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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen der Phasen
von Mikrofonen eines Richtmikrofons von einem Hörgerät. Darüber hinaus betrifft die vorliegende
Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zum Anpassen der Phasen.
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Die
Richtwirkung differentieller Mehrmikrofonsysteme hängt entscheidend
davon ab, wie gut die verwendeten Mikrofone in ihrem Amplituden-
und Phasengang übereinstimmen.
Nur wenn die Mikrofone ankommende Signale frequenzabhängig gleich verstärken und
verzögern,
kann durch die anschließende
Differenzbildung der Mikrofonsignale eine exakte Auslöschung in
einer oder mehreren Richtungen (räumliche Notches) erzeugt werden.
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Für den Ausgleich
der Amplitudenfrequenzgänge
ist die Lösung
bekannt: Die Amplituden der verwendeten Mikrofone werden an eines
der Mikrofone, das man als Referenzmikrofon definiert, angeglichen.
Die zum Angleichen/Nachjustieren der Mikrofone notwendigen Verstärkungsfaktoren
werden durch Quotientenbildung der zeitlich gemittelten Amplituden
der Mikrofonsignale und des Referenzmikrofonsignals berechnet.
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Für den Ausgleich
der Mikrofon-Phasendifferenzen, die sich (bei Betrachtung in ausreichend schmalen
Frequenzbändern)
als Laufzeitunterschiede der Signale der betrachteten Mikrofone
interpretieren lassen, ist bisher keine einfache Lösung bekannt.
Der Grund ist folgender: Laufzeitunterschiede entstehen auch durch
die unterschiedliche Position von Schallquellen in Bezug auf die
Mikrofonposition. Sie werden bei differentiellen Richtmikrofonen
dezidiert genutzt, um Schalle aus bestimmten Einfallsrichtungen
auszulöschen.
Die Problematik bei der Entwicklung eines Verfahrens zur Berechnung
des Phasenausgleichs ist, dass man zunächst nicht feststellen kann, ob
unterschiedlich verzögerte
Signale durch Phasen-Mismatch bzw. Phasenverzögerung oder durch unterschiedliche
Entfernungen der Quelle zu den einzelnen Mikrofonen entstanden sind.
Ein einfacher Laufzeitausgleich ist daher nicht zur Lösung der
Problematik geeignet. Hierzu müsste
die Position der Quelle bekannt sein. Ist dies nicht der Fall, riskiert
man durch den Laufzeitausgleich eine Auslöschung von Signalen aus Richtungen
(z.B. von vorne), die man erhalten möchte.
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Die
Folge ist, dass exakt vorselektierte Mikrofonpaare bzw. – triplets
verwendet werden (müssen),
um gute Richtwirkungseigenschaften zu gewährleisten.
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Diese
Problematik sei nochmals anhand der 1 – 3 verdeutlicht. Im linken
Teil von 1 ist ein Lautsprecher
L dargestellt, der frontal zwei Mikrofone M1 und M2 beschallt. Das
Mikrofon M1 liefert ein Ausgangssignal x1. Das Ausgangssignal des
zweiten Mikrofons M2 ist baulich bedingt um ΔT verzögert, so dass sich ein Ausgangssignal
x2 ergibt. Die gleichen Signale x1 und x2 werden durch die Anordnung
in der rechten Hälfte
von 1 erhalten. Da der Lautsprecher
L von dem zweiten Mikrofon M2 weiter entfernt ist, besitzt das Signal
x2 aufgrund der Schalllaufzeit zwischen dem Mikrofon M1 und dem
Mikrofon M2 gegenüber
dem Signal x1 eine Verzögerung bzw.
einen Phasenunterschied. Eine Phasen- oder Verzögerungsanspassung der beiden
Mikrofone ist also nicht möglich,
wenn die Position des Lautsprechers unbekannt ist.
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In 2 ist die Signalverarbeitung
eines Richtmikrofons vereinfacht skizziert. Die Ausgangssignale
x1 und x2 der Mikrofone M1 und M2 erfahren zunächst eine direktionale Verarbeitung
DV und anschliessend eine Kompensation K, mit der der Amplitudenfrequenzgang
der direktionalen Verarbeitung DV kompensiert wird. Somit ergibt
sich speziell für die
0°-Richtung
ein flacher Amplitudenfrequenzgang des Ausgangssignals Y des Richtmikrofons.
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Falls
die Mikrofone jedoch nicht aneinander angepasst sind, ergibt sich
gemäß 3 ein Phasenfehler PF bzw.
ein Laufzeitunterschied ΔT
zwischen den Ausgangssignalen x1 und x2 der beiden Mikrofone M1
und M2. Nach direktionaler Verarbeitung DV und fester Kompensation
K ergibt sich somit ein Ausgangssignal Y' des Richtmikrofons. Die Kompensation
K für nicht
angepasste Mikrofone ist jedoch ungenügend, wenn der Laufzeitfehler ΔT eine Gesamtverzögerung hervorruft,
die größer als
die maximale, durch die Mikrofondistanz hervorgerufene, Verzögerung ist.
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Aus
diesem Grund wurden bislang vorselektierte Mikrofone verwendet,
deren Phasenunterschied sehr gering bzw. null ist. War dies nicht
möglich,
so wurde eine Phasenanpassung durchgeführt, wobei die Position der
Kalibrierquelle bekannt war.
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Gemäß einem
intern bekannten Verfahren wird eine Phasenanpassung zweier Mikrofone
dadurch erreicht, dass die komplexen Übertragungsfunktionen aus einem
Mikrofonmodell zur Ermittlung der Mikrofonausgangssignale berücksichtigt
werden. Darüber
hinaus ist aus der Druckschrift US 6,272,229 B1 bekannt, lineare
Phasenunterschiede von nichtlinearen zu trennen und die nichtlinearen
dem Mikrofon zuzuordnen.
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Die
genannten Verfahren sind jedoch entweder zu aufwändig oder erfordern die Kenntnis
der Position der Schallquelle.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine wirksame
Phasenanpassung auch ohne Kenntnis der Position der Schallquelle
bei einem Richtmikrofon durchführen
zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
ein Verfahren zum Anpassen der Phasen von Mikrofonen eines Hörgeräterichtemikrofons
aneinander durch Messen oder Vorgeben eines ersten Pegels eines
omnidirektionalen Signals des Richtmikrofons, Messen eines zweiten
Pegels eines Richtsignals des Richtmikrofons und Anpassen des zweiten Pegels
an den ersten Pegel durch Verändern
der Laufzeit eines Ausgangssignals von einem der Mikrofone des Richtmikrofons
ohne Berücksichtigung einer
Positionsinformation über
eine Schallquelle.
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Ferner
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen eine entsprechende Vorrichtung zum Anpassen
der Phasen von Mikrofonen eines Hörgeräterichtmikrofons aneinander
mit einer Messeinrichtung zum Messen oder Vorgeben eines ersten
Pegels eines omnidirektionalen Signals des Richtmikrofons und zum
Messen eines zweiten Pegels eines Richtsignals des Richtmikrofons
sowie einer Anpasseinrichtung zum Anpassen des zweiten Pegels an den
ersten Pegel durch Verändern
der Laufzeit eines Ausgangssignals von einem der Mikrofone des Richtmikrofons
ohne Berücksichtigung
einer Positionsinformation über
eine Schallquelle.
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Ebenso
wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum
Anpassen der Phasen von Mikrofonen eines Hörgeräterichtmikrofons aneinander
durch Vorgeben eines maximalen Laufzeitunterschieds zwischen einem
ersten Ausgangssignal eines ersten Mikrofons und einem zweiten Ausgangssignal
eines zweiten Mikrofons des Richtmikrofons, Messen eines Ist-Laufzeitunterschieds
der beiden Ausgangssignale und Verzögern eines der beiden Ausgangssignale,
so dass der Ist-Laufzeitunterschied
nicht größer als
der maximale Laufzeitunterschied ist.
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Dementsprechend
ist auch vorgesehen eine Vorrichtung zum Anpassen der Phasen von
Mikrofonen eines Hörgeräterichtmikrofons
aneinander mit einer Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen
eines maximalen Laufzeitunterschieds zwischen einem ersten Ausgangssignal
eines ersten Mikrofons und einem zweiten Ausgangssignal eines zweiten Mikrofons
des Richtmikrofons, einer Messeinrichtung zum Messen eines Ist-Laufzeitunterschieds
der beiden Ausgangssignale und eine Ver zögerungseinrichtung zum Verzögern eines
der beiden Ausgangssignale, so dass der Ist-Laufzeitunterschied
nicht größer als
der maximale Laufzeitunterschied ist.
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Vorzugsweise
erfolgt das Anpassen der Mikrofonphasen durch Bestimmen der Differenz
des ersten Pegels des omnidirektionalen Signals und des zweiten
Pegels des Richtsignals und Minimieren dieser Differenz. Der Vorteil
davon ist, dass die Pegeldifferenz leicht bestimmt werden kann,
so dass sich eine Phasenanpassung ohne weiteres durchführen lässt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird bei
dem Anpassen festgestellt, ob der zweite Pegel über dem ersten Pegel liegt,
und die Laufzeit des Ausgangssignals von dem einen der Mikrofone
nur dann verändert,
wenn der zweite Pegel über
dem ersten Pegel liegt. Dabei wird die Kenntnis ausgenutzt, dass
bei einer Fehlanpassung der Mikrofone eines Richtmikrofons der Ausgangspegel
gegenüber
einem omnidirektionalen Signal überhöht ist.
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Vorteilhafterweise
wird der maximale Laufzeitunterschied als die Schalllaufzeit von
dem ersten zu dem zweiten Mikrofon vorgegeben. Damit kann der individuellen
Positionierung der Mikrofone im Hörgerät exakt Rechnung getragen werden.
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Der
Wert des maximalen Laufzeitunterschieds kann in einem speziellen
Speicher bereitgestellt werden. Dieser Speicher kann ferner beliebig beschreibbar
sein, so dass die Schaltung zur Phasenanpassung für beliebige
Mikrofonabstände
verwendbar ist.
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Besonders
bevorzugt ist, wenn das erfindungsgemäße Verfahren mehrfach wiederholt
wird. Damit kann in mehreren Schritten eine optimale Phasenanpassung
erfolgen, ohne die Position der jeweiligen Schallquelle zu kennen.
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Die
vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze zur Erzeugung von Mikrofonsignalen;
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2 ein
Schaltungsidagramm eines Richtmikrofons;
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3 ein
Schaltungsdiagramm eines Richtmikrofons mit Mikrofonen, die einen
Phasenunterschied aufweisen.
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4 Richtdiagramme
eines Richtmikrofons, dessen Mikrofone einen Phasenunterschied aufweisen;
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5 eine
Richtcharakteristik in Abhängigkeit
des Phasenunterschieds der Mikrofonsignale;
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6 ein
Schaltbild einer Anpassschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform;
und
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7 ein
Schaltbild einer Anpassschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Die
nachfolgend näher
beschriebenen Ausführungsbeispiele
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung sei zunächst
anhand der 4 und 5 die Richtcharakteristik
von differentiellen Richtmikrofonen erläutert. In 4 sind
mehrere Richtdiagramme dargestellt, die sich bei unterschiedlichen
Laufzeitverzögerungen
von Mikrofonen des Richtmikrofons ergeben. Links oben in 4 ist
ein Richtdiagramm dargestellt, das sich bei einem Laufzeitunterschied
bzw. einer Phasenverzögerung
der Mikrofonsignale untereinander von 0,3 T0 messen lässt, wobei
T0 der Laufzeit des Schalls von einem Mikrofon zum anderen entspricht.
Die 0dB-Linie in dem Polardiagramm entspricht dem omnidirektionalen
Signal. Ein ideales Richt diagramm eines differentiellen Richtmikrofons hätte die
Form einer 8. Aufgrund der laufzeitbedingten Phasendifferenz der
beiden Mikrofone ist die 8-Form etwas deformiert. Bei etwa 45° und 315° schneidet
die Richtkurve die 0dB-Linie. In dem Bereich zwischen 315° und 45°, der durch
einen Doppelpfeil angedeutet ist, liegt der Pegel des Richtmikrofons
oberhalb der 0dB-Linie, d.h. oberhalb des Pegels des omnidirektionalen
Mikrofons.
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Beträgt die Phasenlaufzeit
zwischen den Mikrofonsignalen 0,8 T0, so ist das Richtdiagramm des Richtmikrophons
weiter deformiert, wie dies im rechten oberen Bild von 4 dargestellt
ist. Der Bereich, in dem das Richtsignal höher als das omnidirektionale
Signal ist, liegt in diesem Fall zwischen etwa 285° und 75°. Bei einer
Phasenverzögerung
bzw. einem Laufzeitunterschied von 1,5 T0 liegt dieser Bereich zwischen
etwa 240° und
120°, wie
dies im linken unteren Bild von 4 wiedergegeben
ist. Bei einem Laufzeitunterschied von 2,3 T0 liegt das Richtsignal stets über dem
omnidirek-tionalen Signal, was in dem rechten unteren Richtdiagramm
von 4 durch einen umlaufenden Kreis angedeutet ist.
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In
dem Diagramm von 5 sind die minimalen und maximalen
Richtsignale Smin und Smax in Abhängigkeit
von der Phasenverschiebung dargestellt. Darüber hinaus ist auf der 0dB-Linie
das Signal eines omnidirektionalen Mikrofons Somni eingezeichnet.
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Bei
einem idealen Richtmikrofon, bei dem zwischen den Mikrofonen kein
Laufzeitunterschied besteht, d.h. bei dem die Phasenverzögerung 0
beträgt,
liegt das maximale Signal bei 0dB und entspricht somit dem omnidirektionalen
Signal. Das minimale Signal ist sehr gering und liegt unterhalb
von –30
dB. Je höher
die Laufzeitdifferenz zwischen beiden Mikrofonen ist, d.h. je höher der
Phasenunterschied gemessen in samples ist, desto höher ist
das minimale Richtsignal Smin und das maximale
Richtsignal Smax. Es ist auch zu erkennen,
dass ober halb einer Phasenverzögerung
von etwa zwei samples die Richtsignale Smin und
Smax oberhalb der 0dB-Linie liegen, wie
dies bereits für
die konkrete Phasenverzögerung
von 2,3 T0 in dem unteren rechten Richtdiagramm von 4 erläutert wurde.
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Weicht
nun das Richtsignal Smax von dem omnidirektionalen
Signal Somni in seinem Pegel ab, so ist
dies ein Zeichen dafür,
dass die Mikrofonausgangssignale einen Phasenunterschied aufweisen. Diese
Tatsache lässt
sich für
eine Phasenanpassung der beiden Mikrofonsignale ausnutzen.
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Gemäss einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird daher überprüft, ob der Pegel des Ausgangssignals
des differenziellen Richtmikrofons über dem des omnidirektionalen
Signals liegt. Ist dies der Fall, so wird durch adaptiven, frequenzselektiven
Laufzeitausgleich in einzelnen Frequenzbändern diese Pegeldifferenz
minimiert und damit eine Phasenanpassung bzw. ein Phasenmatching
der Mikrofone erreicht. Eine ideale Anpassung ist möglich, wenn
die Signalwellen irgendwann während
der Adaption in 0°-Richtung
zum Richtmikrofon liegen. In dieser Situation ist nämlich die Überhöhung des
Ausgangssignals des differenziellen Richtmikrofons gegenüber dem
omnidirektionalen Signals am größten, da
das Richtsignal dann dem Signal Smax von 5 entspricht
(vgl. auch Richtdiagramme von 4 oben).
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Ein
prinzipielles Schaltungsdiagramm für dieses Verfahren ist in 6 dargestellt.
Die Mikrofonausgangssignale x1 und x2 der Mikrofone M1 und M2 werden
entsprechend dem Prinzip von 2 zunächst einer
direktionalen Verarbeitung DV unterzogen. Dabei wird das Ausgangssignal
X2 durch die Verzögerungseinheit
D zur Phasenanpassung um die Laufzeit ΔT verzögert. Die direktionale Verarbeitung
DV erfolgt im gewählten
Beispiel entsprechend der Formel y1(t) = x1(t) – x2(t – T0) +
a[x1(t – T0) – x2(t)].
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Dabei
bedeutet T0 die Schalllaufzeit zwischen den beiden Mikrofonen und
a ein adaptiver Steuerparameter.
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Das
Ausgangssignal y1(t) der direktionalen Verarbeitung DV wird in dem
Kompensator K entsprechend der Formel y2(t) =
y1(t) + y2(t – 2·T0)kompensiert,
um einen ebenen Frequenzgang zu erzielen. Von dem Ausgangssignal
y2(t) wird nun in einer Pegelschätzeinheit
PS der Pegel geschätzt.
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Parallel
hierzu werden die Signale der Mikrofone einer omnidirektionalen
Verarbeitung ODV entsprechend der Formel y1'(t) = x1(t) – x1(t – T0) +
[x2(t) – x2(t – T0)]unterzogen.
Das Ausgangssignal y1'(t)
der omnidirektionalen Verarbeitung ODV wird wiederum in einem Kompensator
K entsprechend der Formel y2'(t) = y1'(t) + y2(t – 2·T0)kompensiert. Das
resultierende Signal y2'(t)
wird anschließend
ebenfalls in seinem Pegel durch eine Pegelschätzeinheit PSO geschätzt.
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Die
beiden geschätzten
Pegel werden in einer Vergleichseinheit V miteinander verglichen.
Falls der Pegel des direktionalen Signals größer als der des omnidirektionalen
Signals ist, wird ein enable-Signal erzeugt, mit dem eine Phasenanpassung
in einer Anpasseinheit A aktiviert wird. Ein weiteres Eingangssignal
der Anpasseinheit A ist die Pegeldifferenz zwischen den beiden geschätzten Pegeln,
die mit Hilfe eines Subtrahierers ermittelt wird. In der Anpasseinheit
A wird daraus eine geeignete neue Laufzeitdifferenz ΔT festgelegt
und an die Verzögerungseinheit
D übermittelt.
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In
einer Anpassphase, in der Regel zu Beginn der Nutzung eines Hörgeräts oder
bei Neueinstellung des Hörgeräts, wird
der Anpassregelkreis von 6 mehrmals durchlaufen. Auf
diese Weise kann der Phasenunterschied zwischen beiden Mikrofonsignalen
Schritt für
Schritt auf null reduziert werden. Dieses Verfahren besitzt jedoch
den Nachteil, dass bei Mikrofonrauschen, das sich den einfallenden
Signalen überlagert,
Pegelveränderungen
der berechneten Signale auftreten können, die das erreichbare Phasenmatching
verschlechtern können.
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Aus
diesem Grund sei ein zweites Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Phasenanpassung bereitgestellt. Diesem
zweiten Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, dass für den Fall,
dass der Pegel des differenziellen Richtmikrofons über dem
Pegel des omnidirektionalen Signals liegt, die Mikrofone in einzelnen
Frequenzbändern
einen Laufzeitunterschied aufweisen, der größer als die physikalisch mögliche Schalllaufzeit
zwischen den Mikrofonen ist, die durch den Mikrofonabstand bestimmt
ist. Man kann daher die Mikrofonanpassung auch dadurch erreichen,
dass man adaptiv die messbare Verzögerung der beiden Mikrofonsignale
in einzelnen Frequenzbändern
auf diesen physikalisch möglichen
Wert begrenzt. Spätestens, wenn
ein Signal aus der 0°-Richtung einfällt, kann man
so ein ideales Matching erreichen.
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Für dieses
zweite Verfahren ist in 7 ein Prinzipschaltbild wiedergegeben.
In einer Schätzeinheit
SE wird zunächst
der Laufzeitunterschied T1 zwischen dem Ausgangssignal x1 des Mikrofons
M1 und dem Ausgangssignal x2 des Mikrofons M2 geschätzt. In
einer Vergleichseinheit V wird die geschätzte Laufzeit T1 mit einer
maximal möglichen Laufzeit
T0, die in einem Speicher SP1 abgelegt ist, verglichen. Diese maximal
mögliche
Laufzeit T0 entspricht wiederum der Schalllaufzeit zwischen den beiden
Mikrofonen. Gleichzeitig wird in einem Subtrahierer S die Differenz
zwischen der geschätzten Lauf zeit
T1 und der maximal möglichen
Laufzeit T0 unter Bildung einer Differenzlaufzeit T2 ermittelt. Falls
die geschätzte
Laufzeit T1 größer als
die maximal mögliche
Laufzeit T0 ist, gibt die Vergleichseinheit V ein enable-Signal
an einen Speicher SP2 aus, der die Differenzlaufzeit T2 speichert,
die er von dem Subtrahierer S erhält. Die in dem Speicher SP2
gespeicherte Laufzeit T2 wird in dem Verzögerungsglied D dazu benuztzt,
um das Ausgangssignal x1 zu verzögern.
Somit können
verzögerungskompensierte Ausgangssignale
x1(t – T2)
und x2(t) zur Verfügung gestellt
werden.
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In
der Anpassphase wird immer wieder überprüft, ob die Istlaufzeit T1 größer als
die maximale Laufzeit T0 ist. Eine optimale Anpassung wird dann erzielt,
wenn zu einem beliebigen Zeitpunkt der Schall aus der 0°-Richtung
eintrifft. Die im Anschluss daran festgestellten Laufzeiten sind
nicht mehr größer als
die maximal mögliche
Laufzeit T0, so dass die Anpassung beendet werden kann.
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Die
Erfindung ermöglicht
es somit, adaptiv, ohne Kenntnis der Position der Quelle(n), die
Phase der Mikrophone, insbesondere in Form von einstellbaren Verzögerungen
in ausreichend schmalen Frequenzbändern auszugleichen. Damit
ist es möglich, „ideale" notches in der Richtcharakteristik
an bestimmten Einfallsrichtungen zu platzieren und gleichzeitig
sicherzustellen, dass Signale aus der gewünschten Einfallsrichtung (z.B.
0°-Richtung)
nicht gedämpft
oder verzerrt werden. Voraussetzung hierfür ist, dass einmal in einem
für die
Adaption genügend
langen Zeitraum ein dominierendes Signal aus der 0°-Richtung vorliegt.
Der Zeitpunkt, zu dem dies der Fall ist, muss dem Verfahren nicht
bekannt sein. Die Adaption ist aber erst nach Vorliegen dieses Signals
abgeschlossen.
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Für diesen
Aufbau müssen
daher nicht vorselektierte Mikrofone eingesetzt werden, woraus sich ein
wirtschaftlicher Vorteil ergibt. Ein besonderer Vorteil besteht
auch darin, dass Phasendifferenzen, die durch Effekte am Kopf eines
Hörgeräteträgers entstehen
und die Richtwirkung auch bei ideal abgeglichenen Mikrofontriplets
massiv beschränken
können (vor
allem bei differenziellen Richtmikrofonen zweiter Ordnung, bei denen
drei Mikrofone eingesetzt sind), ebenfalls mit den vorgestellten
Verfahren ausgeglichen werden können.
Damit sind zusätzlich
bessere Richtwirkungen bei Verwendung der Richtmikrofone am Kopf
zu erwarten.