DE3046416C2

DE3046416C2 - Akustischer Wandler mit einer Vielzahl von Mikrohonelementpaaren

Info

Publication number: DE3046416C2
Application number: DE3046416A
Authority: DE
Inventors: Robert Lee Warren N.J. Wallace jun.
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1979-12-17
Filing date: 1980-12-10
Publication date: 1984-09-06
Also published as: GB2066620B; GB2066620A; JPS5698094A; NL181965B; NL181965C; FR2472326B1; US4311874A; CA1166166A; KR830004750A; IT1134737B; NL8006821A; JPS5925554B2; KR850000659B1; DE3046416A1; IT8026676A0; FR2472326A1

Description

D₁ O₅ =
D₉ =
D₁₃ =
D₁₇ =
O₂₁ =
O₂₅ =

±0,0823,
±0,7312,
±1,4087,
±2,1289,
±2.9257,
±3,8786,
±5,2023,

O₂ = O₆ = O₁₀ = D₁₄ = D₁₈ = D₂₂ = D₂₆ =

±0,2459, ±0,8982. ±1,5798, ±2,3185, ±3,1493, ±4,1651. ±5.6453,

±0.4076. ± 1.0685. ±1.7565, ±2,5108, ±3.3772, ±4,4633. ±6.2611,

±0,5684, ±1.2391. ±1.9405. ±2,7117. ±3.6155. ±4,8000. ± 7,0000.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit 100 Mikrophonen im wesentlichen g/eicher Empfindlichkeit, dadurch gekennzeichnet, daß Paare der Mikrophone symmetrisch zu einer Mittellinie der Anordnung angeordnet sind und daß die Abstände in Wellenlängen von der Mittellinie zu jedem Element der Paare gegeben ist durch:

D₁ .
O₅ .
D₉
O₁₃ =
D₁₇ =
D₂₁ =
D₂₅ =
D₂₉ =
D₃₃:
D₃₇ =
D₄₁ :

±0,0786, D₂ =

±0,7100, D₆ =

±1,3488, O₁₀ =

±1,9985, Du =

±2.6668, D₁₈ =

±3,3636, O₂₂ =

±4,0950, D₂₆:

±4,8816, D₃₀ =

±5,7395, D₃₄ =

±6,7109, D_x

±7,8540, O₄₂:

±9,3474, D₄₆:

±11,8083, O₅₀

±0,2360, ±0,8689. ±1,5100. ±2,1634. ±2,8381, ±3,5426, ±4,2857, ±5,0889, ±5,9688, ±6,9783, ±8,1831, ±9,8084, ±12,5000.

Oj = O₇ = D₁₁ = D₁₅ = O₁M = D_2J = O₂₇ = Dj, = O₃₅: Djo = D₄):

±0,3936, O₄ =

±1,0283, D₈ =

±1,6719, Du =

±2,3296, D₁₆ =

±3,0114, D₂O =

±3,7239, D₂₄ =

±4,4801, D₂₈ =

±5,3006, D_n =

±6,2064, D₃₆ =

±7,2564, D_4n =

±8,5398, D₄₄ =

±10,3423, O₄₈ =

±0,5516, ±1,1882. ±1,8348. ± 2.4973. ±3.1860. ±3,9079, ±4,6788, ±5,5172, ±6,4536, ± 7,5470, ±8,9274, ±11,0091,

JO 35

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit 28 Mikrophonen im wesentlichen gleicher Empfindlichkeit, dadurch gekennzeichnet, daß Paare der Mikrophone symmetrisch zu einer Mittellinie der Anordnung angeordnet sind und daß die Abstände in Wellenlängen von der Mittellinie zu Elementen jedes Paares gegeben sind durch:

O₁ =	±0,0850,	D₂ =	±0.2514,	D,	= ±0.4097.	O₄ -	±0.5689.
D₅ =	±0,7476,	D₁₁ =	±0,9491.	O₇	= ±1.1513,	Dx =	±1.3413.
a =	±1.5385.	D₁₀ =	±1.8412.	D_n	= ±2.0280.	D₁,=	±2.3379,
O₁₃ =	±27751.	O₁₄ =	±3.5000.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 8 mit 28 Mikrophonen im wesentlichen gleicher Empfindlichkeit, dadurch gekennzeichnet, daß Paare der Mikrophone symmetrisch zu einer Mittellinie der Anordnung angeordnet sind und daß die Abstände in Wellenlängen von der Mittellinie zu Elementen jedes Paares gegeben sind durch:

D₁ =	±0,0804,	O₂ = ±0,2580,	O₁ =	±0,4601,	D₄ =	±0,6579,
D₅ =	±0,8372,	D₆ = ±1,0129,	D₇ =	±1,2205.	D₈ =	±1,4691,
D₉ =	±1,7076,	O₁₀= ±1,9268,	O_n =	±2,1986,	D₁₂ =	±2,5974,
O₁₃ =	±2,9634,	Du= ±3,5000.

55

bO

Die Erfindung betrifft einen akustischen Wandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs I und insbesondere chtanordnungen von Mikrophonen für Konferenzen mit vielen Teilnehmern. Wenn eine Gruppe von Personen mit einer anderen, entfernten Gruppe in Verbindung treten will, besteht eine isung dieses Problems in der Einberufung einer Fernkonferenz. In anderen Fällen kann es wünschenswert sein. ie Podiumsdiskussion auf :ine öffentliche Übertragungsanlage zu geben. Eine geeignete Einrichtung zur :winnung gleich guter Sprachsignale von allen Mitgliedern der Gruppe bei Unterdrückung der störenden nweltgeräusche ist jedoch seit langem ein Problem geblieben.

Ein Lösungsversuch besteht darin, mehrere Mikrophone und Lautsprecher verteilt an der Decke des Konferenzraums anzuordnen. Ein zweiter Lösungsversuch sieht vor, daß jeder Sprecher ein Lavalier-Mikrophon um den Hals oder ein Kehlkcpfmikrophon trägt. Eine dritte Lösung könnte darin bestehen, mehrere Mikrophone auf dem Konferenztisch anzuordnen. Alle diese vorgenannten Lösungen führen jedoch zu einem unerwünschten Geräuschpegel sowie zu Echos.

1946 hat C. L. Dolph (Proceedings of the I. R. E. and Waves and Electrons, Band 34, Nr. 6, Juni 1946, Seiten 335—348) vorgeschlagen, eine Anordnung von Wandlern zur Lösung dieses Problems zu verwenden. Er regte an, durch einen gleichen Abstand der Mikrophone voneinander und Einstellung ihrer Empfindlichkeit nach Chebychev-Polynomkoeffizienten ein Diagramm mit einer Hauptkeule vorgegebener Größe und mehrere, im wesentlichen gleiche, kleinere Nebenkeulen zu erhalten. Der von der Dolph-Anordnung übertragene Störpegel ist niedriger als der Störpegel bei einer der vorher erwähnten Lösungen. Da jedoch die Empfindlichkeit der verwendeten Mikrophone nur zu einem Bruchteil ausgenutzt wird, ergibt sich ein kleineres Signal-Rauschverhältnis als bei voller Empfindlichkeit jedes der benutzten Mikrophone.

Es ist auch bereits ein Ultraschallwellenempfänger bekannt (DE-OS 23 47 732), bei dem mehrere Mikrophonpaare in einer linearen Anordnung verwendet werden. Der Abstand zwischen den beiden Wandlern jedes Paares ist ein ganzzahliges Vielfaches eines vorgegebenen Wertes. Die von den Mikrophonen gelieferten Signale werden über Verzögerungs-, Addier-, Multiplizier- und Filterschaltungen unter Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer Hauptkeule und schwächeren Nebcnkeulen kombiniert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen akustischen Wandler zu schaffen, der ein Richtdiagramm nach dem o.g. Aufsatz von Dolph besitzt und dabei die volle Empfindlichkeit der Mikrophone ausnutzt ohne zusätzlich komplizierte Schaltungen zur Zusammenführung der Mikrophonsignale zu benötigen.

Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Entsprechend den Aiisführiingsbeispielen der Erfindung ist eine Anordnung von akustischen Wandlern,

_'i beispielsweise von ungcrichtcten Elcktret-Mikrophonen oder Lautsprechern vorgesehen, die kolinear und in Paaren angeordnet sind, welche symmetrisch und selektiv zu einer Mittellinie der Anordnung liegen. Wenn eine ungerade Anzahl von akustischen Wandlern benutzt wird, liegt einer der akustischen Wandler auf der Mittellinie der Anordnung, und die anderen Wandler sind in Paaren symmetrisch zur Mittellinie angeordnet.

Der Abstand zwischen den auf jeder Seite der Mittellinie befindlichen Mikrophonelementen ist ungleichförmig. Darüber hinaus kann bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen die volle Empfindlichkeit jedes der Mikrophone ausgenutzt werden. Die verschiedenen Mikrophonelemente sind einfach parallel geschaltet. Das durch Addition erzeugte Kombinationssignal wird verstärkt und zu einem Verbraucher übertragen, der ein Lautsprecher, ein Hörer in einem Fernsprechapparat, ein Bandgerät oder ähnliches sein kann. Die von den Mikrophonen aufgenommenen Umgebungs-Störsignale addieren sich inkohärent, während sich die Sprachsignale in Phase addieren. Das Ergebnis ist. daß die Anordnung ein wesentlich besseres Signal-Rauschverhältnis als ein einzelnes Mikrophon oder mehrere willkürlich angeordnete Mikrophone hat.

Das am meisten erwünschte Strahlungsmusier mit einer Hauptkeule gegebener Amplitude und mehreren Nebenkeulen mit wesentlich kleinerer Amplitude wird dadurch erzielt, daß die Abstände auf der Grundlage von Änderungen der Ansprechkriterien rekursiv gewählt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Amplituden der verschiedenen Nebenkeulen im wesentlichen gleich. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Amplituden der Nebenkeulen schwanken, sind aber immer kleiner als eine gewünschte Amplitude. Es besteht die Möglichkeit, unter Verwendung der Ansprechkriterien die Hüllkurve des Nebenkeulen-Musters mit einer beliebigen Form zu wählen, beispielsweise einen Ansprechwert Null am Ort eines Sprechers zu erzeugen. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel mit schrittweise auftretenden Nebenkeulen sind j- bestimmte Ncbenkeulen mit einem gewünschten Pegel festgelegt, wodurch die anderen Nebenkeulen einen minimalen gleichförmigen Pegel anstreben können. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein allgemeines Blockschaltbild einer Konfercnzanlage unter Verwendung einer Mikrophonanordnung;

F i g. 2 eine genauere Auf- und Seitenansicht für die Hälfte einer Mikrophonanordnung mit den Abständen der 5Π Mikrophone entsprechend der Erfindung;

Fi⁰ 3 eine vertikale Lh^cts der Ni!kroⁿhoriiinordnun^£y nsch F ·^σ ^ ·π ριπρπι Knnferpp7raiirn: F i g. 4 eine horizontale Lage der Mikrophonanordnung nach F i g. 2 in einem Konferenzraum; F i g. 5 das Winkelansprechmuster einer Mikrophonanordnung mit 28 Elementen, die gleichförmigen Abstand und gleiche Empfindlichkeit besitzen, wobei die Anordnung eine Länge von 7 Wellenlängen hat: F i g. 6 das Winkelansprechmuster für die Anordnung mit 28 Elementen gemäß F i g. 5, nachdem alle Nebenkeulen einmal behandelt worden sind und der Abstand der Mikrophone entsprechend eingestellt wurde;

F i g. 7 das Winkelansprechmuster der Anordnung mit 28 Elementen gemäß F i g. 5 nach einer Vielzahl von Iterationen für die Abstandseinstellungen;

F i g. 8 das Winkelansprechmuster einer Anordnung mit 56 Elementen, die 14 Wellenlängen lang ist; bo F i g. 9 das Winkelansprechmuster für 100 Elemente in einer Anordnung, die eine Länge von 25 Wellenlängen hat;

F i g. 10 das Winkelansprechmuster mit schrittförmig angeordneten Nebenkeulen bei 30° für eine Anordnung mit 28 Elementen, die eine Länge von 7 Wellenlängen hat;

F i g. 11 das Winkelansprechmuster mit schrittförmig angeordneten Nebenkeulen bei 50' für eine Anordnung mit 28 Elementen, die eine Länge von 7 Wellenlängen hat.

In Fig. 1 ist ein allgemeines Blockschaltbild von Mikrophonelementen 20 gezeigt, die über Leitungen 21 parallel an eine Signaladdierschaltung 22 angeschlossen sind. Die Schaltung 22 kann eine Kombinationsschaltung sein, die einen oder mehrere Operationsverstärker mit dem Verstärkungswert 1 aufweist und alle Signale

an ihrem Eingang einfach summiert. Das Ausgangssignal der Addierschültung 22 wird im Verstärker 29 verstärkt und über eine Leitung 23 einem Anschluß 11 eines Schalters 24 zugeführt. Der Schalter 24 weist einen Kontaktarm 12 auf, der den Anschluß 11 mit jedem einer Vielzahl von Anschlüssen 13, 15 17 verbinden kann. Beim

Ausführungsbeispiel ist der Anschluß 13 über eine Leitung 14 mit einem Lautsprecher 25 verbunden. Eine Leitung 16 verbindet den Anschluß 15 mit einem Fernsprechapparat 26 und dann mit einer Fernsprechleitung 27. Eine Leitung 18 verbindet den Anschluß 17 mit einem Bandgerät 28. Abhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall können Filter und Symmetriernetzwerke verwendet werden (in F i g. 1 nicht gezeigt).

Eine genauere Auf- und Seitenansicht für die Hälfte einer Mikrophonanordnung 30 ist in F i g. 2 gezeigt. Die Anordnung 30 weist ein schmales, längliches Tragegerüst oder Gehäuse 36 auf, in welchem eine Vielzahl von Elektret-Mikrophonen 31,33,35, ...,37 befestigt ist. Ein erstes Elektret-Mikrophon 31 befindet sich in einem Abstand D\ von der Mittellinie 32. Ein zweites Elektret-Mikrophon 33 befindet sich in einem Abstand D: von der Mittellinie 32. Ein drittes Mikrophon 35 ist im Abstand von Dj von der Mittellinie 32 angeordnet. Mehrere weitere Mikrophone bis zum η-ten Mikrophon 37 sind in sich ändernden Abständen D, von der Mittellinie 32 angeordnet. Eine gleiche Anzahl von Elektret-Mikrophonen befindet sich in konjugierten Abständen D\. D2, Di, ..., D_n auf der anderen Seiteder Mittellinie 32 (nicht gezeigt). ;5

Die Abstände D, lassen sich berechnen, wenn man die Anzahl der zu benutzenden Elemente, die Schallgeschwindigkeit in Luft, die gewünschte Länge der Anordnung und eine Konstruktionsfrequenz kennt. Beispielsweise beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 343,8 m/s bei 21,1°C, und es kann eine Konstruktionsfrequenz von 3500 Hz (Sprachbereich) gewählt werden. Die Schallwellenlänge ergibt sich dann zu (343,8 : 3500) m oder 9,82 cm. Wenn 28 Elemente erforderlich sind und 7 Wellenlängen als Länge der Anordnung gewählt wird, dann

ist der Abstand Dh zwischen dem 14. Element und der Mittellinie der Anordnung -· 9,82 cm. d. h. 34,37 cm.

Wenn die zu verwendende Anordnung senkrecht betrieben werden soll, muß das Gehäuse an einem Ende verlängert werden, damit es in einen Ständer (nicht gezeigt) paßt. Eine solche Verlängerung 38 ist in Fig.2 gezeigt.

F i g. 3 zeigt eine Mikrophonanordnung, die in senkrechter Lage verwendet werden soll. Die Anordnung 41 ist in einem Fuß 42 befestigt und steht auf einem Tisch 43. Die Anordnung 41 ist so ausgebildet, daß ihre Mittellinie 44 der durchschnittlichen Höhe 40 für den Mund des Sprechers entspricht. Dadurch wird sichergestellt, daß die von der Mikrophonanordnung erzeugte Haupikeule die auf die Anordnung auffallenden, erwünschten Sprachsignale gut aufnimmt. Die Hauptkeule des Richtungsdiagramms kann man sich als feste Scheibe parallel zur Oberseite des Tisches vorstellen. Zur störungs- und echofreien Schallübertragung kann ein Lautsprecher 49 direkt oberhalb der Mikrophonanordnung angebracht werden, wo die Mikrophonempfindlichkeit minimal ist.

Eine grundsätzliche Annahme bei der Konstruktion der Anordnung ist die Verwendung von Fernfeld-Konstruktionsmerkmalen. Darunter wird verstanden, daß die akustischen Wellen von den verschiedenen Schallquellen als eben eintreffend und gleichmäßig auf jedes Mikrophon auftreffend angenommen werden. Die verschiedenen Mikrophone sind parallel an einen gemeinsamen Ausgang angeschlossen, so daß sich die Ausgangssignale aller Mikrophone in Phase addieren. Die Umgebungsgeräusche addieren sich dagegen inkohärent. Wenn die Schallwellen unter einem kleinen Winkel zur Normalen auf die Achse der Anordnung eintreffen, werden sie etwas abgeschwächt. Diese Dämpfung nimmt schnell zu, bis ein Null-Wert an der Kante der Hauptkeule auftritt, und bleibt unterhalb eines hohen und konstanten Dämpfungswertes für alle anderen Eintreffwinkel. Folglich wird, wenn ein Lautsprecher an einem der Enden der Anordnung angebracht wird, ein nur minimales Schallsignal vom Lautsprecher über die Anordnung übertragen.

Fi g. 3 zeigt außerdem gestrichelt eine Mikrophonanordnung 39. die an einer Wand so montiert ist. daß die Mittellinie der Anordnung der mittleren Höhe des Mundes von Personen entspricht, die entweder stehen oder sitzen. Bei einer solchen alternativen Anordnung bleibt der Konferenztisch frei von der Mikrophonanordnung. die dadurch die Benutzer weniger stört.

Fig.4 zeigt eine weitere Anbringung der Mikrophonanordnung. Dabei ist eine Mikrophonanordnung 45 in Deckenhöhe aufgehängt, so daß die Achse 47 der Anordnung 45 parallel zur Oberseite des Konferenztisches 46 und senkrecht zur Länge des Konferenztisches 46 verläuft. Eine solche Anordnung ist dann wünschenswert, wenn die gesamte Fläche des Konferenztisches 46 für andere Zwecke benötigt wird. Eine horizontale Anordnung ist außerdem zweckmäßig, wenr. eine lange Anordnung erforderlich ist und die Mittellinie dieser langen Anordnung in vertikaler Lage wesentlich höher als die mittlere Höhe des Mundes der Sprecher wäre.

Bei dieser horizontalen Anordnung muß notwendigerweise ein Kompromiß eingegangen werden. Die Hauptkeule ist in diesem Falle eine Scheibe, die vertikal mit Bezug auf die Oberseite des Konferenztisches steht. Die Amplitude dieser Hauptkeule muß genügend groß sein, um den Schall von Personen aufzunehmen, die an den Enden des Konferenztisches sitzen. Außerdem muß die Breite der Hauptkeule genügend groß sein, um den Schall von Personen aufzunehmen, die an den Seiten des Konferenztisches sitzen. Es ist bekannt, daß mit größerer Breite der Keule mehr Störsignale aufgenommen werden. Es ist außerdem bekannt, daß mit zunehmender Anzahl der Elemente in der Anordnung die Störungen herabgesetzt werden können und eine größere Richtwirkung erzielbar ist sowie die Breite der Keule verringert werden kann. Eine Vergrößerung der Länge der so Anordnung erzeugt daher eine größere Richtwirkung und verringert die Störungen.

In der Anordnung gemäß F i g. 4 sollten Lautsprecher 48 an entgegengesetzten Enden der Anordnung 45 (auf den Wänden) angebracht werden. Dadurch wird die Übertragung von Schall aus den Lautsprechern über die Anordnung auf ein Minimum gebracht.

Akustische Anordnungen, wie die hier beschriebenen, lassen sich unter Anwendung des Verfahrens des b5 steilsten Abfalls konstruieren. Zur Erläuterung soll dieses Verfahren anhand der Konstruktion einer Anordnung mit 28 Elementen und einer Länge von 7 Wellenlängen besprochen werden, wobei die Elemente Elektret-Mikrophone gleicher Empfindlichkeit sind. In F i g. 5 sind auf der Abszisse Winkel in Grad gegen die Normale zur

Mittellinie der Elementanordnung und auf der Ordinate Ansprechwerte in dB mit Bezug auf einen willkürlichen Pegel angegeben (das gleiche gilt für die Koordinaten in den F i g. 6 bis 11). Wenn alle 28 Elemente in gleichem Abstand und kolinear angeordnet sind, weist das Ansprechmuster oder Richtdiagramm eine Hauptkeule 50 und mehrere Seitenkeulen 51,53 usw. kleinerer Amplitude auf. Man erkennt, daß die größte Seitenkeule 51 nur etwa 13 dB kleiner ist als die Hauptkeule 50. Außerdem ändern sich die zweite und weiteren Seitenkeulen in ihrer Amplitude. Es ist bekannt, daß diese Seitenkeulen zur Verschlechterung der übertragenen Tonqualität beitragen, und zwar aufgrund der über diese Seitenkeulen aufgenommenen Umgebungsgeräusche. Es ist wünschenswert, diese Seitenkeulen verringern oder unterdrücken zu können. Es ist außerdem bekannt, daß — wenn die Seitenkeulen auf einen Wert verringert werden können, der wesentlich kleiner als der der Hauptkeule ist — der

ίο übertragene Schall scheinbar störungsfrei gehalten werden kann.

Wie oben angegeben, hat C. L. Dolph vorgeschlagen, daß durch Verwendung von Chebychev-Polynomkoeffizienten zur Bewertung der Ausgangssignale der Mikrophonelementc die Amplitude der Seitenkeulen wesentlich kleiner und gleich gemacht werden kann. Bei Anwendung dieser Technik muß jedoch die Empfindlichkeit jedes Mikrophons eingestellt werden, wodurch sich ein langwieriges und schwieriges Verfahren ergibt. Außer-ί dem wird nicht die volle Empfindlichkeit jedes Mikrophons ausgenutzt.

Unter Anwendung des Verfahrens des steilsten Abfalls zur Einstellung der Mikrophonabstände wird jedoch jedes Mikrophon mit seiner vollen Empfindlichkeit benutzt. Zur Erzeugung von Seitenkeulen im wesentlichen gleicher Amplitude wird der Abstand zwischen den Mikrophonelementen und der Mittellinie der Anordnung paarweise variiert.

Beispielsweise besteht für eine Anordnung mit 28 Elementen und einer Länge von 7 Wellenlängen bei einer Konstruktionsfrequenz von 3500 Hz der erste Schritt darin, die gewünschte Gesamtlänge der Anordnung anhand der gewählten Wellenlänge zu bestimmen. Eine solche Berechnung ist oben in Verbindung mit Fig. 2 angegeben worden. Das Ansprechen einer Anordnung mit gleichen Abständen ist in Fig.5 gezeigt. Dieses Ansprechen wird anhand der Gleichung für das Fernfeld-Ansprechen berechnet:

Ϊ·Ν i-N

^R = Σ^Αι Σ4Cos(2*ASin./). (1)

ι - 1 ι - 1

In dieser Gleichung ist / der Winkel, den der einfallende Schall mit der Normalen auf der Achse der Anordnung bildet. A₁ ist die Empfindlichkeit des /-ten Mikrophons. R ist das Ansprechen der Anordnung bei jedem Winkel /. D₁ ist der Abstand des /-ten Mikrophonpaares von der Mittellinie der Anordnung. Diese Gleichung läßt sich reduzieren auf:

wenn alle Mikrophone im wesentlichen gleiche Empfindlichkeit haben, d. h. wenn 2'A₁ = N.

Ί: 40 In dem Winkel-Ansprechmustcr gemäß F i g. 5 hat die erste Seiten- oder Ncbenkeule einen Spitzenwert von

:,: 51. Der gewünschte Maximalwert für alle Seitenkeulen ist wesentlich kleiner und bei 52 gezeigt. Es ist das Ziel

dieses Konstruktionsverfahrens, diejenigen Abstände zwischen den Elementen aufzufinden, die den Spitzenwert

H der ersten und aller weiteren Seitenkeulen auf den Pegel 52 bringt. Dies läßt sich durch Differenzieren des durch

ρ die Gleichung (2) gegebenen Ansprechens beim Spitzenwert der ersten Seitenkeule mit Bezug auf den Abstand

ϊ| 45 D, erreichen, wodurch man folgende Gleichung erhält:
^■"

-TTT ⁼ ~-0.n^mJ)S\n{2nD,SvaJ). O)

|| 50 Die Änderung AD, für den Abstand D₁, um die jedes Element verschoben werden muß, ist proportional der

ig partiellen Ableitung des Ansprechens R mit Bezug auf den Abstand des Elements von der Mittellinie, d. h.

J AD, = J>i* (4)

ο Dj

wobei Peine Proportionalitätskonstante ist.
Die Änderung AR im Ansprechen ergibt sich zu:

NIl

Die relative Änderung des Ansprechens erhält man, indem jede Seite der Gleichung (5) durch R dividiert wird: ^m

ί?

^l6)

χ η

Setzt man den Wert für—raus Gleichung (J) und den Wert für JD. aus Gleichung (4) in die Gleichung (b) ein öUi

und vereinfacht die Cileichuiiy, so laßt sich dur Wender relativen Änderung AR des Ansprcchens ausdrücken als Bruchteil des Ansprechcns R:

5 SIl

= (2«S'¹¹⁷)² E^Sin2(2ηD₁ SinJ). (7)

Der Ausdruck auf der rechten Seite des Summenzeichens in Gleichung (7) enthält /V/2-Ausdrücke, von denen jeder einen Mittelwert 1/2 besitzt und die demgemäß angenähert werden können an /V/4. Gleichung (7) läßt sich dann weiter vereinfachen:

A R

Wenn K definiert ist gleich —um den gewünschten Pegel der Seitenkeulen zu erzeugen, läßt sich Gleichung

(8) neuordnen, und man erhält:
_p KRN

Der Abstand AD, läßt sich dann aus den Gleichungen (3), (4) und (9) berechnen:

Nach Bestimmen von AD₁ für jeden der Abstände Di. Dj, Dj Du lassen sich die entsprechenden Positionen

der Elemente einstellen zu (D\ ± AD\),(D₂ ± AD₂), (Di + ADi) usw. jo

Das dem Spitzenwert der zweiten Scitenkeule 53 zugeordnete Ansprechen ist jetzt bestimm!. Die relative Änderung für das gewünschte Ansprechen ist die Differenz zwischen dem Spitzenwert 53 und dem gewünschten Pegel 52 für die Seilenkeulen. Zur Erzielung dieses Ergebnisses wird Gleichung (10) wie vorher benutzt, um die neuen Abstände (D₁ ± JD₁), (D₂ ± AD₂), (Di ± ADi) (Du ± JDi₄) zu liefern, um die die Elemente wiederum variiert werden müssen. Die Spitzenwerte für die dritte und alle übrigen Seitenkeulen werden berechnet und J5 die entsprechenden Abstände (D₁ ± AD) für die Mikrophonelemente aufgefunden. Nachdem alle diese Abstände für jeden Spitzenwert eingestellt sind, wird man im allgemeinen feststellen, daß sich die ursprüngliche Länge der Anordnung geändert hat. Damit ist die Konstruktionsfrequenz-Grenze (die oben besprochen wurde) verletzt. Es ist daher erforderlich, die Länge der Anordnung zurück auf die ursprüngliche Länge zu ändern, damit sie der Konstruktionsfrequenz entspricht. Als Folge davon muß der Abstand jedes Elementes von der Mittellinie proportional geändert werden, damit die Länge der Anordnung der gewünschten Länge entspricht.

In Fig.6 ist das Ergebnis bei Anwendung der rekursiven Gleichung (10) und einmaligen Behandlung aller Seitenkeulen durch die geänderten Positionen 61 der Mikrophonelemente dargestellt. Aus F i g. 6 läßt sich aber außerdem ersehen, daß die erste Seitenkeule einen Spitzenwert 62 hat, der immer noch wesentlich größer als der gewünschte Pegel 52 für die Seitenkeulen ist. Dies gilt auch für die zweite Seitenkeule, die einen Spitzenwert 63 « hat, und alle weiteren Seitenkeulen.

Durch mehrmaliges Wiederholen des oben beschriebenen Verfahrens und jeweiliges Normalisieren der Länge der Anordnung erhält man schließlich ein Ansprechmuster, wie es in Fig.7 gezeigt ist. Dort sind die Positionen 71 für die verschiedenen Mikrophonelemente dargestellt. Man erkennt, daß alle Seitenkeulen auf im wesentlichen gleiche Amplituden des Pegels 52 reduziert worden sind. F i g. 7 zeigt den Minimalpegel 52, auf den so die Seitenkeulen unter Anwendung des beschriebenen Verfahrens verringert werden können, !n Tabelle ! sind die Positionen 71 in Wellenlängen für die verschiedenen Mikrophonclemente angegeben.

Tabelle 1

Di = ±0,0677 D₈ = ±1,3881

D₂= ±0,2260 Dq = ±1,6663

D₃ = ±0,4308 Dm = ±1,8687

D₄ = ±0,6426 D₁, = ±2,0697

D₅ = ±0,8231 D₁₂ = ±2,5321 b0

D₆ = ±0,9767 Du = ±2.8251

D₇ = ±1,1443 Di₄ = ±3,5000

Fig. 8 zeigt die Positionen 81 in Wellenlängen für eine Anordnung mit 56 Elementen und einer Länge von 14 Weilenlängen, die mit dem beschriebenen Verfahren konstruiert worden ist. Die verschiedenen Seitenkeulen t5 sind im wesentlichen gleich und wesentlich kleiner als die Hauptkeulen. Tabelle 2 gibt die Positionen 81 für die akustischen Wandler an.

Tabelle 2

D, = ±0,0823 D₁₅ = ±2.5108

D₂ = ±02459 Ο,«= ±2.7117

D₃ = ±0.4076 D₁; = ±2.9257

D₄ = ±0,5684 Dis = ±3.1493

D₅ = ±0.7312 Dm = ±3,3772

D₆ = ±0,8982 D>« = ±3,6155

D₇ = ±1,0685 D₂₁ = ±3,8786

D₈ = ±1,2391 D₂₂ = ±4.1651

D, = ±1,4087 D.,= ±4,4633

D₁₀ = ±1.5798 D₂₄ = ±4,8000

D₁₁ = ±1,7565 D₂₅ = ±5.2023

D₁₂ = ±1.9405 D_x, = ±5,6453

Du =±2,1289 D₂₇ = ±6,26 Π

D₁₄ = ±2.3185 D₂₈ = ±7,000

Fig.9 zeigt die Positionen 91 für eine Anordnung mit 100 Elementen, die eine Länge von 25 Wellenlängen besitzt und ebenfalls mit dem beschriebenen Verfahren konstruiert worden ist. In dieser Figur zeigt sich, daß nicht alle Seitenkeulen gleich sind. Vielmehr sind mehrere Seitenkeulen außerhalb von 25° wesentlich abgeschwächt Ein solches Ergebnis ist aber wünschenswert und unterstützt das Ziel einer minimalen Aufnahme von Signalen von bei 90° angeordneten Lautsprechern. Tabelle 3 gibt die Positionen 91 in Wellenlängen für die akustischen Wandler an:

25 Tabelle 3	= ±0,0786	D₁₄ = ±2,1634	D,₇ =	±4.4801	D_4n = ±7.5470
D₁	= ±0.2360	D₁₅ = ±2.32%	D₂₈ =	±4,6788	D₄₁ = ±7,8540
D₂	= ±03936	D_lb = ±2,4973	D₂S =	±4,8816	D₄₂ = ±8,1831
D₃	= ±0.5516	Di₇ = ±2,6668	D₃₀ =	±5,0889	D₄₃ = ±8,5398
30 D₄	= ±0,7100	D₁₈= ±2,8381	D₃₁ =	±5.3006	D₄₄ = ±8,9274
D₅	= ±0,8689	D₁, = ±3,0114	D₃₂ =	±5,5172	D₄₅ = ±9.3474
De,	= ±1,0283	D₂₀ = ±3,1866	D₃₃ =	±5.7395	D₄₆ = ±9,8084
D₇	= ±1,1882	D₂₁ = ±3,3636	D₃₄ =	± 5.9688	D₄₇ = ±10,3423
D₈	= ±1.3488	D₂₂ = ±3.5426	D₃₅ =	±6.2064	D₄₈ = ±11,0091
35 D,	= ±1,5100	D₂₃ = ±3.7239	D₃,=	±6.4536	D« = ±11.8083
D₁O	= ±1,6719	D₂₄ = ±3.9079	D₃₇ =	±6.7109	D₅₀ = ±12.5000
D_n	= ±1,8348	D₂₅ = ±4,0950	D,₈ =	±6,9783
Di₂	= ±1,9985	D_2b = ±4.2857	D_w =	±7,2564
D₁,

Fig. 10 zeigt die Positionen 101 für eine Anordnung mit 28 Elementen und einer Länge von 7 Wellenlängen unter Anwendung des beschriebenen Verfahrens. Man erkennt, daß die Seitenkeulen bei 30° einen Schritt aufweisen. Unterhalb 30° sind die Seitenkeulen im wesentlichen gleich und haben einen Pegel von —39 dB (unterhalb der Hauptkeule). Oberhalb von 30° sind die Seitenkculen im wesentlichen gleich mit einem Pegel von —25 dB (unterhalb der Hauptkeule). Bei der Reduzierung der Seitenkeulen unterhalb von 30° ist der Pegel —39 dB willkürlich gewählt worden. Für die anderen Seitenkeulen kann zugelassen werden, daß sie ihren eigenen Minimalwert so wählen, daß die Seitenkeulen gleichförmig sind. Ein solches Ansprechen ist zweckmäßig, um Schallsignale, beispielsweise von einem Lautsprecher, die auf die Anordnung unter einem Winkel zwischen 30° und dem ersten Null-Wert auftrefren, zu dämpfen. Ein Lautsprecher kann zweckmäßig bei einei Konferenzanordnung innerhalb dieses Winkels angeordnet werden, um die Wechselwirkung zwischen den-Lautsprecher-Ausgangssignal und den Mikrophonelementen auf ein Minimum zu bringen. Es ist zwar eir Winkel von 30° dargestellt, bei dem die Seitenkeulen einen Schritt zeigen, es können aber andere Winke abhängig von dem jeweiligen Verwendungszweck gewählt werden. Tabelle 4 gibt die Positionen 101 in Wellen längen für die akustischen Wandler an:

55

Tabelle 4

D, = ±0,0850 D₈ = ±1,3413

D₂ = ±0,2514 D, = ±1,5385

b0 D₃ = ±0.4097 D₁₀ =±1,8412

D₄ = ±0.5689 D₁₁ = ±2,0280

D-, = ± 0.747b D₁; = ±2,3379

D₀ = ±0,9491 D₁, = ±2.7751

D₁ = ±1,1513 D₁₄ = ±3,5000

B)

F i g. 11 zeigt die Positionen 111 für eine Anordnung mit 28 Elementen, die eine Länge von 7 Wellenlänge besitzt, unter Verwendung des beschriebenen Verfahrens. Es ist ein Winkel-Ansprechmuster mit einem Schrit bei den Seitenkeulen dargestellt. Oberhalb von b0" sind die Seitenkculen so ausgelegt worden, daß sie ir

wesentlichen gleich sind und einen Wert von —40 dB (unterhalb der Hauptkeule) haben. Unterhalb von 60° sind die Seitenkeulen so konstruiert worden, daß sie im wesentlichen gleich und einen Wert von —27 dB (unterhalb der Hauptkeule) besitzen. Die mit einem Wert von —27 dB ausgelegten Seitenkeulcn haben nicht notwendigerweise ihr Minimum. Bei ei sem weiteren Ausführungsbeispiel können sie auf ihren Minimalwert gehen. Ein solches Winkelansprechen mit einem Schritt ist zweckmäßig zur Dämpfung von ankommenden Schallsignalen, die einen Winkel größer als 60° mit der Normalen auf die Anordnung bilden. Eine solche Anordnung kann zur weiteren Unterdrückung der oben in Verbindung mit F i g. 7 beschriebenen Lautsprechersignale zweckmäßig sein. Tabelle 5 gibt die Positionen 111 für die akustischen Wandler gemäß F i g. 11 an.

Tabelle 5

D, = ±0,0804 D₈ = ±1.4691

D₂ = ±0.2580 D» = ±1,7076

Dj = ±0.4601 D₁₀= ±1.9268

D₄= ±0.6579 Du = ±2.1986

D₅ = ±0.8372 Di: = ±2.5974

D₆ = ±1.0129 D,j = ±2.9634

D₇= ±1.2205 D_n = ±3,5000

Unter Verwendung des beschriebenen Verfahrens können die Abstände zwischen akustischen Wandlern so variiert werden, daß sich Ansprechwerte oder Richtdiagramme mit Hüllkurven für die Seitenkeulen ergeben, die von den beschriebenen Werten abweichen. Eine solche Hüllkurve kann eine gerade Linie mit entweder positiver oder negativer Steigung sein.

Die beschriebenen Prinzipien sind auch auf kolineare Anordnungen akustischer Wandler anwendbar, die gleichen Abstand bei unterschiedlicher Empfindlichkeit besitzen (nicht dargestellt). Die unterschiedlichen Empfindlichkeiten erhält man durch eine elektronische Bewertung der akustischen Wandler. Während das oben beschriebene Verfahren nach Dolph zu Seitenkeulen führt, die im wesentlichen gleich sind, kann die Technik nach der Erfindung benutzt werden, um beliebige Seitenkeulen-Hüllkurven zu erzeugen, beispielsweise schrittweise abgesetzte Seitenkeulen. Solche schrittweise abgesetzten Seitenkeulen sind in Verbindung mit Fig. 10 und 11 beschrieben worden.

Darüber hinaus lassen sich die beschriebenen Prinzipien auch auf kolineare Anordnungen von akustischen Wandlern anwenden, die eine Variation der Abstände zwischen den akustischen Wandlern mit einer Variation ihrer Empfindlichkeit kombinieren (nicht gezeigt). Ein solches kombiniertes Verfahren kann benutzt werden, um den Pegel der Seitenkeulen weiter als mit einem der Verfahren allein herabzusetzen. |j

Es ist zwar eine kolineare Anordnung beschrieben worden, verschiedene andere Konfigurationen lassen sich js L'

aber leicht konstruieren, die zu den gleichen wünschenswerten Ergebnissen führen. Einige hiervon sollen jetzt j

erläutert werden (nicht gezeigt). Das Verfahren des steilsten Abfalls kann benutzt werden, um die Positionen von 5[I

Mikrophonelementen in einer Anordnung zu bestimmen, die zwei rechtwinklig aufeinanderstehende Anordnun- "\

gen von Mikrophonen aufweist, um im wesenciichen das gleiche Ansprechmuster wie bei einer quadratischen < <

Anordnung zu erzeugen, beispielsweise einen bleitstiftartigen Strahl. Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfaßt 40 '^l zylindrische Anordnungen. Solche zylindrischen Anordnungen lassen sich so auffassen, daß Mikrophone in ,

Rücksprüngen entlang eines Bogens am Umfang eines hohlen oder vollen Zylinders angeordnet sind, wobei mehrere solche Lagen parallel zu den Enden des Zylinders verlaufen. Die parallelen Lagen sind näher aneinander als die Enden des Zylinders. Das Ansprechen einer solchen Anordnung weist einen Richtstrahl auf, der sowohl horizontal als auch vertikal in seiner Breite begrenzt ist. Ein Anwendungsbereich für eine solche Anordnung ergibt sich bei Unterwasserschallsystemen, da die vo'le Empfindlichkeit der Mikrophone benutzt wird, wodurch das aufwendige Verfahren nach dem Stand der Technik vermieden wird, bei dem die Empfindlichkeit der einzelnen Mikrophone eingestellt wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Akustischer Wandler mit einer Vielzahl von Mikrophonelcmentpaaren in einer kolinearen Anordnung, wobei die Elemente jedes Paares auf entgegengesetzten Seiten des Mittelpunktes der Anordnung und in gleichem Abstand von diesem liegen und ein Ansprechmuster mit einer Hauptkeule gegebener Amplitude erzeugen, dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand (D,, D₂, Dj, -., D₁) zwischen benachbarten Elementen (3t, 33 37) sich ungleichförmig

über die Länge (D₁) und symmetrisch zum Mittelpunkt (32) der Anordnung ändert,

und daß die Abstände (Du D₂, Dj..., D) so gewählt sind, daß ein besonderes Ansprechmaster für den

ίο Wandler erzeugt wird, dessen Hauptkeule die Wandlerlänge mit einer Drehachse in Richtung der Wandlerlänge umgibt, und eine Vielzahl von Nebenkeulen in anderen Richtungen aufweist, deren Amplitude (52) je um wenigstens einen vorbestimmten Pegel unterhalb der Haupikeule liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Träger (36) und Mittel zur Befestigung der Mikrophonelemente (31—37) in dem Träger (36).

is 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lautsprecher (40) kolinear mit den

Mikrophonelementen (41) in einem größeren Abstand von der Mittellinie (44) als jedes Element angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (41) frei steht (42).

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (39) an einer Wand befestigbar ist.

' 6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Aufhängen des Trägers (45) an einer Decke und parallel zu dieser.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (31—37) ungerichtete Elektret-Mikrophone sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zu einem Ansprechmuster mit einer Hauptkeule gegebener Amplitude und einer Vielzahl von Seitenkeuier. führen, die eine vorgewählte Hüllkurve mit kleineren Amplituden besitzt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeit der Mikrophonelemente so gewählt ist, daß die Amplitude der Seitenkeulen reduziert wird.

jü 10. Anordnung nach Ansprüche oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lautsprecher in einer Lage

angeordnet ist, in der eine Seitcnkeule kleinere Amplitude besitzt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Wandler von der Mittellinie der Anordnung durch die folgende Gleichung bestimmt wird:

A = -£— Σ Α/ Cos (2 π A Sin J),

ΣΑ,

AR = -A-(2 * Sin./)²,

^ΣΑΐ

P = KR ^ΣΑι

(2/rSinyy '

und

so D/ = D₁ = JD,

wobei folgendes gilt:

R = Ansprechender Anordnung,

Ai = Empfindlichkeit des/-ten Wandlers der Vielzahl von Wandlern,

Di = ursprünglicher Abstand des /-ten Paares der Wandler von der Mittellinie der Anordnung,

/ = Winkel zwischen dem eintreffenden Schall und der Normalen auf die Anordnung,

AR = gewünschte Änderung des Ansprechens,

P = Proportionalitätskonstante,

Λ JP

K = —— = gewünschte Bruchteilsänderung des Ansprechens,

D; = endgültiger Abstand des /-ten Paares von der Mittellinie der Anordnung.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit 28 Mikrophonen im wesentlicher gleicher Empfinden lichkeit, dadurch gekennzeichnet, daß Paare der Mikrophone symmetrisch zu einer Mittellinie der Anordnung verteilt sind, und daß die Abstande in Wellenlangen von der Mittellinie zu den Elementen jedes Paares gegeben ist durch:

O, = ±0,0677,
l>, = ±0.8231,
A = ±!.6663,
Du= ±2,8251,

D₂ = ±0.2260, O₆ = ±0,9767, Ο,,,= ±1,8687, O₁₄ = ±3,5ÜOO.

±0.4308, ±1,1443, ±2,0697,

O₁ = ±0.6426. D_n = ±1.3881. Ο,.»= ±2,5321,

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit 56 Mikrophonen im wesentlichen gleicher Empfindlichkeit, dadurch gekennzeichnet, daß Paare der Mikrophone symmetrisch zu einer Mittellinie der Anordnung angeordnet sind und daß die Abstände in Wellenlängen von der Mittellinie zu jedem Element der Paare gegeben ist durch: