-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrofonanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Mikrofonanordnung ist aus der
DE 295 20 083 U1 bekannt.
-
Verwendet man für Audio-Aufnahmen einzelne Mikrofone mit kugelförmiger Richtcharakteristik, so wird neben dem Nutzsignal auch Nebenschall aufgenommen, welcher aus Reflexionen oder aus anderen Störgeräuschen resultiert. Dieser Nebenschall verfälscht das Nutzsignal. Bei Verwendung von einzelnen Mikrofonen mit nierenförmiger Richtcharakteristik wird die Empfindlichkeit zwar auf einen Teilbereich beschränkt, der aber in vertikaler und horizontaler Richtung im Wesentlichen gleich groß, d. h. achsensymmetrisch, ist. Schallquellen sind jedoch in vielen Fällen, beispielsweise Schauspieler auf einer Theaterbühne, Konferenzteilnehmer in Gesprächsrunden, in horizontaler Richtung breiter verteilt als in vertikaler Richtung. Daraus ergibt sich der Wunsch nach einer Mikrofonanordnung, welche Schallquellen über einen relativ großen horizontalen Bereich erfasst, jedoch störenden Nebenschall aus vertikaler Richtung, beispielsweise infolge Deckenreflexion oder Rückkopplung von einer Lautsprecherbeschallung, weitgehend ausblendet.
-
Bekannte Mikrofonanordnungen mit bevorzugter Empfindlichkeit in einer Ebene (AT&T Technical Journal, Vol 64, No. 4, April 1985, S. 983 bis 995) bestehen aus flächenhaft oder linienförmig verteilten Einzelmikrofonen.
-
Derartige Mikrofonanordnungen erzeugen Richtcharakteristiken, deren Bündelung abhängig ist vom Verhältnis der linearen Abmessungen zur Wellenlänge der übertragenen Nutzsignale. Bei vorgegebener Größe und vorgegebenem Abstand der Einzelmikrofone ergibt sich eine untere Grenzfrequenz, unterhalb derer keine nennenswerte Bündelung mehr auftritt und eine obere Grenzfrequenz, oberhalb derer die Nebenmaxima in die Größenordnung des Hauptmaximums kommen. Der erfasste Winkelbereich der maximalen Empfindlichkeit solcher Mikrofonanordnungen ist daher stark frequenzabhängig mit der weiteren Folge, dass ein Audiosignal nicht über seine gesamte Bandbreite mit gleich bleibender Qualität übertragen werden kann.
-
Aus der
DE 295 20 083 U1 ist eine als „Arraymikrofon” bezeichnete Mikrofonanordnung bekannt, bei welchem wenigstens zwei Mikrofongruppen, bestehend aus jeweils zwei oder mehreren Einzelmikrofonen, längs einer gemeinsamen Linie oder längs paralleler, eng benachbarter Linien angeordnet sind. Jede Mikrofongruppe gehört zu einem Teilbereichsmikrofon, welches ein unterschiedliches Frequenzteilband des Nutzsignalbandes überträgt. Die Ausgangssignale der Einzelmikrofone jeder Mikrofongruppe werden phasenrichtig zu einem Gruppensignal zusammengefasst. Die Gruppensignale werden entsprechend dem zugeordneten Frequenzteilband derart gefiltert, dass im Überlappungsbereich benachbarter Frequenzteilbänder ein im Wesentlichen gleichmäßiger Amplitudengang erzielt wird. Die gefilterten Gruppensignale bilden die Ausgangssignale von Teilbereichsmikrofonen, welche zueinander addiert werden.
-
Die Abmessungen des bekannten Arraymikrofons sind jedoch aus praktikablen Gründen beschränkt. Wegen der Abhängigkeit der Bündelung vom Verhältnis der linearen Abmessungen zur Wellenlänge der übertragenen Nutzsignale ist es daher auch bei dem bekannten Arraymikrofon schwierig, eine hohe Bündelung bei tiefen Frequenzen zu erreichen.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer Mikrofonanordnung der eingangs erwähnten Art die Bündelungseigenschaften bei tiefen Frequenzen zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zusätzlich zu den für die Übertragung des unteren Frequenzteilbandes vorgesehenen äußeren Schallwandlern eines Arraymikrofons ein weiterer Schallwandler in einem horizontalen Abstand zur vertikalen Längsachse des Arraymikrofons vorgesehen ist, wobei der horizontale Abstand so gewählt ist, dass die äußeren Schallwandler des Arraymikrofons und der weitere Schallwandler an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreieck angeordnet sind.
-
Infolge der dreidimensionalen Anordnung von drei Schallwandlern ändert sich die Richtcharakteristik des unteren Frequenzteilbandes gegenüber einem Arraymikrofon mit zwei linear angeordneten Schallwandlern. Die Richtcharakteristik erfährt nun eine zusätzlich rotationssymmetrische Einschnürung, so dass sich mit Hilfe des weiteren Schallwandlers das Bündelungsmaß zu tiefen Frequenzen verbessern lässt, ohne die Ausmaße der Mikrofonanordnung deutlich zu vergrößern. Die Anordnung des weiteren Schallwandlers stellt daher eine Erweiterung und Verbesserung gegenüber bekannten Arraymikrofonen dar.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ausgangssignal des weiteren Schallwandlers in seinem Pegel angepasst und Phasen-invertiert wird sowie einer Tiefpass-Filterung unterzogen wird, bevor es dem tiefpass-gefilterten Summensignal der äußeren Schallwandler des Arraymikrofons hinzuaddiert wird.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden äußeren Schallwandler des Arraymikrofons in einem Abstand von 28 cm zueinander angeordnet sind, so dass der Frequenzbereich unterhalb von 850 Hz in ein erstes Frequenzteilband des Arraymikrofons fällt. Infolge der Anordnung der drei Schallwandler an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks beträgt der Abstand der einzelnen Schallwandler ebenfalls 28 cm. Der horizontale Abstand des weiteren Schallwandlers von der vertikalen Längsachse der beiden äußeren Schallwandler des Arraymikrofons beträgt dann 24,25 cm.
-
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
-
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Mikrofonanordnung mit drei, an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks angeordneten Schallwandlern, von denen zwei Schallwandler an den Enden eines linearen Arraymikrofons angeordnet sind und der weitere (dritte) Schallwandler gegenüber dem Arraymikrofon nach hinten versetzt ist;
-
2 eine schematische Darstellung der räumlichen Verteilung der Schallwandler der Mikrofonanordnung nach 1,
-
3 ein räumliches Diagramm für die Richtcharakteristik der Mikrofonanordnung nach 1 bei 500 Hz und einem gegenseitigen Abstand der drei Schallwandler von 28 cm,
-
4 zwei ebene Diagramme für die Richtcharakteristik der Mikrofonanordnung nach 1 bei 500 Hz (linkes Diagramm) und 300 Hz (rechtes Diagramm) und bei unterschiedlichem Amplitudenbeitrag des weiteren (dritten) Schallwandlers, und
-
5 zwei räumliche Diagramme für die Richtcharakteristik der Mikrofonanordnung nach 1 bei 500 Hz und bei unterschiedlichen Verstärkungsverhältnissen von 1/0,3 (linkes Diagramm) und 1/0,5 (rechtes Diagramm) zwischen dem Summensignal der beiden Schallwandler des Arraymikrofons und dem Ausgangssignal des weiteren (dritten) Schallwandlers.
-
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Mikrofonanordnung 10 mit drei Schallwandlern 1, 2 und 3 für das untere Frequenzteilband unterhalb von etwa 850 Hz. Die Schallwandler 1, 2 weisen eine nierenförmige Richtcharakteristik auf und können für spezielle Anwendungen auch eine Kugel- oder eine Supernierencharakteristik aufweisen. Die Schallwandler 1, 2 sind auf einer vertikalen Längsachse linienförmig im Abstand von beispielsweise 28 cm angeordnet und stellen eine Mikrofongruppe eines Arraymikrofons 20 dar, welches das untere Frequenzteilband des Nutzsignalbandes überträgt. Das Arraymikrofon 20 kann weitere, auf der Längsachse im Bereich zwischen den Schallwandlern 1, 2 angeordnete Mikrofongruppen aufweisen, die in 1 nicht gezeigt sind. Diese weiteren Mikrofongruppen gehören zu Teilbereichsmikrofonen, welches höhere Frequenzteilbänder des Nutzsignalbandes übertragen und im Zusammenhang mit der Erfindung nicht weiter interessieren.
-
Die Ausgangssignale s1, s2 der Schallwandler 1, 2 der Mikrofongruppe des Arraymikrofons 20 für den unteren Frequenzteilbereich werden mit Hilfe eines Summenverstärkers 4 phasenrichtig zu dem Summensignal s1 + s2 zusammengefasst. Das Ausgangssignal s1 + s2 des Summenverstärkers 4 stellt ein Gruppensignal dar, welches in einem Tiefpassfilter 5 einer Tiefpass-Filterung unterzogen wird, um das Gruppensignal dem unteren Teilfrequenzbereich zuzuordnen. Ferner korrigiert das Filter 5 den Frequenzverlauf des Übertragungsmaßes im Bereich tiefer Frequenzen. Bei einem Ausführungsbeispiel des Arraymikrofons 20 wurde für das Filter 5 ein aktives Linkwitz-Riley-Filter vierter Ordnung verwendet, welches aus zwei in Serie geschalteten Butterworth-Filtern zweiter Ordnung besteht. Dieser Filtertyp zeichnet sich dadurch aus, dass er ein frequenzunabhängiges Übertragungsmaß erzeugt, wenn die obere Grenzfrequenz des einen Butterworth-Filters mit der unteren Grenzfrequenz des Butterworth-Filters für den jeweils darüber liegenden Frequenzbereich übereinstimmt. Bei Verwendung anderer Filtertypen, die im allgemeinen bei derartiger Dimensionierung eine Überhöhung um +3 dB im Überlappungsbereich erzeugen, müssen die Grenzfrequenzen für die Filter benachbarter Frequenzteilbänder so gewählt werden, dass sie einen engen Frequenzabstand aufweisen.
-
Der dritte Schallwandler 3 der Mikrofonanordnung 10 ist in einem horizontalen Abstand zur Längsachse der beiden Schallwandler 1, 2 des Arraymikrofons 20 angeordnet, wobei der horizontale Abstand so gewählt ist, dass die beiden Schallwandler 1, 2 des Arraymikrofons 20 und der dritte Schallwandler 3 an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreieck angeordnet sind, also den gleichen gegenseitigen Abstand L aufweisen. In 2 ist schematisch die räumliche Verteilung der Schallwandler 1, 2, 3 der Mikrofonanordnung 10 für eine realisierte Ausführungsform dargestellt. Aus dieser räumlichen Darstellung ist deutlich erkennbar, dass die beiden Schallwandler 1, 2 des Arraymikrofons 20 und der dritte Schallwandler 3 an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind.
-
Vorzugsweise beträgt der gegenseitige Abstand L der drei Schallwandler 28 cm, so dass der Frequenzbereich unterhalb von 850 Hz in das untere Frequenzteilband der Mikrofonanordnung 10 fällt. Der horizontale Abstand des dritten Schallwandlers 3 von der Längsachse, auf welcher der beiden äußeren Schallwandler 1, 2 des Arraymikrofons 20 liegen, beträgt dann 24,25 cm.
-
Um zu erreichen, dass der Pegel des Ausgangssignals s3 des dritten Schallwandlers 3 der Summe s1 + s2 der Pegel der Ausgangssignale der beiden Schallwandler 1 und 2 des Arraymikrofons 20 entspricht, wird das Ausgangssignal s3 des dritten Schallwandlers 3 zunächst in einem Pegelsteller 6 auf +6 dB gepegelt. Anschließend wird das gepegelte Ausgangssignal s3 in einem Phasenglied 7 um 180° in seiner Phase gedreht, da es dem Summensignal s1 + s2 der beiden Schallwandler 1, 2 gegenphasig zugesetzt werden muss. Das gepegelte und invertierte Ausgangssignal (–s3) des dritten Schallwandlers 3 wird schließlich in einem Tiefpassfilter 8 einer Tiefpass-Filterung unterzogen, um das phaseninvertierte Ausgangssignal (–s3) dem unteren Teilfrequenzbereich zuzuordnen. Das Filter 8 korrigiert ferner den Frequenzverlauf des Übertragungsmaßes im Bereich tiefer Frequenzen. Für das Filter 8 wurde bei einer. ausgeführten Mikrofonanordnung ein Butterworth-Filtern zweiter Ordnung verwendet. Das resultierende Signal (–s3) wird dem Summensignal (s1 + s2) der beiden Schallwandler 1, 2 in einem Addierglied 9 hinzu addiert.
-
Infolge der dreidimensionalen Anordnung von drei Schallwandlern 1, 2, 3 (2) ändert sich die Richtcharakteristik des unteren Frequenzteilbandes gegenüber einem Arraymikrofon 20 mit zwei linear angeordneten Schallwandlern 1, 2. Diese Änderung ist aus der Gegenüberstellung in 3 ersichtlich. Das linke Diagramm von 3 zeigt die Richtcharakteristik des Arraymikrofons 20 mit zwei linear angeordneten Schallwandlern 1 und 2, während das rechte Diagramm von 3 die Richtcharakteristik der Mikrofonanordnung 10 mit drei Schallwandlern 1, 2 und 3 zeigt. Wie man aus der Gegenüberstellung in 3 erkennt, führt die Subtraktion (s1 + s2) –s3 zu einer annähernd rotationssymmetrischen Einschnürung der Richtcharakteristik, verbunden mit einer Verbesserung der Bündelungseigenschaften.
-
Die rotationssymmetrische Einschnürung der Richtcharakteristik geht auch aus den Polardiagrammen nach 4 hervor. In 4 sind zwei Polardiagramme erkennbar für unterschiedliche Amplitudenverhältnisse von 1/1, 1/0,7 und 1/0,3 zwischen dem Gruppensignal der beiden Schallwandler 1, 2 und dem Ausgangssignal des dritten Schallwandlers 3. Diese beiden Polardiagramme zeigen die Richtcharakteristik der erfindungsgemäßen Mikrofonanordnung 10 bei unterschiedlichen Bewertungen des dritten Schallwandlers 3, und zwar bei 500 Hz (rechtes Diagramm) und bei 300 Hz (linkes Diagramm). Vergleicht man beide Richtcharakteristiken miteinander, erkennt man, dass sie sich nicht gleich verhalten. Bei 500 Hz ergibt sich eine deutliche Einschnürung bei 90°, wenn das Amplitudenverhältnis zwischen dem Gruppensignal der beiden Schallwandler 1, 2 zu dem Signal des dritten Schallwandlers 3 den Wert 1/0,3 besitzt. Der nach hinten versetzte dritte Schallwandler 3 liefert sehr viel weniger Energie als die beiden anderen Schallwandler 1, 2. Dies ändert sich aber bei 300 Hz. Hier ist das Verhältnis größer. Daraus lässt sich schließen, dass das Amplitudenverhältnis frequenzabhängig angepasst werden muss. Insgesamt zeigen die beiden Diagramme nach 4, dass es durch Veränderung des Pegels des Ausgangssignals s3 des dritten Schallwandlers 3 möglich ist, die Richtcharakteristik der Mikrofonanordnung 10 anzupassen. Ist dieser Pegel richtig gewählt, kommt es auch bei der Horizontalebene zu einer stärkeren Dämpfung.
-
Durch die Polardiagramme nach 4 lässt sich jedoch das Verhalten der kompletten Richtcharakteristik nicht vollständig einschätzen; vielmehr muss die Richtcharakteristik dreidimensional betrachtet werden. Die 5 zeigt zwei dreidimensionale Darstellungen der Richtcharakteristik bei 500 Hz bei unterschiedlichen Amplitudenverhältnissen von 1/0,3 und 1/0,5 zwischen dem Gruppensignal der beiden Schallwandler 1, 2 und dem Ausgangssignal des dritten Schallwandlers 3. Das rechte Diagramm in 5 mit einem Verstärkungsverhältnis von 1/0,5 besitzt ein um 0,5 dB höheres Bündelungsmaß. Dagegen wurde bei den Polardiagrammen nach 4 ein Verhältnis von 1/0,3 als optimal ermittelt. Die Betrachtung des Polardiagramms ist daher nicht immer aussagekräftig genug, denn die erfindungsgemäße Mikrofonanordnung 10 kann sich bei anderen Einfallswinkeln ganz anders verhalten als Arraymikrofone mit rotationssymmetrischer Richtcharakteristik.
-
Um das beste Ergebnis zu erhalten, muss das Ausgangssignal des nach hinten versetzten Schallwandlers 3 frequenzabhängig unterschiedlich verstärkt werden. Das Tiefpassfilter 8 muss daher so gewählt werden, dass es die richtige frequenzabhängige Verstärkung bietet. Neben dem bereits erwähnten Butterworth-Filter kommt auch ein Bessel-Filter 4-ter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von fg = 300 Hz in Betracht, da es bereits zu höheren Frequenzen eine höhere Dämpfung aufweist. Das bedeutet, dass ein Bessel-Filter 4-ter Ordnung oberhalb 600 Hz noch sehr wenig Einfluss auf das Richtverhalten der höheren Frequenzteilbänder nimmt, was von Vorteil für das Bündelungsmaß in diesem Frequenzbereich sein könnte. Da die Zusammenschaltung der drei Schallwandler 1, 2, 3 phasenabhängig ist, muss auch die Phasenbeziehung der Signale mit ihren jeweiligen Filtern 5 und 8 betrachtet werden. Diese sollen den gleichen Phasenverlauf aufweisen, damit keine unerwünschten Phasenauslöschungen entstehen. Ist der Phasenverlauf beider Filter 5 und 8 linear, können diese durch Verzögerung eines der Signale angepasst werden. Um eine Verzögerung mit einer analogen Schaltung zu verwirklichen, kann ein Allpass-Filter vorgesehen werden.
-
Es ist grundsätzlich möglich, die Signalverarbeitung der Ausgangssignale der Schallwandler 1, 2 aber auch der Ausgangssignale aller drei Schallwandler 1, 2 und 3 auf digitalem Wege zu verwirklichen. Hierzu können die verstärkten Signale der Schallwandler 1, 2 und 3 Analog/Digital-Wandlern zugeführt werden, um digitale Mikrofonssignale zu erhalten. Die anschließenden Verarbeitungsschritte (Addition 4, Tiefpassfilterung 5, Phaseninvertierung 7, Tiefpassfilterung 8, Addition 9) erfolgen digital in entsprechender Weise zu der Verarbeitung im analogen Bereich gemäß 1. Die digitale Verarbeitung bietet weitere Möglichkeiten, beispielsweise durch den Einsatz von FIR-Filtern für die Tiefpassfilterung, die Richtwirkung der erfindungsgemäßen Mikrofonanordnung 10 zu verbessern.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 29520083 U1 [0001, 0005]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- AT&T Technical Journal, Vol 64, No. 4, April 1985, S. 983 bis 995 [0003]
