EP1467593A2

EP1467593A2 - Richtmikrofon

Info

Publication number: EP1467593A2
Application number: EP03028514A
Authority: EP
Inventors: Torsten Dr. Niederdränk
Original assignee: Siemens Audioligische Technik GmbH
Current assignee: Sivantos GmbH
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2004-10-13
Also published as: US7245734B2; US20050084128A1; EP1467593A3; CN1536929A; DE10316287B3

Abstract

Ein Richtmikrofonsystem (1,29) weist zwei Membrane (5A,5B) auf, die einerseits jeweils über ein Luftvolumen (7A,7B) mit einer von zwei räumlich getrennten Schalleinlassöffnungen (9A,9B) akustisch verbunden sind und andererseits über ein drittes Luftvolumen (11) miteinander akustisch verkoppelt sind, sowie Mittel (13,19A,19B) zum Erzeugen mindestens eines Ausgangssignals des Richtmikrofons (1,25,33) aus der Schwingung einer der beiden Membrane (5A,5B) auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Richtmikrofon.
Moderne Hörgeräte greifen auf Richtmikrofonanordnungen zurück, die durch ihre richtungsabhängige Mikrofonempfindlichkeit eine Ausgrenzung von aus seitlichen und rückwärtigen Richtungen kommenden Störsignalen ermöglichen. Dabei wird durch diesen räumlichen Effekt eine Verbesserung des Nutzsignal- zu Störgeräusch-Verhältnisses erreicht, so dass beispielsweise eine gesteigerte Sprachverständlichkeit des Nutzsignals vorliegt. Die herkömmlichen Richtmikrofonanordnungen basieren auf einer Auswertung der Phasen-(Laufzeit-)-Differenzen, die sich bei einer ausbreitenden Schallwelle zwischen mindestens zwei räumlich getrennten Schallaufnahmeorten ergeben.

In Hörgeräten werden dazu bisher Gradientenmikrofone bzw. aus mehreren omnidirektionalen Schalldruckaufnehmern bestehende Richtmikrofonanordnungen erster und höherer Ordnung eingesetzt. Während erstere aus dem mechanischen Aufbau heraus die Differenz der von zwei Schalleintrittsöffnungen stammenden Schallsignale bestimmen, kann bei Kombination mehrerer Schalldruckaufnehmer über eine geeignete Signalverarbeitung eine gute statische oder gar adaptiv veränderliche Richtwirkung erreicht werden.

Allerdings werten alle bekannten Verfahren in gleicher Weise die Unterschiede der an den Schalleintrittsöffnungen vorliegenden Schallsignale aus. Da nun bei Hörgeräteanwendungen bauartbedingt die Abstände zwischen den Schalleintrittsöffnungen sehr klein sind, führt dies dazu, dass bei tieferen Frequenzen, bei denen die Schallwellenlänge sehr viel größer als die Abstände der Mikrofoneinlassöffnungen ist, die festzustellenden Unterschiede zwischen den Audiosignalen und damit auch die zu erzielende Richtwirkung sehr gering sind. Typischerweise besitzen alle Richtmikrofonanordnungen bei tieferen Frequenzen eine deutlich reduzierte Richtwirkung, Anordnungen aus mehreren Druckaufnehmern stellen überdies sehr hohe Ansprüche an den Amplituden- und Phasenabgleich der Mikrofone.

Aus der US 4974117 ist ein differentieller Druckwandler bekannt, der zwei Membranen kapazitiv koppelt. Dabei wird die Druckdifferenz gemessen zwischen dem Druck im Volumen zwischen den Membranen und dem Druck im Volumen, welches die beiden Membrane umgibt.

In Anlehnung an das Hörorgan der 'Ormia'-Fliege, welches mithilfe einer mechanischen Kopplung zweier Hörmembrane eine einzigartige Richtwirkung erreicht, werden verschiedene Ansätze zum Einsatz von mechanisch gekoppelten Hörmembranen in Hörhilfsgeräten verfolgt. Beispielsweise werden bei einem auf Silizium-Mikromechanik basierenden Mikrofonsystem die schwingungsfähigen Membrane zweier selbständig nebeneinander angeordneter Mikrofone über einen Steg negativ miteinander mechanisch verkoppelt, siehe "Mechanically coupled ears for directional hearing in the parasitoid fly Ormia ochracea", R.N. Miles, D. Robert, R.R. Hoy, Journal of the Acoustical Society of America 98 (1995), S. 3059.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Richtmikrofon sowie die Verwendung eines Richtmikrofons in einem Hörhilfsgerät anzugeben, die bei einer möglichst kleinen Bauform zu einer gute Richtwirkung führen.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Richtmikrofon mit zwei Membranen, die einerseits jeweils über ein Luftvolumen mit einer von zwei räumlich getrennten Schalleinlassöffnungen akustisch verbunden sind und andererseits über ein drittes Luftvolumen miteinander akustisch verkoppelt sind, und mit Mitteln zum Erzeugen mindestens eines Ausgangssignals des Richtmikrofons aus der Schwingung einer der beiden Membranen.

Die erhöhte Richtungsauflösung eines Richtmikrofons nach der Erfindung wird durch die akustische Verkopplung zweier unabhängiger Membrane erreicht. Die Kopplung erfolgt durch ein geringes Luftvolumen, welches sich zwischen den Membranen befindet. Trifft eine Schallwelle unter einem bestimmten Schalleinfallswinkel auf das Richtmikrofon, so erreicht die Schallwelle die beiden Mikrofonmembrane zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Die Schallwelle wird von den Membranen auf das Volumen zwischen den beiden Membranen weitergeleitet. Dies bewirkt eine komplexe Wechselwirkung der beiden mechanisch schwingungsfähigen Membranen. Je nach Einfallsrichtung stellt sich aufgrund der Laufzeitunterschiede zwischen den auf die Membrane wirkenden Schallwellen ein Amplituden- und Phasenunterschied ein. Bei einem symmetrischen Einfall, bei dem die Schallwelle gleichzeitig auf die beiden Membrane trifft, sind die in die akustische Kopplung eingespeisten Schalldrucke gleich groß, d.h. sie befinden sich im Gleichgewicht. Werden die Schwingungen mit Mitteln zum Erzeugen eines Ausgangssignals, beispielsweise mit üblichen Mikrofonsensoren, gemessen, so sind in diesem Fall die Ausgangssignale der beiden Mikrofonmembrane im Idealfall gleich groß. Sie unterscheiden sich dagegen bei einem asymmetrischen Einfall der Schallwelle.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein Richtmikrofon nach der Erfindung einen sehr kleinen und kompakten Aufbau aufweist. Die Ausmaße des Aufbaus sind vorwiegend gegeben durch die Größe der Membranen und durch die Luftvolumina, die einerseits die Verbindung zu den Schalleinlassöffnungen herstellen und andererseits die beiden Membrane miteinander verkoppeln. Unter akustischer Verkopplung wird eine Verkopplung verstanden, welche durch eine Schallwelle erzeugt wird, die sich in der Luft im dritten Luftvolumen bildet. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass aufgrund der akustischen Kopplung der an den beiden Schalleintrittsöffnungen vorliegenden Schalldrucke Membranschwingungen erzeugt werden, die von der Schalleinfallsrichtung abhängen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Richtmikrofons bilden eine elektrische Schicht auf einer der beiden Membranen und eine Gegenelektrode zu dieser elektrisch leitenden Schicht ein kapazitives Wandlerelement. Ein solches kapazitives Wandlerelement ermöglicht es, aus der Schwingung der Membran ein Ausgangssignal zu erzeugen. Ein solches Wandlerelement hat den Vorteil, dass die Technologie solcher sogenannter kapazitiver Mikrofone auf das Richtmikrofon übertragen werden kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Gegenelektrode zwischen den beiden Membranen, die parallel zueinander angeordnet sind, angeordnet, wobei ein kleiner Luftspalt jeweils zwischen einer der beiden Membranen und der Gegenelektrode liegt. Zur Gewährleistung der akustischen Kopplung der beiden Membranen weist die Gegenelektrode Luftdurchführungen auf. Dies hat den Vorteil, dass die Kopplung mithilfe der Größe der Luftdurchführungen in ihrer Stärke eingestellt werden kann.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind beide Membrane leitend beschichtet und bilden mit der Gegenelektrode jeweils ein kapazitives Wandlerelement. Jedes Wandlerelement erzeugt dabei ein Ausgangssignal, welches sich in seiner Amplitude und in der Phase in Abhängigkeit der Einfallsrichtung eines akustischen Signals vom jeweils anderen Ausgangssignal unterscheidet. Anhand dieser Unterschiede kann auf die Einfallsrichtung rückgeschlossen werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das Richtmikrofon zusätzlich eine Signalverarbeitungseinheit und ein omnidirektionales Mikrofon auf, wobei das Mikrofonsignal mithilfe der Signalverarbeitungseinheit zur Erzeugung des Ausgangssignals des Richtmikrofons entsprechend einer Richtcharakteristik verwendet wird. Dabei kann das omnidirektionale Mikrofon entweder in einem Gehäuse mit den beiden Membranen zusammengefasst werden, oder das omnidirektionale Mikrofon kann mit Abstand zu den Membranen als eigenständige Einheit ausgebildet sein. Diese Ausbildungsform hat den Vorteil, dass mit dem Mikrofonsignal des omnidirektionalen Mikrofons eine richtungsunabhängige Vergleichsgröße zur Verfügung steht, die mithilfe der Signalverarbeitungseinheit mit dem Ausgangssignal, das auf der Schwingung eine oder beide Membrane beruht, kombiniert werden kann.

Die Aufgabe bezüglich der Verwendung des Richtmikrofons wird durch Anspruch 12 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Es folgt die Erläuterung von mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 5. Es zeigen

FIG 1: den schematischen Aufbau eines Richtmikrofons mit zwei Membranen nach der Erfindung im Querschnitt,
FIG 2: einen simulierte Frequenzabhängigkeit von Betrag und Phase eines Ausgangssignals, das sich für die beiden Membrane bei einem Schallfeld ergibt, das unter einem Winkel von 12,5° einfällt,
FIG 3: eine richtungsabhängige Empfindlichkeitsverteilung eines Ausgangssignals einer einzelnen Membran bei 300 Hz,
FIG 4: eine richtungsabhängige Empfindlichkeitsverteilung eines Ausgangssignals einer einzelnen Membran bei 1600 Hz und
FIG 5: ein Funktionsschema eines Richtmikrofonsystems, das ein omnidirektionales Mikrofon, ein Richtmikrofon mit zwei Membranen und eine Signalverarbeitungseinheit aufweist.

Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Richtmikrofons 1 mit einem zylindrisch geformten Gehäuse 3 im Schnitt entlang der Zylinderachse 4. Im Gehäuse 3 befinden sich zwei vorzugsweise senkrecht zur Zylinderachse 4 angeordnete Membrane 5A,5B, die über Halterungen 6 am Gehäuse 3 vorzugsweise luftdicht befestigt sind. Die Membrane 5A,5B sind mit Luftvolumina 7A,7B in Kontakt. Trifft eine Schallwelle auf die Schalleinlassöffnungen 9A,9B, so gelangt sie in die Luftvolumina 7A,7B und bewirkt eine Auslenkung (Schwingung) der Membranen 5A,5B aufgrund des durch die Schallwelle geänderten Drucks. Zwischen den beiden Membranen 5A,5B befindet sich ein drittes Luftvolumen 11 und eine Gegenelektrode 13. Das Luftvolumen 11 setzt sich aus zwei Luftspalten 14A,14B zusammen, die zwischen der Gegenelektrode 13 und den beiden Membranen 5A,5B vorliegen, sowie aus Luftdurchführungen 15A,15B, welche die Gegenelektrode 13 durchsetzen. Die Luftdurchführungen 15A,15B sind z.B. runde, parallel zueinander und im Wesentlichen senkrecht zu den Membranen verlaufende Luftkanäle. Das Luftvolumen 11 bewirkt eine akustische Kopplung der beiden Membrane 5A,5B, die zu einer negativen Gegenkopplung führt, da, falls beispielsweise die Membran 5A durch ein einfallendes Schallfeld von der Mitte des Richtmikrofons 1 betrachtet nach außen schwingt, aufgrund der negativen Kopplung die gegenüberliegende Membran 5B zur Mitte des Richtmikrofons 1 bewegt wird.

Die Membran 5A weist eine Durchtrittsöffnung 17 auf, die einen barometrischen Druckausgleich des Luftvolumens 11 über das mit der Umgebung verbundene Luftvolumen 7A ermöglicht.

Fällt beispielsweise entsprechend der eingezeichneten Winkelskala eine Schallwelle aus 270° auf das Richtmikrofon 1, wird zuerst die Membran 5A anfangen zu schwingen. Aufgrund der Schwingung der Membran 5A wird das Luftvolumen 11 ein Druckänderung erfahren und diese auf die Membran 5B übertragen, so dass auch die Membran 5B zu schwingen beginnt. Diese Schwingung wird mit der zu einem späteren Zeitpunkt im Volumen 7B eintreffende Schallwelle überlagert. Der Schalldruck der Schallwelle im Volumen 7B wird seinerseits über die Schwingung der Membran 5B auf das Luftvolumen 11 übertragen, welches wiederum die Kopplung mit der Membran 5A bewirkt.

Die akusto-elektrische Wandlung der Schwingungen der Membrane 5A,5B kann beispielsweise mit Hilfe eines kapazitiven Wandlersystems erfolgen. Bei einem solchen System wird eine Art Plattenkondensator aus der Gegenelektrode 13 und einer elektrisch leitenden Schicht 19A,19B auf einer der Membranen 5A,5B gebildet. Bei einem derartigen Kondensatormikrofon wird der Kondensator mittels einer Polarisationsspannung aufgeladen. Aufgrund der Schallsignale ändert sich der Abstand zwischen der Schicht auf der Membran 5A,5B und der Gegenelektrode 13 und es stellt sich eine Kapazitätsänderung des Kondensators ein, welche mit einem elektronischen Impedenzwandler detektiert und in eine elektrische Spannung umgewandelt wird. Alternativ könnte ein Elektret-Kondensatormikrofon verwendet werden, bei dem auf der Membran 5A,5B oder auf der Oberfläche der Gegenelektrode 13 eine elektrische Ladung permanent gespeichert wird. Auch die Verwendung von Digitalmikrofon- oder Tauchspulmikrofon-Wandlertechnologie ist zur akusto-elektrischen Wandlung verwendbar.

Figur 2 gibt eine für die Membrane 5A,5B simulierte Frequenzabhängigkeit von Betrag A und Phase Φ eines Ausgangssignals wieder. Dabei wurde ein Schalleinfallswinkel von 12,5° (in Figur 1 angedeutet) und ein Abstand der Mikrofon-Einlassöffnungen von 4 mm angenommen. Im oberen Teil der Abbildung werden die Beträge A_5A,A_5B der beiden Membranschwingungen über die Frequenz f in einem Frequenzbereich von 10Hz bis 10kHz abgebildet. Im unteren Teil der Abbildung wird entsprechend der Verlauf der Phasen Φ_5A, Φ_5B der Ausgangssignale gezeigt. Bei einer Schalleinfallsrichtung von 12,5° ergibt sich ein Laufzeitunterschied der einfallenden Schallwelle auf die beiden Membrane 5A,5B von 2,5µsec. Auch bei diesem minimalen Unterschied zeigt sich bereits bei einer Frequenz von 300Hz ein deutlich detektierbarer Unterschied zwischen den beiden Mikrofonen in Betrag A und Phase Φ. Mit zunehmender Frequenz f wird der Unterschied immer ausgeprägter.

Figur 3 zeigt eine simulierte richtungsabhängige Empfindlichkeitsverteilung 21_5A eines Ausgangssignals der 'linken' Membran 5A bei 300Hz. Diese sogenannte Richtcharakteristik ist normiert auf die Empfindlichkeit bei einem Schalleinfallswinkel von 0°, welche auf den Wert 1 normiert ist und durch den Kreis N verdeutlicht wird. Die Winkeleinteilung entspricht der aus Figur 1. Man erkennt eine deutlich höhere Empfindlichkeit auf der der Membran 5A zugeordneten Seite sowie eine niedrigere Empfindlichkeit auf der anderen Seite. Zusätzlich kommt es zu starken Phasenunterschieden zwischen den Ausgangssignalen der beiden Membranen 5A,5B.

Figur 4 zeigt eine entsprechende Empfindlichkeitsverteilung 23_5A eines Ausgangssignals der 'linken' Membran 5A bei 1600Hz. Die Struktur dieser Richtcharakteristik wird durch zwei Bereiche erhöhter Empfindlichkeit dominiert, die sich bei 90° und 270° befinden. Wiederum ist die Empfindlichkeit auf der der Membran 5A zugeordneten Seite größer und es liegen starke Phasenunterschiede zwischen den Ausgangssignalen vor.

Figur 5 zeigt ein Funktionsschema eines Richtmikrofonsystems 25, das ein omnidirektionales Mikrofon 27, ein Richtmikrofon 29 mit zwei Membranen und eine Signalverarbeitungseinheit 31 aufweist. Ein oder beide Signale der Membrane des Richtmikrofons 29 werden mit dem Signal des omnidirektionalen Mikrofons 27 in der Signalverarbeitungseinheit 31 zu einem an einem Augang 32 vorliegenden

Ausgangssignal gemischt, dem eine Richtcharakteristik 33 zugeordnet wird. Die Signalverarbeitungseinheit könnte zusätzlich die Mischung derart kontrollieren, dass die Richtwirkung an das Schallfeld adaptiv angepasst wird.

In einer einfachen Ausführungsform wird nur ein Signal einer Membran, welches alleine schon in Hinblick auf die Richtungsempfindlichkeit einer Verbesserung gegenüber einem Gradientenmikrofon darstellt, verwendet und eventuell zusammen mit einem omnidirektionalen Mikrofon in einem Gehäuse oder in getrennten Gehäusen betrieben.

Claims

Richtmikrofon (1,29) mit zwei Membranen (5A,5B), die einerseits jeweils über ein Luftvolumen (7A,7B) mit einer von zwei räumlich getrennten Schalleinlassöffnungen (9A,9B) akustisch verbunden sind und andererseits über ein drittes Luftvolumen (11) miteinander akustisch verkoppelt sind, und mit Mitteln (13,19A,19B) zum Erzeugen mindestens eines Ausgangssignals des Richtmikrofons (1,29) aus der Schwingung einer der beiden Membranen (5A,5B).
Richtmikrofon (1,29) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13,19A,19B) zum Erzeugen des Ausgangssignals eine elektrisch leitende Schicht (19A,19B) auf einer der beiden Membranen (5A,5B) umfassen.
Richtmikrofon (1,29) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13,19A,19B) zum Erzeugen des Ausgangssignals eine Gegenelektrode (13) zur elektrisch leitenden Schicht (19A,19B) umfassen.
Richtmikrofon (1,29) nach Anspruch 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht (19A,19B) und die Gegenelektrode (13) ein kapazitives Wandlerelement bilden.
Richtmikrofon (1,29) nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass beide Membranen (5A,5B) elektrisch leitend beschichtet sind und mit der Gegenelektrode (13) jeweils ein kapazitives Wandlerelement bilden.
Richtmikrofon (1,29) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass beide Membranen (5A,5B) parallel zu einander angeordnet sind.
Richtmikrofon (1,29) nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (13) zwischen beiden Membranen (5A,5B) angeordnet ist, wobei ein Luftspalt (14A,14B) jeweils zwischen einer der beiden Membranen (5A,5B) und der Gegenelektrode (13) liegt.
Richtmikrofon (1,29) nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (13) Luftdurchführungen (15A,15B)zur akustischen Kopplung aufweist.
Richtmikrofon (1,29) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdurchführungen (15A,15B) parallel zueinander und senkrecht zu den Membranen (5A,5B) verlaufend angeordnet sind.
Richtmikrofon (1,29) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Membrane (5A,5B) eine kleine Durchtrittsöffnung (17) zum barometrischen Druckausgleich aufweist.
Richtmikrofon (1,29) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Signalverarbeitungseinheit (31) und ein omnidirektionales Mikrofon (27) vorhanden sind, wobei das Mikrofonsignal des omnidirektionalen Mikrofons (27) mithilfe der Signalverarbeitungseinheit (31) zur Erzeugung des Ausgangssignals des Richtmikrofons (1,29) entsprechend einer Richtcharakteristik (33) verwendet wird.
Verwendung eines Richtmikrofons (1,29) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem Hörhilfsgerät.