DE102021207004A1

DE102021207004A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Nutzsignals aus einem Rohsignal

Info

Publication number: DE102021207004A1
Application number: DE102021207004.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Haubelt; Rainer Dorsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-05
Filing date: 2021-07-05
Publication date: 2023-01-05

Abstract

Zur Erzeugung eines Nutzsignals aus einem Rohsignale eines Mikrofonbauelements wird nachfolgend ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Mikrofon mit einer derartigen Vorrichtung beschrieben. Hierbei wird mittels des Mikrofonbauelements wenigstens ein Rohsignal erfasst, welches durch ein Störsignal eines weiteren Sensorelements ergänzt wird. Indem das weitere Sensorelement mechanisch an das Mikrofonelement gekoppelt ist und somit die gleichen Bewegungen, Schwingungen und Vibrationen erfährt, kann abhängig von dem Rohsignal und dem Störsignal das Nutzsignals des Mikrofonbauelements abgeleitet beziehungsweise erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Nutzsignals aus einem Rohsignal.
Stand der Technik
Bei der Erfassung von Sensorsignalen können je nach Anwendung auftretende Störungen erhebliche Auswirkungen auf das nutzbare Signal haben. So können bei insbesondere mikromechanischen Drucksensoren thermische Einflüsse das Drucksensorsignal verfälschen, weswegen üblicherweise eine Korrektur mit Hilfe eines Temperatursensors durchgeführt wird.
Auch bei der Verwendung eines Mikrofonbauelements ist es möglich, Störungen zu eliminieren, um lediglich das gewünschte akustische Signal weiterzuleiten. Hierbei können beispielsweise mit einem zweiten Mikrofonbauelement gezielt Hintergrund-Geräusche erfasst werden, um diese dann phaseninvertiert zuzumischen. Weiterhin kann die Aufhängung des Mikrofonbauelements derart gestaltet werden, dass Vibrationen nicht auf das Mikrofonbauelement wirken und somit keine störenden Signale hervorrufen. Trotz großen Aufwands ist jedoch aufgrund der mechanischen Aufhängung eine vollständige Verhinderung des Einflusses von Vibrationen und Schwingungen auf das Mikrofonbauelement nicht verhinderbar. Dies betrifft insbesondere auch die Anbindung des Mikrofonbauelements durch die notwendige Verkabelung.
Mit der vorliegenden Erfindung soll daher ein Verfahren sowie eine Vorrichtung beschrieben werden, die die Einkopplung von insbesondere mechanischen Störungen bei der Auswertung des Mikrofonsignals berücksichtigt.
Offenbarung der Erfindung
Zur Erzeugung eines Nutzsignals aus einem Rohsignale eines Mikrofonbauelements wird nachfolgend ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Mikrofon mit einer derartigen Vorrichtung beschrieben. Hierbei wird mittels des Mikrofonbauelements wenigstens ein Rohsignal erfasst, welches durch ein Störsignal eines weiteren Sensorelements ergänzt wird. Indem das weitere Sensorelement mechanisch an das Mikrofonelement gekoppelt ist und somit die gleichen Bewegungen, Schwingungen und Vibrationen erfährt, kann abhängig von dem Rohsignal und dem Störsignal das Nutzsignal des Mikrofonbauelements abgeleitet beziehungsweise erzeugt werden.
Der Vorteil einer derartigen Verarbeitung eines zusätzliche Sensorsignals liegt darin, dass die Störungen durch die mechanische Kopplung auf beide Erfassungselemente wirken und somit in der Auswertung leicht voneinander getrennt werden können. Dies betrifft ebenfalls Schwingungen oder Vibrationen, die durch die notwendigen elektrische Verkabelung entstehen. Ein weiterer Vorteil liegt in der unmittelbaren Berücksichtigung der Störung in Echtzeit, da die Störung durch das weitere Sensorelement gleichzeitig zu dem Rohsignal des Mikrofonbauelements erfasst wird.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das weitere Sensorelement nur einen Ausschnitt des Frequenzspektrums der Störung erfassen kann. In diesem Fall kann in Abhängigkeit des erfassten Störsignals ein Blindanteil abgeleitet werden, der zusätzlich bei der Erzeugung des Nutzsignals aus dem Rohsignal berücksichtigt wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um höherfrequente Anteile handeln, für die das weitere Sensorelement nicht ausgelegt ist. Die Bestimmung des Blindanteils kann durch eine Kenntnis des insbesondere mechanischen Aufbaus, der verwendeten Materialien und/oder Komponenten erfolgen. Denkbar wäre auch, dass durch gezielte und bekannte (mechanische) Störungen der Blindanteil für die Erzeugung des Nutzsignals durch eine Differenzbetrachtung der Signale bestimmt wird. Hierzu kann vorgesehen sein, dass das Mikrofonbauelement kein akustisches Signal empfängt, so dass nur die Störungen erfasst werden. Darüber hinaus können auch (komplexere) Lernverfahren zur Bestimmung des Blindanteils des Störsignals bei der Analyse von Charakterisierungsdaten für den verwendeten Aufbau, die Material und/oder Komponenten zum Einsatz kommen. Ohne Charakterisierungsdaten sind hier auch Verfahren mit adaptiven Filtern erfolgversprechend zur Bestimmung der Blindanteile des Störsignals. Die Voraussetzung für adaptive Filter, dass keine Korrelation zwischen Stör- und Nutzsignal besteht, ist hier in der Regel gegeben.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das weitere Sensorelement, zum Beispiel ein Beschleunigungssensor, die Schwingungen und/oder Vibrationen wenigstens in zwei Raumrichtungen erfasst. Durch eine derartige Erfassung lassen sich unterschiedliche Schwingungen und/oder Vibrationen voneinander trennen, um beispielsweise unterschiedlich starke Auswirkungen auf das Mikrofonbauelement gewichtet zu berücksichtigen. Darüber hinaus lassen sich mit einer nach der Raumrichtung getrennten Berücksichtigung der Schwingungen und/oder Vibrationen unterschiedliche frequenzabhängige Abhängigkeiten darstellen, die eine weitere Verbesserung des Nutzsignals ermöglichen. Diese unterschiedliche Berücksichtigung der Schwingungen und/oder Vibrationen in den verschiedenen Raumrichtungen kann auch für die unterschiedliche Querempfindlichkeit des Mikrofonbauelements benutzt werden.
Zur Berücksichtigung eines möglichen (zeitlichen) Versatzes der Rohsignale und der Störsignale aufgrund der räumlich beabstandeten Anordnung des Mikrofonbauelements und des weiteren Sensorelements kann zusätzlich die Phasenbeziehung beider Signale erfasst und bei der Erzeugung des Nutzsignals berücksichtigt werden.
Weiterhin kann berücksichtigt werden, dass das Rohsignal und das Störsignal unterschiedliche Amplituden aufweisen. Hierzu kann eine Amplitudenanpassung erfolgen, indem wenigstens eines der Signale mit einem Faktor entsprechend gewichtet wird. Dabei kann dieser Faktor ebenfalls frequenzabhängig gewählt werden.
Die Umsetzung eines derartig beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt üblicherweise mittels einer Auswerteeinheit, die ein solches Verfahren ausführt. Die Auswerteeinheit kann dabei die Auswertung, Aufbereitung und Weitergabe des erfassten akustischen Signals des Mikrofonelements durchführen. Das weitere Sensorelement, zum Beispiel in Form eines Beschleunigungssensors, kann bei einem klassischen Kondensator-, Tauchspulen- oder Bandmikrofon an der Mikrofonkapsel selbst angebracht sein.
Die Erfindung kann bei Podcast-Mikrofonen oder anderen Smart Devices mit Mikrofonen zur Verbesserung der Audioqualität beziehungsweise Reduktion der Einkopplung von Vibrationen über die Tischplatte eingesetzt werden. Auch die Entkopplung von Trittgeräuschen und -schwingungen ist möglich. Beim Einsatz in Laptops können Berührungsgeräusche der Tatstatur oder der Maus unterdrückt werden. Auch die Eliminierung von Berührungsgeräuschen bei kabelgebundenen Headsets ist denkbar.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Figurenliste

Die 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Auswerteeinheit in Form eines Blockschaltbilds. Das entsprechende erfindungsgemäße Verfahren für die Auswertung ist im Flussdiagramm der 2 dargestellt.

Ausführungsformen der Erfindung
Wie eingangs ausgeführt, kann zur Entkopplung eines Mikrofonbauelements eine aufwändige Aufhängung vorgesehen sein, die Schwingungen und Vibrationen dämpft. Darüber hinaus ist jedoch auch eine nachträgliche Berücksichtigung von Störungen bei der Auswertung des erfassten akustischen Schalls durch das Mikrofonbauelements möglich.
In der vorliegenden Erfindung wird eine aktive elektronische Unterdrückung mechanischer Vibrationen und Schwingungen beschrieben, die sich ohne eine derartige Unterdrückung zu Störungen im aufgenommenen Mikrofonsignal niederschlagen würden. Bei den mechanischen Vibrationen und Schwingungen kann es sich sowohl um periodische als auch aperiodische Störungen handeln. Zur Erfassung der Störungen, die durch die Vibrationen und Schwingungen hervorgerufen werden, wird ein Beschleunigungssensor 130 mechanisch mit dem Mikrofonbauelement 120 in einer Art und Weise gekoppelt, dass der Beschleunigungssensor 130 Vibrationen und/oder Schwingungen erfasst, die auf das Mikrofonbauelement 120 wirken. Wie bereits ausgeführt, kann es sich hierbei um periodische Störungen handeln, Störungen, die aperiodisch auftreten oder aufgrund der Bedienung nur einmal auftreten, z.B. beim Aufsetzen des Mikrofons auf einen Tisch. Zur Auswertung sowohl des Rohsignals des Mikrofonbauelements 120, des Störsignals des Beschleunigungssensors 130 als auch zur Erzeugung des daraus resultierenden Nutzsignals ist gemäß dem Blockschaltbild der 1 eine Auswerteeinheit 100 vorgesehen. Diese Auswerteeinheit 100 kann direkt dem Mikrofonbauelement 120 zugeordnet sein oder in einem übergeordneten Steuergerät, zum Beispiel zur Ansteuerung eines Headsets oder eines Laptop-Mikrofons untergerbacht sein. Die Auswerteeinheit 100 kann die Informationen wenigstens eines weiteren Sensors 140 erfassen, zum Beispiel eines weiteren Mikrofons, welches die Umgebungsgeräusche aufnimmt, um zusätzlich die Audioqualität der erfassten akustischen Signale zu verbessern. Darüber hinaus kann die Auswerteeinheit 100 Informationen über die weiteren mit dem Mikrofonbauelement 120 verbundenen Komponenten 150 erfassen, um weitere Störungen oder das Verhalten der Komponenten während der Aufnahme durch das Mikrofonbauelement 120 zu berücksichtigen. In einem Speicher 110 können in der Auswerteeinheit 100 Informationen abgelegt sein, die für die Auswertung beziehungsweise Erzeugung des Nutzsignals hilfreich sein können. Denkbar ist beispielsweise, dass das charakteristische Schwingungsverhalten des Aufbaus des Mikrofons oder Gehäuses, in dem das Mikrofonbauelement 120 eingebracht ist, hinterlegt sind. Ähnlich können auch für das verwendete Material entsprechende Charakteristiken hinterlegt sein, insbesondere deren Schwingungsverhalten bei verschiedenen Frequenzen.
Die Auswerteeinheit 100 erzeugt zumindest in Abhängigkeit des Rohsignals und des Störungssignals ein Nutzsignal, welches an eine entsprechende weitere Einheit 170 zur Steuerung oder weiteren Verarbeitung weitergegeben werden kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Aufzeichnungsgerät oder einen Lautsprecher handeln. Optional kann auch eine Anzeige 180 mit dem Nutzsignal angesteuert werden.
Zur Ableitung des Einflusses der Störungen kann in einer weiteren Ausführung der Erfindung mittels einer entsprechenden Vorrichtung 160 eine gezielte insbesondere mechanische Störung in Form von Schwingungen und/oder Vibrationen auf das System bestehend aus Mikrofonbauelement 120 und Beschleunigungssensor 130 eingebracht werden. Hierdurch kann die Auswerteeinheit 100 einen möglichen Blindanteil der Störung, das heißt Störfrequenzen erkennen, die nicht durch den Beschleunigungssensor 130 erfasst werden können. Bei diesem Blindanteil kann es sich beispielsweise um höherfrequente Schwingungen und Vibrationen handeln. Aufgrund der Kenntnis dieses Blindanteils kann jedoch anschließend bei Vorliegen entsprechender niedriger Frequenzanteile auf das Vorhandensein höherer Frequenzanteile geschlossen und bei der Erzeugung des Nutzsignals berücksichtigt werden. Optional kann hierbei auch ein vorbestimmtes akustisches Signal erzeugt werden, welches anschließend vom Mikrofonbauelement inklusive der gezielten Störung erfasst wird.
Ein mögliches Verfahren zur Erzeugung des Nutzsignals aus dem Rohsignal des Mikrofonbauelements 120 ist im Flussdiagramm der 2 dargestellt. In einem ersten Schritt 200 wird das Rohsignal des Mikrofonbauelements erfasst. Anschließend oder zeitgleich kann das Störungssignal des Beschleunigungssensors in einem Schritt 210 erfasst werden, welches die Schwingungen und/oder Vibrationen repräsentieren, die auf das Mikrofonbauelement einwirken. Aus diesen beiden Signalen wird im Schritt 230 das Nutzsignal, das heißt das korrigierte Rohsignal erzeugt, welches dem tatsächlich erfassten akustischen Signal entspricht. Dieses Nutzsignal kann im nächsten Schritt 240 direkt verarbeitet oder an andere Systeme, wie beispielsweise einer Aufzeichnung oder einer Übertragung an Dritte, weitergeleitet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Erzeugung des Nutzsignals im Schritt 230 weitere Größen oder Informationen berücksichtigt. Hierzu können in einem vorherigen optionalen Schritt 220 weitere Informationen erfasst oder eingelesen werden. Dabei kann es sich beispielsweise um die Sensorsignale weiterer Sensoren, wie beispielsweise einem weiteren Mikrofon handeln. Es können jedoch auch charakteristische Größen erfasst werden, die den Aufbau oder das Material für das Mikrofonbauelement betreffen. So können frequenzabhängige Störungen aus dem Rohsignal eliminiert werden, die zusätzlich zu den Schwingungen und/oder Vibrationen vorliegen. Denkbar ist beispielsweise, dass aus der Erkenntnis, dass ein Teil der Schwingungen nicht von dem Beschleunigungssensor erfasst werden kann, da deren Frequenzen zu hoch sind, ein Blindanteil bei der Erzeugung des Nutzsignals berücksichtigt werden. Weiterhin können hier auch komplexere Lernverfahren zur Bestimmung des Blindanteils des Störsignals bei der Analyse der Charakterisierungsdaten zum Einsatz kommen. Ohne Charakterisierungsdaten sind hier auch Verfahren mit adaptiven Filtern erfolgversprechend zur Prädiktion der Blindanteile des Störsignals. Die Voraussetzung für adaptive Filter, dass keine Korrelation zwischen Stör- und Nutzsignal besteht, ist hier in der Regel gegeben. Der Schritt 220 kann dabei vor dem Schritt 230 im beschriebenen Verfahren durchgeführt werden. Alternativ kann der Schritt 220 auch separat ablaufen, wobei die so erfassten Sensorsignale dem Verfahren zur Verfügung gestellt werden.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann die Phasenbeziehung zwischen dem erfassten Rohsignal und dem Störsignal berücksichtigt werden. Da das Mikrofonbauelement und der Beschleunigungssensor beabstandet voneinander angebracht sind, ist eine Verzögerung zwischen der Erfassung beider Signale in Form der zeitlichen Differenz bei der Erzeugung des Nutzsignals zu berücksichtigen. Die Ermittlung dieser Differenz der Gruppenlaufzeit kann sowohl durch eine vorgegebene Charakterisierung aufgrund des Anordnung beider Elemente oder durch eine Messung in Abhängigkeit einer gezielten und/oder charakteristischen Störung erfolgen. Die Charakterisierung kann dabei mittels einer Berechnung oder einer Simulation erfolgen, die unabhängig ermittelt wird. So kann diese Charakterisierung ebenfalls in der Auswerteeinheit 100 ablaufen und das Ergebnis im Speicher 110 für die Ermittlung der Differenz abgelegt werden. Alternativ kann diese Charakterisierung auch ohne eine Ableitung durch die Auswerteeinheit 100 im Speicher 110 vorliegen, zum Beispiel indem auf der Fertigungsseite entsprechende Parameter abgeleitet und hinterlegt werden.
Eine weitere Möglichkeit der Anpassung besteht darin, dass die Amplituden beider Signale berücksichtigt werden. So kann es vorkommen, dass sich die Amplituden des erfassten Rohsignals und des Störsignals voneinander unterscheiden. In diesem Fall kann bei der Erzeugung des Nutzsignals eine Transformation der Signale erfolgen, zum Beispiel indem eine Gewichtung bei einem der beiden Signale oder ein Filter verwendet wird. Diese Gewichtung oder der Filter kann dabei frequenzabhängig gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Transformation auch Verzerrungen (THD) berücksichtigten.
Da die Schwingungen und/oder Vibrationen, die auf das Mikrofonbauelement wirken, nicht notwendigerweise auf eine Raumrichtung beschränkt sind, kann vorgesehen sein, dass der Beschleunigungssensor diese zumindest in zwei Raumrichtungen erfasst, zum Beispiel in lateraler Richtung. Die erfassten Raumrichtungen können auf abhängig von der erfassten Querempfindlichkeit des Mikrofonbauelements erfasst und/oder berücksichtigt werden. In einem einfachen Fall kann vorgesehen sein, dass die Schwingungen und/oder Vibrationen in allen drei Raumrichtung (a_x, a_y, a_z) erfasst werden, wobei das Störsignal in Form $I_{St \ddot{o} rsignal} = I * a_{x} + k * a_{y} + m * a_{z}$
dargestellt werden kann. Hierbei können die Faktoren l, k und m frequenzabhängige Funktionen darstellen, die beispielsweise durch die verwendeten Materialien bestimmt werden.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Nutzsignals aus einem Rohsignal eines Mikrofonbauelements (120), wobei das Verfahren • mittels des Mikrofonbauelements (120) wenigstens ein Rohsignal erfasst, und • mittels wenigstens eines weiteren Sensorelements (130), insbesondere eines Beschleunigungssensors, welches mechanisch mit dem Mikrofonbauelement (120) gekoppelt ist, ein Störsignal erfasst, und • in Abhängigkeit des Rohsignals und des Störsignals das Nutzsignal erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren • in Abhängigkeit des Störsignals ein Blindanteil bestimmt, und • das Nutzsignal zusätzlich in Abhängigkeit von dem Blindanteil aus dem Rohsignal erzeugt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Blindanteil Frequenzbereiche des Rohsignals beinhaltet, die vom weiteren Sensorelement (130) nicht erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren • mittels des weiteren Sensorelements (130) mechanische Schwingungen des Mikrofonbauelements (120) erfasst, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass mittels des weiteren Sensorelements (130) die mechanischen Schwingungen in wenigstens zwei Raumrichtungen erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren • das Nutzsignals in Abhängigkeit der mechanischen Schwingungen in wenigstens zwei Raumrichtung aus dem Rohsignal erzeugt, wobei vorgesehen ist, dass die Schwingungen in wenigstens zwei Raumrichtungen mit verschiedenen Faktoren unterschiedlich transformiert oder gewichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren • eine Phasenbeziehung zwischen Rohsignal und Störsignal erfasst und • das Nutzsignal zusätzlich in Abhängigkeit von der Phasenbeziehung erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren • die Amplitude des Rohsignals und des Störsignals erfasst, und • das Nutzsignal zusätzlich in Abhängigkeit einer gewichteten Amplitudenanpassung des Rohsignals und/oder des Störsignals erzeugt.
Vorrichtung zur Erzeugung eines Nutzsignals aus einem Rohsignal eines Mikrofonbauelements (120), wobei die Vorrichtung eine Auswerteeinheit (100) zur Durchführung eines Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 aufweist, wobei die Auswerteeinheit • mittels des Mikrofonbauelements (120) wenigstens ein Rohsignal erfasst, und • mittels wenigstens eines weiteren Sensorelements (130), insbesondere eines Beschleunigungssensors, welches mechanisch mit dem Mikrofonbauelement (120) gekoppelt ist, ein Störsignal erfasst, und • in Abhängigkeit des Rohsignals und des Störsignals das Nutzsignal erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (100) • in Abhängigkeit des Störsignals ein Blindanteil bestimmt, und • das Nutzsignal zusätzlich in Abhängigkeit von dem Blindanteil aus dem Rohsignal erzeugt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Blindanteil Frequenzbereiche des Rohsignals beinhaltet, die vom weiteren Sensorelement nicht erfasst werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (100) • das Nutzsignals in Abhängigkeit der mechanischen Schwingungen in wenigstens zwei Raumrichtung aus dem Rohsignal erzeugt, wobei vorgesehen ist, dass die Schwingungen in wenigstens zwei Raumrichtungen mit verschiedenen Faktoren unterschiedlich transformiert oder gewichtet werden.
Mikrofon mit einem Mikrofonbauelement (120) und einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Mikrofonbauelement (120) mechanisch mit einem weitere Sensorelement (130), insbesondere ein Beschleunigungssensor, derart mechanisch gekoppelt ist, so dass das weitere Sensorelement (130) mechanische Schwingungen oder Vibrationen erfasst, die bei der Erfassung akustischer Schwingungen auf das Mikrofonbauelement (120) einwirken.