DE69933627T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Anpassung des Phasen- und Amplitudenfrequenzgangs eines Mikrofons - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Anpassung des Phasen- und Amplitudenfrequenzgangs eines Mikrofons Download PDF

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Description

  • Einschlägige Anmeldungen
  • Diese Anmeldung bezieht sich auf den Inhalt der US Provisional Application Nr. 60/097 926 vom 25. August 1998.
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Einrichtungen zur Anpassung der Ausgangsleistungen eines Mikrofonpaares und insbesondere eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Kompensation von Schwankungen der Empfindlichkeit, der Niederfrequenzdämpfung und der Resonanzspitze wenigstens eines der Mikrofone.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Hörhilfen, die eine benutzerwählbare, gerichtete Antwort ermöglichen, sind auf dem Markt ziemlich populär geworden. In einer geräuschvollen Umgebung kann ein Benutzer einer solchen Hilfe das Richtungsmuster wählen und damit etwas von dem Hintergrundgeräusch eliminieren. Dies kann zu einer Verstärkung des Signals auf einen Geräuschpegel führen, der ausreicht, um die Verständlichkeit der Sprache, die aus der Vorwärtsrichtung kommt, zu verbessern. In einer ruhigen Umgebung schaltet der Benutzer normalerweise für eine bessere Leistung in der Ruhe auf das nichtgerichtete Muster.
  • Eine Möglichkeit, in einer Hörhilfe eine gerichtete Antwort zu erhalten, besteht darin, zwei in alle Richtungen wirkende Mikrofone zu benutzen und ihre elektrischen Signale zur Bildung des gerichteten Strahls zu kombinieren. Im Vergleich mit der Benutzung eines Richtmikrofons hat die duale Omninäherung gewisse Vorteile. Sie erfordert jedoch auch, daß der Frequenzgang der beiden Mikrofone bezüglich Amplitude und Phase genau angepaßt ist. Die Anpassung muß über das ganze Frequenzband genau sein, wo Richtungsstabilität benötigt wird, und sie muß während der ganzen Lebensdauer der Hörhilfe anhalten. Normale Änderungen bei der Mikrofonherstellung schaffen für die meisten Anwendungsfälle keine Anpassung, die genau genug ist.
  • Oftmals war es notwendig, die Mikrofone zur Benutzung bei einer paarweisen Anwendung speziell zu messen und auszuwählen. Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Kompensation der Schwankungen der Mikrofonleistung. Eine elektrische Schaltung dient mit einem oder beiden Mikrofonen dazu, die erforderliche Anpassung in Abhängigkeit von der Richtungseinstellung zu erreichen. Die Empfindlichkeit der Schaltung läßt sich für jedes Mikrofon in den Endstufen der Herstellung als Teil der Schwarzschultereinstellung tunen, und zwar automatisch oder selbst bei periodisch aufeinanderfolgender Betrachtung, wenn sich die Eigenschaften des Mikrofons durch Alterungsprozeß oder fehlerhaften Gebrauch geändert haben.
  • Die US-A-4 420 655 beschreibt eine Schaltung zur Kompensierung der Frequenzeigenschaften eines Mikrofonpaares, das einen Differentialverstärker aufweist. Die US-A-4 509 022 beschreibt eine einzelne Empfängerhörhilfeeinrichtung mit einem Verstärkungssystem, das eine automatische Verstärkungskompensation ermöglicht.
  • Das Mikrofonmodell
  • Hier wird ein einfaches Modell für ein Mikrofon angenommen. Die Frequenzempfindlichkeit, die in den 1 und 2 gezeigt ist, ist für viele dielektrische Mikrofonkonstruktionen kennzeichnend, die in Einrichtungen wie Hörhilfen Verwendung finden. Mathematisch heißt das, daß die Empfindlichkeit im allgemeinen durch den folgenden Ausdruck dargestellt wird: M(ω) = M0L(ω)H(ω)wobei
  • L(ω)
    die Frequenzdämpfung ist und
    H(ω)
    das mittlere und mittlere und hohe Frequenzverhalten, einschließlich der Membranresonanz bedeutet.
  • Die Annahme, daß die Membranresonanz auf diese Weise getrennt werden kann, macht die Analyse viel einfacher, ohne einen wesentlichen Fehler für die meisten aktuellen Mikronempfindlichkeiten, die für Richtungshörhilfen und dgl. benutzt werden, einzuführen. Für ein beliebiges Mikrofon, dessen niedrige Frequenzdämpfung bezüglich der Frequenz von ihrer Membranresonanz getrennt wird, gilt die An nahme. (Die sogenannten Ski-Slope-Mikrofonempfindlichkeiten sind nicht so vielfältiger Art und erfordern eine unterschiedliche Analyse; sie sind jedoch zur Anwendung in Einrichtungen wie Richtungshörhilfen weniger geeignet.) Die Niederfrequenzverstärkung ist näherungsweise als Einzelpolfilter zu betrachten: L(ω) = (jω/ωl)/(1 + jω/ωl)wobei ωl die Eckfrequenz für die Niederfrequenzdämpfung ist. Das Verhalten bei höheren Frequenz ist näherungsweise: H(ω) = 1/(1 – (ω2r 2) + j(ω/Qωr))wobei ωr die Eckmembranresonanzfrequenz und Q der mechanische Qualitätsfaktor dieser Resonanz sind.
  • Abweichungen in der Herstellung können bewirken, daß die Empfindlichkeit des einzelnen Mikrofons von dieser Nennempfindlichkeit in mancherlei Weise abweicht: 1) Der Empfindlichkeitspegel M0 der gesamten Kurve kann sich zur höheren oder niedrigeren Werten verschieben, und zwar aufgrund von Schwankungen der dielektrischen Ladung oder der Membransteifigkeit; 2) die Eckfrequenz ωl der Niederfrequenzdämpfung kann sich zu einer höheren oder niedrigeren Frequenz verschieben, und zwar aufgrund der Änderung der Größe des barometrischen Entspannungsloches in der Membran; und 3) die Frequenz ωr der Resonanzspitze kann sich zu einem höheren oder niedrigeren Wert aufgrund der Veränderung in der Membranspannung oder anderer baulicher Details verschieben. Jede dieser Änderungen hat eine andere Auswirkung auf das Vermögen, eine adäquate Anpassung für die Richtungseinstellung zu erhalten.
  • Der Wortfehler, der durch Unterschiede in ωl und ωr verursacht wird, ist aus 3 ersichtlich. Diese Figur zeigt die Phasendifferenz zwischen den beiden Mikrofonausgängen, wenn eine 10%ige Verschiebung der Niedrigfrequenzdämpfung und 10%ige Verschiebung der Resonanzfrequenz erfolgen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Anpassung des Frequenzganges eines Mikrofonpaares.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung zum Empfang eines hörbaren Eingangssignals geschalten, bestehend aus einem ersten Mikrofon, das auf das hörbare Eingangssignal anspricht und von dem hörbaren Eingangssignal ein Ausgangssignal erzeugt; einem zweiten Mikrofon, das auf das hörbare Eingangssignal anspricht und dazu dient, aus dem hörbaren Eingangssignal ein Ausgangssignal zu erzeugen; einer Subtraktionsschaltung, die mit dem ersten Mikrofonausgang und dem zweiten Mikrofonausgang verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktionsschaltung zur Erzeugung eines Verstärkungssteuerausgangssignals dient und daß die Vorrichtung ferner eine Schaltung aufweist, die mit dem ersten Mikrofonausgang sowie dem Verstärkungssteuerausgang zur Erzeugung eines verstärkungskompensierten Mikrofonausgangssignals verbunden ist. Der Aufbau, der die vorliegende Erfindung beinhaltet, eignet sich insbesondere zur Schaffung eines Richtfrequenzgangs. Die Erfindung dient zur Kompensierung der Verstärkungsdifferenzen zwischen zwei Mikrofonen. Außerdem kompensiert die Erfindung Verschiebungen in der Niederfrequenzdämpfung und der Resonanzfrequenz wenigstens eines der Mikrofone.
  • Der Schaltungsaufbau der vorliegenden Erfindung weist ein Mikrofonpaar auf, das aufgrund eines hörbaren Geräusches ein erstes bzw. ein zweites Ausgangssignal liefert. Die Mikrofonausgangssignale werden voneinander subtrahiert, um ein Verstärkungssteuerausgangssignal zu erzeugen, das die Verstärkung des ersten Mikrofonausgangssignals steuert, welche einen verstärkungskompensierten Mikrofonausgang liefert. Außerdem wird eine Phaseneinstellschaltung geschaffen, die sowohl auf den Verstärkungskompensierten Mikrofonausgang als auch auf den dämpfungsgesteuerten Ausgang anspricht, um einen Anpassungsausgang zu erzeugen. Der Dämpfungssteuerausgang wird durch eine Phasendifferenzsubtraktionsschaltung erzeugt, die sowohl auf den Anpassungsausgang als auch den zweiten Mikrofonausgang anspricht. Darüber hinaus wird eine Resonanzfrequenzverschiebungsschaltung geschaffen, die auf den Ausgang wenigstens eines Mikrofons anspricht, um die Verschiebung der Resonanzfrequenz des Mikrofonausgangs zu kompensieren.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die beigefügten Zeichnungen sind Teil der Beschreibung, und in ihnen werden für dieselben Teile durchgehend gleiche Bezugszeichen benutzt.
  • 1 ist ein Graph des Amplitudenfrequenzgangs des vereinfachten Mikrofonmodells über einen Frequenzbereich;
  • 2 ist ein Graph des Phasenfrequenzgangs desselben vereinfachten Mikrofonmodells wie in 1 über denselben Frequenzbereich;
  • 3 ist ein Graph der Phasendifferenz zwischen zwei Mikrofonen mit unterschiedlichen Eckfrequenzen für Niedrigfrequenzdämpfung und unterschiedlichen Resonanzspitzenfrequenzen;
  • 4 ist ein vereinfachtes elektrisches Schaltungsdiagramm, teilweise in Blockform, eines Verfahrens zur Kompensierung der Abweichungen in der Bandmittenempfindlichkeit zwischen zwei Mikrofonen;
  • 5 ist ein vereinfachtes elektrisches Schaltungsdiagramm, teilweise in Blockform, einer Schaltung zur Verschiebung der Niedrigfrequenzdämpfung eines Mikrofonausgangs;
  • 6 ein vereinfachtes elektrisches Schaltungsdiagramm, teilweise in Blockform, eines automatisierten Kompensationssystems zum Ausgleich sowohl der Bandmittenempfindlichkeit als auch der Niedrigfrequenzdämpfung eines Mikrofons;
  • 7 sind mehrere vereinfachte elektrische Schaltungsdiagramme, teilweise in Blockform, von verschiedenen Schaltungen zur Verschiebung der Niedrigfrequenzdämpfung eines Mikrofonausgangs;
  • 8 sind mehrere vereinfachte elektrische Schaltungsdiagramme, teilweise in Blockform, von verschiedenen Schaltungen zum Verschieben der Resonanzfrequenz eines Mikrofonausgangs;
  • 9 ist ein vereinfachtes elektrisches Schaltungsdiagramm, teilweise in Blockform, einer Schaltung zum Verschieben der Resonanzfrequenz eines Mikrofonausgangs;
  • 10 sind mehrere Schaubilder, die das Muster von Veränderungen zwischen einem Paar angepaßter Mikrofone zeigen, und zwar bei 500 Hz mit ± 10 % Abweichung bei niedrigfrequenter Dämpfungsfrequenz von 50 Hz;
  • 11 zeigt mehrere Schaubilder, die das Muster von Abweichungen zwischen einem Paar angepaßter Mikrofone bei 300 Hz mit ± 10 % Abweichung bei niedrigfrequenter Dämpfungsfrequenz von 50 Hz zeigen;
  • 12 ist ein vereinfachtes elektrisches Schaltungsdiagramm, teilweise in Blockform, einer anderen Schaltung zum Verschieben der Niedrigfrequenzdämpfung eines Paares Mikrofonausgängen; und
  • 13 mehrere Schaubilder, die die Verbesserung der Richtungsstabilität zeigen, die mit der Kompensation erhältlich ist, selbst wenn die Kompensation nicht fehlerfrei ist.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Obgleich die Erfindung auf Ausführungsbeispiele in vielen unterschiedlichen Formen anwendbar ist, wird in der Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und im folgenden im Detail beschrieben, wobei die vorliegende Offenbarung nur als beispielhaft für die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien zu betrachten ist und die dargestellten Beispiele keinerlei Beschränkung der Erfindung bezüglich ihres Schutzumfangs beinhalten sollen. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Anpassung des Phasen- und Amplitudenfrequenzganges von Mikrofonen.
  • Kompensation der Verstärkungsgradunterschiede
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kompensation zur Angleichung der Bandmittenempfindlichkeit M0. Bei einer Ausführungsform, so beispielsweise für eine Hörhilfe, läßt sich dies entweder in einer Tonkabine oder in dem Tonfeld eines Raums erreichen. Alternativ kann dies als letzter Schritt beim Herstellungsvorgang, während des Anpassungsprozesses, oder während einer periodischen Überhäufung in Form eines "Tunings" erreicht werden. Vorzugsweise wird der Frequenzinhalt des akustischen Testsignals zum Bandmittenabgleich auf den flachen Teil der Empfindlichkeitskurve beschränkt, der nahezu 1 kHz beträgt. Beispielsweise würde ein geeignetes Signal ein Geräuschband von einem Drittel Oktave bei 1 kHz sein.
  • In einem analogen Schaltkreis läßt sich die Verstärkungseinstellung mit einem einfachen Trimmer zur Einstellung der Verstärkung bewirken. In einem Gerät, beispielsweise einer programmierbaren Hörhilfe, läßt sich der Verstärkungswert in einem Speicher speichern und in einem programmierbaren Widerstand anwenden. Alle diese Dinge können auch bei einen Hörgeräteakustiker periodisch nachgeeicht werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel arbeitet eine sehr langsam wirkende automatische Verstärkungssteuerung ("AGC") am Ausgang eines Mikrofons zur Anpassung seines Ausgangs an den Pegel des anderen. Ein Blockdiagramm 10 eines solchen Systems ist in 4 gezeigt. Das System kann beispielsweise in ein Hörhilfegehäuse eingebaut werden und weist ein Frontmikrofon 12 und ein hinteres Mikrofon 14 auf, die entsprechende Ausgänge haben, welche auf einen hörbaren Eingang reagieren. Eine Subtraktionsschaltung 16 ist vorgesehen, um auf den Frontmikrofonausgang und den hinteren Mikrofonausgang zur Erzeugung eines Verstärkungssteuerausgangs 18 anzusprechen. Durch das Ansprechen auf den Frontmikrofonausgang und den Verstärkungssteuerausgang 18 erzeugt die Schaltung 20 einen verstärkungskompensierten Mikrofonausgang.
  • Im einzelnen wird das Signal von jedem Mikrofon 12, 14 gepuffert und durch ein Bandfilter ("BPF") 22, 24 mit einer Mittenfrequenz von annähernd 1 kHz verarbeitet. Jedes gefilterte Signal wird durch einen Energiedetektor geschickt, beispielsweise einen RMS-Detektor 26, 28, und dann durch ein Niedrigpaßfilter 30, 32. An dieser Stelle stellen die Signale den zeitlichen Durchschnitt der Signalenergie in jedem Kanal dar. Diese Pegelschätzungen werden durch die Schaltung 16 subtrahiert, um dadurch ein Signal 18 zu erzeugen, das der Pegeldifferenz zwischen den Mikrofonkanälen proportional ist. Dieser Differenzpegel dient zur Einstellung der Verstärkung in dem einen Kanal, um dadurch den Pegel des anderen Signals besser anzupassen.
  • Wenn die Mikrofone 12, 14 bezüglich der Empfindlichkeit genau angepaßt sind, wären die Energieschätzungen gleich. Demzufolge würde die Subtraktion einen Nullausgang ergeben, und die kompensierende Verstärkung bliebe unverändert. Wenn die Mikrofonempfindlichkeit geändert werden soll, dann wird an dem Ausgang 18 der Subtraktionsschaltung 16 ein Fehlersignal erzeugt, und dieses Fehlersignal verändert die Verstärkung in einem der Kanäle, um die beiden Kanäle auf gleiche Ausgangspegel zu bringen.
  • Die Zeitkonstante der AGC-Schleife ist vorzugsweise im Vergleich zur akustischen Zeitverzögerung zwischen den Signalen der beiden Mikrofone lang und ebenfalls lang im Vergleich zur Veränderlichkeit des Sprachpegels. Beispielsweise läßt sich bei einer Ausführungsform eine Zeitkonstante von 250 ms oder größer benutzen.
  • Kompensation für Niederfrequenzdämpfung
  • Wie oben ausgeführt, ist es erwünscht, die Niederfrequenzverstärkung der beiden Mikrofone anzupassen, da Phasenfehler bei geringen Frequenzen besonders wahrscheinlich sind, die die Richtungsstabilität abbauen. 3 zeigt, daß sich der Phasenfehler über eine Oktave oder mehr oberhalb der Eckfrequenz erstreckt. Um die gute Richtungsstabilität unter 500 Hz bei Mikrofonen zu halten, die keine genau angepaßten Dämpfungsfrequenzen haben, hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß die untere Dämpfungsfrequenz unter 100 Hz liegt. Dies bringt jedoch andere Nachteile mit sich. Der niedrige Frequenzgang erlaubt, daß aus der Umgebung signifikant niedrigfrequente akustische Geräusch in die Mikrofonelektronik eintreten. In gewissen Situationen kann dieses Geräusch die Niedrigpegelverstärker sättigen. Sobald die Sättigung eintritt, können keine elektrischen Filter mehr benutzt werden, um die niedrigfrequente Energie zu entfernen. Die bessere Lösung besteht darin, eine elektrische Kompensationsschaltung zu schaffen, um die Phase der beiden Mikrofone so anzupassen, daß es nicht erforderlich ist, eine sehr tiefe Dämpfungsfrequenz zu benutzen.
  • Der Hauptvorteil, der bei der Tieffrequenzkompensation eintritt, besteht darin, daß die Dämpfungsfrequenz genau auf eine spezielle Frequenz im Bereich von 150 bis 250 Hz eingestellt werden kann. Wenn nach der Kompensation die beiden Mikrofone genau angepaßt sind, dann erhält man über den ganzen Niedrigfrequenzbereich eine gute Richtungsstabilität, und niedrigfrequente Umgebungsgeräusche werden die Signale nicht verfälschen.
  • Wenn ein Mikrofon eine Niedrigfrequenz-Eckfrequenz von ωl hat, die gewünschte Frequenz jedoch ωd ist, dann beträgt die erforderliche Übertragungsfunktion oder die erforderliche Kompensationsschaltung, um die Dämpfung zu verschieben: Comp(ω) = (ωl(1 + j(ω/ωl))/ωd(1 + j(ω/ωd))
  • Die Schaltung von 5 hat die folgende Übertragungsfunktion: T(f) = (R + rl + jω(Rr/R + r)C)/Ri(1 +jωrC)mit Ausnahme des Minuszeichens kann T(f) mit Comp(ω) äquivalent gemacht werden, wenn r = 1/ωdC und R = r(ωd/(ωl – ωd))
  • In den obigen Gleichungen und in 5 kann C willkürlich gewählt werden und Ri kann unabhängig gewählt werden, um den Hochfrequenzverstärkungsgrad des Netzes einzustellen. Die Schaltung 34 in 5 arbeitet nur, wenn ωd kleiner ist als ωl, mit anderen Worten, die Kompensationsschaltung 34 läßt sich zur Senkung der Frequenzdämpfung benutzen, jedoch nicht zu ihrer Erhöhung. Die Schaltung 34 ist nur ein Beispiel vieler Schaltungen, die die Phase eines Mikrofons kompensieren können. Weitere Beispiele werden im folgenden diskutiert.
  • Im allgemeinen weist die Schaltung 34 einen Eingangsanschluß 36 auf, um von einem Hörhilfemikrofon oder dergleichen ein Ausgangssignal zu empfangen, sowie einen Verstärker 38, der einen umgekehrten Eingang und einen Ausgang aufweist. An den Ausgang des Verstärkers 38 und den umgekehrten Eingang ist eine Rückkopplungsschaltung angeschlossen, die einen Rückkopplungseinstellschaltkreis 40 aufweist, der auf einen Dämpfungssteuereingang anspricht. Des weiteren arbeitet zwischen dem Eingangsanschluß 36 und dem umgekehrten Eingang des Verstärkers 38 eine Verstärkungssteuerschaltung 42, steht also mit beiden Eingängen betrieblich in Verbindung, um die Verstärkung des Mikrofonausgangs einzustellen.
  • Die Schaltung 34 kann als Kompensationssystem in folgender Weise benutzt werden: Die Eckfrequenzen für die Niederfrequenzdämpfung für beide Mikrofone wer den zunächst gemessen. Dann wird die Kompensationsschaltung an das Mikrofon der höheren Eckfrequenz angeschlossen, um es an das Mikrofon mit der Niederfrequenzdämpfung anzupassen. Als Alternative lassen sich die Mikrofone mit einer Niederfrequenzdämpfung ausstatten, die geringfügig höher ist als der gewünschte Wert in dem Endgerät, also beispielsweise einer Hörhilfe. Die Kompensationsschaltung kann beiden Mikrofonen dienen, um ihre Dämpfung an die gewünschte Frequenz anzupassen.
  • Die Messung der Dämpfungsfrequenzen der beiden Mikrofone läßt sich bei den obigen Ausführungsbeispielen wirksam dadurch erreichen, daß die Möglichkeiten einer Akustiktestbox benutzt werden. Als solche kann ein automatisiertes Testsystem verwendet werden, um den Frequenzgang der beiden Mikrofone zu messen und die Komponenteneinstellungen zu ermitteln, um eine adäquate Phasenanpassung zu erreichen.
  • Eine alternative Ausführungsform zeigt in 6 ein automatisiertes Verfahren zur Durchführung der Niedrigfrequenzkompensation, das ebenfalls den oben beschriebenen Größenkompensator aufweist. Das automatische Verfahren arbeitet mit einem vorderen Mikrofon 12 und einem hinteren Mikrofon 14, um als Folge eines hörbaren Eingangssignals entsprechende Ausgangssignale zu erzeugen. Auf die Mikrofonausgänge spricht eine Verstärkungsdifferenz-Subtraktionsschaltung 16 an, um einen Verstärkungssteuerausgang zu erzeugen. Eine Verstärkungssteuerschaltung 42 ist vorgesehen, damit in Abhängigkeit von dem vorderen Mikrofonausgang und dem Verstärkungssteuerausgang ein verstärkungskompensierter Mikrofonausgang 44 erzeugt wird. Die Phaseneinstellschaltung 34 spricht auf den verstärkungskompensierten Mikrofonausgang 44 und einen Dämpfungssteuerausgang 46 an, um einen Anpassungsausgang 48 zu erzeugen. Der Dämpfungssteuerausgang wird von einer Phasendifferenzsubtraktionsschaltung 50 erzeugt, die auf den Anpassungsausgang 48 und den hinteren Mikrofonausgang anspricht.
  • Im einzelnen stellt die Frequenzkompensationsschaltung sicher, daß der 50 Hz-Empfang der beiden Mikrofone gleich ist. Wie dargestellt, wird die Empfindlichkeit des vorderen Mikrofons 12 so modifiziert, daß sie sich an die des hinteren Mikrofons 14 anpaßt. Bei Verwendung des magnitudenkompensierten vorderen Mikrofonsignals werden die beiden Signale wieder gefiltert, und zwar diesmal mit einer 50 Hz-Mittelfrequenz, wobei 50 Hz als gut unter der Niedrigfrequenzdämpfung beider Mikrofone 12, 14 liegend angenommen wird. Wenn die Dämpfung der beiden Mikrofone dieselbe wäre, würde der gefilterte Ausgang der beiden Kanäle dieselbe Größe aufweisen. Jede beliebige Differenz in den Pegeln ist ein Zeichen dafür, daß die Dämpfungsfrequenzen verschieden sind. Der Unterschied dient zur Einstellung des steuernden Widerstandswert in der Dämpfungskompensationsschaltung 34 für den vorderen Lautsprecher 12.
  • Weitere Beispiele von Schaltungen, die zur Kompensation des Empfangs dienen können, sind in den 7 und 8 gezeigt.
  • Der Hauptvorteil, den die Niederfrequenzkompensation mitbringt, besteht darin, daß die Dämpfungsfrequenz nicht genau auf einen speziellen Frequenzwert im Bereich zwischen 150 und 250 Hz eingestellt zu werden braucht. Wenn die beiden Mikrofone nach der Kompensation genau angepaßt sind, dann wird über den ganzen Niedrigfrequenzbereich eine gute Richtungsstabilität erhalten werden können, und die niederfrequente Umgebungsgeräusch wird die Signale nicht verfälschen.
  • Kompensationsverschiebungen der Resonanzfrequenz
  • Wie oben ausgeführt, ist das Mikrofonmodell ein Produkt der Bandmittenempfindlichkeit, der Niedrigfrequenzdämpfungsfunktion und der Hochfrequenzresonanzfunktion oder M(ω) = M0L(ω)H(ω).
  • Im vorherigen wurden Verfahren zur Kompensation und Schwankungen zwischen Mikrofonen bezüglich der Empfindlichkeit und der Niederfrequenzdämpfung diskutiert. Die Kompensation von Verschiebungen in der Resonanzfrequenz folgt derselben Entwicklung. Die Formel für den Hochfrequenzempfang ist Hd(ω) = 1/(1 – (ω2d 2) + j(ω/Qdωd))
  • Bei dem Hochfrequenzverhalten beträgt, wenn das Mikrofonfrequenz ωr hat und der Q-Wert Qr ist, jedoch die gewünschten Werte für diese Parameter ωd bzw. Qd sind, die Transferfunktion der Kompensationsschaltung, die zum Verschieben der Resonanzfrequenz notwendig ist, Comph(ω) = Hd(ω)/Hr(ω) = (1 – (ω2r 2) + j(ω/Qrωr))/(1 – (ω2d 2) + jω(ω/Qdωd))
  • 9 zeigt eine Schaltung 60 der Verschiebungskompensation für die Mikrofonresonanzfrequenz. Im allgemeinen weist die Schaltung 60 einen Eingangsanschluß 62 zum Empfang eines Ausgangssignals von einem Mikrofon sowie einen Verstärker 64 auf, der einen umkehrenden Eingang und einen Ausgang besitzt. An den Ausgang des Verstärkers 64 und den umkehrenden Eingang ist eine Rückkopplungsschaltung 66 angeschlossen, die einen Widerstand Rf, eine Induktivität Lf und einen Cf aufweist, die alle parallel geschaltet sind. Des weiteren ist eine Eingangsschaltung 68 betrieblich zwischen den Eingangsanschluß 62 und den umkehrenden Eingang des Verstärkers 64 geschaltet, um die Verstärkung des Schaltungsausgangs 70 einzustellen.
  • Es versteht sich, daß die Schaltung 60 und alle anderen hier gezeigten Schaltkreise vereinfacht sind und Stabilitätsprobleme haben können, wenn sie genau wie dargestellt zur Anwendung gelangen. Es wird angenommen, daß der Konstrukteur alle erforderlichen Komponenten hinzufügt, die zur Sicherung der Stabilität notwendig sind.
  • Es läßt sich zeigen, daß die Schaltung 60 von 9 die folgende Übertragungsfunktion hat: T(ω) = –Lf/L((1 – ω2LC + jωL/R)/(1 – ω2LfCf + jωLf/Rf))
  • Die beiden obigen Gleichungen für Hd(ω) und Comph(ω) haben dieselbe Form (ausgenommen das Minuszeichen) und können durch geeignete Auswahl der Schaltungswerte äquivalent gemacht werden. Um dies zu erreichen, werden die Werte für die Rückkopplungskomponenten Rf, Lf und Cf so gewählt, daß sie zu der gewünschten Resonanz des Mikrofons passen, und die Werte der Komponenten in der Eingangsschaltung 68 werden so gewählt, daß sie zu der augenblicklichen Resonanz passen. Zur genauen Kompensation ist erwünscht, sowohl die Resonanzfrequenz als auch das Q an das augenblickliche Ansprechen des Mikrofons anzupassen. Die Induktionswerte L und Lf können gleich sein, wenn in der Schaltung 60 eine einheitliche Verstärkung verlangt wird, oder sie können unterschiedliche Werte sein, falls gewünscht wird, die Verstärkung anzupassen. Ande rerseits können die Induktivitätswerte L und Lf willkürlich gewählt werden. Darüber hinaus läßt sich der Wert für eine reaktive Komponente beliebig wählen.
  • Der auf diesem Gebiet tätige Fachmann wird erkennen, daß andere Schaltungen zur Kompensation des Hochfrequenzempfangs benutzt werden können, also beispielsweise solche, die in 8 gezeigt sind. Jede dieser Schaltungen wird mit einer anderen Strategie zur Kompensierung des unterschiedlichen Empfangs zwischen Mikrofonen eingesetzt.
  • Ein praktisches Beispiel – Niederfrequenzdämpfung
  • In einem Beispiel wird angenommen, daß zwei Mikrofone an ein "angepaßtes" Paar in einer Einrichtung, beispielsweise einer Richtungshörhilfe, verwendet werden. Die Mikrofone dienen zur Bildung eines Strahls, der im freien Feld herzförmig ist. Das Richtungsmuster soll für Frequenzen unter wenigstens 500 Hz "gut" bleiben, wobei gute Richtungsstabilität bis 300 Hz als Ziel dienen. Bei diesem Beispiel konzentrieren wir uns auf das Niederfrequenzverhalten und nehmen somit an, daß die Resonanzfrequenzen und Q-Werte für die beiden Mikrofone identisch sind. Darüber hinaus nehmen wir an, daß die Herstellungstoleranzen bei den Mikrofonen so sind, daß die Dämpfungsfrequenz zwischen ± 10 % gesteuert werden kann.
  • Wenn wir bei diesem Beispiel den Nominalwert für die Dämpfung als bei 50 Hz liegend ansetzen, sind die Muster bei 500 Hz in 10 dargestellt. Diese Zeichnung zeigt den Abbau in den Mustern für den schlechtesten Fall, wenn das eine Mikrofon eine um + 10 % verschobene Dämpfung und das andere Mikrofon eine um – 10 % verschobene Dämpfung aufweisen. Die Muster bei 300 Hz sind in 11 dargestellt. Die Leistung ist bei dieser Frequenz absolut inakzeptabel, da sich der zweite Pol vollständig in Richtung nach hinten verschiebt. Als allgemeine Regel gilt, daß dann, wenn die Niedrigfrequenzdämpfung nur bis ± 10 % gesteuert werden kann, eine angemessene Strahlmustersteuerung bei Frequenzen erreicht werden kann, die annähernd eine Dekade über der Dämpfungsfrequenz liegen.
  • Betrachtet man nunmehr die Verbesserung, die sich mit der oben beschriebenen Phasenkompensation erreichen läßt, so besteht eine Aufgabe darin, Empfangskompensation zur Erreichung einer guten Richtungsstabilität bei 500 Hz zu verwenden, und zwar mit Mikrofonen, deren Niedrigfrequenzdämpfung von einem Nennwert von 225 Hz um ± 10 5 variiert. Eine andere Schaltung 80, die die richtige Antwort für die Kompensation eines Mikrofonpaares bietet, ist in 12 gezeigt. Die Strategie besteht darin, jedes der beiden Mikrofone 82, 83 zu kompensieren, um dadurch einen Ausgang 84 bzw. 85 zu schaffen, dessen Niedrigfrequenzdämpfung bei 250 Hz liegt, und zwar unabhängig von der nicht kompensierten Dämpfungsfrequenz. Bei ausreichender Aufteilung der Komponentenwerte kompensiert diese Schaltung 80 die Differenz des Empfangs so, daß ihre Frequenzgänge identisch sind.
  • Bei diesem Beispiel wird bei der Bestimmung, wie stark die Auflösung tatsächlich erforderlich ist, um eine adäquate Richtungsstabilität zu erreichen, angenommen, daß die Gesamtheit der oben beschriebenen Mikrofone Proben mit Dämpfungsfrequenzen von annähernd 200 bis 250 Hz enthält. Beispielsweise können fünf Kompensationsschaltungen vorgesehen werden, die exakt den Empfang der Mikrofone kompensieren, deren Dämpfungsfrequenzen bei 205 Hz, 215 Hz, 225 Hz, 235 Hz und 245 Hz liegen, wobei jedes Mikrofon an die Kompensationsschaltung angeschlossen ist, die am besten zu seiner tatsächlichen Dämpfungsfrequenz paßt. Somit ist die maximale Abweichung von der "idealen" Kompensation ± 5 Hz oder ± 2,5 % der Dämpfungsfrequenz.
  • 13 zeigt die Verbesserung, die mit der Kompensation erreichbar ist, und zwar selbst dann, wenn die Kompensation nicht perfekt ist. Diese Polbilder sind bei 500 Hz berechnet, wobei die kompensierte Dämpfungsfrequenz bei 250 Hz liegt. In dem oberen Beispiel (d. h. Grafik A von 13) ist die Kompensation perfekt. In den beiden anderen Polbildern (d. h. Grafiken B und C von 13) wird die Kompensation nicht perfekt eingesetzt; in jedem Fall werden die Mikrofone für eine Frequenz kompensiert, die fehlerhaft bei 5 Hz liegt, wobei der Fehler in entgegengesetzten Richtungen für die beiden Mikrofone vorhanden ist. In den Grafiken B und C haben die Polbilder selbst bei einer Frequenz, die nur eine Oktave über der (kompensierten) Dämpfung der Mikrofone liegt, leidlich gute Richtungsstabilität.
  • Das oben beschriebene Verfahren zur Kompensation niedrigfrequenter Dämpfung ist besonders für Schaltkreise innerhalb der Mikrofone brauchbar und kann dort angewandt werden, wenn die Schaltungswerte nach dem Zusammenbau des Mikrofons so gewählt oder getrimmt werden, daß geeignete Werte erhalten werden. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel wird vorzugsweise die Niederfrequenzdämpfung als Teil des abschließenden Herstellungsprozesses gemessen, und die Schaltungselemente werden auf die geeigneten Werte zur adäquaten Kompensation eingestellt.
  • Ein praktisches Beispiel – Resonanzfrequenzkompensation
  • Als letztes Beispiel wird eine elektrische Schaltung überprüft, um eine Herstellungsschwankung in der Resonanzfrequenz eines Mikrofons zu kompensieren. Bei diesem Beispiel wird angenommen, daß ein Mikrofon eine gewünschte Resonanzfrequenz von 6000 Hz hat, jedoch seine aktuelle Resonanzfrequenz 5 % geringer ist oder 5700 Hz beträgt. Wenn die Schaltung 3 in 8 gewählt wird, die die Zahl der reaktiven Komponenten im Vergleich zu einigen anderen Schaltungen von 8 verkleinert, so kann für C ein Wert von 47 nF verwendet werden. Dieser Wert ist, obgleich er etwas willkürlich ist, der größte Wert, der in einer kleinen Packung gewöhnlich erhältlich ist. Der Wert von L ist so berechnet, daß er bei der Mikrofonresonanz von 5700 Hz in Resonanz schwingt. Dies ergibt einen Wert von 16,6 mH für L. Dann wird Cl so berechnet, daß er mit L bei der gewünschten Frequenz von 6000 Hz in Resonanz schwingt. Der Wert von Cl ist 42,4 nF und der Wert von Cf ist 433 nF.
  • Bei einigen Anwendungen kann die 16 mH-Induktivität und die 433 nF-Kapazität als zu groß angesehen werden. Eine Alternative würde die Verwendung der Schaltung 2 in 8 sein, die die größere Kapazität ausschaltet. Diese Schaltung benötigt aber eine zweite Induktivität, deren Wert annähernd 1,6 mH beträgt. Demzufolge wird bei einer Ausführungsform vorzugsweise die Funktionalität der Kompensationsschaltungen von 8 unter Verwendung von synthetischen Induktivitäten erreicht. Dadurch werden praktischere Reaktionskomponentenwerte für zusätzliche aktive Komponenten eingesetzt.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Hochfrequenzleistung durch Verwendung eines Mikrofons mit einer Resonanzfrequenz verbessert, die über dem Frequenzband liegt, das für die Richtungsstabilität wichtig ist. Wenn die Resonanzfrequenz auf etwa 13 bis 15 kHz vergrößert wird, dann wird bis wenigstens 10 kHz eine gute Richtungsstabilität erhalten.
  • Obgleich spezielle Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, sind ohne wesentliche Abweichungen von dem Erfindungsgedanken zahlreiche Abänderungen möglich, die unter den Schutzumfang fallen, der nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche begrenzt wird.

Claims (23)

  1. Einrichtung zum Empfang eines hörbaren Eingangssignals, umfassend ein erstes Mikrofon (12), das auf das hörbare Eingangssignal anspricht und von dem hörbaren Eingangssignal ein Ausgangssignal erzeugt; ein zweites Mikrofon (14), das auf das hörbare Eingangssignal anspricht und von dem hörbaren Eingangssignal ein Ausgangssignal erzeugt; eine Subtraktionsschaltung (16), die mit dem ersten Mikrofonausgang und dem zweiten Mikrofonausgang verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktionsschaltung (16) zur Erzeugung eines Verstärkungssteuerausgangs dient, und daß die Einrichtung ferner eine Schaltung (34) aufweist, die mit dem ersten Mikrofonausgang und dem Verstärkungssteuerausgang verbunden ist, um ein verstärkungskompensiertes Mikrofonausgangssignal (44) zu erzeugen.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Bandpaßfilter (22), das zwischen dem ersten Mikrofonausgang und der Subtraktionsschaltung (16) eingebaut ist.
  3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Niederpaßfilter (30), das zwischen den Bandpaßfilter (22) und die Subtraktionsschaltung (16) geschaltet ist.
  4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen quadratischen Mittelwertermittler (25), der zwischen den Bandpaßfilter (22) und den Niederpaßfilter (30) geschaltet ist.
  5. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Hörhilfegehäuse, das mit dem ersten und dem zweiten Mikrofon (12, 14) betrieblich verbunden ist.
  6. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schiebeschaltung, die mit dem Ausgang wenigstens eines der Mikrofonausgänge verbunden ist, welcher eine niedrigfrequente Dämpfung aufweist, die durch die Schiebeschaltung verschoben wird.
  7. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Hörhilfegehäuse, in dem das erste Mikrofon (12), das zweite Mikrofon (14), die Subtraktions schaltung (16) und die Schaltung (34) angeordnet sind, wobei der Verstärkungssteuerausgang ein Dämpfungssteuerausgang ist und die Schaltung (34) eine Phaseneinstellschaltung aufweist, die mit dem ersten Mikrofonausgang und dem Dämpfungssteuerausgang zur Erzeugung eines Mikrofonausgangssignals verbunden ist, dessen Intensität kompensiert wird.
  8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Bandpaßfilter (22), das zwischen die Subtraktionsschaltung (16) und den kompensierten Mikrofonausgang geschaltet ist.
  9. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein Bandpaßfilter, das zwischen die Subtraktionsschaltung und den zweiten Mikrofonausgang geschaltet ist.
  10. Einrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Puffer, der mit dem kompensierten Mikrofonausgang betrieblich verbunden ist.
  11. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Puffer, der mit dem zweiten Mikrofonausgang betrieblich verbunden ist.
  12. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungsschaltung, die mit dem kompensierten Mikrofonausgang und der Phaseneinstellschaltung (34) betrieblich verbunden ist.
  13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung einen Kondensator (C) aufweist.
  14. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Mikrofone eine Resonanzfrequenz aufweisen und daß eine Schaltung (60) mit wenigstens einem der Mikrofone verbunden ist, um die Resonanzfrequenz im Ausgang des Mikrofons zu verschieben.
  15. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Verstärkungsdifferenzsubtraktionsschaltung (16), die mit dem ersten Mikrofonausgang und dem zweiten Mikrofonausgang zur Erzeugung eines Verstärkungssteuerausgangs verbunden ist; eine Phaseneinstellschaltung (34), die mit dem kompensierten Mikrofonausgang und dem Dämpfungssteuerausgang zur Erzeu gung eines anpassenden Ausgangs verbunden ist; eine Phasendifferenzsubtraktionsschaltung, die mit dem Anpassungsausgang und dem zweiten Mikrofonausgang zur Erzeugung des Dämpfungssteuerausgangs verbunden ist, wobei die Ausgänge der Mikrofone eine Resonanzfrequenz aufweisen; und eine Schaltung (60) mit wenigstens einem der Mikrofone zur Schiebung der Resonanzfrequenz innerhalb des Ausgangs des Mikrofons verbunden ist.
  16. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Bandpaßfilter (22), das zwischen das vordere Mikrofon und die Subtraktionsschaltung (16) geschaltet ist.
  17. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Bandpaßfilter, das zwischen die Subtraktionsschaltung und den kompensierten Mikrofonausgang geschaltet ist.
  18. Einrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch ein Bandpaßfilter (24), das zwischen die Subtraktionsschaltung (16) und den zweiten Mikrofonausgang geschaltet ist.
  19. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Puffer, der mit dem kompensierten Mikrofonausgang betrieblich verbunden ist.
  20. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Puffer, der mit dem zweiten Mikrofonausgang betrieblich verbunden ist.
  21. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Hörhilfegehäuse, das an den ersten und zweiten Mikrofonen angebracht ist.
  22. Verfahren zur Anpassung eines hörbaren Eingangssignals, gekennzeichnet durch Erzeugen eines ersten Mikrofonausgangssignals von dem hörbaren Eingangssignal; Erzeugen eines zweiten Mikrofonausgangssignals von dem hörbaren Eingangssignal; Erzeugen eines Verstärkungssteuerausgangssignals infolge der Differenz zwischen dem ersten Mikrofonausgangssignals und dem zweiten Mikrofonausgangssignals; Erzeugen eines Mikrofonausgangssignals mit kompensierter Intensität infolge des ersten Mikrofonausgangssignals und des Verstärkungssteuerausgangssignals; Erzeugen eines anpassenden Ausgangssignals infolge des kompensierten Mikrofonausgangssig nals und eines Dämpfungssteuerausgangssignals; und Erzeugen eines Dämpfungssteuerausgangssignals infolge der Differenz zwischen dem anpassenden Ausgangssignal und dem zweiten Mikrofonausgangssignal.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, ferner gekennzeichnet durch die Schritte des Empfangens des Ausgangssignals von wenigstens einem der Mikrofone, die eine Resonanzfrequenz aufweisen und Schieben der Resonanzfrequenz des Mikrofonausgangssignals zu einer vorbestimmten gewünschten Frequenz.
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