DE19649595B4 - Messverfahren zur Bestimmung der Übertragungsfaktoren von mehreren Mikrofonen und Meßvorrichtung - Google Patents

Abstract

Meßverfahren zur Bestimmung der Übertragungsfaktoren von mehreren Mikrofonen, die in einer Mikrofonanordnung, vorzugsweise in einem Mikrofon-Array, zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofonanordnung mit einem aus einer gemeinsamen Signalquelle (13) stammenden Signal beaufschlagt wird, daß die laufzeitangepaßten Mikrofonausgangssignale (e_K) summiert und gemittelt werden, daß dieses gemittelte Summensignal (s) gefiltert und danach mit einem zeitverzögerten Mikrofonsignal (Y_K) verglichen wird, wobei die Filterfunktion so eingestellt ist, daß der mittlere quadratische Fehler des Ergebnisses aus dem Vergleich ein Minimum wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren zur Bestimmung der Übertragungsfaktoren von mehreren Mikrofonen, die in einer Mikrofonanordnung, vorzugsweise in einem Mikrofon-Array, zusammen gefaßt sind.
• In der DE 43 19 764 wird ein zuverlässiges dreistufiges Messverfahren für Mikrofone offenbart, mit dem die akustischen Eigenschaften eines zu prüfenden Mikrofons ermittelt werden. Dieses Messverfahren kann in einem reflexionsbehafteten Raum einer kleinen Messbox ausgeführt werden.
• Mikrofon-Arrays der hier genannten Art werden beispielsweise in Freisprech-Einrichtungen in der Sprachkommunikation eingesetzt. Sie ermöglichen Telefongespräche, bei denen sich der Teilnehmer frei in einem Raum bewegen kann. Durch die Anordnung der Mikrofone in einem Mikrofon-Array ergibt sich, bei Ausrichtung des Arrays auf den Sprecher, eine Richtcharakteristik, die störende Umgebungsgeräusche wirksam reduziert. Bei Einsatz eines Mikrofon-Arrays mit elektronisch steuerbarer Richtcharakte ristik kann die Richtcharakteristik der momentanen Position der Person im Raum automatisch angepaßt werden. Bei geeigneter Verarbeitung der Mikrofonsignale ist es möglich, ein sogenanntes superdirektives Mikrofon-Array zu realisieren. Diese superdirektiven Mikrofon-Arrays weisen einen größeren Array-Gewinn, das heißt eine verringerte Schallempfindlichkeit gegenüber Umgebungsgeräuschen und eine kleinere Bauform als herkömmliche Mikrofon-Arrays auf. Um diese Vorteile jedoch nutzen zu können, ist eine genaue Kenntnis der Übertragungsfaktoren der in dem Array eingesetzten Mikrofone erforderlich. Diese werden üblicherweise für jedes Mikrofon getrennt ermittelt. Dazu wird in einem reflexionfreien Meßraum ein Vergleichsmikrofon in einem Mikrofonhalter befestigt. Dieses wird mit einem durch einen Lautsprecher abgegebenen Testsignal beaufschlagt und aus dieser Messung der Übertragungsfaktor des Mikrofons ermittelt. In einer zweiten Mikrofonhalterung wird das zu messende Mikrofon befestigt und mit demselben Testsignal wie das Vergleichsmikrofon beaufschlagt. Durch einen Vergleich der von den beiden Mikrofonen abgegebenen Signale läßt sich der Übertragungsfaktor des zu messenden Mikrofons bestimmen. Nach der Messung muß das gemessene Mikrofon manuell aus der Mikrofonhalterung genommen und gekennzeichnet werden. Danach wird das nächste zu messende Mikrofon in dieselbe Halterung eingebracht und der Meßvorgang beginnt von neuem. Dieser Meßvorgang muß für jedes Mikrofon des Mikrofon-Arrays durchgeführt werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß jedes Mikrofon manuell in der Mikrofonhalterung fixiert beziehungsweise aus ihr wieder entnommen werden muß und daß jedes zu messende Mikrofon gekennzeichnet werden muß, um dieses nach der Messung wieder an seine Position im Mikrofon-Array zu bringen.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Meßverfahren anzugeben, das einfach und mit geringem Aufwand ausführbar ist, so daß sich Zeit und Kosten einsparen lassen. Desweiteren besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Meßvorrichtung zur Ausführung des Meßverfahrens zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird durch ein Meßverfahren gelöst, das sich dadurch auszeichnet, daß die Mikrofonanordnung mit einem aus einer gemeinsamen Signalquelle stammenden Signal beaufschlagt wird, daß die laufzeitangepaßten Mikrofonausgangssignale summiert und gemittelt werden, daß dieses gemittelte Summensignal gefiltert und danach mit einem zeitverzögerten Mikrofonsignal verglichen wird, wobei die Filterfunktion so eingestellt ist, daß der mittlere quadratische Fehler des Ergebnisses aus dem Vergleich ein Minimum wird. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht dabei darin, daß sich die gesamte Mikrofonanordnung in einem Schritt vermessen läßt. Dabei wird pro Mikrofon eine Analyse und Trennung des aufgenommenen Schallsignals nach Direktschall und nach Reflexionsschall durch ein zeitdiskretes und mittels seiner einstellbaren Filterkoeffizienten anpaßbares Transversalfilter durchgeführt. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß der Meßraum nicht notwendigerweise reflexionsfrei sein muß. Nach erfolgter Anpassung der Zeitverzögerung und des Transversalfilters ist der dem Direktschallanteil zugeordnete Filterkoeffizient ein Maß für den Mikrofon-Übertragungsfaktor. Dieser ist zur Beschreibung des Breitband-Übertragungsverhaltens des Mikrofons ausreichend, wenn für das Array Mikrofone vom gleichen Typ verwendet werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist im automatischen Ablauf der Messung zu sehen. Es müssen insbesondere keine Mikrofone ausgewechselt oder gekennzeichnet werden, da diese zur Messung im Mikrofon-Array verbleiben.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Zeitverzögerung derart eingestellt wird, daß das Mikrofonsignal bezüglich des Direktschallanteils zeitsynchron zu dem gemittelten Summensignal ist. Durch diese Einstellung der Zeitverzögerung ist gewährleistet, daß Toleranzen bei der Montage des Mikrofon-Arrays ausgeglichen werden.
• Die Aufgabe der Erfindung wird darüber hinaus von einer Meßvorrichtung gelöst, die sich dadurch auszeichnet, daß eine der Mikrofonanordnung zugeordnete Entzerrervorrichtung, zumindest eine der Entzerrervorrichtung nachgeordnete Adaptionsvorrichtung, die ein einstellbares Zeitverzögerungsglied, eine Adaptionsstufe, einen Vergleicher und ein einstellbares Filter aufweist, und eine Summier- und Mittelungsvorrichtung vorgesehen sind.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Meßvorrichtung ist vorgesehen, daß die Entzerrervorrichtung jeweils einen einem Mikrofon zugeordneten Entzerrer aufweist und jedem Entzerrer eine Adaptionsvorrichtung nachgeordnet ist. Vorteilhaft ist dabei, daß die Zeitverzögerungen der einzelnen Entzerrer so eingestellt werden können, daß die durch die Geometrie des Arrays und den Abstand zwischen dem Array und der Signalquelle verursachten Laufzeitunterschiede der Mikrofonsignale ausgeglichen werden. Weiterhin können Unterschiede in der Amplitudenübertragung, die sich durch unterschiedliche Abstände zwischen dem Lautsprecher und den Mikrofonen ergeben, durch entsprechende Skalierung der Entzerrer ausgeglichen werden.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Meßvorrichtung ergibt sich dadurch, daß die Ausgangssignale der Entzerrer der Summier- und Mittelungsvorrichtung zugeführt werden, die daraus ein arithmetisch gemitteltes Summensignal bildet. Dies hat den Vorteil, daß die durch Reflexion im Meßraum entstandenen Signalanteile in den Ausgangssignalen der Entzerrer durch die Mittelung reduziert werden oder daß bei ausreichender Dämpfung im Meßraum keine von Reflexionen herrührende Signalanteile im Summmensignal vorhanden sind.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Ausgangssignal eines Entzerrers über das Zeitverzögerungsglied einem Eingang des Vergleichers zugeführt. Die Zeitverzögerung wird dabei so eingestellt, daß das gemittelte Summensignal und das dem Eingang des Vergleichers zugeführte Signal, im Hinblick auf einen Direktschallsignalanteil, zeitsynchron sind.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das gemittelte Summensignal dem einstellbaren Filter zugeführt, dessen Ausgangssignal dem Vergleicher zu geleitet ist. Das Filter wird dabei so eingestellt, daß sein Ausgangssignal dem über das Zeitverzögerungsglied an den Vergleicher geleiteten Signal in soweit entspricht, daß der mittlere quadratische Fehler des Vergleicherausgangssignals ein Minimum ist.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung stellt die Adaptionsstufe die Verzögerungszeit des Zeitverzögerungsgliedes und zumindest einen der Koeffizienten des Filters ein. Die Einstellung der Filterkoeffizienten und des Zeitverzögerungsgliedes durch die Adaptionsstufe erfolgt dabei iterativ so, daß die beiden dem Vergleicher zugeführten Ausgangssignale, also das des Zeitverzögerungsgliedes und das des Filters bei der Vergleichsoperation einen minimalen mittleren quadratischen Fehler ergeben. Die Einstellung des Zeitverzögerungsgliedes muß dabei die Zusatzbedingung erfüllen, daß diejenigen Filterkoeffizienten, die weder dem Direktschall noch dem Reflexionsschall zuzuordnen sind, möglichst wenig von Null abweichen. Danach kann anhand eines der eingestellten Filterkoeffizienten der relative Übertragungsfaktor des gemessenen Mikrofons bestimmt werden.
• Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die einzige Figur, die in schematischer Darstellung eine Meßvorrichtung zeigt, näher erläutert.
• Die Meßvorrichtung 1 umfaßt eine Testsignalvorrichtung 3, ein Mikrofon-Array 5, eine nachgeordnete Entzerrervorrichtung 7, eine Summier- und Mit telungsvorrichtung 9 und eine für jedes Mikrofon vorhandene Adaptionseinrichtung 11. Dabei sind die Testsignalvorrichtung 3 und das Mikrofon-Array 5 in einem Testraum angeordnet. Die Testsignalvorrichtung 3 weist eine Signalquelle 13 und einen ihr zugeordneten Lautsprecher 15 auf. Diesem wird ein von der Signalquelle 13 stammendes Testsignal, vorzugsweise ein Breitband-Rauschen oder ein Sprachsignal, zugeführt.
• Das Mikrofon-Array umfaßt die Mikrofone M₁ bis M_N, die beispielsweise ein zweidimensionales Array bilden, wobei die Mikrofone gleichmäßig zueinander beabstandet auf einer ein Quadrat bildenden Umfangslinie angeordnet sind. Die von den Mikrofonen M₁ bis M_N abgegebene Mikrofonausgangsignale x₁ bis x_N werden der nachgeordneten Entzerrervorrichtung 7 zugeführt. Diese weist eine der Anzahl der Mikrofone im Mikrofon-Array 5 entsprechende Anzahl an Entzerrern E₁ bis E_N auf, die jeweils einem der Mikrofone M₁ bis M_N zugeordnet sind. Die Ausgangssignale e₁ bis e_N der Entzerrer-Vorrichtung 7 werden einerseits der Summier- und Mittelungsvorrichtung 9 und andererseits der dem jeweiligen Mikrofon zugeordneten Adaptionseinrichtung 11 zugeführt.
• Die Summier- und Mittelungsvorrichtung 9 umfaßt eine Summierstufe 8 und eine dieser nachgeordnete Mittelungsstufe 10. Das durch diese beiden Stufen gebildete gemittelte Summensignal s wird jeder der nachgeordneten Adaptionsvorrichtungen 11 zugeführt. Eine Adaptionsvorrichtung umfaßt ein einstellbares Zeitverzögerungsglied 17 mit einer einstellbaren Verzögerungszeit T_K, eine Adaptionsstufe 23, einen Vergleicher 21 und ein einstellbares Filter 19, das vorzugsweise als nichtkausales Transversalfilter ausgebildet ist. Jeder dieser Adaptionsvorrichtungen 11 wird das Summensignal s der Summier- und Mittelungsvorrichtung 9 und je eines der von dem Entzerrer E₁ bis E_N stammenden Signale e₁ bis e_N zugeführt. Innerhalb der Adaptionsvorrichtung 11 wird das Summensignal s der Adaptionsstufe 23 und dem Filter 19 zugeführt und das Signal e_K wird dem Zeitverzögerungsglied 17 zugeführt. Die Ausgangssignale y_K des Zeitverzögerungsgliedes 17 und w_K des Filters 19 werden einem nachgeordneten Vergleicher 21 zugeführt, der ein Vergleicherausgangssignal f_K bildet.
• Durch diesen Aufbau der Meßvorrichtung lassen sich die Übertragungsfaktoren der einzelnen Mikrofone des Mikrofon-Arrays 5 in einem Meßdurchgang bestimmen. Dazu wird das Mikrofon-Array 5 zu Beginn der Messung in dem vorzugsweise eine mittlere Schalldämpfung aufweisenden Meßraum gegenüber dem Lautsprecher 15 angeordnet. Der Abstand zwischen dem Mikrofon-Array 5 und dem Lautsprecher 15 wird dabei vorzugsweise so gewählt, daß er in etwa dem Hallradius des Meßraums entspricht oder kleiner ist. Das vom Lautsprecher 15 erzeugte Schallsignal wird von den Mikrofonen M₁ bis M_N aufgenommen und in die elektrischen Signale x₁ bis x_N umgewandelt. Dabei ergeben sich durch die unterschiedlichen Abstände der Mikrofone zum Lautsprecher 15 Laufzeitunterschiede der Mikrofonausgangssignale x₁ bis x_N. Diese werden durch die dem Mikrofon-Array nachgeordnete Entzerrervorrichtung 7 weitgehend ausgeglichen, so daß die Ausgangssignale e₁ bis e_N nahezu zeitsynchron bezüglich des Direktschallsignalanteils sind. Dazu wird die Zeitverzögerung der Entzerrer E₁ bis E_N auf den für das zugeordnete Mikrofon ermittelten Wert eingestellt. Diese Werte lassen sich vorab anhand der Geometrie des Mikrofon-Arrays 5 bestimmen. Darüberhinaus können bei der Festlegung der Amplitudenübertragungsfaktoren der einzelnen Entzerrer auch Unterschiede in der Amplitudenübertragung der einzelnen Mikrofone auf Grund unterschiedlicher Abstände zum Lautsprecher 15 kompensiert werden.
• Die zeitverzögerten Signale e₁ bis e_N werden danach der Summier- und Mittelungsvorrichtung zugeführt. Diese bildet mittels der Summierstufe 8 ein Summensignal, aus dem in der nachfolgenden Mittelungsstufe 10 der arithmetische Mittelwert gebildet wird. Dadurch werden im Meßraum entstandene Reflexionssignalanteile reduziert, so daß das Summensignal im wesentlichen nur den Direktschallsignalanteil enthält. Dieser dient deshalb als Referenzsignal für die nachgeordnete Adaptionseinrichtung 11.
• Zur einfacheren Darstellung wird im nachfolgenden nur eine Adaptionseinrichtung 11 betrachtet, die, wie bereits erwähnt, für jedes Mikrofon vorhanden ist. Das vom Entzerrer 25 kommende Signal e_K wird in der Adaptionseinrichtung 11 dem Zeitverzögerungsglied 17 zugeführt, dessen Zeitverzögerung T_K von der Adaptionsstufe 23 eingestellt wird. Gleichzeitig wird das Summensignal s der Summier- und Mittelungsvorrichtung 9 der Adaptionsstufe 23 und dem Filter 19 zugeführt. Dieses ist als nichtkausales Transversalfilter mit der Übertragungsfunktion

  

  und den Filterkoeffizienten h_K(–L), h_K(–L + 1)..h_K(M) und der Filterlänge L + M + 1 mit (L, M > 0) ausgebildet und über die Einstellung der Filterkoeffizienten h_K(n) ist seine Übertragungsfunktion veränderbar. Dabei entspricht der Koeffizient h_K(0) dem Direktschallanteil im Ausgangssignal w_K und h_K(n) für n > 0 entspricht dem Reflexionsschallanteil, der durch den Meßraum beziehungsweise die Mikrofonhalterungen hervorgerufen wird. Die Koeffizienten h_K(n) für n < 0, die bei perfekter Einstellung des Entzerrers E_K gleich Null wären, beschreiben den noch vorhandenen Laufzeitunterschied zwischen dem Direktschall im Summensignal s und im Ausgangssignal y_K des Zeitverzögerungsgliedes 17. Zur Bestimmung des Mikrofon-Übertragungsfaktors wird der eingestellte Koeffizient h_K(0) bestimmt, der dem relativen Mikrofon-Übertragungsfaktor entspricht. Mindestens einer dieser Koeffizienten h_K(n) wird von der Adaptionsstufe 23 so eingestellt, daß das Filterausgangssignal w_K näherungsweise dem Ausgangssignal y_K des Zeitverzögerungsglieds 17 entspricht. Der Vergleicher 21 bildet aus diesen beiden Signalen ein Differenzsignal f_K nach der Vorschrift: fK = yK – wK
• Dieses Ausgangssignal f_K wird von der Adaptionsstufe 23 durch die Einstellung der Filterkoeffizienten des Filters 19 verändert. Dazu wird für das Summensignal s und das Ausgangssignal y_K vorzugsweise nach dem Prinzip der Wiener-Filterung die Auto- und Kreuzkorrelationsfunktion ausgewertet und daraufhin die Filterkoeffizienten so verändert, das der mittlere quadratische Fehler von f_K minimal ist.
• Für die Bestimmung des relativen Mikrofon-Übertragungsfaktors aus dem Filterkoeffizienten h_K(0) ist es darüberhinaus erforderlich, daß das Summensignal s und das Ausgangssignal y_K hinsichtlich des Direktschallsignalanteils zeitsynchron sind. Dies ist an den Filterkoeffizienten h_K(n) für n < 0 ablesbar, die, falls das Summensignal s nicht synchron zum Ausgangssignal y_K ist, von Null verschieden sind. In diesem Fall wirkt das Filter 19 als Interpolatorfilter für den Direktschallsignalanteil in den beiden Signalen und der Filterkoeffizient h_K(0) beschreibt den Direktschallanteil nicht vollständig. Der relative Mikrofon-Übertragungsfaktor kann dann nicht mehr exakt bestimmt werden. Deshalb wird über die Adaptionsstufe 23 die Zeitverzögerung T_K des Zeitverzögerungsgliedes iterativ so eingestellt, das die Signale y_K und s zeitsynchron sind. Dies ist dann erreicht, wenn die Filterkoeffizienten h_K(n) für n < 0 möglichst klein sind. Der relative Mikrofon-Übertragungsfaktor ergibt sich dann aus dem Filterkoeffizienten h_K(0). Dieser entspricht bis auf einen festen Skalierungsfaktor dem für Breitband-Übertragung relevanten Mikrofon-Übertragungsfaktor.

Claims (10)

1. Meßverfahren zur Bestimmung der Übertragungsfaktoren von mehreren Mikrofonen, die in einer Mikrofonanordnung, vorzugsweise in einem Mikrofon-Array, zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofonanordnung mit einem aus einer gemeinsamen Signalquelle (13) stammenden Signal beaufschlagt wird, daß die laufzeitangepaßten Mikrofonausgangssignale (e_K) summiert und gemittelt werden, daß dieses gemittelte Summensignal (s) gefiltert und danach mit einem zeitverzögerten Mikrofonsignal (Y_K) verglichen wird, wobei die Filterfunktion so eingestellt ist, daß der mittlere quadratische Fehler des Ergebnisses aus dem Vergleich ein Minimum wird.
2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Filterfunktion zumindest ein Filterkoeffizient (h_K(n)) verändert wird.
3. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zeitverzögerung (T_K) derart eingestellt wird, daß das Mikrofonsignal (Y_K) zeitsynchron bezüglich des Direktschalls zu dem gemittelten Summensignal (s) ist.
4. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich durch eine Subtraktion des Filterausgangssignals (W_k) vorn Mikrofonsignal (Y_k) erfolgt.
5. Meßvorrichtung zur Bestimmung der Übertragungsfaktoren von in einer Mikrofonanordnung zusammengefaßten Mikrofonen gekennzeichnet durch eine der Mikrofonanordnung zugeordnete Entzerrervorrichtung (7), zumindest eine der Entzerrervorrichtung (7) nachgeordnete Adaptionsvorrichtung (11), die ein einstellbares Zeitverzögerungsglied (17), eine Adaptionsstufe (23), einen Vergleicher (21) und ein einstellbares Filter (19) aufweist und eine Summier- und Mittelungsvorrichtung (9).
6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entzerrervorrichtung (7) jeweils einen einem Mikrofon zugeordneten Entzerrer (E₁...E_N) aufweist und jedem Entzerrer eine Adaptionsvorrichtung (11) nachgeordnet ist.
7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale (e₁...e_N) der Entzerrer (E₁...E_N) der Summier- und Mittelungsvorrichtung (9) zugeführt werden, die daraus ein arithmetisch gemitteltes Summensignal (s) bildet.
8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (e_k) eines Entzerrers über das Zeitverzögerungsglied (17) einem Eingang des Vergleichers (21) zugeführt ist.
9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das gemittelte Summensignal (s) dem einstellbaren Filter (19) zugeführt ist, dessen Ausgangssignal (w_K) dem Vergleicher (21) zugeleitet ist.
10. Meßvorrichtung nach einem Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaptionsstufe (23) die Verzögerungszeit (T_K) Zeitverzögerungsgliedes (17) und zumindest Koeffizienten des Filters (19) einstellt.