DE69325942T2

DE69325942T2 - Mikrophongerät

Info

Publication number: DE69325942T2
Application number: DE69325942T
Authority: DE
Inventors: Kaoru Gyotoku; Tooru Sasaki
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-05-08
Filing date: 1993-05-04
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2013-05-05
Also published as: EP0569216B1; EP0569216A1; US5471538A; JPH05316587A; DE69325942D1

Description

Bei sogenannten Camcordern, d. h. leichten Fernsehkameras mit eingebautem Videorecorder, wird z. B. der um ein Objekt herum vorhandene Ton aufgezeichnet, während das Objekt gefilmt wird. Camcorder sind so ausgebildet, daß bei der Tonaufzeichnung nur der Ton aufgezeichnet wird, der aus der Richtung des Objekts kommt. Das heißt, der Camcorder ist mit einem Richtmikrophon ausgestattet, das den Ton aufnimmt, der von der Vorderseite des Camcorders ankommt.
Ein Beispiel für ein Mikrophon dieser Art ist als "Gun-Mikrophon" bekannt. Dieses Mikrophon ist, wie in Fig. 1 dargestellt, mit einem Rohr 2 ausgestattet, das von einer Membran 1 ausgeht. Das Rohr 2 besitzt in seiner Seitenwand viele durchgehende Öffnungen 3, die eine Richtungsabhängigkeit verleihen, durch die das Mikrophon für Schall hochempfindlich ist, der von vorne kommt und in Richtung der Zentrumslinie des Rohrs 2 verläuft oder von der der Membran 1 entgegengesetzten Seite kommt.
Dies werde im folgenden näher erläutert. Wie Fig. 1 A zeigt, haben akustische Wellen, die von der Vorderseite des Mikrophons (in der Zeichnungsfigur von rechts) kommen, gleiche Weglänge zu der Membran 1, ob sie nun von der Kopfseite des Rohrs 2 oder durch eine der durchgehenden Öffnungen 3 ankommen, so daß sie mit der gleichen Phase eintreffen und zueinander addiert werden.
Im Gegensatz hierzu unterscheiden sich akustische Wellen, die, wie in Fig. 1 B dargestellt, von einer Seite des Rohrs 2 durch verschiedene durchgehende Öffnungen 3 eintreffen, in ihrer Phase, weil ihre Weglängen von den durchgehenden Öffnungen oder Einfallspositionen zu der Membran 1 unterschiedlich sind. Ähnlich trifft auch eine akustische Welle, die, wie in Fig. 1 C dargestellt, von der Rückseite des Mikrophons ankommt, durch verschiedene durchgehende Öffnungen 3 auf die Membran 1, wodurch in der akustischen Welle oder einem einfallenden Signal eine Phasendifferenz auftritt. Mehrere der Öffnungen 3 in dem Rohr 2 sind so angeordnet, daß die auftreffenden akustischen Wellen einander schwächen. Das in Fig. 1 dargestellte Mikrophon besitzt eine solche Richtungsabhängigkeit, daß seine Empfindlichkeit für akustische Wellen, die seitlich oder von hinten auf das Rohr auftreffen, niedrig ist.
Somit ist das in Fig. 1 dargestellte Gun-Mikrophon ein Richtmikrophon mit hoher Empfindlichkeit für akustische Wellen, die auf die Vorderseite des Mikrophons auftreffen.
Dieses Mikrophon benötigt jedoch, wie oben beschrieben, das lange Rohr 2, wodurch die Außenabmessungen des Mikrophons vergrößert werden.
Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, ein Mikrophongerät zu schaffen, das kompakt ist und mit dem sich die gewünschte Richtungsabhängigkeit problemlos erreichen läßt.
Gemäß der Erfindung ist ein Richtmikrophongerät vorgesehen
mit einem ersten Mikrophon zur Aufnahme zumindest eines gewünschten Schallsignals aus einer gewünschten Richtung,
mit einem als Richtmikrophon ausgebildeten zweiten Mikrophon, dessen Schallaufnahmeempfindlichkeit in einer bestimmten Richtung niedrig ist und das in der Nähe des ersten Mikrophons angeordnet ist, wobei die Richtung niedriger Schallaufnahmeempfindlichkeit mit der genannten gewünschten Richtung übereinstimmt,
mit einer adaptiven Filtereinrichtung, der das von dem zweiten Mikrophon aufgenommene Signal zugeführt wird,
und mit einer Subtrahiereinrichtung, die das Ausgangssignal der adaptiven Filtereinrichtung von dem von dem ersten Mikrophon aufgenommenen Signal subtrahiert und als Ausgangssignal des Mikrophongeräts ein den Schall aus der gewünschten Richtung repräsentierendes Signal ausgibt, indem sie die Schallsignale aus anderen Richtungen unterdrückt, wobei die adaptive Filtereinrichtung so justiert ist, daß sie die Leistung des Ausgangssignals der Subtrahiereinrichtung minimiert.
Wenn die aufzuzeichnenden Schallsignale aus unterschiedlichen Richtungen kommen, bedeutet dies, daß die Quellen verschieden sind und die Korrelation zwischen ihnen häufig gering ist. Bei der oben erwähnten neuartigen Konstruktion bedingt die Richtungsabhängigkeit des zweiten Mikrophons 21 niedrige Empfindlichkeit in Richtung des gewünschten Schalls. Deshalb ist die Korrelation zwischen einem Schallsignal aus dem zweiten Mikrophon 21 und einem Schallsignal aus dem ersten Mikrophon 11 gering. Wenn man davon ausgeht, daß das Schallsignal aus dem zweiten Mikrophon 21 ein Geräusch ist, stellt das Mikrophongerät gemäß der Erfindung ein adaptives Geräuschreduktionssystem dar. Wenn in diesem System die Ausgangsleistung der Subtrahiereinrichtung minimiert wird, wird das Tonsignal des zweiten Mikrophons 21 aus dem Tonsignal des ersten Mikrophons 11 eliminiert, so daß als Ausgangsschallsignal nur das gewünschte Schallsignal aus dem ersten Mikrophon 11 auftritt. Das adaptive Geräuschreduktionssystem ist z. B. in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/680 408 beschrieben. Eine adaptive Filtertechnik für Sprachsignale wird auch in IEEE Publication Proceedings: ICASSP 87, 6. April bis 9. April 1987, Band 2, Seiten 1171 bis 1174 beschrieben. Hier wird ein adaptives Rauschunterdrückungssystem diskutiert, das von Flugzeugpiloten benutzt werden kann. Ein erstes Mikrophon ist so angeordnet, daß es die Sprache des Piloten aufnimmt, während ein zweites Mikrophon so angeordnet ist, daß es die Sprache nicht aufnimmt, sondern das allgemeine Umgebungsgeräusch. Das Signal aus dem zweiten Mikrophon kann dann dazu benutzt werden, das in dem Signal aus dem ersten Mikrophon vorhandene Geräusch zu entfernen. Hierzu wird das Signal aus dem zweiten Mikrophon über ein adaptives Filter einem Subtrahierer zugeführt und dort von dem Signal des ersten Mikrophons subtrahiert, wobei das adaptive Filter so justiert ist, daß es die Leistung des resultierenden Signals minimiert. Das Mikrophongerät gemäß der Erfindung besitzt ein adaptives Geräuschreduktionssystem, das in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung des Schalls zwischen dem gewünschten Schall und dem Rauschen unterscheidet, wobei die Richtungsabhängigkeit des zweiten Mikrophons 21 so gewählt ist, daß das System hauptsächlich für die Richtung empfindlich ist, aus der der gewünschte Schall eintrifft.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikrophongeräts nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Mikrophongeräts gemäß der Erfindung,
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels für die Richtungsabhängigkeiten des ersten und zweiten Mikrophons,
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispiels der adaptiven Filterschaltung von Fig. 2,
Fig. 5A bis 5C zeigen Diagramme, an denen die Funktion des Mikrophongeräts gemäß der Erfindung erläutert wird,
Fig. 6 zeigt ein Diagramm eines weiteren Beispiels für die Richtungsabhängigkeit des ersten und zweiten Mikrophons,
Fig. 7 zeigt ein Diagramm eines weiteren Beispiels für die Richtungsabhängigkeit des ersten und zweiten Mikrophons,
Fig. 8 zeigt ein Diagramm eines Beispiels für den Aufbau des Mikrophons mit mehreren Mikrophoneinheiten,
Fig. 9 zeigt ein Beispiel für den Aufbau des Mikrophons mit mehreren Mikrophoneinheiten,
Fig. 10 zeigt ein weiteres Beispiel für einen Teil des Aufbaus von Fig. 9.
Zum besseren Verständnis der allgemeinen Merkmale der Erfindung werde zunächst das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Mikrophongeräts gemäß der Erfindung näher betrachtet.
In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 11 ein Hauptmikrophon zur Aufnahme eines gewünschten Schallsignals. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet ein Referenzmikrophon zur Aufnahme von Schall aus einer Richtung, die bei der Aufzeichnung ausgeschaltet werden soll. In diesem Beispiel ist die Richtung, aus der der gewünschte Schall eintrifft, die in Fig. 3 durch den Pfeil AR gekennzeichnete Richtung, d. h. die Richtung von oben nach unten (im folgenden als Frontrichtung bezeichnet). Diese Anordnung soll zu einem Mikrophongerät führen, das im wesentlichen keinen Schall aufnimmt, der aus der der Frontrichtung entgegengesetzten (im folgenden als Rückwärtsrichtung bezeichneten) Richtung kommt.
Im vorliegenden Beispiel ist das Hauptmikrophon 11, wie in Fig. 3 dargestellt, ein ungerichtetes Mikrophon, d. h. ein Mikrophon mit Kugelcharakteristik, während das Referenzmikrophon 21 ein im folgenden als Richtmikrophon bezeichnetes Mikrophon ist, das hauptsächlich in Rückwärtsrichtung empfindlich ist, nicht jedoch in Frontrichtung, d. h. in der Richtung, aus der der gewünschte Schall eintrifft, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
Das von dem Hauptmikrophon 11 aufgenommene und in ein elektrisches Signal umgewandelte Schallsignal wird über einen Verstärker 12 einem A/D-Wandler 13 zugeführt und dort in ein digitales Äquivalent umgewandelt, das über eine Verzögerungsschaltung 14 einer Subtrahierschaltung 15 zugeführt wird.
Das von dem Referenzmikrophon 21 aufgenommene und in ein elektrisches Signal umgewandelte Schallsignal wird über einen Verstärker 22 einem A/D-Wandler 23 zugeführt und dort in ein digitales Äquivalent umgewandelt, das einer adaptiven Filterschaltung 24 zugeführt wird. Das Ausgangssignal der adaptiven Filterschaltung 24 wird der Subtrahierschaltung 15 zugeführt. Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 15 wird zu der adaptiven Filterschaltung 24 rückgekoppelt und gleichzeitig von einem D/A-Wandler 16 in ein analoges Signal umgewandelt, das einem Ausgang 17 zugeführt wird.
Es sei erwähnt, daß das Schallsignal auch ausgegeben werden kann, ohne daß es über den D/A-Wandler 16 geführt wird, d. h. das Signal kann auch in digitaler Form ausgegeben werden. Mit der Verzögerungsschaltung 14 wird die von der adaptiven Filterschaltung 24 für die adaptive Verarbeitung benötigte Zeit und die Ausbreitungszeit in dem Filter kompensiert.
Die adaptive Filterschaltung 24 steuert in der Weise, daß ein Referenzeingangsschallsignal ein Schallsignal approximiert, das nicht aus der Frontrichtung kommt und in dem Hauptein gangsschallsignal enthalten ist. Wenn keine Korrelation zwischen dem gewünschten Schallsignal in dem von dem Hauptmikrophon 11 aufgenommenen Schallsignal und einem Schallsignal besteht, das aus einer anderen Richtung als der Frontrichtung kommt, wird das von dem Referenzmikrophon 21 aufgenommene Schallsignal in der Subtrahierschaltung 15 von dem von dem Hauptmikrophon aufgenommenen Schallsignal subtrahiert und eliminiert, so daß die Subtrahierschaltung 15 nur das gewünschte Schallsignal ausgibt.
Mit anderen Worten, die beschriebene Einrichtung stellt ein adaptives Geräuschreduktionssystem dar, dem das Ausgangsschallsignal des Hauptmikrophons 11 als Haupteingangssignal und das Ausgangsschallsignal des Referenzmikrophons 21 als Referenzeingangssignal zugeführt wird. Dieses System arbeitet folgendermaßen:
Das Haupteingangsschallsignal aus dem A/D-Wandler 13 wird gewonnen, indem das gewünschte Schallsignal s, das aus Richtung des Pfeils AR oder der Frontrichtung eintrifft, zu dem (im folgenden als Geräusch bezeichneten) Schallsignal n0 addiert wird, das aus der Rückwärtsrichtung ankommt und von dem unterstellt wird, daß es mit dem Haupteingangsschallsignal nicht korreliert ist. Das Referenzeingangsschallsignal aus dem A/D-Wandler 23, das mit n1 bezeichnet werde, ist dann, wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, mit dem Geräusch n0, nicht jedoch mit dem gewünschten Schallsignal, korreliert. Ein adaptiver Verarbeitungsalgorithmus sorgt dafür, daß die adaptive Filterschaltung 24 das Referenzeingangsschallsignal n1 herausfiltert, so daß ein Signal y ausgegeben wird. Der Algorithmus steuert die adaptive Filterschaltung 24 so, daß der Subtraktionsfehler e der Subtrahierschaltung 15 minimiert wird.
Es sei hier angenommen, daß die Signale s, n0 und n1 statistisch stationär sind und daß ihr Mittelwert gleich 0 ist. Das Ausgangssignal ist dann
e = s + n0 - y.
Da zwischen s und n0 und zwischen s und y keine Korrelation besteht, wird der Erwartungswert, der durch Quadrieren dieses Ergebnisses gewonnen wird, zu
E [e²] = E [s²] + E [(n0 - y)²] + 2E [s (n0 - y)] = E [s²] + E[(n0 - Y)2]
Die adaptive Filterschaltung 24 wird so justiert, daß E [e²] ein Minimum wird. Dann wird E [s²] nicht beeinträchtigt.
E [e²] = E [s²] + Emin ((n0 - y)²]
Das heißt, die Minimierung von E [e²] führt ihrerseits zu einer Minimierung von E ((n0 - y)²], wodurch das Ausgangssignal y der adaptiven Filterschaltung 24 zu einem Schätzwert des Geräuschs n0 wird. Der Erwartungswert des Ausgangssignals der Subtrahierschaltung 15 wird dann allein das gewünschte Signal. Mit anderen Worten, das Justieren der adaptiven Filterschaltung 24 zur Minimierung der Gesamtausgangsleistung bedeutet, daß das Ausgangssignal des Subtrahierers der kleinste quadratische Schätzwert des gewünschten Schaltsignals s wird.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der adaptiven Filterschaltung 24, bei der der sog. LMS- Algorithmus (der kleinsten mittleren Quadrate) benutzt wird.
Wie Fig. 4 zeigt, wird in diesem Beispiel ein adaptiver linearer Koppler 300 vom FlR-Filtertyp benutzt. Diese lineare Koppler umfaßt mehrere Verzögerungsschaltungen DL1, DL2, ... DLm (m ist eine positive ganze Zahl), deren Verzögerungszeit 21 jeweils der Abtastzeiteinheit entspricht, ferner Multiplizierer MX0, MX1, ... MXm, die das Ausgangssignal der einzelnen Verzögerungsschaltungen DL1, DL2, ... DLm mit dem Eingangssignal n1 multiplizieren, sowie einen Addierer 310, der die Ausgangssignale der Multiplizierer MX0 bis MXm addiert. Das Ausgangssignal des Addierers 310 ist der Größe y von Fig. 2 äquivalent.
Auf der Basis des aus der Subtrahierschaltung 15 kommenden Restsignals e wird in einer LMS-Rechenschaltung, die z. B. aus einem Mikrocomputer besteht, ein Gewicht gebildet, das den Multiplizierern MX0 bis MXm zugeführt wird. Der in der LMS-Rechenschaltung 320 auszuführende Algorithmus ergibt sich folgendermaßen.
Wie Fig. 4 zeigt, sei der Eingangsvektor Xk zur Zeit k
Xk = (X0k X1k X2k... xmk]T
das Ausgangssignal sei yk und das Gewicht sei wjk (j = 0, 1, 2, ...). Zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal besteht dann die in der folgenden Gleichung (1) angegebene Relation.
(1) yk = wjk Xjk
Wenn der Gewichtungsvektor Wk zur Zeit k definiert ist als
Wk = [w0k w1k w2k ... wmk]T
ist die Relation zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal gegeben als
yk = XkT·Wk
Wenn die gewünschte Antwort mit dk bezeichnet wird, läßt sich der Fehler ek in dem Ausgangssignal folgendermaßen darstellen:
ek = dk - Yk = dk XkT · Wk
Mit dem LMS-Verfahren wird der Gewichtungsvektor durch die folgende Relation aktualisiert:
W(k+1) = Wk + 2u·ek·Xk
worin u die Stufenverstärkung zur Bestimmung der Anpassungsgeschwindigkeit und Stabilität bedeutet.
An dem Ausgang 17 erscheint das Schallsignal, das hauptsächlich aus dem von dem Geräusch befreiten gewünschten Schallsignal besteht.
Um das Geräusch in dem Haupteingangssignal durch Verwendung des Referenzeingangssignals mit Hilfe der oben beschriebenen adaptiven Verarbeitung zu reduzieren, sollte zwischen dem gewünschten Schallsignal und dem Referenzgeräusch, wie oben beschrieben, keine Korrelation bestehen. Zu diesem Zweck werden bei herkömmlichen adaptiven Geräuschreduktionssystemen dieser Art Maßnahmen ergriffen, durch die die Aufnahme des gewünschten Schalls in dem Referenzeingangssignal verhindert wird, indem das Referenzmikrophon gegen Schall abgedichtet wird oder so nah wie möglich bei der Geräuschquelle angeordnet wird, um es von dem Hauptmikrophon zu entkoppeln. Diese Maßnahmen machen die Systeme jedoch groß und unbequem für den Transport.
Im Gegensatz hierzu trifft die vorliegende Erfindung eine Unterscheidung zwischen dem gewünschten Schall und dem Geräusch in Abhängigkeit von der Schalleinfallsrichtung. Die Anordnung ist so getroffen, daß das Hauptmikrophon 11 eine Richtungsabhängigkeit (die auch Richtungsunabhängigkeit einschließt) besitzt, durch die der aus der gewünschten Schalleinfallsrichtung kommende Schall aufgenommen werden kann, während das Referenzmikrophon 21 eine Richtungsabhängigkeit besitzt, die keine oder nur geringe Empfindlichkeit in der gewünschten Schalleinfallsrichtung aufweist, so daß keine Korrelation zwi schen dem gewünschten Schall in dem von dem Hauptmikrophon 11 aufgenommenen Schall und dem von dem Referenzmikrophon 21 aufgenommenen Geräusch besteht.
Deshalb braucht man bei der vorliegenden Erfindung nur die Richtungsabhängigkeiten des Hauptmikrophons und des Referenzmikrophons zu betrachten. Dadurch können beide Mikrophone nahe beieinander angeordnet werden, so daß man im Vergleich zu den herkömmlichen Mikrophonsystemen eine sehr kompakte Implementierung erreicht.
Die Einrichtung gemäß der Erfindung eliminiert das Geräuschsignal gut aus dem Haupteingangssignal und ermöglicht eine einfache Implementierung eines Mikrophonsystems mit einer Richtungsempfindlichkeit, die in Einfallsrichtung des Geräuschs keine oder nur geringe Empfindlichkeit aufweist. Fig. 5 zeigt die Wirkung, die mit Hilfe eines experimentellen Systems auf der Basis dieses Beispiels erreicht wurde.
In diesem experimentellen System ist das Hauptmikrophon 11 vor dem Referenzmikrophon 21 angeordnet, wobei beide entlang der in Fig. 3 durch den Pfeil AR angedeuteten Einfallsrichtung des gewünschten Schalls angeordnet sind. Bei der Schallaufnahme werden ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von beispielsweise 1 kHz in Richtung des Pfeils AR als gewünschter Schall und ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von beispielsweise 600 Hz in einer Richtung von beispielsweise 30º von hinten als Geräusch zugeführt.
In diesem Beispiel ist die Empfindlichkeit des richtungsunabhängigen Hauptmikrophons und des Referenzmikrophons 21 für einen von der Frontseite kommenden Schall 0 dB bzw. -20 dB. Die Empfindlichkeit des Referenzmikrophons 21 für einen von der Rückseite kommenden Schall und für einen Schall, der aus einer Richtung kommt, die mit der Rückwärtsrichtung einen Winkel von 30º bildet, ist gleich 0 dB bzw. -0,7 dB.
Die Eingangswellenform des Hauptmikrophons 11 ist ein Gemisch aus den sinusförmigen Wellen von 1 kHz und 600 Hz, wie dies in Fig. 5A dargestellt ist. Die Wellenform des Ausgangsschallsignals an dem Ausgang 17 ist in Fig. 5B dargestellt. Sie approximiert, wie in Fig. 5C dargestellt, eine ideale sinusförmige Ausgangswelle von 1 kHz, die die Wirkung des Mikrophongeräts gemäß der Erfindung beweist.
Fig. 6 und 7 zeigen jeweils Richtcharakteristiken des Hauptmikrophons 11 und des Referenzmikrophons 21 von weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung. In diesen ist das Hauptmikrophon 11, wie bei dem oben beschriebenen Beispiel, vor dem Referenzmikrophon 21 angeordnet, wobei beide entlang der durch den Pfeil AR angedeuteten Einfallsrichtung des gewünschten Schalls angeordnet sind.
In dem Beispiel von Fig. 6 ist das Hauptmikrophon 11 ein Richtmikrophon und mit der Seite größter Empfindlichkeit in Frontrichtung ausgerichtet. Das Referenzmikrophon ist ebenfalls ein Richtmikrophon und mit der Seite größter Empfindlichkeit z. B. in Rückwärtsrichtung angeordnet. Mit anderen Worten, das Referenzmikrophon 21 besitzt in der gewünschten Schalleinfallsrichtung niedrige Empfindlichkeit und in Rückwärtsrichtung oder in Einfallsrichtung des Geräuschs hohe Empfindlichkeit.
Deshalb führt auch das Beispiel von Fig. 6 zu einer Mikrophonanordnung, die nur den gewünschten Schall ausgibt. Wenn in diesem Beispiel ein Geräuschsignal aus einer Richtung ankommt, die mit der Rückwärtsrichtung einen Winkel von etwa 90º bildet, ist der Geräuschpegel in dem Haupteingangssignal niedrig, weil die Empfindlichkeit des Hauptmikrophons 11 in diesem Winkelbereich niedrig ist. Deshalb trägt das Hauptmikrophon 11 selbst bereits etwas zur Geräuschreduktion bei.
In dem Beispiel von Fig. 7 ist die Einfallsrichtung des Geräuschs auf etwa 90º zu der gewünschten Schalleinfallsrichtung begrenzt, und die Empfindlichkeit des Referenzmikrophons 21 ist hoch in einer Richtung, die mit der Richtung des Pfeils AR einen Winkel von 90º bildet. Das Referenzmikrophon 21 ist in diesem Beispiel ein bidirektionales Mikrophon (dargestellt durch das mathematische Symbol -). Wie bei dem Beispiel von Fig. 6 ist das Hauptmikrophon 11 ein Richtmikrophon und so angeordnet, daß seine Empfindlichkeit in der gewünschten Schalleinfallsrichtung am höchsten wird. Das Hauptmikrophon 11 kann in diesem Beispiel auch ein ungerichtetes Mikrophon sein.
Die oben beschriebenen Beispiele benutzten einzelne Mikrophoneinheiten mit den erwähnten Richtcharakteristiken als Hauptmikrophon 11 und als Referenzmikrophon 21. Für diese Mikrophone können auch aus mehreren Mikrophoneinheiten bestehen, um jeweils Mikrophone mit der gewünschten Richtungsabhängigkeit zu realisieren.
Die Realisierung eines Richtmikrophonsystem mit Hilfe zweier ungerichteter Mikrophoneinheiten wird anhand von Fig. 8 und 9 beschrieben.
In Fig. 8 sind die ungerichteten Mikrophoneinheiten 30 und 31 im Abstand d voneinander angeordnet. Wie Fig. 9 zeigt, wird das Ausgangsschallsignal der Mikrophoneinheit 30 über einen nicht dargestellten Verstärker einer Subtrahiereinheit 32 zugeführt. Das Ausgangsschallsignal der Mikrophoneinheit 31 wird über einen nicht dargestellten Verstärker und ein Filter 33 der Subtrahierschaltung 32 zugeführt. Das Filter 33 besteht in diesem Beispiel aus einem Widerstand 34 und einem Kondensator 35. Wenn der Widerstandswert des Widerstands 34 mit R1 und die Kapazität des Kondensators 35 mit C1 bezeichnet werden, sind R1 und C1 so gewählt, daß folgende Relation besteht:
C1 ·R1 = d/c
worin c die Schallgeschwindigkeit bedeutet.
Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 32 wird in diesem Beispiel über eine Frequenzkennlinien-Korrekturschaltung 36, z. B. einem Integrator, die die Frequenzkennlinie des Signals abflacht, dem Ausgang 37 als Ausgangsschallsignal zugeführt. Es zeigt sich, daß die Frequenzkennlinien-Korrekturschaltung 36 je nach Bedarf vorgesehen ist bzw. nicht immer vorgesehen sein muß.
Die Mikrophone arbeiten in diesem Beispiel folgendermaßen. Die Ausgangssignale der Mikrophone 31 und 32 in Fig. 8 seien mit P0 bzw. P1 bezeichnet. Wenn eine Schallquelle in einer Richtung liegt, die mit der Richtung, in der die zwei Mikrophoneinheiten angeordnet sind, einen Winkel θ bildet, und Schall aus dieser Quelle auf die einzelnen Mikrophoneinheiten auftrifft, gilt für das Ausgangssignal P1
P1 = P0·e-jω (d/c) cosθ
worin ω eine Kreisfrequenz bedeutet.
Das Ausgangssignal der Mikrophoneinheit 31 wird über das Filter 33 der Subtrahierschaltung 32 zugeführt, so daß das Ausgangssignal Pa der Subtrahierschaltung 32 durch die folgende Gleichung (2) gegeben ist
(2) Pa = P0 (1 - A e-jω (d/c) cos θ
P0 (1 - A +jω(d/c)cos θ
= P0·jω(d/c)
in Gleichung (2) bedeutet A die Filterfunktion des Filters 33 und es ist - d/c cc 1. Nach Gleichung (2) ist das Ausgangssignal Pa einseitig gerichtet, wenn die folgende Gleichung (3) befriedigt ist.
(3) 1 - A = jωd/d
A = 1 - jωd/d
Das heißt, wenn die Gleichung (3) befriedigt ist, wird die Gleichung (2) zu
Pa = P0·jω(d/c) (1 + cosθ)
so daß das Ausgangssignal Pa einseitig nach dem Winkel θ ausgerichtet ist.
In dem obigen Beispiel wird die Filterfunktion A des Filters 33 dargestellt durch
A = 1/(1 + jωC1 Rr1)
Da C1·R1 = d/c ist, wird
A = 1/(1 + jωd/c).
Die Mikrophoneinheiten in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 8 haben deshalb, wie aus Gleichung (3) hervorgeht, eine Richtwirkung, wobei jedoch vorausgesetzt ist, daß die Frequenzkennlinien dieser Mikrophoneinheiten nach rechts ansteigen (d. h. die Antwort um so größer ist, je höher die Frequenz ist). In diesem Beispiel dient die Frequenzkennlinien-Korrekturschaltung 36 zum Abflachen der Kennlinie.
Es sei darauf hingewiesen, daß in dem Beispiel von Fig. 9 das Filter 33, die Subtrahierschaltung 32 und die Frequenzkennlinien-Korrekturschaltung 36 auch als digitales Filter oder als Programm (Software) implementiert werden können.
So kann z. B. das Filter 33 aus einem digitalen Filter mit einem Addierer 41, einer Verzögerungsschaltung 42 und einem Rückkopplungsverstärker 43 mit der Transferfunktion A bestehen, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist.
Obwohl das Mikrophongerät gemäß der Erfindung als Mikrophoneinheit für einen Camcorder beschrieben wurde, ist die Erfindung auch bei anderen Mikrophonsystemen anwendbar, z. B. bei einer unabhängigen Mikrophoneinheit oder bei einem Mikrophon für professionelle Videokameras oder bei einem Instrumentenmikrophon.
Es ist auch zu beachten, daß die adaptive Filterschaltung 24 in dem oben beschriebenen Beispiel zwar aus einer digitalen Schaltung besteht, um das System insgesamt als digitales System auszubilden, daß die Filterschaltung 24 jedoch auch aus einer analogen Schaltung bestehen kann, um das System insgesamt analog auszubilden. Es ist auch möglich, in einem analogen System nur die Filterschaltung 24 digital auszubilden.
Durch einfache Modifizierung der Richtcharakteristiken des ersten und zweiten Mikrophons läßt sich ein Mikrophon mit den gewünschten Richtcharakteristiken implementieren. Insbesondere wenn man das zweite Mikrophon gegen ein Mikrophon mit einer anderen Richtcharakteristik austauscht, kann man die Richtcharakteristik des gesamten Mikrophonsystems ändern, so daß große Freiheit bei der Gestaltung der Richtcharakteristiken gegeben ist. Die Ausführungsbeispiele können deshalb in zahlreichen Anwendungen benutzt werden, was zu einem bemerkenswerten praktischen Nutzeffekt führt.
Außerdem sind das erste und das zweite Mikrophon erfindungsgemäß nahe beieinander angeordnet und benötigen keine spezielle Form wie bei einem Gun-Mikrophon, so daß eine kompakte, leicht zu transportierende Realisierungsform zu Verfügung steht.

Claims

1. Richtmikrophongerät

mit einem erste Mikrophon (11) zur Aufnahme zumindest eines gewünschten Schallsignals aus einer gewünschten Richtung,

mit einem als Richtmikrophon ausgebildeten zweiten Mikrophon (21), dessen Schallaufnahmeempfindlichkeit in einer bestimmten Richtung niedrig ist und das in der Nähe des ersten Mikrophons (11) angeordnet ist, wobei die Richtung niedriger Schallaufnahmeempfindlichkeit mit der genannten gewünschten Richtung übereinstimmt,

mit einer adaptiven Filtereinrichtung (24), der das von dem zweiten Mikrophon aufgenommene Signal zugeführt wird,

und mit einer Subtrahiereinrichtung (15), die das Ausgangssignal der adaptiven Filtereinrichtung (24) von dem von dem ersten Mikrophon (11) aufgenommenen Signal subtrahiert und als Ausgangssignal des Mikrophongeräts ein den Schall aus der gewünschten Richtung repräsentierendes Signal ausgibt, indem sie die Schallsignale aus anderen Richtungen unterdrückt,

wobei die adaptive Filtereinrichtung (24) so justiert ist, daß sie die Leistung des Ausgangssignals der Subtrahiereinrichtung (15) minimiert.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das erste Mikrophon (11) eine Richtwirkung besitzt und die Richtwirkung des zweiten Mikrophons (21) sich von derjenigen des ersten Mikrophons (11) unterscheidet.

3. Gerät nach Anspruch 2, bei dem das erste Mikrophon (11) mehrere nahe beieinander angeordnete ungerichtete Mikrophoneinheiten (30, 31) aufweist und die Ausgangsschallsignale dieser Mikrophoneinheiten (30, 31) kombiniert werden, um ein Richtmikrophon zu erhalten.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite Mikrophon (21) mehrere nahe beieinander angeordnete ungerichtete Mikrophoneinheiten (30, 31) aufweist, wobei die Ausgangsschallsignale dieser Mikrophoneinheiten (30, 31) kombiniert werden, um ein zweites Richtmikrophon zu erhalten.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die adaptive Filtereinrichtung (24) eine Filtergewichtung regelt, um die Leistung des Ausgangssignals der Subtrahiereinrichtung (15) zu minimieren.

6. Leichte Fernseh-Handkamera mit eingebautem Videorecorder, die ein Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei die Richtung, in die die Kamera ausgerichtet ist, der genannten gewünschten Richtung entspricht.