CN1114479A - 单振动膜二阶微分话筒组件 - Google Patents

Abstract

二阶微分话筒包括一个装入在一外壳中的一阶微分话筒。一对前声音沟槽从各自入口延伸到话筒振动膜的前侧上的一个仓室，和一对后声音沟槽从各自入口延伸到话筒振动膜的后侧上的一个仓室。两个前入口和两个后入口沿一个次轴基本上共线，后入口是居中间的前入口，或前入口是居中间的后入口。从每个入口到话筒振动膜的相应声音传输函数是相等的。话筒响应近似地与一个取样声压场的沿次轴的二阶空间导数成正比。

Description

单振动膜二阶微分话筒组件

二阶微分(SOD)话筒相对于一阶微分(FOD)或零阶微分(声压)话筒的优良的噪声消除特性一直为人们所承认。早期的技术人员设想通过组合两个FOD话筒的输出或通过组合三个或四个声压式话筒的输出来实现一个SOD话筒。这种途径需要使用其幅度和相位响应要非常好的匹配的话筒。

在驻极体话筒可供有效使用之前，典型的现用的话筒并不要求幅度和相位响应的匹配。对此，为了利用已有技术生产一种通用的SOD话筒，必须使用一种具有四个不同部件的单个FOD话筒，设置这四个不同部件用以与该话筒振动膜等效地连通。单振动膜SOD话筒例如使用动圈式或压电介质换能器来设计和制造，所述换能器被装在一个具有声音入口的密封罩中，以便对声场进行空间取样。(例如参见IEEE关于声学、语音和信号处理国际会议论文CH1610—5/81(may1981)786—789，A.J.Brouns的文章“二阶压差消噪声话筒”，以及参见J.Acoust.Soc.Am.22(1950)592—601中W.A.Beaverson和A.M.Wiggins的文章“使用单振动膜的二阶压差消噪声话筒”)。

在一些实施例中，例如把所述入口围绕FOD话筒被对称地放置在正方形的四个角上，以确保该振动膜的声音响应对于每一个入口都一样。这些单振动膜SOD话筒产生与声压场的双轴二阶导数成正比的输出信号。

在G.M.Sessler和J.E.West的“利用驻极体换能器的二阶压差单向话筒”一文(J.Acotts1.Soc.Amet．58(1975)273—278)中描述的一个后来的实施在单振动膜SOD话筒中装入了一个驻极体话筒元件。具体地说，利用一个其内插有管予以便沿一个轴在各离散点对声场取样的驻极体话筒制备一个试验性单向SOD话筒。(所谓“单向”是指话筒远场灵敏度图在最佳方向明显地突起)。对管子长度和它们在该驻极体话筒的前后空腔的位置进行选择，以产生所需的单向远场响应。

为了实现所需的二阶特性，必须精确地调谐空腔和传感管子的亥姆霍兹谐振(Helmholtz resonantces)。这种调谐操作带来的后果降低了成批生产这种SOD话筒的实用性。

业已发现，当构成一个SOD话筒以产生与单轴二阶导数

而不是声压场的双轴导数成正比的输出信号时，可以更好地利用讲话者声场的球面波性质，以使对该讲话者的语音灵敏度最大化。这种特性例如在由C.Bartlett和M.Zuniga在1994年4月29日申请的题目为“消噪声微分话筒组件”的未批准美国专利申请中进行了描述。迄今，话筒设计领域的技术人员一直未能提供一种易于成批生产并具有与声压场的单轴二阶导数

成正比的输出的单振动膜SOD话筒。

我们现已发明了一种易于成批生产的单振动膜SOD话筒。它包括一个外壳，一种市场上可买到FOD话筒元件例如驻极体话筒元件可容易地插入其中，而无需在产品提供者提供时穿透该话筒元件的外壳。我们的话筒的输出(在实际频率范围内)是与声压场的单轴二阶导数成正比。

在广义上说，我们的发明包括了安装在一外壳内的一个一阶微分话筒。在该外壳内，前空腔被限定靠近该话筒振动膜的前侧，类似地，后空腔靠近该话筒振动膜的后侧。一对沟槽(称作前沟槽)将声能从相应的第一和第二前部端口传导到前空腔，类似地，一对后沟槽将声能从相应的第一和第二后部端口传导到后空腔。

所有四个沟槽从各自的入口到振动膜具有等效的声音传输函数。(所谓“等效”的意思是为了进行话筒性能的实际预测，各沟槽可被同等对待)。为了使这些传输函数等效，四个入口具有相同的横截面积，前、后空腔具有等效的体积，并且四个沟槽具有等效的长度和横截面积，和以声学等效方式与它们各自的空腔会合。

空腔、沟槽和入口尺寸是这样的，即由话筒、空腔、沟槽和入口组成的声学系统在小于3500Hz的频率不多于一个声音谐振，和在小于3500Hz频率没有亥姆霍兹谐振。此外，四个入口沿一个这里称作“次轴”的轴基本上是共线的。根据该入口的放置，后部入口是居中间的前部入口，或者前部入口是居中间的后部入口。每个前部入口与邻近的后部入口分开一个相等的距离。结果，该话筒响应近似地与取样声压场的沿该次轴的二阶空间导数成正比。这对于实际频率区域内(典型地应用是大约300Hz—3.5KHz的电话频带)的声场是适用的。

图1示出一个实施例中本发明的话筒的示意性透视图。

图2示出图1所示话筒的基本部件被分解成便于制作和组装的部件。

图3示出图1和2的话筒的声音沟槽的示意图。

图4示出与本发明的话筒一起使用的电滤波器的情况。

图5和6是图4电滤波器的示例性的响应曲线。

图7示出本发明话筒的背景噪声响应与标准的单向话筒的背景噪声相互比较。

图8示出一个替换实施例中本发明话筒的示意性透视图。

图9示出一个易于制造的图8的话筒样式的实例。

图10示出图1的话筒在蜂窝电话手机中的使用。

图11示出图8的话筒在蜂窝电话手机中的使用。

图12示出本发明话筒涉及近场声音信号的一个有效点源的最佳方向的示意图。

按照本发明目前的最佳实施例，在一种声学刚性材料诸如有机玻璃(PMMA)、树脂或硬橡胶的板状基板部件5上形成声音沟槽8、8′、9和9′。这些沟槽通到中央空腔6。末端空腔6，每个声音沟槽在入口1—4中一个相应入口内终止，入口1—4用于导入取样的声能。入口1—4基本上沿一个称作“次轴”的线性轴设置。FOD话筒11通过在靠近该话筒前部的前空腔子部分6.1和靠近该话筒后部的后空腔子部分6.2之间形成一隔离区的方式被插入空腔6，以便各相应的子部分彼此声学地隔离。上述各空腔子部分在下面被称作前室和后室。

应该注意，这里使用的术语“前部”和“后部”是随意的，且为了方便起见一直使用。应懂得，当提及基板部件5的空间特性时，这些术语是可互换的，如同术语“顶部”和“底部”，以及“上部”和“下部”一样。

固定件7例如橡胶圈对于实现这种隔离是有用的。我们目前最愿意用驻极体话筒。这种合适的话筒可以从许多供应商处买到。

与该话筒后部相通的入口应该位于与该话筒前部相通的入口的中间(如图所示)，反之也是如此。入口1和2之间的距离应该等于入口3和4之间的距离，处于该话筒的实际允许偏差内，以便起SOD话筒作用。

正如所指出的，声音沟槽应具有相等的横截面积和长度(在实际允许偏差内)，各入口应具有相等的面积，且室6.1和6.2应是相等的体积。沟槽的横向长度和入口直径应该比在所考虑的最高频率处声音的波长小很多。(作为一般规则，如果这些尺寸小于0.1波长，则将是足够的)。例如，电话应用所感兴趣的最高频率一般为3.5KHz，相应于在典型工作条件下大约10cm的波长。

通过这里被称作“次直径”的一段距离把入口1和2之间的中点与入口3和4之间的中点分开。当提供一个给定的次直径时，最好使各入口、沟槽和前、后室的尺寸小得足以排除不良谐振。例如，如果该话筒要在电活频带中工作，则很容易地选择这些尺寸，即在小于3500Hz频率处不发生Helmholtz谐振，并且在该小于3500Hz频率处仅仅出现一个声音谐振(任何一种的谐振)。实际上，将经常有可能在电话频带内排除所有的声音谐振。

作为这种设置的结果，声场在开口1和4处的声压P₁和P₄通过沟槽8，8′被导入到话筒11的前面，以与该方法相同的方式，声场在开口2和3处的声压P₂和P₄通过沟槽9，9′被导入到该话筒的后面。从每个入口到话筒振动膜的声音传输函数至少在实际意义上是相同的，结果，话筒11在电引线10产生一信号输出，该输出与跨越在话筒前、后面之间的声压差成正比。即：

信号输出＝K(ω)〔(P₁＋P₄)－(P₂＋P₃)〕，其中K(ω)是频率相关的比例常数，其基本频率关系是由于沟槽8和9中相同的纵向谐振引起的，第一个纵向谐振发生在沟槽长度等于半波长的频率处。

该信号输出表示也可改写为：

K(ω)〔P₁－P₂)－(P₃－P₄)〕，其中(P₁－P₂)是入口1和2之间声场的一阶微分，而(P₃－P₄)是入口3和4之间声场的一阶微分。因此，FOD话筒11的信号输出近似地与沿连接声音入口1，2，3和4的中心的次轴的声场声压的单轴二阶微分成正比。

我们已为该FOD话筒制作了一个易于制造的外壳样机，如图2中所示。在该示例性实施例中，基板5由两块0.125英寸的PMMA板组成。示例性地通过锻压或轧制，沟槽8、8′和9、9′以FOD话筒空腔6的上半部一直贯通上板5.1被劈开。(其它制造过程也是可能的，例如模塑过程，在该过程中，通过除去材料来形成沟槽和空腔)。通过一个类似过程，在下板5.2上形成空腔6的下半部。

当组装时，上、下板的组合厚度是0.25英寸，它近似等于示例性FOD话筒的直径。一个0.010英寸黄铜顶盖板12用于将沟槽的顶部声学地封住。在板12上钻有圆形的直径为0.125英寸的声音入口1—4，当外壳组装时，它们与相应沟槽的末端对准设置。

一个0.010英寸厚的黄铜底部盖板13用于声学地封住话筒空腔6的底部。FOD话筒的电引线10直接通过上和下板5.1、5.2之间的小通道14。这两个通道最好用围绕该电引线以密封胶填充以防止声音泄漏。

作为说明，所述样机的话筒空腔的侧面尺寸(如在下板中所限定)是10.73mm×6.05mm。如在上板中限定的沟槽和空腔的相应尺寸适于参考图3描述。所有沟槽的宽度是3.0mm。其它尺寸是：α为16.0mm；b为26.0mm；c为13.0mm；d为8.0mm；e为12.0mm和f为6.0mm。

为了方便起见，我们的样机由两块塑料板和两块黄铜板制成。应该注意，有很多其它的方法可将整个组件再细分。例如，可通过仅从上和下板(它们作成比上述样机中的厚些)中除去一部分材料来形成沟槽和话筒的空腔，以便上板与顶部盖板为一个连续板，而下板与底部盖板为一个连续板。这些例如在注入成型操作中可很方便地做到。在上和下板最后组装之前FOD话筒元件将被插入其空腔内。

在另一个替换实施例中，一些沟槽可在下板中形成，而另一些在上板中形成。

在图8的实施例中，入口被设置在基板部件5的一侧面20上，而不是在顶(或底)面上。这种安排是希望的，因为它允许垂直于次轴的座板部件的两个尺寸做得相对小，从而达到设计紧凑。

在图9中截面图中示出了目前这种最佳设计。在这种设计中，PMMA板16.1和16.2用薄的声学刚性板17.1，17.2，17.3叠加在一起，板17.1—17.3示例性用黄铜制成。室6.1和6.2被限定在上板16.1上。每个短形沟槽8，8′，9和9′具有在板16.1上限定的与其对应的室相会合的一个部分，和在下板16.2上限定的与面20相会合的一个部分，以形成矩形形状的入口1—4中的一个相应入口。每个沟槽包括一个相应的升起部分21，它连接该沟槽的相应下板和上板部分。每个升起部分21至少部分地由板17.2上的一个矩形孔眼所限定。

示例性地，该PMMA板是1mm厚，而整个组件为44mm长、7mm宽和2.844mm厚。话筒元件11直径典型地大于该PMMA板和黄铜板的组件厚度。因此，该话筒元件11典型地突出在板16.1的顶面之上。在这种情况下，盖部件19被用来封盖话筒元件。盖部件19示例性地为黄铜板，并可方便地与板17.1做在一起，例如通过在锻压操作中形成它。

任选地，话筒元件11对称地放置，以便其突出上板17.1和下板17.3相等的量。在这种情况下，第二个盖部件能容易地装上，以封盖住突出下板17.3的话筒部分。

如上所指出的，象上面描述的这种叠层结构具有易于制造的优点。尤其是，它们可高度地再现，因此能够使用常规的制造方法以精确地使各个工件的沟槽和端口特性相匹配。

如图4所示，话筒11的电输出可由电子滤波器15方便地改变，以使该话筒的语音响应与所需的参考响应诸如标准的单向话筒的语音应相符合。

为了说明，图5是对于实验室样机有用的电子滤波器的传输函数，它在所感兴趣的频带内具有一个旁路谐振(duct resonance)。在接近2—3KHz出现的下凹补偿了这种旁路谐振。

相反，图6的传输函数对于实验室样机是有用的，其旁路谐振位于感兴趣频带的外侧。在这种情况中，滤波器15不需要凹陷来补偿旁路谐振。

图7中的对比是本发明SOD话筒的响应和无方向话筒的响应与背景远场噪声的比较。图中所表示的是安装在电话手机上的每种话筒的性能。一个电子滤波器与该SOD话筒一起使用以将其(频谱)语音响应均衡到无定向话筒的响应。从该图很清楚了，在电话频带的大部分范围内降低了10dB或更多。

众所周知，在电话应用中，讲话者话音的声场能被极近似地模拟为一个点源的幅射扩散场。这样一个源40连同入口1—4的图解表示一起在图12中示意性地示出。如题目为“消噪声微分话筒组件”的上述专利申请中所述的，这种性质可被用于相对于对环境噪声的响应提高被发送的SOD话筒对讲话者话音的响应。这就是说，使图12的X轴(它从源40延伸到入口1—4的中点)表示“主轴”，使源到中点的距离α表示“主半径”。当主轴和次轴互相垂直时，该话筒的单轴二阶微分输出将近似地与讲话者的声音场(沿次轴)的一阶导数成正比。相反，对于扩散响应，远场噪声将不优先取决于一特定话筒定向。这样，相对于话音响应取决于距讲话者嘴唇的距离的这种方式，该话筒将象POD一样对讲话者的话音给予响应，但象一个SOD一样对远场噪声响应。因为在典型的扩散噪声环境中，声压场的二阶空间导数比其一阶空间导数更小，所以将获得良好的噪声抑制。

按照这种特殊定向，来自SOD话筒的输出幅度与来自位于次轴中点并以对来自点源的声音有最大灵敏度取向的单个FOD话筒的输出的幅度相比较。理论上，这两个幅度的SOD∶FOD比率由下式给出：

其中z＝d/(2a)，d为次直径，k＝ω/c，ω是角频率，c为空气中的声音速度。

极近似地(如果距离a比

小得多，以在给定频率处一个波长为单位)，当d＝1.4a时，SOD输出最大(相对于假设为FOD输出)，而与频率无关。这一设计公式可被用于根据组件与用户嘴唇之间的期望距离为特定的通信装备选定话筒的最佳几何结构。

应该注意，在这方面次直径至少经常确定沟槽的长度。根据以上描述很清楚，在典型的通信应用中，次直径将经常大大地小于一个波长，甚至是在电话频带的高频端。结果，将经常有可能使沟槽短得足以消除在电话频带内的所有声音谐振。

本发明话筒的一个说明性应用是在蜂窝电话手机中，如图10和11中所示。在图10中，设计上与图1话筒类似的话筒30被示出安装在手机的翻转部分31中，其中在与次轴垂直的水平面中具有足够的空间。相反，图11描述了装入手机的基座33中的话筒32。这里，典型地需要更小型的设计。因此，在设计上，话筒32与图8和9的话筒相似。

Claims (10)

1.一种装置，包括：

a)一个外壳；

b)安装在该外壳内的一个具有振动膜的一阶微分话筒，该振动膜具有一个前侧和一个后侧；

c)限定在该外壳内的一个靠近振动膜前侧的前空腔，和一个靠近振动模后侧的后空腔；

d)第一和第二前沟槽，用于将声能从各自的第一和第二前入口传导到前空腔；和

e)第一和第二后沟槽，用于将声能从各自的第一和第二后入口传导到后空腔，其中：

f)每个所述入口具有相同的横截面积，每个所述空腔具有相同的体积，和每个所述沟槽具有相同的长度和横截面积并且以声学等效方式与其相应的空腔会合，以便每个所述沟槽从其相应的入口到振动膜具有一个等效的声音传输函数；

其特征在于：

g)使空腔体积、沟槽长度与截面积和端口截面积相适合，以便由话筒、空腔、沟槽和入口组成的声学系统在小于3500Hz频率不多于一个声音谐振，和在小于3500Hz频率没有亥姆霍兹谐振；

h)第一和第二前入口和第一和第二后入口沿一个被称作次轴的轴基本上共线；和

i)所述入口被这样设置，即后入口是居中间的前入口或者前入口是居中间的后入口，和每个前入口与邻近的后入口分开一个相等的距离，由此该话筒响应近似地与取样声压场的沿该次轴的二阶空间导数成正比。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述话筒是一个驻极体话筒。

3.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述声学系统具有一个频率相关的响应函数，并且该装置还包括一个电子滤波器，用于以一预定方式改变所述响应函数。

4.根据权利要求1的装置，其特征在于：

一个次直径d被定义为前入口之间的距离和后入口之间的距离的平均距离；

一个主半径被定义为在讲话者嘴唇与前或后入口之间的中点之间延伸一个预定最佳距离a的线段；

所述装置还包括支撑件，用于当该装置处在使用中时保持所述中点距讲话者嘴唇大约a的一个距离，和用于保持次轴近似地与主半径垂直；和

使距离d合适，以便比率d/a接近一个值，它使与沟槽和入口结合的话筒对讲话者话音的理论上的灵敏度最佳化，相对于一种假设，该话筒等效于悬挂在自由空间和具有最大灵敏度定向的话筒。

5.根据权利要求4的装置，其特征在于，所述的比率d/a近似为1.4。

6.根据权利要求1的装置，其特征在于，外壳由一个声学刚性材料的主体构成，和每个所述沟槽是一个由所述主体内表面限定的细长的空心区域。

7.根据权利要求6的装置，其特征在于：

所述主体包括一个具有基本上平的下表面的顶层，和一个具有基本上平的上表面的底层。

至少一个沟槽包括在底层上形成的一个通道，所述通道与所述上表面在一个或两个纵向尺度基本上平行地延伸并具有一在纵向方向的总长度；

所述通道以与所述上表面垂直的方向从所述上表面向纵深延伸，该深度小于所述总长度；和

顶层重叠在底层上，以便所述上和下表面相接触，和顶层形成所述通道的一个声学封闭盖。

8.根据权利要求7的装置，其特征在于，每个沟槽包括在底层上形成的一个通道。

9.根据权利要求7的装置，其特征在于，每个沟槽包括在顶层上形成的一个通道，该通道与在底层上形成的通道相连接，顶层构成在底层形成的通道的一个声学封闭盖，而底层构成在顶层形成的通道的一个声学封闭盖。

10.一种包括具有前面和后面的一阶微分话筒的装置，其中所述的前面是通过一个前空腔与第一和第二前声音沟槽连通的，所述的后面是通过一个后空腔与第一和第二后声音沟槽连通的，每个沟槽由导入声能的相应入口而终止，各入口被这样安排，即该话筒的响应将近似地与一个取样声压场的二阶空间导数成正比，

其特征在于：

a)该装置还包括一个板状基板，该基板由声学刚性材料构成并具有一个基本上平的被称作顶部基面的面；

b)在基板上形成多个通道的构形，其中该构形由该基板的内表面限定，所述通道在顶部基面被打通并且在至少一个纵向方向与顶部基面基本上平行地延伸；

c)所述构形包括四个等长度和等截面积的通道，所述四个通道中的每一个通道都与声音沟槽中的相应一个沟槽相一致，以便这些通道将分别被定义为第一与第二前通道，和第一与第二后通道；

d)所述构形包括一个中央空腔，它具有一个与前通道连接的前端和一个与后通道连接的后端；

e)话筒被安装在中央空腔中，以便中央空腔中没由该话筒占据的部分被再细分成彼此声学上隔开的体积相等的前和后部分，其中：前部分连接前通道和话筒前面，并与前空腔相一致；和后部分连接后通道和话筒后面，并与后空腔相一致；

f)每个入口是在基板的一面中的一个开口；

g)所述各入口基本上沿一直线设置，后入口是居中间的前入口或者前入口是居中间的后入口，并且每个前入口与其邻近的后入口分开一个相等的距离，以便由该话筒响应表示的二阶空间导数是一个单轴导数；

h)所述装置还包括一个盖，它具有一个基本上平的被称作底盖面的面；和

i)所述底盖面与顶部基面相接触粘牢，以便所述的盖形成通道构形的声学封闭挡板。

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