DE69523811T2

DE69523811T2 - Differentialer Zweiteordnungsmikrofonaufbau, mit einer einzigen Membran

Info

Publication number: DE69523811T2
Application number: DE69523811T
Authority: DE
Inventors: Charles Spurgeon Bartlett; Michael Anthony Zuniga
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1994-05-04
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2015-04-27
Also published as: FI952106A; KR950035512A; CA2143226C; US5511130A; DE69523811D1; JP3338235B2; CA2143226A1; FI952106A0; EP0681410B1; EP0681410A3; CN1114479A; TW277200B; JPH07307990A; EP0681410A2; HK1003472A1; RU95106477A

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Differentialmikrofone der zweiten Ordnung (SOD- Mikrofone) sind seit langem für ihre überlegene Rauschlöschleistung im Vergleich zu Differentialmikrofonen erster Ordnung (FOD-Mikrofone) oder Differentialmikrofonen nullter Ordnung (Druckmikrofonen) bekannt. Zu Anfang wurde versucht, ein SOD-Mikrofon durch Kombinieren der Ausgangssignale zweier FOD-Mikrofone oder durch Kombinieren der Ausgangssignale von drei oder vier Druckmikrofonen herzustellen. Ein solcher Ansatz erfordert die Verwendung von Mikrofonen, deren Amplituden- und Phasengänge sehr gut aneinander angepaßt sind.
Bevor Elektretmikrofone verfügbar waren, wiesen typische handelsübliche Mikrofone nicht die erforderliche Übereinstimmung der Amplituden- und Phasengänge auf. Um ein funktionierendes SOD-Mikrofon mit der damals bestehenden Technologie herzustellen, war es folglich notwendig, ein einziges FOD-Mikrofon mit vier verschiedenen Teilen zu verwenden, die so angeordnet wurden, daß sie äquivalent mit der Mikrofonmembran kommunizieren. SOD-Mikrofone mit einer einzigen Membran wurden zum Beispiel unter Verwendung eines Moving-Coil- oder piezoelektrischen Wandlers, der in einem Gehäuse mit Schallöffnungen zur räumlichen Abtastung des Schallfelds angebracht war, entworfen und aufgebaut. (Siehe zum Beispiel A.J. Brouns, "Second- Order Gradient Noise-Cancelling Microphone, "IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing CH 1610-5/81 (Mai 1981) 786-789 und W.A. Beaverson und A.M. Wiggins, "A Second-Order Gradient Noise Canceling Microphone Using a Single Diaphragm", J. Acoust. Soc. Am. 22 (1950), 592-601.)
Bei bestimmten Implementierungen wurden die Öffnungen zum Beispiel symmetrisch an den vier Ecken eines Quadrats um das FOD-Mikrofon angeordnet, um sicherzustellen, daß die Membran akustisch auf alle Öffnungen identisch anspricht. Diese SOD-Mikrofone mit einer einzigen Membran erzeugten ein Ausgangssignal, das proportional zu der biaxialen zweiten Ableitung d²/dxdz des Schalldruckfelds war.
Bei einer späteren Implementierung, die in G.M. Sessler und J.E. West, "Second order gradient unidirectional microphones utilizing an electret transducer", J. Acoust. Soc. Amer. 58 (1975), 273-278, beschrieben wird, wurde ein Elektret-Mikrofonelement in ein SOD-Mikrofon mit einer einzigen Membran integriert. Genauer gesagt wurde ein experimentelles unidirektionales SOD-Mikrofon mit einem Elektretmikrofon hergestellt, in das Röhren eingeführt wurden, um das Schallfeld an diskreten Punkten entlang der Achse abzutasten. (Mit "unidirektional" ist gemeint, daß das Fernfeld-Empfindlichkeitsmuster eine deutliche Spitze in einer bevorzugten Richtung aufweist.) Die Röhrenlängen und ihre Positionen in den vorderen und hinteren Hohlräumen des Elektretmikrofons wurden so gewählt, daß das gewünschte unidirektionale Fernfeld-Ansprechverhalten erzeugt wurde.
Um das gewünschte Verhalten zweiter Ordnung zu erzielen, war es notwendig, die Helmholtz-Resonanzen der Hohlräume und der Meßröhren präzise abzustimmen. Der bei dieser Abstimmoperation erforderliche Aufwand lenkte von der Praktikabilität der Massenproduktion dieses SOD-Mikrofons ab.
Die Verfasser haben festgestellt, daß, wenn ein SOD- Mikrofon so konfiguriert wird, daß es ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zu der uniaxialen zweiten Ableitung d²/dx², anstelle der biaxialen Ableitung des Schalldruckfelds, ist, es die Kugelwellenbeschaffenheit des Sprachfelds eines Sprechers besser ausnutzen kann, um die Empfindlichkeit für die Stimme des Sprechers zu maximieren. Diese Eigenschaft wird zum Beispiel in einer gleichzeitig anhängigen U.S. -Patentanmeldung von C. Bartlett und M. Zuniga, 21.04.1994, unter dem Titel "Noise-Canceling Differential Microphone Assembly" besprochen.
Praktiker auf dem Gebiet des Mikrofonentwurfs konnten bisher kein SOD-Mikrofon mit einer einzigen Membran liefern, das sich leicht in Massenproduktion herstellen läßt und das ein Ausgangssignal aufweist, das proportional zu einer uniaxialen zweiten Ableitung d²/dx² des Schalldruckfelds ist.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die Verfasser haben ein SOD-Mikrofon mit einer einzigen Membran erfunden, das ohne weiteres in Massenproduktion hergestellt werden kann. Es enthält ein Gehäuse, in das ohne weiteres ein handelsübliches FOD-Mikrofonelement, wie zum Beispiel ein Elektret-Mikrofonelement eingeführt werden kann, ohne daß das Gehäuse des Mikrofonelements, das vom Hersteller geliefert wird, durchdrungen werden muß. Das Ausgangssignal des Mikrofons der Verfasser ist (innerhalb eines praktischen Frequenzbereichs) proportional zu einer uniaxialen zweiten Ableitung des Schalldruckfelds.
Allgemein ausgedrückt, umfaßt die vorliegende Erfindung ein Differentialmikrofon erster Ordnung, das in einem Gehäuse angebracht ist. Innerhalb des Gehäuses ist neben der Vorderseite der Mikrofonmembran ein vorderer Hohlraum definiert und neben der Rückseite der Membran ähnlich ein hinterer Hohlraum. Ein Paar von Durchgängen, die als vordere Durchgänge bezeichnet werden, leiten Schallenergie von einer jeweiligen ersten und zweiten vorderen Öffnung zu dem vorderen Hohlraum um, und ähnlich leitet ein Paar hinterer Durchgänge Schallenergie von einer jeweiligen ersten und zweiten hinteren Öffnung zu dem hinteren Hohlraum.
Die akustischen Übertragungsfunktionen von den jeweiligen Öffnungen zu der Membran sind für alle vier Durchgänge äquivalent. (Mit "äquivalent" ist gemeint, daß sie für die Zwecke praktischer Vorhersagen des Mikrofonverhaltens als gleich angenommen werden können.) Um diese Übertragungsfunktionen äquivalent zu machen, weisen die vier Öffnungen äquivalente Querschnittsflächen auf, der vordere und der hintere Hohlraum weisen äquivalente Volumen auf, und die vier Durchgänge weisen äquivalente Längen und Querschnittsflächen auf und treffen auf ihren jeweiligen Hohlraum auf akustisch äquivalente Weise.
Die Hohlraum-, Durchgangs- und Öffnungsabmessungen sind dergestalt, daß das akustische System, das aus dem Mikrofon, den Hohlräumen, den Durchgängen und den Öffnungen besteht, höchstens eine akustische Resonanzfrequenz von weniger als 3500 Hz und keine Helmholtz-Resonanzfrequenz von weniger als 3500 Hz aufweist. Außerdem liegen die vier Öffnungen im wesentlichen collinear entlang einer Achse, die hier als die "Nebenachse" bezeichnet wird. Gemäß der Anordnung der Öffnungen liegen die hinteren Öffnungen zwischen den vorderen Öffnungen oder die vorderen Öffnungen zwischen den hinteren Öffnungen. Jede vordere Öffnung wird durch einen gleichen Abstand von der angrenzenden hinteren Öffnung getrennt. Als Folge ist das Mikrofonanprechsignal ungefähr proportional zu der zweiten räumlichen Ableitung entlang der Nebenachse eines abgetasteten Schalldruckfelds. Dies gilt für Schallfelder in einem praktischen Frequenzbereich, bei typischen Anwendungen dem Telefonband Von etwa 300 Hz- 3,5 kHz.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Mikrofons in einer Ausführungsform.
Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Aufteilung des Grundgliedes des Mikrofons von Fig. 1 in zweckmäßig herstellbare und zusammenbaubare Teile.
Fig. 3 ist ein beispielhaftes Muster für die Schallkanäle des Mikrofons von Fig. 1 und 2.
Fig. 4 zeigt die Verwendung eines elektronischen Filters in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Mikrofon.
Fig. 5 und 6 sind beispielhafte Ansprechkurven für das elektronische Filter von Fig. 4.
Fig. 7 vergleicht die Umgebungsrauschansprechsignale des erfindungsgemäßen Mikrofons und eines standardmäßigen omnidirektionalen Mikrofons.
Fig. 8 ist eine schematische perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Mikrofons in einer alternativen Ausführungsform.
Fig. 9 zeigt einen beispielhaften, leicht herstellbaren Entwurf für das Mikrofon von Fig. 8.
Fig. 10 zeigt die Verwendung des Mikrofons von Fig. 1 im Hörer eines zellularen Fernsprechers.
Fig. 11 zeigt die Verwendung des Mikrofons von Fig. 8 im Hörer eines zellularen Fernsprechers.
Fig. 12 ist eine schematische Zeichnung einer bevorzugten Orientierung für das erfindungsgemäße Mikrofon in Bezug auf eine effektive Punktquelle eines Nahfeld-Schallsignals.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Gemäß einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Schallkanäle 8, 8', 9 und 9' in einem quaderartigen Grundglied 5 eines akustisch starren Materials, wie zum Beispiel Polymethylmethacrylat (PMMA), Phenol- oder Hartgummi, ausgebildet. Diese Kanäle führen zu einem zentralen Hohlraum 6. Fern des Hohlraums 6 endet jeder Schallkanal an einer jeweiligen der Öffnungen 1-4, um abgetastete Schallenergie einzulassen. Die Mitten der Öffnungen 1-4 liegen im wesentlichen entlang einer linearen Achse, die hier als die "Nebenachse" bezeichnet wird. Das FOD-Mikrofon 11 wird so in den Hohlraum 6 eingesetzt, daß eine Versiegelung zwischen dem Teil 6.1 des vorderen Hohlraums neben der Vorderseite des Mikrofons und dem Teil 6.2 des hinteren Hohlraums neben der Rückseite des Mikrofons gebildet wird, so daß die jeweiligen Teile akustisch voneinander isoliert sind. Die Hohlraumteile werden hier als vordere bzw. hintere Kammern bezeichnet.
Es sollte beachtet werden, daß die Begriffe "vorne" und "hinten" hier willkürlich sind und lediglich der Einfachheit halber verwendet wurden. Es versteht sich, daß diese Begriffe austauschbar sind, wie auch die Begriffe "oben" und "unten" und "oberes" und "unteres", wenn man sich auf räumliche Eigenschaften des Grundgliedes 5 bezieht.
Ein Anbringungselement 7, wie zum Beispiel ein Gummiring, ist nützlich, um diese Versiegelung zu bewirken. Die Verfasser bevorzugen zur Zeit, ein Elektretmikrofon zu verwenden. Entsprechende solche Mikrofone sind von zahlreichen Herstellern im Handel erhältlich.
Die mit der Rückseite des Mikrofons kommunizierenden Öffnungen sollten zwischen denen mit der Vorderseite des Mikrofons kommunizierenden liegen (siehe die Figur) oder umgekehrt. Der Abstand zwischen den Öffnungen 1 und 2 sollte innerhalb praktischer Toleranzen gleich dem Abstand zwischen den Öffnungen 3 und 4 sein, damit das Mikrofon als ein SOD-Mikrofon funktionieren kann.
Wie bereits erwähnt, sollten die Schallkanäle gleiche Querschnittsflächen und Längen aufweisen (innerhalb praktischer Toleranzen), die Öffnungen sollten eine gleiche Fläche aufweisen und die Kammern 6.1 und 6.2 sollten ein gleiches Volumen aufweisen. Die Querabmessungen der Kanäle und die Öffnungsdurchmesser sollten wesentlich kleiner als eine Schallwellenlänge der höchsten interessierenden Frequenz sein. (Als allgemeine Regel reicht es aus, wenn diese Abmessungen kleiner als 0,1 Wellenlängen sind.) Zum Beispiel ist bei Anwendungen in der Telefonie die höchste interessierende Frequenz im allgemeinen 3,5 kHz, was bei typischen Betriebsbedingungen einer Wellenlänge von etwa 10 cm entspricht.
Der Mittelpunkt zwischen den Öffnungen 1 und 2 wird um einen Abstand, der hier als der "Nebendurchmesser" bezeichnet wird, von dem Mittelpunkt zwischen den Öffnungen 3 und 4 getrennt. Wenn ein gegebener Nebendurchmesser berücksichtigt wird, ist es wünschenswert, die Abmessungen der Öffnungen, Kanäle und der vorderen und hinteren Kammern klein genug auszuführen, um problematische Resonanzen auszuschließen. Wenn das Mikrofon zum Beispiel im Telefonband arbeiten soll, werden diese Abmessungen ohne weiteres so gewählt, daß keine Helmholtz-Resonanz bei einer Frequenz von weniger als 3500 Hz und nicht mehr als eine akustische Resonanz (jeder Art) bei einer Frequenz von weniger als 3500 Hz auftritt. Tatsächlich wird es oft möglich sein, innerhalb des Telefonbands alle akustischen Resonanzen auszuschließen.
Als Folge dieser Anordnung werden Drücke P&sub1; und P&sub4; eines Schallfelds an den Öffnungen 1 und 4 durch die Kanäle 8, 8' zu der Vorderseite des Mikrofons 11 genauso geführt, wie die Drücke P&sub2; und P&sub3; des Schallfelds an den Öffnungen 2 und 3 durch die Kanäle 9, 9' zu der hinteren Mikrofonseite geführt werden. Die akustische Übertragungsfunktion von jeder Öffnung zu der Mikrofonmembran ist zumindest in einem praktischen Sinne dieselbe. Als Ergebnis erzeugt das Mikrofon 11 ein Ausgangssignal auf den elektrischen Leitungen 10, das proportional zu der Netto-Druckdifferenz zwischen der Vorder- und Rückseite des Mikrofons ist. Das heißt,
Ausgangssignal = K(ω)[(P&sub1; + P&sub4;) - (P&sub2; + P&sub3;)],
wobei K(ω) eine frequenzabhängige Proportionalitätskonstante ist, deren Primärfrequenzabhängigkeit auf die identischen longitudinalen Resonanzen in den Kanälen 8 und 9 zurückzuführen ist, von denen die erste bei einer Frequenz auftritt, für die die Kanallänge gleich einer halben Wellenlänge ist.
Der Ausdruck für das Ausgangssignal kann folgendermaßen umgeschrieben werden:
K(ω)[(P&sub1; - P&sub2;) - (P&sub3; - P&sub4;)],
wobei (P&sub1; - P&sub2;) das Differential erster Ordnung des Schallfelds zwischen den Öffnungen 1 und 2 und (P&sub3; - P&sub4;) das Differential erster Ordnung des Schallfelds zwischen den Ports 3 und 4 ist. Folglich ist das Ausgangssignal des FOD-Mikrofons 11 ungefähr proportional zu der uniaxialen zweiten Ableitung des Schallfelddrucks entlang der Nebenachse, die die Mitten der Schallöffnungen 1, 2, 3 und 4 verbindet.
Die Verfasser haben einen ohne weiteres herstellbaren Gehäuseprototyp für das FOD-Mikrofon aufgebaut (siehe Fig. 2). Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht der Quader 5 aus zwei 0,125-Zoll-Blättern aus PMMA. Die Kanäle 8, 8', 9 und 9' und die obere Hälfte des FOD- Mikrofon-Hohlraums 6 sind vollständig durch das obere Blatt 5.1 geschnitten (zum Beispiel durch stanzen oder fräsen). (Es sind auch andere Herstellungsprozesse möglich, wie zum Beispiel Gußprozesse, bei denen die Kanäle und der Hohlraum durch Ausschließen von Material erzeugt werden.) Durch einen ähnlichen Prozeß wird die untere Hälfte des Hohlraums 6 in dem unteren Blatt 5.2 ausgebildet.
Die kombinierte Dicke der oberen und unteren Blätter beim Zusammenbau beträgt 0,25 Zoll, was ungefähr gleich dem Durchmesser des vorliegenden beispielhaften FOD- Mikrofons ist. Eine 0,010 Zoll starke obere Abdeckungsplatte 12 aus Messing dient zur akustischen Versiegelung des oberen Teils der Kanäle. Runde Schallöffnungen 1-4 mit einem Durchmesser von 0,125 Zoll werden durch die Platte 12 hindurchgebohrt und so positioniert, daß sie mit den Abschlüssen der entsprechenden Kanäle ausgerichtet sind, wenn das Gehäuse zusammengebaut wird.
Eine 0,010 Zoll starke untere Abdeckplatte 13 aus Messing dient zur akustischen Versiegelung des unteren Teils des Mikrofonhohlraums 6. Die elektrischen Leitungen 10 des FOD-Mikrofons 11 werden durch kleine Kanäle 14 zwischen dem oberen und unteren Blatt 5.1, 5.2 geführt. Diese Kanäle werden wünschenswerterweise mit einem luftdichten Dichtmittel gefüllt, das die elektrischen Leitungen umgibt, um ein akustisches Lecken zu verhindern.
Als Beispiel betrugen die seitlichen Abmessungen des Mikrofonhohlraums dieses Prototyps (die in dem unteren Blatt definiert sind) 10,73 mm · 6,05 mm. Die entsprechenden Abmessungen der Kanäle und des Hohlraums, die in dem oberen Blatt definiert sind, werden zweckmäßig unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. Alle Kanalbreiten betrugen 3,0 mm. Die anderen Abmessungen waren: a, 16,0 mm; b, 26,0 mm; c, 13,0 mm; d, 8,0 mm; e, 12,0 mm und f, 6,0 mm.
Der Einfachheit halber wurde dieser Prototyp aus zwei Kunststoffblättern und zwei Messingblättern hergestellt. Es sollte beachtet werden, daß es viele andere Arten der Unterteilung der Gesamtbaugruppe gibt. Zum Beispiel können die Kanäle und der Mikrofonhohlraum dadurch ausgebildet werden, daß Material nur einen Teil des Weges durch die oberen und unteren Blätter entfernt wird, (die etwas dicker als bei dem oben beschriebenen Prototyp ausgeführt werden), so daß das obere Blatt ein kontinuierliches Stück mit der oberen Abdeckplatte bildet und das untere Blatt ein kontinuierliches Stück mit der unteren Abdeckplatte bildet. Dies könnte zweckmäßig zum Beispiel in einer Spritzgußoperation geschehen. Das FOD-Mikrofonelement würde unmittelbar vor dem letzten Zusammenbau der oberen und unteren Blätter in seinen Hohlraum eingesetzt.
Bei einer anderen alternativen Ausführungsform kann ein Teil der Kanäle in dem unteren Blatt und die anderen in dem oberen Blatt ausgebildet werden.
Bei der Ausführungsform von Fig. 8 sind die Öffnungen auf einer Seitenfläche 20 des Grundglieds 5, anstatt auf der oberen (oder unteren) Oberfläche angeordnet. Diese Anordnung ist wünschenswert, da es dadurch möglich wird, daß die beiden zu der Nebenachse senkrechten Abmessungen des Grundglieds relativ klein ausgeführt werden können, was zu einem kompakten Entwurf führt.
Ein zur Zeit bevorzugter Entwurf dieser Art ist im Querschnitt in Fig. 9 gezeigt. Bei diesem Entwurf sind die PMMA-Blätter 16.1 und 16.2 mit dünnen akustisch starren Platten 17.1, 17.2, 17.3 verschachtelt, die zum Beispiel aus Messing bestehen. Die Kammern 6.1 und 6.2 werden in dem oberen Blatt 16.1 definiert. Jeder der rechteckigen Kanäle 8, 8', 9 und 9' enthält einen in dem Blatt 16.1 definierten Teil, der auf seine jeweilige Kammer trifft, und einen in dem unteren Blatt 16.2 definierten Teil, der auf die Seite 20 trifft, um eine jeweilige der Öffnungen 1-4 zu bilden, deren Form rechteckig ist. Jeder Kanal enthält einen jeweiligen ansteigenden Teil 21, der sich mit den jeweiligen Teilen des unteren und des oberen Blatts des Kanals verbindet. Jeder ansteigende Teil 21 wird zumindest teilweise durch eine rechteckige Perforation in der Platte 17.2 definiert.
Die PMMA-Blätter sind beispielsweise 1 mm dick, und die gesamte Baugruppe ist 44 mm lang, 7 mm breit und 2,844 mm dick. Das Mikrofonelement 11 hat in der Regel einen größeren Durchmesser als die zusammengebaute Dicke der PMMA-Blätter und der Messingplatten. Dementsprechend steht das Mikrofonelement in der Regel über der Oberseite des Blatts 16.1 vor. In einem solchen Fall dient das Abdeckglied 19 dazu, eine Versiegelung über dem Mikrofonelement herzustellen. Das Abdeckglied 19 ist zum Beispiel eine Messingplatte und kann zweckmäßig kontinuierlich mit der Platte 17.1 hergestellt werden, indem es zum Beispiel mit einer Stanzoperation gebildet wird.
Wahlweise wird das Mikrofonelement 11 symmetrisch so angeordnet, daß es um einen gleichen Betrag über die Platte 17.1 und unter der Platte 17.3 vorsteht. In einem solchen Fall kann man ohne weiteres ein zweites Abdeckglied integrieren, um eine Versiegelung über dem Mikrofonteil herzustellen, der unter der Platte 17.3 hervorsteht.
Wie bereits erwähnt, haben geschichtete Strukturen, wie die oben beschriebenen, den Vorteil, daß sie leicht hergestellt werden können. Insbesondere sind sie sehr gut reproduzierbar, da herkömmliche Herstellungsverfahren verwendet werden können, um die Kanal- und Öffnungskenngrößen von einem Werkstück zum nächsten genau aneinander anzupassen.
Wie in Fig. 4 gezeigt, wird das elektrische Ausgangssignal des Mikrofons 11 vorteilhafterweise durch elektronische Filter 15 modifiziert, damit der Sprachfrequenzklang des Mikrofons mit einem gewünschten Bezugsfrequenzklang übereinstimmt, wie zum Beispiel dem Sprachfrequenzklang eines standardmäßigen omnidirektionalen Mikrofons.
Als Beispiel zeigt Fig. 5 eine Übertragungsfunktion für ein elektronisches Filter, das in Verbindung mit einem Laborprototyp mit einer Kanalresonanz in dem interessierenden Frequenzband nützlich ist. Das Kerbenverhalten, das in der Nähe von 2-3 kHz offensichtlich ist, gleicht diese Kanalresonanz aus.
Im Gegensatz dazu ist die Übertragungsfunktion von Fig. 6 in Verbindung mit einem Laborprototyp nützlich, dessen Kanalresonanz außerhalb des interessierenden Frequenzbands liegt. In diesem Fall benötigt das Filter 15 keine Kerbe, um eine Kanalresonanz zu kompensieren.
In Fig. 7 werden das Ansprechverhalten des erfindungsgemäßen SOD-Mikrofon und das Ansprechverhalten eines omnidirektionalen Mikrofons auf Fernfeld-Umgebungsrauschen verglichen. Die Figur zeigt die Leistung jedes Mikrofontyps bei Anbringung an einem Telefonhörer. Mit dem SOD-Mikrofon wird ein elektronisches Filter verwendet, um dessen (spektrales) Sprachansprechverhalten gegenüber dem omnidirektionalen Mikrofon auszugleichen. Aus der Figur ist offensichtlich, daß eine Reduktion von 10 dB oder mehr über wesentliche Teile des Telefonbands hinweg erzielt wird.
Es ist wohlbekannt, daß bei Anwendungen in der Telefonie das Schallfeld der Stimme eines Sprechers in guter Approximation als ein radial divergentes Feld einer Punktquelle modelliert werden kann. Eine solche Quelle 40 ist in Fig. 12 schematisch zusammen mit den schematischen Darstellungen der Öffnungen 1-4 dargestellt. Wie in der erwähnten Patentanmeldung mit dem Title "Noise-Canceling Differential Microphone Assembly", beschrieben, kann man diese Eigenschaft verwenden, um das übertragene Ansprechverhalten eines SOD-Mikrofons auf die Stimme des Sprechers in Bezug auf das Ansprechverhalten auf Umgebungsrauschen zu verbessern. Genauer gesagt, bezeichne man die x-Achse von Fig. 12, die sich von der Quelle 40 zu dem Mittelpunkt der Öffnungen 1-4 erstreckt, als die "Hauptachse" und den Abstand a von der Quelle zum Mittelpunkt als "Hauptradius". Wenn die Haupt- und Nebenachse senkrecht aufeinander stehen, ist das uniaxiale Differentialausgangssignal zweiter Ordnung des Mikrofons ungefähr proportional zu der ersten Ableitung des Schallfelds des Sprechers (entlang der Nebenachse). Im Gegensatz dazu, ist das Ansprechverhalten auf diffuses Fernfeldrauschen nicht vorzugsweise von einer bestimmten Mikrofonausrichtung abhängig. In Bezug auf die Art und Weise der Abhängigkeit des Sprachansprechverhaltens von dem Abstand von den Lippen des Sprechers spricht das Mikrofon also wie ein FOD auf die Stimme des Sprechers, aber wie ein SOD auf Fernfeldrauschen an. Es ergibt sich eine gute Rauschunterdrückung, weil in typischen Umgebungen mit diffusem Rauschen die zweite räumliche Ableitung des Schalldruckfelds sogar noch kleiner als seine erste räumliche Ableitung ist.
Der Betrag des Ausgangssignals des SOD-Mikrofons in dieser speziellen Orientierung kann mit dem Betrag des Ausgangssignals des einzelnen FOD-Mikrofons verglichen werden, das sich am Mittelpunkt der Nebenachse befindet und für eine maximale Empfindlichkeit für Schall von der Punktquelle ausgerichtet ist. Theoretisch wird das Verhältnis von SOD : FOD dieser Beträge durch den folgenden Ausdruck gegeben:
wobei z = d/(2a), d der Nebendurchmesser, k = ω/c, ω die Kreisfrequenz und c die Schallgeschwindigkeit in Luft ist.
Bis zu einer sehr guten Approximation (solange der Abstand a in Einheiten von einer Wellenlänge bei der gegebenen Frequenz wesentlich kleiner als 1/2π ist) ist das SOD-Ausgangssignal (relativ zu dem hypothetischen FOD-Ausgangssignal) ungeachtet der Frequenz maximal wenn d = 1,4a. Diese Entwurfsformel kann verwendet werden, um die geometrische Konfiguration der Mikrofonbaugruppe für ein bestimmtes Kommunikationsgerät auf der Grundlage des erwarteten Abstands zwischen der Baugruppe und den Lippen des Benutzers zu optimieren.
Dabei sollte beachtet werden, daß der Nebendurchmesser häufig zumindest teilweise die Länge der Kanäle bestimmt. Aus der obigen Besprechung ist klar, daß der Nebendurchmesser bei typischen Kommunikationsanwendungen auch am hochfrequenten Ende des Telefonbands häufig wesentlich kleiner als eine Wellenlänge ist. Als Folge wird es häufig möglich sein, den Kanal kurz genug auszuführen, um alle akustischen Resonanzen im Telefonband auszuschließen.
Eine beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Mikrofons ist der Hörer eines Zellularfernsprechers (siehe Fig. 10 und 11). In Fig. 10 ist zu sehen, daß das Mikrofon 30, dessen Entwurf dem Mikrofon von Fig. 1 ähnlich ist, in dem Klappenteil 31 eines Hörers installiert ist, in dem in der seitlichen Abmessung senkrecht zu der Nebenachse reichlich Platz vorhanden ist. Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 11 das Mikrofon 32 in dem Grundkörper 33 eines Hörers installiert. Hier ist in der Regel ein kompakterer Entwurf notwendig. Dementsprechend gleicht der Entwurf des Mikrofons 32 dem Mikrofon von Fig. 8 und 9.

Claims

1. Vorrichtung, umfassend:

a) ein Gehäuse (5);

b) ein in dem Gehäuse untergebrachtes Differentialmikrofon erster Ordnung (6) mit einer Membran, wobei die Membran eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist;

c) einen in dem Gehäuse definierten vorderen Hohlraum (6.1) neben der Vorderseite der Membran und einen hinteren Hohlraum (6.2) neben der Rückseite der Membran;

d) einen ersten und einen zweiten vorderen Durchgang (8, 8') zum Leiten von Schallenergie aus einer ersten bzw. zweiten vorderen Öffnung (1,4) zu dem vorderen Hohlraum; und

e) einen ersten und einen zweiten hinteren Durchgang (9,9') zum Leiten von Schallenergie aus einer ersten bzw. zweiten hinteren Öffnung (2,3) zu dem hinteren Hohlraum, wobei:

f) jede der Öffnungen eine äquivalente Querschnittsfläche aufweist, jeder der Hohlräume ein äquivalentes Volumen aufweist und jeder der Durchgänge eine äquivalente Länge und Querschnittsfläche aufweist und auf akustisch äquivalente Weise auf seinen jeweiligen Hohlraum trifft, so daß jeder der Durchgänge eine äquivalente akustische Übertragungsfunktion von seiner jeweiligen Öffnung zu der Membran aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß

g) das Hohlraumvolumen, die Durchgangslänge und Querschnittsfläche und die Öffnungsquerschnittsfläche so ausgelegt sind, daß das akustische System, bestehend aus Mikrofon, Hohlräumen, Durchgängen und Öffnungen, höchstens eine akustische Resonanzfrequenz unterhalb von 3500 Hz und keine Helmholtz-Resonanzfrequenz unterhalb von 3500 Hz aufweist;

h) die erste und zweite vordere Öffnung und die erste und zweite hintere Öffnung alle im wesentlichen kollinear entlang einer als die Nebenachse zu bezeichnenden Achse liegen; und

i) die Öffnungen so angeordnet sind, daß die hinteren Öffnungen zwischen den vorderen Öffnungen liegen oder die vorderen Öffnungen zwischen den hinteren Öffnungen liegen und jede vordere Öffnung in einem gleichen Abstand von der angrenzenden hinteren Öffnung getrennt ist, wodurch das Mikrofonansprechverhalten ungefähr proportional zu der zweiten räumlichen Ableitung eines abgetasteten Schalldruckfelds entlang der Nebenachse wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mikrofon ein Elektretmikrofon ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das akustische System eine frequenzabhängige Ansprechfunktion aufweist und die Vorrichtung weiterhin ein elektronisches Filter zum Ändern der Ansprechfunktion auf vorbestimmte Weise umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

ein Nebendurchmesser d als der Mittelwert des Abstands zwischen den vorderen Öffnungen und des Abstands zwischen den hinteren Öffnungen definiert ist;

ein Hauptradius als ein Liniensegment definiert ist, das sich um einen vorbestimmten optimalen Abstand a zwischen den Lippen einer sprechenden Person und dem Mittelpunkt zwischen den vorderen oder hinteren Öffnungen erstreckt;

die Vorrichtung weiterhin ein Stützmittel zum Halten des Mittelpunkts in einem Abstand von ungefähr a von den Lippen einer sprechenden Person, wenn die Vorrichtung benutzt wird, und zum Halten der Nebenachse ungefähr senkrecht zu dem Hauptradius umfaßt; und

der Abstand d so ausgelegt ist, daß das Verhältnis d/a in der Nähe des Wertes liegt, der das Ausgangssignal des Mikrofons in Kombination mit den Durchgängen und Öffnungen als Reaktion auf die Stimme der sprechenden Person relativ zu einem hypothetischen äquivalenten Differentialmikrofon erster Ordnung, das sich am Mittelpunkt der Nebenachse befindet und für maximale Empfindlichkeit gegenüber Schall aus einer an der Position der Lippen der sprechenden Person angeordneten Punktquelle ausgerichtet ist, maximiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Verhältnis d/a ungefähr 1, 4 beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse einen Körper aus akustisch starrem Material umfaßt und jeder der Durchgänge ein länglicher hohler Bereich ist, der durch innere Oberflächen des Körpers definiert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei:

der Körper eine obere Schicht mit einer im wesentlichen planaren unteren Oberfläche und eine untere Schicht mit einer im wesentlichen planaren oberen Oberfläche umfaßt;

mindestens einer der Durchgänge einen in der unteren Schicht ausgebildeten Kanal umfaßt, wobei sich der Kanal in einer oder zwei Längsabmessungen im wesentlichen parallel zu der oberen Oberfläche erstreckt und eine Gesamtlänge in den Längsrichtungen aufweist;

sich der Kanal von der oberen Oberfläche in der zu der oberen Oberfläche senkrechten Richtung bis zu einer Tiefe erstreckt, die kleiner als die Gesamtlänge ist; und

die obere Schicht so über der unteren Schicht liegt, daß sich die obere und die untere Oberfläche in Kontakt befinden und die obere Schicht eine akustisch abdichtende Abdeckung für den Kanal bildet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei jeder der Durchgänge einen in der unteren Schicht ausgebildeten Kanal umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei jeder der Durchgänge einen in der oberen Schicht ausgebildeten Kanal umfaßt, der mit einem in der unteren Schicht ausgebildeten Kanal verbunden ist, wobei die obere Schicht eine akustisch abdichtende Abdeckung für die in der unteren Schicht ausgebildeten Kanäle bildet und die untere Schicht eine akustisch abdichtende Abdeckung für die in der oberen Schicht ausgebildeten Kanäle bildet.

10. Vorrichtung mit einem Differentialmikrofon erster Ordnung mit einer Vorder- und Rückseite, wobei die Vorderseite durch einen vorderen Hohlraum (6.1) akustisch mit einem ersten und zweiten vorderen Schalldurchgang (8, 8') kommuniziert, die Rückseite durch einen hinteren Hohlraum (6.2) akustisch mit einem ersten und zweiten hinteren Schalldurchgang (9, 9') kommuniziert, jeder Durchgang von einer jeweiligen Öffnung (1, 4; 2, 3) zum Einlaß von Schallenergie abgeschlossen wird und die Öffnungen so angeordnet sind, daß das Ansprechverhalten des Mikrofons ungefähr proportional zu der zweiten räumlichen Ableitung eines abgetasteten Schalldruckfelds wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Vorrichtung weiterhin einen plattenartigen Grundkörper (5) aus einem akustisch starren Material mit einer im wesentlichen planaren Oberfläche umfaßt, die als die obere Grundkörperoberfläche bezeichnet werden soll;

b) in dem Grundkörper ein Muster von Kanälen ausgebildet ist, wobei das Muster durch innere Oberflächen des Grundkörpers definiert wird, die Kanäle an der oberen Grundkörperoberfläche offen sind und sich die Kanäle in mindestens einer zu der oberen Grundkörperoberfläche im wesentlichen parallelen Längsrichtung erstrecken;

c) das Muster vier Kanäle gleicher Länge und Querschnittsfläche umfaßt und jeder der vier Kanäle mit jeweils einem der Schalldurchgänge identifiziert ist, so daß die Kanäle als der erste und der zweite vordere Kanal bzw. der erste und der zweite hintere Kanal bezeichnet werden;

d) das Muster weiterhin einen mittleren Hohlraum mit einem mit den vorderen Kanälen verbundenen vorderen Ende und einem mit den hinteren Kanälen verbundenen hinteren Ende umfaßt;

e) das Mikrofon so in dem mittleren Hohlraum angebracht ist, daß der Teil des mittleren Hohlraums, der nicht von dem Mikrofon eingenommen wird, in einen vorderen Teil und einen hinteren Teil unterteilt wird, wobei beide Teile das gleiche Volumen aufweisen und akustisch voneinander isoliert sind, wobei der vordere Teil an die vorderen Kanäle und die Vorderseite des Mikrofons angrenzt und mit dem vorderen Hohlraum identifiziert wird; und der hintere Teil an die hinteren Kanäle und die Hinterseite des Mikrofons angrenzt und mit dem hinteren Hohlraum identifiziert wird;

f) jede Öffnung eine Öffnung in einer Oberfläche des Grundkörpers ist;

g) die Öffnungen im wesentlichen entlang einer Geraden angeordnet sind, die hinteren Öffnungen zwischen den vorderen Öffnungen liegen oder die vorderen Öffnungen zwischen den hinteren Öffnungen liegen und jede vordere Öffnung um denselben Betrag von ihrer angrenzenden hinteren Öffnung entfernt ist, so daß die zweite räumliche Ableitung, die durch das Mikrofonansprechverhalten dargestellt werden soll, eine einachsige Ableitung ist;

h) die Vorrichtung weiterhin eine Abdeckung mit einer im wesentlichen planaren Oberfläche umfaßt, die als die untere Abdeckungsoberfläche bezeichnet werden soll; und

i) die untere Abdeckungsoberfläche so in Kontakt mit der oberen Grundkörperoberfläche befestigt ist, daß die Abdeckung einen akustisch abdichtenden Verschluß für das Kanalmuster bildet.