CN101911722B - 具有两个压力梯度换能器的麦克风装置 - Google Patents

具有两个压力梯度换能器的麦克风装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有两个压力梯度换能器(1，2)的麦克风装置，各压力梯度换能器具有振膜，且各压力梯度换能器(1，2)具有通向振膜前面的第一声音入口开口(1a，2a)，以及通向振膜背面的第二声音入口开口(1b，2b)，其中各压力梯度换能器(1，2)的指向特性包括全向部分和8字形部分，并具有最大灵敏度方向，即主方向，其中压力梯度换能器(1，2)的主方向(1c，2c)相对于彼此倾斜。为生成B格式，麦克风装置具有压力换能器(3)，且压力梯度换能器(1，2)和压力换能器(3)的声学中心位于半径对应于换能器(1，2，3)振膜最大维度的两倍的假想球体内。

Description

具有两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)，具有两个压力梯度换能器(pressure gradient transducer)，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字形部分，并具有最大灵敏度方向，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 25 31 161 C1)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字形中，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轴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轴线(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形(W)和三个彼此正交的8字形(X，Y，Z)。三个8字形(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字形X、Y、Z的主方向垂直于包围四面体的立方体的侧面。通过线性组合这些B格式(B-format)信号中的至少两个，可以合成任意的(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字形信号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形和心形之间的指向特性，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(frequency trend)。如果现在在任意方向上考虑合成振膜舱，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字形(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拾取的声音事件之后，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。
对于声场麦克风的声音录制品，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°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，这样布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麦克风装置自然形成的分界，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，抑制区域(rejection region)，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建议在各麦克风形成的空间内部中安放固定的元件，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，可实现相对于振膜轴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 6,885,751A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，但不能恰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，这些换能器元件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，即不满足多信号同步的条件。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(球形)、X和Y(8字形)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，因为合成全向信号的理论上旋转的对称的指向特性被扰乱，紧密布置的振膜舱受到影响。
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°)越远。换言之，如果暴露给来自0°角的声音的两个振膜舱只有灵敏度不同，则可定义，在大于0°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装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。
发明内容
这些目标通过刚刚提到的这种麦克风装置来达到，因为该麦克风装置具有压力换能器，也称作零阶换能器，并因为压力梯度振膜舱和压力换能器的声学中心位于半径对应于换能器振膜的最大维度的两倍的假想球形内。
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，压力梯度换能器和压力换能器的声学中心位于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。
依据本发明的方法的特征在于，从两个压力梯度振膜舱和压力换能器的信号出发，形成B格式，该B格式包括全向信号和两个相互正交的8字形信号。
“合成的指向特性”被理解为表示各B格式信号，例如球形信号(W)与至少一个附加B格式信号(8字形)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
以下参考附图进一步描述本发明。
图1示出根据本发明的麦克风装置，其由两个梯度换能器和压力换能器组成，
图2A示出根据本发明的麦克风装置的变型，
图2B示出一种变型，图2的换能器被嵌入边界内部，
图3示出声音入口开口位于振膜舱外壳的相反侧上的梯度换能器，
图4示出声音入口开口位于振膜舱外壳的同一侧上的梯度换能器，
图5示出压力换能器的剖面图，
图6示出三个换能器的指向特性，其中各压力梯度换能器的主方向围成90°的角，
图7示出三个换能器的指向特性，其中压力梯度换能器的主方向围成120°的角，
图8示出用于产生来自根据图6的装置的B-格式信号的框图，
图9示出用于产生来自根据图7的装置的B-格式信号的框图，
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示出根据本发明的麦克风装置10，由两个压力梯度换能器1、2和一个压力换能器3构成。压力梯度换能器的指向特性由全向部分和8字形部分组成。这种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字形部分。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的下半部分绘出的单个换能器的方向分布，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字形的组合得到的所有梯度都是可能的，例如超心型。
压力换能器3的指向特性在理想情况下是全向的。由于制造容许误差和质量的作用，在较高频率可能发生对全向形的偏离，但是指向特性总是基本上可用球形来描述。与梯度换能器相比，压力换能器仅有一个声音入口开口，因此振膜的偏转(deflection)与振膜的前面和后面之间的压力成比例，而不与压力梯度成比例。
在所描述的实例中，梯度换能器1、2位于X-Y平面中，在该X-Y平面中梯度换能器1、2的主方向1c、2c(最大灵敏度方向)彼此相互倾斜成方位角
Figure BPA00001182603200071
(图1的下半部分)。两个主方向之间的角度优选地采用30°到150°之间的值。最好的角度约为90°。在90°，呈现两个彼此正交并因此容易处理的信号，因此可以对B格式进行特定的一流的计算。原则上，任何类型的梯度换能器都适合本发明的实施，但是所描述的实例尤其优选，因为其包含平坦的换能器或即所谓的边界麦克风，在该换能器中两个声音入口方向位于同侧表面上，也就是边界上。
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。对于所有压力梯度振膜舱，均适用的是，振膜的前面是声音可以相对无障碍地到达的一侧，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后面。通常，通向前面的声音路径比通向背面的声音路径短。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，大多数情况下存在声学摩擦装置8，其可以被设计为压缩物、非之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经由声音通道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在一个边界11(例如，车辆的操作台)中；并且，由于声学摩擦装置8的实例，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均布置在振膜舱的一侧上，实现了相对于振膜轴线对称的指向特性，例如，心型、超心型等。在EP 1 351 549 A2和对应的US 6,885,751A中详细描述了这样的振膜舱，该专利的内容全部包括在本文中作为参考。
图5中示出压力换能器，也称为零阶换能器。仅仅振膜的前面连接到零阶换能器中的围绕物，反之它们的背面面对封闭的容积。压力换能器具有基本上为全向的指向特性，因为频率的作用，可获得对全向的微小偏离。
回到图1所示的根据本发明的麦克风装置，目前这有一个特殊的特性，两个梯度振膜舱1、2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尽量彼此靠近，但通向振膜背面的声音入口开口1b、2b位于装置的外围。在后续解释中，将连接线延长线的交叉点视为麦克风装置的中心，其中连接线将前声音入口开口1a、2a和后声音入口开口1b、2b连接起来。在图1的下半部分中，这是主方向1c、2c指向的中心。两个换能器1和2的前声音入口开口1a、2a，也称为送话口(mouthpieces)，因此置于装置的中心区域。这样做可以强烈地影响两个转换器的信号重合。根据本发明，压力换能器3置于麦克风装置的中心区域，在该麦克风装置中压力换能器3的单声音入口开口优选地置于压力梯度换能器1、2的声音入口开口连接线的交叉点处。以下考虑事项将麦克风装置限制到功能特别好的变型。
多信号同步是因为梯度换能器1、2和压力换能器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 of America Journal第115卷第4期第1468-1473页上的论文“A note on the concept 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在某方向上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 wavefront)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：
对于互补换能器(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 ( r ) = j ρ * f 2 * r l M f * i * e - γ * r l - - - ( 1 )
rl……声学中心
ρ……空气密度
f……频率
Mf……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。这两个测量确定了与频率有关的声学中心，除这两个测量的相位响应外，对于在所用时间范围中的声学中心的平均估计，最简单的是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。
在附加的压力换能器的使用过程中，还必须考虑以下因素：通过外部压力换能器将全向信号部分与压力梯度振膜舱的8字形信号部分分离开的先决条件为，除信号同步外，还有全向特性的恒定性，这种全向特性的恒定性可作为全向信号部分和8字形信号部分可达到的分离的质量标准度量。
如果认为压力换能器的振膜位于XY-平面中，并将XY-平面内任意方向与X-轴围成的角度提作方位角，并将任意方向与XY-平面围成的角度提作仰角，实际上可以做出以下陈述：
压力换能器信号与理想全向信号的偏离通常随频率的增长(例如大于1kHz)而变大，但是在声音从不同仰角暴露的过程中增长地更强。
基于这样的考虑，当压力换能器布置在边界上使得振膜基本上平行于该边界时，可获得特别优选的变型。作为另一个优选变型，振膜的位置尽可能接近边界，优选地，与边界齐平，但是至少在与振膜的最大维度对应的距离内。这样的变型使全向信号部分与8字形信号部分的分离质量特别高。利用这种变型，还可以简单地解释压力换能器的声学中心的定义。这样的结合的声学中心位于在振膜中心处与振膜表面正交的线上。作为良好的近似，为简便起见，可以假设声学中心位于中心处的振膜表面上。
本发明信号同步标准要求，压力梯度换能器1、2和压力换能器3的声学中心101、201、301位于假想球体O的内部，此球体的半径R是换能器振膜的最大维度D的两倍。
在更优选的实施例中，压力梯度换能器和压力换能器的声学中心位于假想的球体内部，此球体的半径对应于换能器振膜的最大维度。通过将声音入口开口移动到一起以增强信号同步，可以实现异常的结果。
在图13中时示意性示出(比例不真实，只用来更好地理解概念)的更优选的信号同步条件，已经证明对于依据本发明的换能器装置特别适用：为保证这个信号同步条件，压力梯度振膜舱1、2和压力换能器3的声学中心101、201、301位于假想的球体O的内部，此球体的半径R等于换能器振膜的最大维度D。图13中利用虚线指出振膜100、200、300的大小与位置。
作为另一种选择，也可描述此信号同步条件，因为第一声音入口开口1a、2a和压力换能器3的声音入口开口位于假想的球体内部，此球体的半径对应于换能器振膜的最大维度的两倍。与使用最大振膜维度(例如，圆形振膜的直径，或者三角形或矩形的边长)来确定信号同步条件相伴随的事实是，振膜的尺寸确定噪声距离，由此，代表了设计声学几何的直接标准。可以很自然地设想到振膜100、200、300不具有相同的维度。这种情况下，使用最大振膜确定优选标准。
在所述的实际例子中，在平面上布置两个梯度换能器1、2。单个换能器器的连接线将前声音入口开口和后声音入口开口相互连接，连接线相互倾斜，成约120°角。
图2C示出本发明的另一种变型，其中，并没有将两个压力梯度换能器1、2和压力换能器3布置在一个平面上，而是布置在假想的全向表面上。这可以是实际中的例子，当在曲线边界上，例如车辆的控制台上布置麦克风装置的声音入口开口时。为清楚起见，图2C中未示出其中嵌入了换能器或者其上固定了换能器的边界。
如图2C中所示的曲率，一方面造成到中心的距离减小(这是期望出现的，因为声学中心位置更向一起靠近)，另一方面造成送话口开口因此稍微被遮蔽。此外，这改变了各个振膜舱的指向特性，信号的8字形部分变得更小(从超心形，随后形成心形)。为了不让遮蔽的不良影响失控，曲率优选地不超过60°。换句话说：压力梯度振膜舱1、2位于假想的锥体的外侧表面上，此锥体的表面线与锥体轴线所围成的角度至少为30°。
通向振膜前面的声音入口开口1a、2a和压力换能器的声音入口开口3a位于一个平面上，此后将该平面称为基础平面，然而，在曲线边界上的装置中，声音入口开口1b、2b位于此基础平面的外部。两个梯度换能器1、2的主方向在如此定义的基础平面中的投影围成了优选在30°到150°之间的角，但特别优选的是基本上90°的角。
如将振膜舱布置在一个平面上的实例中一样，在此实例中，压力梯度换能器的主方向彼此相互倾斜成方位角
Figure BPA00001182603200111
也就是说，它们不仅在的锥体轴线的平面上相互倾斜，而且主方向的投影在与锥体轴线正交的平面上也彼此相互倾斜。
在图2C的装置中，两个梯度换能器1、2和压力换能器3的声学中心也位于假想的球体内部，此球体的半径对应于换能器振膜的最大维度的两倍。通过声学中心在空间上的接近，实现了本发明所需要的信号同步，尤其对于B-格式的形成。如图1中的变型一样，图2C中所示的振膜舱优选地布置在边界上，例如被嵌入在边界中。
图2D和图2E示出了将振膜舱布置在边界上的可能性。图2D示出图1中的麦克风装置的截面，图2D中的振膜舱，位于边界20上或者固定到边界20，然而，在图2E中，它们被嵌入边界20中，并且它们的前部与边界20齐平。
可以设想另一种变型，其中，将压力梯度振膜舱1、2和压力换能器3布置在公共外壳内，振膜、电极和各换能器的安装物通过中间壁彼此分开。从外部不再能看到声音入口开口。公共外壳的表面可以是平面(参照根据图1的装置)或者曲面(参照根据图1A的装置)，其中公共外壳的表面内布置了声音入口开口。边界本身可以形成为板式、控制台、壁式、包覆层等。
图2A和2B示出本发明的另一种变型，其无需单侧声音入口麦克风(one-side sound inlet microphone)。在压力梯度换能器1、2的每一个中，第一声音入口开口1a、2a布置在振膜舱外壳的前部上，第二声音入口开口1b、2b布置在振膜舱外壳的后部上。压力换能器3仅在前面具有声音入口开口3a。第一声音入口开口1a、2a通向振膜的前面，彼此面对，并满足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。两个梯度换能器的主方向(图1中箭头所示)使根据本发明的麦克风装置在公共中心区域中。在第一声音入口开口1a、2a和它们的中心以及压力换能器3的声音入口开口3a所在的平面中，主方向的投影再次彼此围成30°到150°的角，优选地为90°角，该平面在前面已被定义为基础平面。±10°的偏离在本发明的范围内。
图2B示出一种变型，其中图2A的梯度振膜舱嵌入边界20内。必须注意声音入口开口不能被边界20覆盖。
以下进一步描述由各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-格式中的部分信号W、X、Y可以仅由三个振膜舱信号形成。此时，由全向信号和至少两个8字形信号组成的一组信号可以概括的方式被看作B-格式。
最初，B-格式的形成发生在这样一种麦克风装置中，其中，在曲线边界的情况下，两个梯度换能器1、2的主方向1c、2c或者主方向在基础平面(在前面定义)上的投影彼此围成90°的角。图6中示出在这样的装置中的各换能器1、2、3的指向特性。
图8通过一个框图示出如何从各振膜舱信号K1、K2、K3形成B格式。B-格式包含全向信号W、B格式的X分量和Y分量。目标是从换能器1、2的各梯度信号中提取8字形信号。它的发生是由于借助于压力换能器的全向信号将梯度信号的全向部分从梯度信号中去除。
以下是相应的基本计算过程，其中仍不考虑标准化(normalization)，并且从主方向的线性频率响应和同电平(same level)出发：
W＝K3
X＝K1-K3
Y＝K2-K3
这一过程通过根据图9的电路实施。W是全向信号，X和Y是正交的8字形信号。
为了能够实际上从梯度信号中减去梯度信号的整个全向部分，大多数情况下需要对各个换能器信号进行标准化(normalization)。此标准化可以用不同方式发生，例如，如以下进一步的描述：
每个单个梯度振膜舱的特性可以用以下公式来描述：
K x = 1 a x + b x ( a x + b x cos ( θ ) ) - - - ( 1 )
其中ax代表全向部分的加权因子，bx代表梯度部分的加权因子。对于取值ax＝1，bx＝1，得到心型；对于取值ax＝1，bx＝3，得到超心型。
如果执行这样的标准化，B格式信号呈以下描述的形状：
W＝K3
X = K 1 - K 3 * a 1 a 1 + b 1
Y = K 2 - K 3 * a 2 a 2 + b 2
这里需要注意，这些公式中包含了所用梯度振膜舱的指向特性，这并非美国专利4,042,779A中的情况，但在该专利中也是正确的。在提到的专利中，使用了心型作为出发点，但是没有指示转换过程，尤其是零阶和一阶B格式信号之间的比率，依赖于所用振膜舱的指向特性。
但是，在实际情况下，梯度振膜舱不可能总用作出发点，一方面，出发点在整个频率范围内具有线性频率响应，另一方面出发点具有的频率响应在声音暴露于另一方向期间仅电平(level)不同。
因此计算之前有必要先对信号进行滤波，在图8中显然可见。最初计算校正因子F1，使得梯度换能器1在来自梯度换能器2的主方向(最大灵敏度方向)的声音暴露期间生成与压力换能器3相同的信号。
以同样的方式计算滤波系数和滤波器F2。为实现此目的，调整梯度换能器信号K2，以便其在暴露于来自梯度换能器1主方向的声音期间产生与压力换能器3相同的信号，反之亦然。
因而，在X、Y和W信道中，任意电平差异和/或频率响应差异可以通过相应滤波器71、72、73(根据向下指向的三角形)的计算来实现。
以下描述B格式的形成，其中两个梯度麦克风1、2的主方向相对彼此相差90°角。通过图7所示的120°的例子进一步解释此情况。
如果参与的梯度换能器没被置于相对于彼此成90°角的位置，则附加的计算步骤必须确保这两个正交的8字形特性最终保留下来。
图9通过框图示出这个扩展在信号技术方面如何进行。最初用滤波器F1和F2对两个梯度换能器1、2的麦克风信号进行滤波来调整信号，使得从梯度换能器信号减去压力换能器信号之后，只留下8字形部分。另一个滤波器F3确保两个8字形的频率响应在主方向上是相同的。通过从梯度换能器2的信号中减去全向部分，从梯度换能器2的信号中提取出各8字形信号Rψ，Rψ的指向特性被从图6的90°位置旋转了角度ψ，此时形成了8字形信号Y，信号Y与辐射换能器1的8字形信号X正交。这通过对两个8字形信号X和Rψ进行加权和叠加来发生。这样获得的B格式信号W、X、Y写成：
W＝K3
X = K 1 - K 3 * a 1 a 1 + b 1
Y＝X×sin(ψ)+Rψ×cos(ψ)，
其中
R ψ = K 2 - K 3 * a 2 a 2 + b 2
在信道X’、Y’和W’中，任意的电平差和/或频率响应差可以通过利用相应的滤波器71、72、73(面向下的三角形)进行的计算来实现。
W代表全向信号，它是基本上全向指向性的信号。X和Y各代表8字形波瓣(lobe)，它们的对称轴线平行于麦克风平面。X和Y彼此正交，因此相对于彼此倾斜成90°。通过将全向信号W与8字形信号X、Y中至少一个组合起来，现在可以生成任意的指向特性。通过用相应的加权因子来线性组合X和Y，可以在X-Y平面内旋转该8字形。通过将此经旋转的8字形与全向信号线性组合，可以在不同的方向上旋转合成信号的主方向。
此线性组合通常可以写为合成信号：
M(q，r，s)＝q×W+r×X+s×Y，
其中q，r，s代表加权因子，利用该加权因子，B格式信号并入到最终信号M中。
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
合成信号M1、M2和M3现在具有的指向特性朝向如图所示那样。这些是心形的，其主方向位于一个平面内，且彼此倾斜成约120°角。以下的例子将通过这种朝向来描述合成信号M1、M2和M3，但是原则上不限于此。信号的任意组合都是可以设想到的。
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，并示出信号处单元30的输出31。如果合成的信号尚未被以任何方式数字化，则用A/D换能器(未示出)初始数字化该合成的信号。随后，将所有合成信号的频率响应相互比较，以便补偿各振膜舱的制造容许误差。这通过线性滤波器32、33发生，这些滤波器将合成信号M2和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，该脉冲响应是从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，换能器2和3的脉冲响应与换能器1的脉冲响应相比较。根据图10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，使得差信号f2-f1和具有全向部分的和信号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字形”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中的调整分别针对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。对差信号f2-f1进行滤波得出信号s2；(可选地经滤波的)和信号f1+f2，在实实例子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中被调整成信号M1的频率响应的信号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，则允许和信号发生改变，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在前的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。然而，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(end sample)，通过FFT(快速傅立叶变换)，例如DFT(离散傅立叶变换)，被变换到频率范围中。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|S1(ω)|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)＝|S1(ω)|×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的值约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还包含全向部分(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字形部分X和Y以外还具有全向部分W的信号s1，以及可能最纯的8字形信号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°方向声音暴露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 (14)

1.一种麦克风装置，具有两个分别具有振膜的压力梯度换能器(1，2)，各压力梯度换能器(1，2)具有通向振膜的前面的第一声音入口开口(1a，2a)，以及通向振膜的后面的第二声音入口开口(1b，2b)，其中各压力梯度换能器(1，2)的指向特性包括全向部分和8字形部分，并具有最大灵敏度方向，即主方向，其中压力梯度换能器(1，2)的主方向(1c，2c)相对于彼此相互倾斜，该麦克风装置的特征在于麦克风装置具有压力换能器(3)，压力梯度换能器(1，2)和压力换能器(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)对应于换能器(1，2，3)的振膜(100，200，300)的最大维度(D)的两倍。
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)和压力换能器(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)对应于换能器(1，2，3)的振膜(100，200，300)的最大维度(D)。
3.根据权利要求1或2所述的麦克风装置，其特征在于压力梯度换能器(1，2)和压力换能器(3)布置在边界(20)内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的麦克风装置，其特征在于两个压力梯度换能器(1，2)的主方向(1c，2c)在基础平面上的投影彼此围成值在30°到150°之间的角，该基础平面由两个压力梯度换能器(1，2)的第一声音入口开口(1a，2a)和压力换能器(3)的声音入口开口(3a)延展成。
5.根据权利要求4所述的麦克风装置，其特征在于两个压力梯度换能器(1，2)的主方向(1c，2c)在基础平面上的投影彼此围成基本上为90°的角，该基础平面由两个压力梯度换能器(1，2)的第一声音入口开口(1a，2a)和压力换能器(3)的声音入口开口(3a)延展成。
6.根据权利要求1所述的麦克风装置，其特征在于在两个压力梯度换能器(1，2)的每一个中，第一声音入口开口(1a，2a)和第二声音入口开口(1b，2b)均布置在同一侧上，即换能器外壳的前面上。
7.根据权利要求3所述的麦克风装置，其特征在于压力梯度换能器(1，2)和压力换能器的前面布置成与边界(20)齐平。
8.根据权利要求1所述的麦克风装置，其特征在于在各压力梯度换能器(1，2)中，第一声音入口开口(1a，2a)布置在换能器外壳的前面，且第二声音入口开口(1b，2b)布置在换能器外壳的后面。
9.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)和压力换能器(3)均布置在共同的振膜舱外壳中。
10.一种用于合成来自根据权利要求1至9中任一项所述的麦克风装置的一个或多个麦克风信号的方法，其特征在于，从两个压力梯度换能器(1，2)的信号(K1，K2)和压力换能器(3)的信号(K3)出发，形成B格式信号(W，X，Y)，该B格式信号包括全向信号(W)和两个彼此正交的8字形信号(X，Y)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于麦克风装置是根据权利要求4设计的，并对B格式信号进行标准化，该标准化的执行依据B格式信号(W，X，Y)采用的形式，该形式为：W＝K3，
Figure FSB00001104137000021
Figure FSB00001104137000022
其中a1、a2代表全向部分的加权因子，b1、b2代表压力梯度换能器(1，2)的信号(K1，K2)的8字形部分的加权因子，信号(K1，K2)可以用表达式
Figure FSB00001104137000023
描述，是两个压力梯度换能器(1，2)的主方向(1c，2c)之间的方位角。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于两个压力梯度换能器(1，2)的主方向(1c，2c)在基础平面上的投影围成90°+Ψ的角，该基础平面由两个压力梯度换能器(1，2)的第一声音入口开口(1a，2a)和压力换能器(3)的声音入口开口(3a)延展成，并对B-格式信号进行标准化，该标准化的执行依据B格式信号(W，X，Y)采用的形式，该形式为：W＝K3， X = K 1 - K 3 * a 1 a 1 + b 1 , 和Y＝X×sin(Ψ)+Rψ×cos(Ψ)，其中 R Ψ = K 2 - K 3 * a 2 a 2 + b 2 代表从信号(K2)中提取出的8字形部分，其中a1、a2各自代表全向部分的加权因子，而b1、b2各自代表压力梯度换能器(1，2)的信号(K1，K2)的8字形部分的加权因子，其中信号(K1，K2)可以用表达式
Figure FSB00001104137000033
描述，Ψ是RΨ的指向特性从90°旋转的角度，
Figure FSB00001104137000034
是两个压力梯度换能器(1，2)的主方向(1c，2c)之间的方位角。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于从B格式信号(W，X，Y)形成两个合成信号(s1，s2)，其中第一信号(s1)包含全向部分(W)和至少一个8字形部分(X，Y)，第二信号(s2)包含至少一个8字形部分(X，Y)，将信号(s1，s2)转换到频域范围(S1(ω)，S2(ω))并以独立于它们的相位的方式利用谱减法将它们彼此相减，并且在变换回时间范围之前，为所形成的信号提供源自还包含全向部分(W)的第一信号(s1)的信号(S1(ω))的相位(Θ1(ω))。
14.根据权利要求13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)的频率响应彼此相等。
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