直于包围四面体的立方体的面。通过线性合并这些B格式(B-format)信号中的至少两个，可以合成任意一个(在空间方向和指向特性上)麦克风振膜舱。基于真实振膜舱的应用和不能理想地满足多信号同步(coincidence)要求而造成的与理论的偏离，导致合成麦克风的性能变差。

由于在考虑到线性加权系数“r”的情况下将全向信号W与一个或多个8字型信号X、Y、Z组合起来，麦克风的合成或模仿(技术术语称谓)精确地发生。对于一定区域内的介于球型和心型之间的指向特性，对于X-方向上的合成振膜舱，这可以通过公式M＝W+r×X推导出，其中r可以采用大于0的任意值。这样获得的信号M的电平自然必须被标准化(normalize)，使得为合成振膜舱的主方向获得期望的频率走势(frequencytrend)。如果现在认为合成振膜舱是在任意方向上，则需要使用额外的加权系数，因为合成振膜舱在任意方向上的旋转通过线性组合3个正交的8字型(X，Y，Z)发生。

声场麦克风的主要优势在于，可以在存储由各个麦克风录制的声音事件之后，通过对各个信号进行相应的计算，改变整个麦克风的指向特性，并因此，即使在声音载体的录音回放或最终制作过程中，也可以按期望的方式对指向特性进行调整。例如，因此可以把焦点集中在一个合唱中的相应独唱者，以通过改变指向特性来掩盖不希望有的和非期望的声音事件，或者追随移动的声源(例如舞台上的演员)，使得录音质量总是独立于声源位置的改变而保持不变。

用声场麦克风录制的声音，整个声场(声场麦克风这一名称的来历)可以在时间、空间中的任意位置被描述，使得传播时间差等可在数据选择性评估中供分析。

然而，在偏离了理想情况下，点状麦克风意味着多信号同步条件(coincidence condition)对于小波长不再满足，且相对于合成信号的频率响应和指向特性将发生失真和赝象(artifact)。声场麦克风的每一个单个梯度振膜舱的180度旋转，使得四个振膜表面的每一个都靠近中心，已经显示出在更高的频率上无法消除赝象。依赖于所用的计算方法，这样的装置的前麦克风送话口(mouthpieces)的声学阴影不改变限定频率(limit frequency)。

在所用梯度振膜舱的多信号同步要求与可达噪声距离之间有一个折衷。各个振膜表面越大，可以达到的噪声距离越长。但是，这导致振膜表面到装置中心的距离增大。目前最佳解决方案要求将4个独立振膜舱安置成尽可能彼此靠近，使得在梯度换能器后面的声音入口受到安置成接近的振膜舱产生的结构的影响。这意味着麦克风装置的内部形成的空腔和由于麦克风的布置而自然形成的分界，以及它的固定架等，都起到声学滤波器的作用，该声学滤波器被通向各个振膜舱后面的声音通道添加到通常的声学滤波中。这个附加的声学滤波器的影响是依赖于频率的，并对于那些声音波长与振膜维度或整个声场麦克风维度基本上为同一数量级的频率有最强的影响。在目前使用的声场麦克风中，这种强烈的影响基本上位于10kHz附近的频率范围内。在10kHz处，抑制，即，来自各个振膜舱最不敏感的方向的频率响应，变得最弱，并且大部分情况下，衰减到10dB以下。

为了补偿这些失真，EP 1737 268建议在各独立麦克风形成的内部空间中安放固定的元件，至少填满该空间的空的容积的一半。然而这个措施对于某些应用是不足的，因此需要提出更有效的解决方案。此外这个措施对于非理想多信号同步(coincidence)无效。

US 4,262,170披露了另一种多信号同步麦克风装置。指向特性符合公式E＝K+(1-k)cosθ，并且布置成尽可能彼此接近的麦克风定向成，使得最大灵敏度方向指向与其他方向呈一个方位角。这种装置用于录制环绕声音，但有缺陷，缺陷仍是不能最优地满足多信号同步条件。

DE 44 98 516 C2披露了沿同一直线布置且相互间隔大于2.5cm的三个麦克风的麦克风阵列。未陈述多信号同步。如声场麦克风中的指向特性的旋转，不可能发生，也不是该专利意欲达到的目的。

EP 1 643 798 A1披露了一种麦克风，其在外壳里容纳了两个边界麦克风(boundary microphone)。边界麦克风的特征在于通向振膜的前面的声音入口开口和通向振膜背面的声音入口开口都位于振膜舱的同一表面，即所谓“边界”中。通过将声音入口开口a、b都布置在振膜舱的同一侧上，可实现相对于振膜中心线不对称的指向特性，例如心型，超心型(hypercaidioid)等。这样的振膜舱在EP1 351 549 A2里以及对应的US 6,885,751 A中进行了详述，以上专利的内容全部都包括在本文中作为参考。

EP1 643 798 A1描述了一种装置(arrangement)，其中振膜舱布置为一个在另一个之上，声音入口开口可以彼此面对或者彼此背对。该系统用于噪音抑制，但不能适当地强调有用的声音方向，因此非期望的干扰噪音也不可接受地包括在了全部信号中。这种麦克风装置完全不适合录制环绕声音，因为将一个在另一个之上的振膜舱的布置所包括的所有部分封装起来的外壳所产生的阴影效应，将位于声音入口开口处的声场改变得如此厉害，使得不能对有关室内占优势的实际声场的问题作出推断。

DE 10 195 223 T1披露了一个以圆形方式布置的换能器元件组成的麦克风装置，它被建议用来录制整体的声场。该装置的理想半径定为50mm，这与多信号同步条件相差甚远，即不满足达到多信号同步的必要条件。录制原则建立在尝试通过在几个特定点处进行测量来对其他位置的声场作出推断的事实基础上。理论上，这个方法或多或少是有理的，但实际上，自由场非常敏感而易被物体的存在(例如临近麦克风的空间条件，麦克风固定架等)所干扰，以至于均衡功能要求在期望频率范围内转换信号，并导致相当大的计算量，而得不偿失。

回到声场麦克风，它的应用通常受到仅使用B格式信号W(球型)、X和Y(8字型)的事实的限制，因为它们试图为通常设置在一个平面上的普通扬声器配置进行录音。在声场麦克风中，其中两个振膜舱通常被设置成使它们的主方向向下，这意味着实际情况下它们会特别灵敏地对非理想的麦克风的安装或固定作出反应。这样的声学干扰基于振膜舱的布置，并由于安装材料上、地板上等的反射而变大。此外，紧密布置的振膜舱受到影响，因此合成全向信号的理论上旋转的对称的指向特性被扰乱。

在常规类型的声场麦克风中，最广泛使用的配置(X-Y-平面)通过切换四个振膜舱信号来实现。在X-Y-平面中的B格式信号由在声音的影响下所有振膜舱中符合呈大约54度角的麦克风信号形成。如果考虑梯度换能器的指向性振膜，各个振膜舱的抑制角的散射有越强的影响，则入口方向就偏离主方向(0度)越远。换言之，如果暴露给来自0度角的声音的具有稍微不同的极性模式(polar pattem)的两个振膜舱只有灵敏度不同，则可定义，在大于0度的角度处，作为不同抑制角度产生的结果，该差异增大一个百分比。

目前需要这样一种麦克风装置，其中各个换能器的信号可被转换为B格式，但是这种麦克风装置不具有现有技术已知的缺陷。首先，要保证多信号同步，并且可选地要改善多信号同步。应将由于各个振膜舱彼此遮掩而产生的阴影效应减弱很多，或使其根本不发生。最小化由紧靠麦克风布置的空间条件引起的声学干扰和与振膜舱容许误差(例如制造工艺的偏差)的相关性。使用声场麦克风的多方面的可能性不应受到限制。

这些目标通过刚刚提到的这种麦克风装置来达到，其中三个压力梯度换能器的声学中心位于一个假想的球体内，该假想的球体的半径对应于压力梯度换能器振膜的最大维度的两倍，使得三个压力梯度换能器的主方向在由三个压力梯度换能器的第一声音入口开口形成的一个基准平面上的投影，彼此围起一个角度，该角度的角度值在110°到130°之间。

第一准则确保了所有换能器的必要的多信号同步位置。在更优选的具体实施方式中，压力梯度换能器的声学中心位于一个半径对应于换能器振膜的最大维度的假想球体内。通过将声音入口开口移动到一起来增大多信号同步，可能会获得例外的结果。

上面提到的第一特征确定麦克风装置的多信号同步，主方向的朝向容许了B格式的合成。

发明内容

依据本发明的专利的特征在于，从三个压力梯度振膜舱的信号出发，形成B格式，该B格式包括全向信号和两个相互正交的8字型信号。

“合成的指向特性”被理解为表示各B格式信号，例如球型信号(W)与至少一个附加B格式信号(8字型)的任意组合，以及对它们的进一步处理，比如均衡、集束、旋转等。因此，认为各信号具有相应的权重。

“指向特性”这一表达被理解为不仅表示真实振膜舱的指向特性，还通常表示信号的指向特性。这些信号可由其他信号(比如B格式信号)组成，并具有复杂的指向特性。即使各个真实振膜舱在某些环境下不能获得这样的指向特性，在这种上下文中也使用“指向特性”这种表达，因为通过这种方式清楚地确立了所形成或合成的信号优选地从哪些空间区域产生声学信息。

附图说明

以下，借助于附图，进一步解释本发明。

图1示出了依据本发明的由三个梯度换能器组成的麦克风装置，

图1A示出依据本发明的麦克风装置的变型，

图1B示出各压力梯度振膜舱在公共外壳内的另一种变型，

图1C和图1D示出在边界处的装置，

图2示出本发明的另一种变型，

图2A示出一种变型，其中图2的梯度振膜舱被放入边界中，

图3示出声音入口开口分别在振膜舱外壳的相反侧上的梯度换能器，

图4示出声音入口开口均在振膜舱外壳的同一侧上的梯度换能器，

图5示出从Z-方向观察的各个梯度换能器的指向特性，

图6示出从Y-方向观察的指向特性，

图7示出由四个梯度换能器组成的麦克风装置的沿图7A中的线I-I获得的剖面视图，

图7A示出图7中的麦克风装置的俯视图，

图8示出依据图7的梯度换能器的从Y方向观察的指向特性，

图9示出生成B-信号的框图，

图10示出扩展信号处理单元的框图，

图10A示出对图10的描述，指向特性也被加入，

图11示出谱减法单元细节的框图，

图12示出与图10相比简化的电路，

图13示意性示出多信号同步的发明构想。

具体实施方式

图1示出依据本发明的一种麦克风装置10，由三个压力梯度换能器1、2、3构成。各换能器的指向特性由全向部分和8字型部分组成。指向特性基本上可以表示为P(θ)＝k+(1-k)×cos(θ)，其中k表示与角度无关的全向部分，(1-k)×cos(θ)表示与角度相关的8字型部分。以下将进一步论述指向特性的可替代的数学描述。如下所述，根据图1的下半部分绘出的各独立的换能器的方向分布，该情形涉及具有心型特性的梯度换能器。然而，原则上，从全向与8字型的组合得到的所有梯度都是可能的，例如超心型。

在所述实际例子中的梯度换能器1、2、3位于X-Y平面上，在该X-Y平面中梯度换能器1、2、3的主方向1c、2c、3c——即它们的最大灵敏度方向——相对于彼此相互倾斜成方位角

两个主方向之间的方位角

可采用110°到130°之间的值，但是最好采用120°。原则上任何类型的梯度换能器都适合本发明的实施，但是所描述的变型是尤其优选地，因为这是一种平坦(flat)换能器或所谓的边界麦克风(boundary microphone)，其中两个声音入口开口位于同侧表面上，即边界上。

图3和图4示出“标准”梯度振膜舱与“平坦”梯度振膜舱之间的差异。在前者中，如图3所示，声音入口开口“a”置于振膜舱外壳4的前面，第二声音入口开口“b”置于振膜舱外壳4的相反的后面。前声音入口开口“a”连接到振膜5的前面，该振膜5固定在振膜环6上，后声音入口开口“b”连接到振膜5的背面。箭头示出声波通往振膜5的前面或背面的路径。在电极7后面的区域中，在大多数情况下存在声学摩擦装置(acoustic frictionmeans)8，其可以被设计为压缩物、非织物或泡沫材料的形式。

在图4中的平坦梯度振膜舱(也称为边界麦克风)中，声音入口开口a、b都设置在振膜舱外壳4的前面上，其中，一个声音入口开口通向振膜5的前面，另一个声音入口开口通过声音通道9通向振膜5的背面。这种类型的换能器的优势在于其可以被结合到边界11(例如，车辆的操作台)中；并且，由于声学摩擦装置8，例如，非织物、泡沫材料、压缩物、多孔平板等可布置在紧邻振膜5的区域中，所以可得到非常平坦的设计。

通过将两个声音入口开口a、b都置于振膜舱的一侧上，实现了相对于振膜中心线对称的指向特性，例如，心型、超心型等。这样的振膜舱在EP1351 549 A2和对应的US 6,885,751A中详细描述，该专利的内容全部包括在本文中作为参考。

对于所有振膜舱，均适用的是，振膜前面的一侧是声音可以相对无障碍地到达的，反之，声音只能在穿过一个声学相位旋转元件后才能到达振膜的背面，通向前面的声音路径通常比通向背面的声音路径短。

回到图1表示的依据本发明的麦克风装置，目前这里有一个特殊的特征，三个梯度振膜舱1、2、3被定向成彼此相对，使得通向相应振膜的前面的声音入口开口1a、2a、3a尽量彼此靠近，但通向振膜的背面的声音入口开口1b、2b、3b位于装置的外围。在后续解释中，将连接线的延长线的交叉点视为麦克风装置的中心，其中连接线分别将前声音入口开口1a、2a、3a和后声音入口开口1b、2b、3b连接起来。三个换能器1、2、3的前声音入口开口1a、2a、3a置于装置的中心区域，也称作送话口(mouth piece)。这样做可以强烈地影响两个换能器的多信号同步(coincidence)。

多信号同步是因为梯度换能器1、2、3的声学中心尽可能彼此靠近，优选地位于同一点处而产生的。互补换能器(reciprocal transducer)的声学中心被定义为当换能器充当声源时全向波由其发散出去的点。Jacobsen，Finn；Barrera Figueroa，Salvador；Rasmussen，Knud于2004年在Acoustical Society ofAmerica Journal第115卷第4期第1468-1473页上的论文“A note on theconcept of acoustic center”检验了确定声源的声学中心的不同方法，包括基于偏离反距离定律(inverse distance law)的方法和基于相位响应的方法，该思路通过对电容麦克风的实验结果来论述。该论文内容被包括在本文中作为参考。

可通过利用距小空间区域中，即观察点中的换能器某方向以及某距离的某频率对声学换能器进行正弦激励期间测量球形波前(spherical wave front)来确定声学中心。从有关球形波前的信息开始，可以得到有关全向波的中心，即声学中心的结论。

同样适用于麦克风的关于声学中心的概念的详细介绍，在SalvadorBarrera-Figueroa和Knud Rasmussen于2006年在Acoustical Society ofAmerica Journal第120卷第5期第2668-2675页上的论文“The acoustic centerof laboratory standard microphones”中可以找到；该论文的内容被包括在本文中作为参考。该论文中描述的内容作为确定声学中心的许多可能的方法之一在下面加以介绍：

互补换能器(reciprocal transducer)，比如电容麦克风，是将换能器作为声音发射器还是声音接收器并不重要。在上述论文中，声学中心通过反距离定律(inverse distance law)来确定：

$p\left(r\right)=j\frac{\mathrm{\ρ}*f}{2*r_l}{M}_f*i*e^{-{\mathrm{\γ}}^{*}\mathrm{\η}}---\left(1\right)$

r_l......声学中心

ρ......空气密度

f......频率

M_f......麦克风灵敏度

i......电流

γ......复合声波传播系数

该结果仅适合于压力接收器。该结果表明，对于平均频率(1kHz范围内)确定的中心，偏离对于高频确定的中心。在此情况下，将声学中心定义为小区域。为确定梯度换能器的声学中心，在此使用完全不同的方法，因为公式(1)未考虑与近场有关的相关性。可以如下提出有关声学中心的问题：换能器必须绕哪个点旋转，以便观察到与观察点处相同的波前相位。

在梯度换能器中，可以从旋转对称性开始，使得声学中心可以仅位于垂直于振膜平面的线上。线上的准确点可通过两种测量来确定——最优选地，从0度的主方向以及从180度方向。这两个测量确定了依赖于频率的声学中心，除这两个测量的相位响应外，对于声学中心的平均估计，最简单的是随时间状况改变换能器在测量之间围绕旋转的旋转点，使得脉冲响应最大程度地叠合(或换言之，使得两个脉冲响应之间的最大相关性位于中心内)。

以上描述的振膜舱，两个声音入口开口都置于一个边界上，目前具有它们的声学中心不是振膜中心的特性。声学中心位于最靠近通往振膜的前面的声学入口开口的位置，因此在边界与振膜之间形成最短连接。声学中心也可能位于振膜舱之外。

本发明的多信号同步的标准要求，压力梯度振膜舱1、2、3的声学中心101、201、301位于一个假想的球体O内，该球体的半径R是换能器振膜的最大维度D的两倍。

一个更优选的装置是，压力梯度换能器的声学中心位于半径与换能器振膜的最大维度相对应的假想球体内。通过将声音入口开口移动到一起来增强多信号同步，可获得额外的结果。

更优选的多信号同步条件也在图13中示意性示出，已经证明对于依据本发明的换能器装置尤其适用：为保证这个多信号同步条件，压力梯度振膜舱1、2、3的声学中心101、201、301位于一个半径R等于换能器振膜的最大维度D的假想球体O内。振膜100、200、300的大小与位置在图13中以虚线标出。

作为另一种选择，这个多信号同步条件也可以定义为第一声音入口开口1a、2a、3a位于一个半径比压力梯度换能器中振膜的最大维度小的假想球体内。使用最大振膜维度(例如，圆形振膜的直径，或者三角形或矩形的边长)来确定多信号同步条件，相伴随的事实是振膜的大小确定噪声距离，由此，代表了设计声学几何结构的直接判定标准。自然可想到，振膜100、200、300不具有相同的维度。在这种情况下，使用最大振膜确定优选标准。

在描述过的实际例子中，三个压力梯度换能器1、2、3布置在一个平面内。各个换能器的连接线将前面的声音入口开口和后面的声音入口开口相互连接，连接线相互倾斜，成120°角。前面的声音入口开口位于优选的等边三角形的角处。同样，后面的声音入口开口位于优选的外等边三角形的角处。三个梯度换能器这样的布置基于了对最佳可能多信号同步的要求。

图1A表示本发明的另一种变型，梯度振膜舱未布置在一个平面内，而是布置在一个假想的全向表面上。这可能是真实条件下的情况，此时的麦克风装置的声音入口开口被布置在弯曲的边界上，例如，车辆的操控台上。

弯曲部分一方面造成到达中心的距离减小(这是希望达到的，因为声学中心的位置更靠近了)，另一方面造成送话口的开口因此被稍微遮蔽。另外，这将各个振膜舱的指向特性改变到一定程度，以致信号的8字型部分变的更小(从超心型，然后变成心型)。为了不让遮蔽的不良影响失控，优选地，弯曲部分的曲率应不超过60°。换言之，振膜舱放置在假想锥体的外表面上，该假想锥体的表面线与锥体中心线围成的夹角至少为30°。

通向振膜前面的声音入口开口1a、2a、3a位于一个平面上，此后将该平面称作基准面(base plane)，而声音入口开口1b、2b、3b位于这个平面以外。各个梯度换能器1、2、3的主方向与彼此围成120°夹角。主方向的这种朝向代表一种优选的变型。然而，从120°的布置偏离±10°也是可以的，并且也在本发明的范围内。三个梯度换能器的主方向呈120°间距的朝向，容许形成B格式，这将在下面进一步讨论。

如同振膜舱布置在一个平面上的实例，在此实例中，换能器的主方向彼此相互倾斜成方位角

即，换能器的主方向不仅在锥体中心线的平面上彼此相互倾斜，而且在垂直于锥体中心线的平面上的投影也彼此相互倾斜。

在图1A的装置中，三个梯度换能器的声学中心也位于半径等于换能器振膜最大维度的两倍的假想球体内部。借助于声学中心在空间上的这种临近，实现了本发明，尤其是B格式的形成所要求的多信号同步。如同图1中的变型，图1A中描述的振膜舱也优选地布置在边界上，例如被嵌入边界中。

通常，在几个声学换能器的布置中，存在可能限制使用范围(例如可用频率范围)的阴影效应。如果为了实施介绍部分中提到的那种类型的麦克风装置，而将换能器用于边界中或边界上，则所有阴影效应都被消除。

图1C和图1D中示出了将振膜舱布置在边界上的可能情况。在图1C中，振膜舱坐落在边界20上，而在图1D中振膜舱被嵌入边界20中，且振膜舱的前面与所述边界齐平。

图1B示出了另一种变型，其中压力梯度振膜舱1、2、3布置在一个公共外壳21内，各个换能器的振膜、电极、固定物通过中间壁彼此分隔开。从外面不再能看到通向振膜前面的第一声音入口开口1a、2a、3a和通向振膜背面的第二声音入口开口1b、2b、3b。声音入口开口布置于其中的公共外壳21的表面(参照依据图1的装置)可以是平面(参照依据图1A的装置)，还可以是曲面。该边界本身可以设计为平面、操作台、壁、包壳等。

图2示出本发明的另一种变型，构建了一种声音入口不在一侧的麦克风。在各压力梯度换能器1、2、3中，第一声音入口开口1a、2a、3a布置在振膜舱外壳的前面上，而第二声音入口开口1b、2b、3b布置在振膜舱外壳的后面上。因此通向振膜前面的第一声音入口开口彼此相面对，且再次满足了它们位于半径等于压力梯度换能器振膜的最大维度的两倍的假想球体内部的要求。三个梯度换能器的主方向(图2中用箭头表示)指向依据本发明的麦克风装置的公共中心区域。在第一声音入口开口1a、2a、3a或它们的中心所在平面上，主方向的投影再次与彼此围成120°的夹角，该平面在前面已经被定义为基准平面。±10°的偏离在本发明的范围内。

图2A示出了一种变型，其中图2的梯度振膜舱被嵌入到边界20内。必须注意，声音入口开口不能被边界20覆盖。

下面将进一步描述由各个振膜舱信号形成合成总信号的信号处理。其特殊性在于，应用于最经常使用的B格式(B-format)中的部分信号W、X、Y可以仅由三个振膜舱信号形成。此时，可以概括的方式将全向信号和至少两个8字型信号组成的一组信号看作B格式。在B格式的一般形式中，它由全向信号和至少两个8字型信号组成。在当前情况下，B格式包含全向信号和至少两个8字型信号。这些部分信号也称为平坦B格式(flat B-format)。

图9示出了如何由各个振膜舱信号K1、K2、K3(用虚线隔开的区域中的信号K4是任选的，它将在后面描述)形成平坦B格式。B格式包含全向信号W、B格式的X分量，和B格式的Y分量。相应的基本计算过程尚不需要标准化，该基本计算过程为：

W＝K1+K2+K3

X＝K2-K3

Y＝(2×K1)-K2-K3

并用依据图9的电路来实施。W是全向信号，X和Y是正交的8字型信号。

如果执行标准化，B格式信号采取以下描述的形式：每个梯度振膜舱的特性可以用以下公式描述：

$\mathrm{Kx}=\frac{1}{a+b}(a+b\cos \left(\mathrm{\θ}\right))---\left(1\right)$

其中a代表全向部分的加权因子，b代表梯度部分的加权因子。对于a＝1，b＝1，则得到心型；对于a＝1，b＝3，则得到超心型。

考虑被标准化到1的指向特性，来计算四个B格式中的三个信号：

$W=\frac{K1+K2+K3}{3}*\frac{(a+b)}{a}---\left(2\right)$

$X=\frac{(K2-K3)}{\sqrt{3}}*\frac{a+b}{b}---\left(3\right)$

$Y=\frac{(2K1-K2-K3)}{3}*\frac{(a+b)}{b}---\left(4\right)$

这里应注意，这些公式中包含了所采用的梯度振膜舱的指向特性，这并非美国专利4,042,779A中的情况，但在那个专利中也是正确的。在提到的专利中，使用了心型，但是没有指示转换过程，尤其是零阶(全向)和一阶(8字型)的B格式信号之间的比率，依赖于所用振膜舱的指向特性。

W代表全向信号，它是基本的全向指向性信号。X和Y各代表8字型波瓣，其对称中心线平行于麦克风的平面。X和Y相互正交，并因而彼此相互倾斜成90°。现在通过将8字型信号X、Y中的至少一个与全向信号W组合起来，可以生成任何随机的指向特性。通过用相应的加权因子来线性组合X和Y，可以在X-Y平面内旋转8字型信号。通过将此经旋转的8字型与全向信号线性组合起来，可以在不同方向上旋转合成信号的主方向。

这种线性组合通常可被写作合成信号

M(q，r，s)＝q×W+r×X+s×Y，

其中q、r、s代表加权因子，B格式信号并入到最终信号M中。

在图7所示的尤其优选的变型中，依据本发明的麦克风装置包括了附加的梯度换能器4。附加的梯度换能器4的指向特性包含至少一个8字型部分。

图7示出本发明的尤其优选的变型，除了具有三个压力梯度换能器1、2、3(为了区别也称作基本压力梯度换能器)以外，该变型还具有附加压力梯度换能器4，该附加压力梯度换能器4布置在三个基本压力梯度换能器1、2、3的中心的下方。当前实例中的附加换能器4是图3中示出的换能器。4a表示通向振膜的前面的第一声音入口开口，4b代表通向振膜的背面的第二声音入口开口。声音入口开口4a、4b都位于麦克风装置的对称中心线上。图7A示出装置沿I-I的截面图。附加的第四换能器可以具有纯8字型特性K4＝cos(θ)，或者可以额外地包含全向部分k。后一种情况下，此梯度换能器的信号可以因此表示成以下形式：

K4＝k+(1-k)×cos(θ)或再次表示为

由此将8字型部分定向成，使得8字型的对称中心线4c垂直于前面已定义的基准平面(也就是由压力梯度换能器1、2、3的第一组三个声音入口开口延展成的平面)。即使附加压力梯度振膜舱4包括全向部分，第四振膜舱的主方向4c基本垂直于基准平面仍适用。依靠这个第四振膜舱，可以形成完整的B格式，该B格式由球型W和三个正交的8字型X、Y、Z组成。

附加的压力梯度振膜舱4可以对图1、图1A、和图1B、以及图2、图2A中示出的麦克风加以补充。各个指向特性的朝向可以从图5、6，和8推导出，其中图5和6示出有三个振膜舱的情况，图8示出有附加振膜舱4的情况。在使用附加的压力梯度振膜舱时，必须注意后面的声音入口不能被覆盖，也就是说，整个振膜舱装置不能布置在边界中。

图9示出用于产生B格式信号的框图。通过A/D换能器来数字化各个换能器的信号，且通过滤波器F1、F2，和F3使各个换能器的频率响应彼此相等。通过相应的加法和减法，以及乘法运算，依据B格式的等式对信号进行修正，并且通过放大器71、72、73和74对信号进行加权或标准化，使得依据以上公式形成标准化的B格式信号X、W、Y、Z。

可以通过用线性滤波器单元F3对麦克风信号K4进行滤波，来用已经从三个振膜舱1、2、3获得的全向信号W补偿信号K4可选地包含的全向部分k，使得在滤波器之后，在X-Y平面上来自任意方向的声音暴露(soundexposure)过程中，在滤波器F3之后形成与W信号相同的信号。换言之，通过测量来自横切于梯度换能器K4主方向的方向上的脉冲响应，来推导出全向信号。

因此，在减法运算Z＝K4(用F3滤波过)-W的过程中，具有8字型特性的纯梯度信号被留下，其对称中心线垂直于信号X和Y的对称中心线。因此，这个梯度信号在Z方向上，Z方向垂直于边界(如果边界是一个平面)。可以通过线性滤波来调整梯度信号Z的频率响应以及X信号和Y信号的灵敏度的性质。因此，如在普通的声场麦克风中一样，获得了四个可以与彼此随机相组合的B格式信号。因此一般表达式写成：

M(q，r，s，t)＝q×W+r×X+s×Y+t×Z，

这样的声场麦克风的应用领域很多，而且可以扩展到用在车辆、飞机中，用于对音乐、会议进行录音等。

以下将推导出本发明特别引人关注的方面。合成的麦克风信号M1、M2，和可选的M3，作为基础，这些信号依据以下公式来计算：

M(q，r，s)＝q×W+r×X+s×Y，

或

M(q，r，s，t)＝q×W+r×X+s×Y+t×Z，

合成信号M1、M2，和M3目前的指向特性定向成如图所示那样。它们是心型的，主方向位于一个平面内，且彼此相互倾斜成约120°。下面的例子将描述利用这种定向的合成信号M1、M2，和M3，但是原则上不限于此。信号的任何随机组合都是可以的。

图10示出合成信号M1和M2所位于的输出端之间的示意框图，并示出了信号处理单元30的输出端31。如果尚未以任何方式将合成的信号数字化，则最初将用A/D换能器(未示出)来将合成的信号数字化。随后，将所有合成信号的频率响应相互比较，以便补偿各个振膜舱的制造公差。这通过线性滤波器32、33进行，这些滤波器将合成信号M2、M3的频率响应调整成合成信号M1的频率响应。线性滤波器32、33的滤波系数由所有参与的梯度换能器的脉冲响应确定，这些脉冲响应是从0°角，即主方向，测量出的。脉冲响应是当换能器暴露于被限制在很窄的时间范围内的声音脉冲时该换能器的输出信号。在确定滤波系数时，将换能器2和3的脉冲响应与换能器1的脉冲响应相比较。依据图5的线性滤波器的结果是，所有梯度换能器1、2、3的脉冲响应在通过滤波器后具有相同的频率响应。这一举措用来补偿各个振膜舱的性能的偏差。

随后，在框图中，和信号f1+f2、差信号f1-f2由滤波器信号f1和f2形成，f1和f2是M1和M2通过滤波后的结果。和信号依赖于指向特性和空间中的朝向，因此也依赖于各个信号M1、M2的主方向相对于彼此所成的角度，并或多或少包括含大的全向部分。

现在，在另一个线性滤波器34中处理两个信号f1+f2或f1-f2中的至少一个。该滤波用来相对于彼此地调整这两个信号，使得均具有全向部分的差信号f2-f1和信号f1+f2，在交叠时具有最大可能的一致性(agreement)。

在本示例中，在滤波器34中根据频率的函数膨胀或收缩具有8字型指向特性的差信号f2-f1，使得当该信号被从和信号中减去时产生的信号中发生最强抑制。滤波器34中的调整分别对于每个频率和每个频率范围进行。

滤波器34的滤波系数的确定也通过各个换能器的脉冲响应发生。对求差信号f2-f1进行滤波得出信号s2；(可选地经滤波的)求和信号f1+f2，在实例中只利用两个合成信号M1，M2，得出信号s1(在只使用两个信号M1、M2的情况下，虚线分割线右侧所示的信号处理单元30的部分不存在。)

然而，在信号处理中可演变三个合成信号M1、M2、M3(图10分割线右面)。在线性滤波器33中变得与信号M1的频率响应相等的信号f3，现在与放大因子v相乘，并作为v×f3被从和信号f1+f2中减去。在三个信号的情况下，产生的信号s1对应于(f1+f2)-(v×f3)。

最初通过放大因子v确立，有用的方向应该位于哪个方向上，即，将由合成的总信号的指向特性严格限定的那个空间方向。原则上，可能的有用方向是不受限制的，因为可以任意地旋转合成信号M1、M2、M3。例如，如果因子v非常小，第三个合成信号M3对总信号的影响是有限的，且相对于信号v×f3，和信号f1+f2占优势。另一方面，如果放大器因子v是负数且很大，则单个信号v×f3将比和信号f1+f2更占优势，并且有用的声音方向，或合成的总信号将其灵敏度所指向的方向，将因此相对于以前的实例旋转180°。通过改变因子v，则允许了和信号的改变，使得在希望的方向上生成任意的指向特性。

这种集束机制(bundling mechanism)可应用于所有的信号组合。在设想要发生集束的方向上，需要固有的谱减法功能块。在谱减法功能块之前发生的信号处理步骤，可以组合到一定程度，使得对于两个相反方向只需因子v不同，而对于这两个方向其他所有前述步骤及分支保持相同。

以下将进一步解释应用于两个中间信号s1和s2及在功能块40中发生的谱减法。图11详细示出谱减法功能块40的各部分，并属于数字层面的计算。在此简要提一下，信号的A/D转换只可能发生在谱减法功能块40之前，且此前进行的滤波和信号组合都发生在模拟层面上。

由在同一时间和同一位置(或至少在紧挨着的临近处)记录的信号得到的时间范围中，两个信号s1(n)和s2(n)用作功能块40的输入。这保证了换能器1、2、3的多信号同步布置；s1(n)代表具有最有用的信号部分的信号，而s2(n)代表包含更多干扰信号的信号，其中信号s2(n)的特征在于：从极性坐标图中看来，信号s2(n)在有用的声音方向上具有零位置(zero-position)；n代表样本索引，因此s(n)对应于希望时间范围中的信号。

标记为50的单元从连续到达的样本生成块长度为N＝L+(M-1)的各个块。L代表相应块中的新数据样本的数量，而样本的剩余部分(M-1)也已经在前面的块中找到。此方法在文献中作为“叠加与保存(overlap and save)”法被熟知，并且在John G.Proakis和Dimitris G.Manolakis(Prentice Hall)所著的书“Digital Signal Processing”中第432页被描述。此书的相关章节通过引用被全部包括在此描述中。

在M-1个样本已经从前面的块到达单元50的时刻，一个块中包含的N个样本被输送到标记为51的单元。单元51的特征在于：在此区域中，处理以面向块的方式发生。另一方面，封装到多个块中的信号s1(n，N)到达单元51，而为以同样方式封装到多个块中的信号s2(n，N)提供单元52。

在单元51、52中，被组合到一个块中的s1和s2的尾样本，通过FFT(快速傅立叶变换)，例如DFT(离散傅立叶变换)，被变换到频域范围中。形成的信号S1(ω)和S2(ω)在值和相位上被分解，使得在单元51和52的输出处产生值信号|S1ω)|和|S2(ω)|。通过谱减法，这两个值信号彼此相减并产生(|S1(ω)|-|S2(ω)|)。

随后，将产生的信号(|S1(ω)|-|S2(ω)|)变换回时域。为了达到此目的，在逆变换中使用在单元51中从S1(ω)＝|S1ω)|×Θ1(ω)分离出的相位Θ1(ω)，该相位Θ1(ω)与值信号|S1(ω)|一样也具有N样本长度。在单元53中，逆变换通过IFFT(逆向快速傅立叶变换)，例如IDFT(逆向离散傅立叶变换)发生，并且基于S1(ω)的相位信号Θ1(ω)执行。因此，单元53的输出信号可表示为IFFT[(|S1(ω)|-|S2(ω)|)×exp(Θ1(ω))]。

这样生成的长数字时间信号S12(n，N)的N样本反馈回到处理单元50，在该单元中依据“叠加与保存”方法的计算过程将该样本合并到输出数据流S12(n)中。

在此方法中必须获得的参数是块长度N和比率(M-1)/fs[s](采样频率为fs的情况下)，由此启动一个新的块的计算和产生。原则上，在任何单个样本中，如果计算单元快到足以在两个样本间执行整个计算，则可执行整个计算。实际条件下，已经证实了作为块长度约50ms是可用的，而作为重复频率(repetition rate)约200Hz是可用的，此时启动新的块的产生处理。

所描述的谱减法的方法仅代表许多可能性的其中之一。谱减法方法自身代表了现有技术中已知的方法。

在刚刚描述的信号处理(图10和图10A)中，从B格式信号出发，可产生被严格约束在具体方向上的信号，该信号处理也可以更简单直接地执行。图12示出由三个B格式信号W、X、Y形成合成信号s1和s2的相应电路。随后的谱减法功能块40保持不变。放大器61和65依据打算将指向特性的狭窄波瓣指引到的方向，为各个B格式信号加权。滤波器34确保在从信号s2中减去信号s1的谱减法中，产生的信号s12具有最小能量。同样是，使用信号s1的相位来提供具有此相位的差信号，信号s1同样包含全向部分(W)。如以上已详细描述，此手段用于显示有用信号的原始特征。图10和图10A以及图12的共同特征是尝试产生除具有8字型部分X、Y以外还具有全向部分W的信号s1，以及可能最纯的8字型信号s2。

依据本发明的方法的本质上的优点是通过以下事实获得的，即，合成输出信号s12(n)包含来自特定方向的相位信息，其中特定方向指向有用声源或被集束到有用声源；与s2相比，相位被使用的s1是具有渐增的有用信号部分的信号。因此，有用信号未失真，并保留了其原始的声音。

借助于各个中间信号的方向效应，使本发明的功能方法和效果变得特别明显。图10A示出了各个组合信号M1、M2、M3及中间信号的合成指向特性，其中振幅在每种情况下都被标准化到指定为0°的有用声音方向，也就是，所有极坐标曲线和从0°方向暴露声音的过程中的那些被标准化到0dB。输出信号31则具有特定地严格集束到一个方向上的指向特性。

Claims (17)

1.一种麦克风装置，其包括三个压力梯度换能器(1，2，3)，各压力梯度换能器具有振膜，各压力梯度换能器(1，2，3)具有通向振膜的前面的第一声音入口开口(1a，2a，3a)，以及通向振膜的背面的第二声音入口开口(1b，2b，3b)，并且其中各压力梯度换能器(1，2，3)的指向特性包括全向部分和8字型部分，并具有最大灵敏度方向，即主方向，并且其中压力梯度换能器(1，2)的主方向(1c，2c，3c)相对于彼此相互倾斜，其特征在于三个压力梯度换能器(1，2，3)的声学中心(101，201，301)位于假想球体(O)内部，该球体的半径(R)对应于压力梯度换能器(1，2，3)的振膜(100，200，300)的最大维度(D)的两倍，并且三个压力梯度换能器的主方向(1c，2c，3c)在基准平面上的投影彼此围成值在110°到130°之间的角度，该基准平面由三个压力梯度换能器(1，2，3)的第一声音入口开口(1a，2a，3a)延展成。

2.根据权利要求1所述的麦克风装置，其特征在于压力梯度换能器(1，2，3)的声学中心(101，201，301)位于半径对应于换能器(1，2，3)的振膜(100，200，300)的最大维度(D)的假想球体(O)内部。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的麦克风装置，其特征在于三个压力梯度换能器(1，2，3)的主方向(1c，2c，3c)在一个平面上的投影彼此围成基本上120°的角度，其中第一声音入口开口(1a，2a，3a)也位于该平面中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的麦克风装置，其特征在于压力梯度换能器(1，2，3)布置在边界(20)内。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的麦克风装置，其特征在于三个压力梯度换能器(1，2，3)中的每一个中，第一声音入口开口(1a，2a，3a)和第二声音入口开口(1b，2b，3b)均布置在同一侧上，即外壳的前面上。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的麦克风装置，其特征在于三个压力梯度换能器(1，2，3)的前侧布置成与边界齐平。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的麦克风装置，其特征在于各压力梯度换能器(1，2，3)中，第一声音入口开口(1a，2a，3a)布置在振膜舱外壳的前面，而第二声音入口开口(1b，2b，3b)布置在振膜舱外壳的背面。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的麦克风装置，其特征在于三个压力梯度换能器(1，2，3)贴靠在假想等边三角柱体的三个侧表面上。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的麦克风装置，其特征在于三个压力梯度换能器(1，2，3)贴靠在假想的具有等边三角形底部的正棱锥体的三个侧表面上。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的麦克风装置，其特征在于三个压力梯度换能器(1，2，3)布置在公共的振膜舱外壳(21)中。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的麦克风装置，其特征在于提供了具有振膜的附加压力梯度换能器(4)，其中附加压力梯度振膜舱(4)具有通向振膜的前面的第一声音入口开口(4a)，以及通向振膜的背面的第二声音入口开口(4b)，附加压力梯度换能器(4)的声学中心位于假想球体(O)内部，其他压力梯度换能器(1，2，3)的声学中心也位于该假想球体(O)内部，并且附加压力梯度换能器(4)的主方向(4c)基本垂直于基准平面。

12.根据权利要求11所述的麦克风装置，其特征在于附加压力梯度换能器(4)具有8字型特性。

13.一种用于将来自根据权利要求1至11中任一项所述的麦克风装置的一个或多个麦克风信号合成的方法，其特征在于，从三个压力梯度换能器(1，2，3)的信号(K1，K2，K3)出发，形成B格式(W，X，Y)，该B格式(W，X，Y)包括全向信号(W)和两个彼此正交的8字型信号(X，Y)。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，从三个压力梯度换能器(1，2，3)的信号(K1，K2，K3)以及附加压力梯度换能器(4)的信号(K4)出发，形成B格式(W，X，Y，Z)，该B格式(W，X，Y，Z)包含全向信号(W)和三个相互正交的8字型信号(X，Y，Z)。

15.根据权利要求13至14中任一项所述的方法，其特征在于对B格式进行标准化，根据该标准化，B格式信号(W，X，Y)呈现为以下形式：

$W=\frac{K1+K2+K3}{3}*\frac{(a+b)}{a}$

$X=\frac{(K2-K3)}{\sqrt{3}}*\frac{(a+b)}{b},$ $Y=\frac{(2K1-K2-K3)}{3}*\frac{(a+b)}{b},$

其中a代表三个压力梯度振膜舱(1，2，3)的信号(K1，K2，K3)的全向部分的加权因子，且b代表信号(K1，K2，K3)的8字型部分的加权因子，其中信号(K1，K2，K3)可以用以下表达式来描述：

16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于形成由B格式(W，X，Y)合成的两个信号(s1，s2)，其中第一信号(s1)包含全向部分(W)和至少一个8字型部分(X，Y)，第二信号(s2)包含至少一个8字型部分(X，Y)，将信号(s1，s2)变换到频率范围(S1(ω)，S2(ω))中，并独立于信号(s1，s2)的相位通过谱减法使信号(s1，s2)彼此相减，在将信号逆变换回时域范围之前，提供用信号(S1(ω))的相位(Θ1(ω))形成的信号，信号(S1(ω))源自于也包含全向部分(W)的第一信号(s1)。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于在形成合成信号(s1，s2)之前，使B格式信号(W，X，Y，Z)的频率响应彼此相等。

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