EP4331237A1

EP4331237A1 - Mikrofonarray

Info

Publication number: EP4331237A1
Application number: EP22724441.5A
Authority: EP
Inventors: Marios Athineos; Eugen Rasumow; Alexander Krüger; Alexander Nowak
Original assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2022-04-20
Publication date: 2024-03-06
Also published as: US20220353608A1; JP2024515837A; US11671751B2; WO2022228966A1; CN117223295A; KR20240000518A

Abstract

Mikrofonarrays enthalten mehrere Mikrofonkapseln, deren Ausgangssignale zur gerichteten Aufnahme von Schall elektronisch zusammengeschaltet werden. Dabei hängen Richtungs- und Frequenzeigenschaften des Mikrofonarrays von der Anzahl und den Positionen der Mikrofonkapseln ab. Um ein möglichst kleines Mikrofonarray mit nur wenigen Mikrofonkapseln zu erhalten, das aber eine im Wesentlichen gleichmäßige Richtungs- und Frequenzabhängigkeit über einen Sprachfrequenzbereich aufweist, in der Größe skalierbar und robust gegen kleine Fehlpositionierung der Kapseln ist, werden fünfzehn oder einundzwanzig Mikrofonkapseln (K15,11 - K15,35, K21,11 - K21,37) auf einem Träger (T, T') so angeordnet, dass sie auf drei gleichartigen, jeweils um 120° gegeneinander gedrehten Zweigen mit jeweils derselben Anzahl an Mikrofonkapseln liegen. Dabei liegt, in einem ebenen isometrischen Koordinatensystem mit drei jeweils um 120° gegeneinander gedrehten Achsen (L0, L1, L2), die ein L2-Gitter aus gleichseitigen Dreiecken bilden, jede der Mikrofonkapseln auf einer Ecke eines Dreiecks des L2-Gitters.

Description

Sennheiser electronic GmbH & Co. KG Am Labor 1 , 30900 Wedemark,

Mikrofonarray

Die Erfindung betrifft ein Mikrofonarray, insbesondere eine Anordnung einer Mehrzahl von Mikrofonkapseln, die als Array zur Aufnahme von Schall Zusammenwirken.

Hintergrund

Mikrofonarrays werden oft z.B. zum Beamforming, zur Störgeräuschunterdrückung oder zur akustischen Quellsuche eingesetzt. Sie enthalten mehrere Mikrofonkapseln, deren Ausgangssignale elektronisch zusammengeschaltet werden, um zur gerichteten Aufnahme von Schall zusammenzuwirken. Dabei kann durch die Art der Zusammenschaltung eine Vorzugsrichtung erzeugt werden, in der die Empfindlichkeit des Mikrofonarrays für Audioaufnahmen besonders hoch ist. Wegen der elektronischen Kombination der einzelnen Mikrofonsignale lässt sich diese Vorzugsrichtung elektronisch einstellen, wodurch eine Änderung der Vorzugsrichtung mit sehr kurzer Reaktionszeit möglich ist. Ein Mikrofonarray weist jedoch nicht zwangsläufig für alle Richtungen gleichmäßig gute Richtwirkungen auf, sondern hat häufig eine oder mehrere feste Vorzugsrichtungen, die von der Anordnung der Mikrofon kapseln abhängen. Außerdem wirken Mikrofonarrays nicht für alle Frequenzen gleichmäßig, sondern sie weisen eine Frequenzabhängigkeit auf. Diese hängt unter anderem von den Abständen der Mikrofonkapseln untereinander ab. Ein sehr wichtiger Aspekt eines Mikrofonarrays ist daher die geometrische Anordnung der Mikrofon kapseln auf der Mikrofonfläche: Bei einer festen Anzahl an Mikrofon kapseln sollen diese möglichst viele inter-Elementabstände, d.h. Abstände zwischen einzelnen Mikrofonkapseln eines Arrays, in möglichst viele verschiedene Richtungen abdecken.

Bezüglich der Art, Anzahl und Positionierung der Mikrofonkapseln gibt es verschiedene Strategien. Oft werden, beispielsweise für an Raumdecken montierbare Mikrofonarrays, sehr viele Mikrofonkapseln miteinander kombiniert, um möglichst viele verschiedene Vorzugsrichtungen und einen bestimmten Frequenzbereich erfassen zu können. Dies ist oft der Bereich der Sprachfrequenzen, z.B. 100 Hz-10 kHz. Typische Vorgehen auf diesem Feld sind heuristische und damit sehr aufwändige Suchen durch „Ausprobieren“ aller denkbaren analytisch beschreibbaren Mannigfaltigkeiten, wie Linien, Kreise, Spiralen etc. und numerische Simulation.

Beispielsweise werden in US 6,205,224 B1 mindestens 63 Sensorelemente wie Antennen oder Mikrofonkapseln auf konzentrischen Kreisen und gleichzeitig auf Spiralen angeordnet, um eine weitgehend richtungsunabhängige und breitbandige Erfassung bei hoher Richtwirkung zu ermöglichen. Die Richtungs- und Frequenzeigenschaften einer Sensoranordnung werden dabei mittels eines sogenannten Coarrays dargestellt, das inter- Elementabstände sowie die Richtung dieser Abstände anzeigt. In US2013/0101141 A1 werden ebenfalls zur richtungsunabhängigen und breitbandigen Erfassung dreißig Mikrofonkapseln gleichmäßig über die Fläche einer sechseckigen Leiterplatte verteilt, von denen sich dann mehrere zusammenschalten lassen. Auch in US2016/0323668 A1 werden zahlreiche Mikrofonkapseln zu einem Mikrofonarray zusammengeschaltet und dabei weitgehend gleichmäßig über mehrere Platinen verteilt. Dabei enthält eine zentrale Platine 64 Mikrofonkapseln, während jede von 7 kreisförmig um diese herum angeordneten Platinen weitere 8 Mikrofonkapseln enthält, was zu insgesamt 120 Mikrofonkapseln führt. In allen diesen Fällen entsteht ein hoher Berechnungsaufwand durch die Vielzahl von Mikrofonsignalen und ein insgesamt großes Mikrofonarray.

Eine andere Strategie als in den genannten Dokumenten besteht daher darin, möglichst wenige Mikrofonkapseln für ein Array zu benutzen. Um in diesem Fall das Rauschen zu reduzieren bzw. einen hohen Rauschabstand (SNR) zu erhalten, müssen die Mikrofonkapseln möglichst wenig rauschen, d.h. hochwertig sein. Auch müssen die elektroakustischen Eigenschaften aller Mikrofonkapseln eines Arrays innerhalb geringer Toleranzen weitgehend identisch sein. Ein zahlentheoretischer Ansatz zur Minimierung der Anzahl der Mikrofonkapseln und zu deren Positionierung wird in DE10 2010 012388 A1 verfolgt, indem diese auf Schnittpunkten von Golomb-Linealen positioniert werden. Dies führt zwar zu einer Reduktion der Anzahl der Mikrofonkapseln, aber wegen der unsymmetrischen Verteilung auch zu einer Richtcharakteristik, die nicht in alle Richtungen gleichmäßig ist. Außerdem sind die Mikrofonkapseln fast gleichmäßig über die gesamte Fläche verteilt. In US 9,894,434 B2 wird ein Mikrofonarray mit 17 Mikrofonkapseln beschrieben, die auf den Diagonalen einer relativ großen quadratischen Fläche von etwa 60x60cm angeordnet sind. Diese Größe ist typisch für die meisten der genannten Arrays. Des Weiteren weisen die meisten der genannten Arrays das Problem auf, dass sie anfällig schon gegen kleine Fehlpositionierungen der Mikrofonkapseln und nicht in der Größe skalierbar sind, ohne dass störende nicht-lineare Effekte auftreten. Auf dem Gebiet der Seismologie wurden bereits vor langer Zeit Untersuchungen zu Sensorarrays durchgeführt. In dem Aufsatz „Array Design“ von R. Haubrich im „Bulletin of the Seismological Society of America”, Vol.58, June 1968, wird beschrieben, wie Arrays zur Erfassung von seismischen Wellen, Ozeanwellen oder elektromagnetischen Radiowellen mit möglichst wenigen Sensoren aufgebaut werden können. Die Richtungsund Frequenzeigenschaften verschiedener Sensoranordnungen werden mittels Coarrays beurteilt. Verschiedene nach diesem Kriterium als „perfekt“ oder „optimal“ geltende Sensoranordnungen werden vorgeschlagen, u.a. isometrische Arrays, deren Sensoren auf den Schnittpunkten eines isometrischen Koordinatensystems liegen. Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein möglichst kleines Mikrofonarray mit möglichst wenigen Mikrofonkapseln anzugeben, das aber robuster gegen kleine Fehlpositionierung der Kapseln ist, eine hohe und richtungsunabhängige Richtwirkung und eine im Wesentlichen gleichmäßige Frequenzabhängigkeit über einen Sprachfrequenzbereich aufweist und dabei als Deckenmikrofon nutzbar ist. Die Aufgabe wird durch ein Mikrofonarray gemäß Anspruch 1 gelöst.

Wie sich herausgestellt hat, eignen sich die Strukturen einiger der vor vielen Jahren von R. Haubrich vorgeschlagenen Arrays von seismischen Sensoren auch für Arrays von Mikrofonkapseln. Insbesondere isometrische Arrays mit fünfzehn oder einundzwanzig Mikrofonkapseln haben besonders gute akustische Eigenschaften, wie z.B. gute Ortung von Schallquellen und eine hohe Richtwirkung, sowie weitere Vorteile, z.B. geringe Herstellungskosten. Dies gilt selbst dann, wenn die Größe der Arrays entsprechend der zu erfassenden Sprachfreq uenzen herunterskaliert wird, so dass kleinere Arrays als bisher möglich sind. Erfindungsgemäß hat ein Mikrofonarray eine geringe Anzahl von Mikrofonkapseln, insbesondere fünfzehn oder einundzwanzig Mikrofonkapseln, und eine mit den Mikrofonkapseln verbundene Schaltungsanordnung, die geeignet ist zum Empfangen der Mikrofonsignale und zu deren gemeinsamer Verarbeitung. Die Mikrofonkapseln sind in einer Ebene an bestimmten Positionen auf einem Träger angeordnet, nämlich auf drei gleichartigen Zweigen mit jeweils derselben Anzahl an Mikrofonkapseln, wobei die Zweige jeweils um 120° gegeneinander gedreht um ein gemeinsames Zentrum angeordnet sind, und wobei, in einem ebenen isometrischen Koordinatensystem mit drei jeweils um 120° gegeneinander gedrehten Achsen, die ein sogenanntes L2-Gitter (L2-Lattice) aus gleichseitigen Dreiecken bilden, jede der Mikrofonkapseln auf einer Ecke eines Dreiecks des L2-Gitters liegt. Dabei ist die Verwendung von Elektretkapseln besonders vorteilhaft, da diese typischerweise weniger Eigenrauschen und geringere Eigenresonanz aufweisen sowie einen höheren Schalldruckpegelbereich erfassen können. Es können jedoch auch andere Mikrofonkapseln verwendet werden, z.B. MEMS.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Arrays ist die gute und gleichmäßige Richtwirkung über den gesamten relevanten Sprachfrequenzbereich und in alle Richtungen, wie mittels Coarrays berechnet werden kann. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Arrays umfassen jedoch auch die relativ hohe Robustheit gegenüber kleinen Fehlpositionierungen von Mikrofonkapseln, die geringe Größe des Arrays und dadurch geringere Kosten, sowie die relativ freie Möglichkeit einer Größenskalierung.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden in den Ansprüchen 2 bis 11 beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt. Darin zeigt

Fig. 1 eine Anordnung von fünfzehn Mikrofonkapseln in einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Anordnung von fünfzehn Mikrofonkapseln in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die spiegelsymmetrisch zur ersten Ausführungsform ist;

Fig. 3 ein Coarray einer Anordnung von Mikrofon kapseln gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform;

Fig. 4 eine beispielhafte Anordnung von Leiterplatten für eine Anordnung der Mikrofonkapseln gemäß der ersten Ausführungsform;

Fig. 5 eine Anordnung von einundzwanzig Mikrofonkapseln in einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine Anordnung von sechs Mikrofonkapseln in einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Mikrofonarrays. Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt, in einer ersten Ausführungsform der Erfindung, eine Anordnung von fünfzehn Mikrofonkapseln auf einem Träger T. Die Mikrofonkapseln sind in drei gleichen Gruppen auf kongruenten Zweigen angeordnet, die jeweils um 120° gegeneinander gedreht sind. Der erste Zweig umfasst z.B. die Kapseln Kis,n, Kis,i2, Kis,i3, Kis,i4 und Ki5,is. Der zweite Zweig umfasst die Kapseln Kis,2i - Kis,25 und der dritte Zweig die Kapseln Kis,3i - Kis,35. Zur Orientierung ist zwar ein kartesisches Koordinatensystem X,Y angegeben, jedoch liegen die Kapseln auf den Schnittpunkten eines isometrischen Koordinatensystems, das in Fig. 1 ebenfalls angegeben ist. Das isometrische Koordinatensystem hat drei um je 60° versetzte Achsen L0, L1 , L2 in einer Ebene und besteht aus gleichseitigen Dreiecken. Die Seiten jedes dieser Dreiecke liegen jeweils parallel zu einer der Achsen L0, L1 oder L2. Der Mittelpunkt der gesamten Anordnung, um den die drei kongruenten Zweige gegeneinander gedreht sind, ist der Nullpunkt des kartesischen Koordinatensystems (d.h. X—0, Y=0). Dieser ist auch gleichzeitig der Schwerpunkt eines mittleren Dreiecks DM des isometrischen Koordinatensystems. Als Referenzpunkt R des isometrischen Koordinatensystems wird hier willkürlich diejenige Ecke des mittleren Dreiecks DM gewählt, die seiner zur L0-Achse parallelen Seite gegenüberliegt.

Positionen im isometrischen Koordinatensystem werden als Vielfache der Seitenlängen der gleichseitigen Dreiecke angegeben. Beispielsweise liegt die rechte obere Ecke des mittleren Dreiecks DM vom Referenzpunkt R aus nur um eine Seitenlänge in Richtung der L1-Achse verschoben, was in isometrischen Koordinaten als Position (L0,L1 ,L2) = (0,1 ,0) angegeben wird. Entsprechend liegt die linke obere Ecke des mittleren Dreiecks DM vom Referenzpunkt R aus nur um eine Seitenlänge in Richtung der L2-Achse verschoben, also in isometrischen Koordinaten auf der Position (L0,L1 ,L2) = (0,0,1). Ausgehend vom Referenzpunkt R liegen die Mikrofonkapseln auf folgenden Positionen: In kartesischen Koordinaten (X, Y) ergeben sich damit, je nach Maßstab, etwa folgende Werte (beispielsweise für eine Seitenlänge der Dreiecke bzw. isometrische Längeneinheit von 0.05 m, wie in Fig. 1 dargestellt; Einheit: Meter):

Der Maßstab ist so zu wählen, dass der geringste Abstand zwischen zwei Mikrofonkapseln der Seitenlänge der Dreiecke des isometrischen Koordinatensystems entspricht. Das in Fig. 1 dargestellte Mikrofonarray hat daher einen Durchmesser von ca. 35 cm.

Die Positionen gelten für die in Fig. 1 angegebenen Koordinatensysteme und weichen numerisch natürlich bei einer Drehung der Koordinatensysteme bzw. des Arrays oder bei Wahl eines anderen Bezugspunktes ab. Zudem lassen sich im isometrischen Koordinatensystem die Positionen auf verschiedenen Wegen erreichen (da die Achsen nicht orthogonal zueinander sind), was zu unterschiedlichen, jedoch äquivalenten Koordinaten führt. Beispielsweise definieren (1 ,1 ,0), (0,2,-1), (2,0,1), (3,-1 ,2) und weitere andere Koordinaten denselben Punkt. Einige äquivalente Varianten lassen sich durch Drehung um den Mittelpunkt auf die in Fig. 1 dargestellte Anordnung abbilden. Fig. 2 zeigt eine Anordnung von fünfzehn Mikrofonkapseln auf einem Träger T‘ in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die spiegelsymmetrisch zur ersten Ausführungsform ist. Sie hat dieselben akustischen und geometrischen Eigenschaften wie die Anordnung der ersten Ausführungsform und ist dazu äquivalent. Die Spiegelsymmetrie besteht hier entlang der Y-Achse. Identische, jedoch gedrehte Varianten lassen sich aber durch Spiegelung der Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform an einer beliebigen Achse hersteilen. Wegen der weitgehend gleichmäßigen Einsteilbarkeit der Empfindlichkeit des Arrays in alle Richtungen sind alle diese Varianten gleichwertig, d.h. resultieren in demselben Coarray, und sind somit entweder mit der ersten oder der zweiten Ausführungsform identisch. Das isometrische Koordinatensystem lässt sich z. B. für eine gegebene Anordnung oder eine gegebene Grundfläche bestimmen, indem jeweils drei außenliegende Positionen auf einer Geraden liegen (z. B. Kis,n, Kis,i2, Kis,i3 oder K‘15,21 , K‘15,22, K‘15,23), die parallel zu einer der Achsen L0,L1 ,L2 des isometrischen Koordinatensystems ist. Die Abstände zwischen zwei benachbarten Positionen in dieser Dreiergruppe entsprechen den Seitenlängen der Dreiecke und somit einer Einheit des isometrischen Koordinatensystems.

Fig. 3 zeigt das grundsätzlich aus der Theorie von R. Haubrich bekannte Coarray der Anordnung gemäß der ersten wie auch der zweiten Ausführungsform, hier jedoch für Schallwellen von Sprachschall bzw. für Sprachfrequenzen angepasst. Die Punkte repräsentieren die relative Lage je zweier Mikrofonkapseln des Arrays zueinander, d.h. die Abstände zwischen ihnen und die Richtungen dieser Abstände. Mit anderen Worten, jeder Punkt im Coarray bedeutet, dass es mindestens ein Paar von Mikrofonkapseln im Array gibt, deren relative Lage zueinander dieselbe ist wie die Lage dieses Coarray-Punktes relativ zum Coarray-Mittelpunkt CM. Damit repräsentiert jeder Punkt auch eine mögliche Einfallsrichtung und Wellenlänge von Schallwellen, die richtungsgenau vom Mikrofonarray verarbeitet werden können, d.h. genutzt werden können zum Orten einer Schallquelle und Erzeugen einer Richtwirkung. Wichtig ist hierbei, dass in dem Coarray an Punkten des isometrischen Koordinatensystems keine Löcher auftreten. Dies ist hier gegeben. Ein Loch im Coarray würde bedeuten, dass das Mikrofonarray Schallwellen der entsprechenden Einfallsrichtung und Wellenlänge nicht richtungsgenau verarbeiten könnte. Es ist jedoch in der Regel nicht möglich, von einem Coarray direkt auf eine eindeutige zugehörige Mikrofonanordnung zu schließen.

Das Coarray der erfindungsgemäßen Mikrofonanordnung hat die vorteilhafte Eigenschaft, dass (zumindest im Innenbereich des Coarrays) jeder Coarray-Punkt jeweils sechs gleichmäßig um ihn angeordnete Nachbarpunkte mit jeweils gleichem Abstand zu ihm selbst besitzt. Dadurch kann die Größe der Mikrofonanordnung auf die Wellenlängen von Interesse skaliert werden. Die Coarray-Punkte mit dem geringsten Abstand zum Ursprung (kleinste inter-Elementabstände) zeigen die höchste räumlich eindeutig auflösbare Frequenz an, bevor eine Unterabtastung einsetzt, d.h. unterhalb des sogenannten „räumlichen Aliasing“ (spatial aliasing). Die Coarray-Punkte mit dem größten Abstand zum Ursprung bestimmen dementsprechend die Performance des Beamformers für tiefe Frequenzen. Dadurch kann der kleinste Inter-Elementabstand der Mikrofonanordnung auf die kleinste Wellenlänge bzw. höchste Frequenz von Interesse skaliert werden, während weiterhin für alle größeren inter-Elementabstände bzw. größeren Wellenlängen eine möglichst dichte Abdeckung aller Wellenlängen beibehalten wird. Beispielsweise führt eine Skalierung der Mikrofonanordnung der ersten oder zweiten Ausführungsform auf einen Durchmesser von 35 cm (L=5 cm) zu einer höchsten Frequenz (unterhalb des räumlichen Aliasing) von ca. 6.9 kHz. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Mikrofonkapseln nicht gleichmäßig über die Gesamtfläche des Arrays verteilt sind, sondern Gruppen bilden. Dies führt dazu, dass relativ große Teile der Fläche nicht von Platinen oder Leiterplatten zur Kontaktierung der Kapseln bedeckt sein müssen. Insbesondere ist es nicht nötig, eine Platine oder Gruppe von Platinen in der Größe der gesamten Anordnung bereitzustellen. Dadurch werden die Herstellungskosten für das Array, die schon wegen der geringen Anzahl von Mikrofonkapseln relativ gering sind, sowie dessen Gewicht weiter reduziert. Zusätzlich können wegen der Verteilung der Mikrofonkapseln auf drei kongruente Zweige auch für jeden Zweig gleiche Platinen benutzt werden. Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Anordnung von drei gleichen Platinen P1 ,P2,P3 für eine Anordnung der Mikrofonkapseln gemäß der ersten Ausführungsform. Dabei werden die Platinen P1-P3, die je fünf Mikrofonkapseln eines Zweigs enthalten, jeweils um 120° gedreht auf einem Träger angeordnet. Weitere Komponenten wie beispielsweise eine Verarbeitungseinheit mit einem oder mehreren Prozessoren, AD-Wandlern usw. können ebenfalls auf diesen Platinen angeordnet sein. Es ist aber insbesondere auch möglich, zumindest einige dieser weiteren Komponenten auf einer zusätzlichen Platine (nicht dargestellt) unterzubringen, die sich in der Mitte befindet und mit den kapseltragenden Platinen P1-P3 verbunden ist. Dafür ist es ein weiterer Vorteil dieser Anordnung, dass sich keine Mikrofonkapsel in der Mitte befindet, so dass dort genug Platz für eine zentrale Platine ist. Dadurch ist in diesem Bereich kein Stapeln von Platinen notwendig, wodurch das Array dicker, aufwändiger in der Herstellung und damit teurer werden würde. Außerdem sorgt der grundsätzlich symmetrische Aufbau dafür, dass sich der Schwerpunkt des gesamten Arrays in der Mitte befindet, was die Montage erleichtert. Darüber hinaus ist es möglich, jede der drei Platinen P1-P3 durch beispielsweise je zwei Subplatinen P1 I,P12,P2I,P22,P3I,P32 zu ersetzen, um die gesamte Platinenfläche weiter zu reduzieren. Dies ist vorteilhaft, wenn die Gesamtfläche des Arrays und damit der (Sub-) Platinen groß ist im Vergleich zur Fläche, die für die Komponenten erforderlich ist. Auch hier sind wieder mindestens je drei Subplatinen gleich, z. B. P1 i, P2i und P3i. Je nach Platzbedarf der weiteren Komponenten ist es möglich, dass die Platinen (oder zumindest die kapseltragenden Platinen) insgesamt weniger als die Hälfte der Gesamtfläche des Arrays ausmachen.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung von einundzwanzig Mikrofonkapseln in einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Für diese Ausführungsform gilt ähnliches wie für die oben beschriebenen erste und zweite Ausführungsformen, insbesondere weist sie ähnliche Vorteile auf. Allerdings kann die Qualität der Schallaufnahme auf Grund der größeren Anzahl von Mikrofonkapseln noch besser sein. Ausgehend vom Referenzpunkt R, der definiert ist wie oben beschrieben, und mit den in Fig. 5 angegebenen Koordinatensystemen liegen die Mikrofonkapseln auf folgenden Positionen (wobei auch hier äquivalente Varianten durch Spiegelung an einer Achse und/oder Drehung erzeugt werden können):

Die Mikrofonkapseln können sehr kompakt beispielsweise auf zwei Platinen pro Zweig verteilt werden. Eine Möglichkeit für eine der Platinen P21 ,1 mit fünf Kapseln K21.11 - K21 ,15 des ersten Zweiges ist in Fig. 5 dargestellt. Die anderen beiden Kapseln K21 ,ie,K2i ,17 liegen dicht beieinander und können daher ebenfalls sehr kompakt auf einer zweiten Platine angebracht werden (nicht dargestellt). Die notwendigen weiteren elektronischen Komponenten (Prozessor, AD-Wandler usw.) können auf einer der beiden Platinen und/oderaufeiner möglichen weiteren, zentralen Platine (nicht dargestellt) in der Mitte des Arrays untergebracht werden. Auch in diesem Fall sind die anderen beiden Zweige kongruent, um je 120° gedreht und können gleichartige Platinen (d.h. Platinen mit demselben Layout) wie der erste Zweig nutzen. Eine mögliche zentrale Platine kann gemeinsam genutzt werden. Auch in dieser Ausführungsform ist es möglich, dass zumindest die kapseltragenden Platinen insgesamt weniger als die Hälfte der Gesamtfläche des Arrays ausmachen (je nach Platzbedarf der weiteren Komponenten).

Zu beachten ist, dass in Fig. 5 nur ein relativer Maßstab angegeben ist. Dies resultiert daher, dass die erfindungsgemäßen Arrays (in allen Ausführungsformen) in der Größe skalierbar sind, ohne dass störende und schwierig zu berechnende nicht-lineare Effekte auftreten. Für die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform beträgt der Radius r_max der äußersten Kapseln etwa L*6 ,11 , wobei L die Seitenlänge der isometrischen Dreiecke ist, und der maximale Inter-Elementabstand ist ca. dmax = L*11 ,79. Beispielsweise ergibt sich bei einem Maßstab von L=5 cm und einer kreisrunden Form des Arrays ein Durchmesser D von ca. 61 ,1 cm (dmax = 58,95 cm), bei einem Maßstab von L=4 cm ein Durchmesser D von ca. 48,9 cm (dmax = 47,16 cm) und bei einem Maßstab von L=3,5 cm ein Durchmesser D von ca. 42,8 cm (dmax = 41 ,27 cm). Umgekehrt kann der Durchmesser des Arrays oder der maximale Inter-Elementabstand vorgegeben werden. Zum Beispiel muss für einen Durchmesser des Arrays von etwa 55 cm der Maßstab L= 4,5 cm gewählt werden, und ein maximaler Inter-Elementabstand von z.B. dmax = 40 cm resultiert für etwa L=3,39 cm. Dabei unterscheiden sich Arrays verschiedener Größe nicht grundlegend in ihrem Frequenzverhalten, sondern es ist lediglich der Frequenzbereich leicht verschoben. Bekanntlich ist der maximale Inter-Elementabstand wichtig für die Lokalisierbarkeit von Schallquellen und die Erzeugung der Richtwirkung bei tiefen Frequenzen, während der minimale Inter-Elementabstand (d.h. der Maßstab L) wichtig für die Lokalisierbarkeit und die Erzeugung der Richtwirkung bei hohen Frequenzen ist. Insgesamt kann für Sprachfrequenzen je nach Ausführungsform ein Maßstab von L=3 - 6 cm sinnvoll sein, insbesondere im Bereich L=4 - 5 cm.

Entsprechende Beziehungen zur Skalierbarkeit gelten auch für die anderen Ausführungsformen. Zum Beispiel gilt für die erste und zweite Ausführungsform (gerundet) r_max= L*3 ,512, D=L*7,024 und dmax = L*6,557.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung von sechs Mikrofonkapseln in einer vierten Ausführungsform. Diese Variante ist insbesondere für sehr kleine Mikrofon arrays geeignet, die beispielsweise auf einem Konferenztisch platziert werden können, während die oben beschriebenen Ausführungsformen sich gut für die Montage an Decken und Wänden eignen. Mit dieser Variante ist die Qualität der Richtwirkung und die Ortung der Schallquellen auf Grund der geringen Anzahl von Mikrofonkapseln nicht so gut wie für die oben beschriebenen Varianten, aber besser als bei anderen vergleichbaren Anordnungen mit nur sechs Kapseln. Ausgehend vom Referenzpunkt R, der definiert ist wie oben beschrieben, und mit den in Fig. 6 angegebenen Koordinatensystemen liegen die Mikrofonkapseln auf folgenden Positionen (wobei auch hier äquivalente Varianten durch Spiegelung an einer Achse und/oder Drehung erzeugt werden können):

Die Mikrofonkapseln können in diesem Fall auf eine Platine pro Zweig verteilt werden oder, wegen der geringen Gesamtgröße, alle zusammen auf einer einzigen Platine Rb angebracht werden. Es ergeben sich Werte von (gerundet) r_max=L*1 ,527, D=L*3,054 und dmax = L*2,646.

Fig. 7 zeigt ein exemplarisches Blockschaltbild eines Mikrofonarrays, das beispielsweise der ersten oder zweiten Ausführungsform entsprechen kann. Andere Ausführungsformen weisen eine andere Anzahl von Mikrofonkapseln pro Zweig und/oder eine weitere Unterteilung der Platinen jedes Zweiges in Subplatinen auf. Drei Platinen P1 ,P2,P3 sind jeweils identisch aufgebaut und werden um 120° gegeneinander gedreht auf dem Träger T angeordnet, wie in Fig. 1 bzw. Fig. 4 dargestellt. Jede dieser Platinen enthält dieselbe Anzahl an Mikrofonkapseln Ki5,n-Ki5,i5, deren Signale an jeweilige Analog-Digitalwandler AD1-AD5 gegeben werden, die sich ebenfalls auf derselben Platine befinden. Dadurch ist die Verbindung des empfindlichen analogen Mikrofonsignals zum AD-Wandler sehr kurz. Optional können individuelle digitale Verarbeitungsblöcke DP1-DP5 und/oder gemeinsame Verarbeitungsblöcke SP1 auf der Platine vorhanden sein, z. B. Prozessoren. Diese können die digitalisierten Mikrofonsignale beispielsweise filtern. Digitale Ausgangssignale S1-S3 der Platinen werden an eine Zentralplatine CP gegeben, wo eine Prozessoreinheit die Audioverarbeitung AP des Arrays durchführt, insbesondere die Strahlformung (Beamforming). Außerdem kann die Audioverarbeitung AP des Arrays eine akustische Suche einer (Haupt-) Schallquelle in Echtzeit durchführen, um den resultierenden Beam des Arrays in Richtung der (Haupt-) Schallquelle auszurichten. Dazu kann es optional Signale SD1-SD3 an die Platinen P1-P3 zurückmelden. Das resultierende digitale Ausgangssignal des Arrays wird ausgegeben. Optional kann auch ein analoges Ausgangssignal ausgegeben werden.

Dadurch, dass alle Mikrofonkapseln eines Zweiges gemeinsam auf einer Platine oder Gruppe von Platinen angebracht sind und die Positionierung der Platinen auf dem Träger T ebenfalls mit sehr geringer Abweichung erfolgen kann, stimmt die relative Lage der Kapseln zueinander sehr genau. Der Träger kann z.B. eine oder mehrere feste bzw. schallharte Platten aus Metall, Plastik o.ä. umfassen. In einer Ausführungsform ist der Träger eine Metall- oder Kunststoffplatte mit Löchern, durch die der Schall (beim Deckenmikrofon im eingebauten Zustand von der Unterseite her) die Mikrofonkapseln erreichen kann. Die Platte ist in dem Fall schallreflektierend, so dass der Schalldruck an den Mikrofonkapseln um bis zu 6 dB erhöht wird und das Array als Grenzflächenmikrofon arbeitet. Andererseits erlaubt die erfindungsgemäße Anordnung der Mikrofonkapseln kleine Abweichungen von der vorgegebenen Position von beispielsweise bis zu 0.5 mm, was die Montage erleichtert und somit verbilligt. Konventionell ist hier eine höhere Genauigkeit notwendig, um eine bestimmte Audioqualität zu erreichen. Die Mikrofonkapseln können auch auf mindestens zwei Gruppen von je drei gleichartigen (Sub- ) Platinen PCB1 1 - PCB3.₂ angebracht sein, wobei zu jedem Zweig je eine Platine jeder Gruppe gehört. Jede (Sub-) Platine kann mindestens zwei Mikrofonkapseln enthalten. Dabei kann ein Mittelbereich des Arrays zwischen den drei gegeneinander gedrehten Platinen oder Gruppen von Platinen keine Platine oder eine Platine ohne Mikrofonkapsel enthalten. Alternativ kann sich auch eine zusätzliche Mikrofonkapsel in der Mitte befinden, womit sich die Gesamtzahl der Kapseln erhöht. Die anderen Positionen bleiben unverändert. Damit hat die modifizierte erste und zweite Ausführungsform sechzehn Mikrofonkapseln, die modifizierte dritte Ausführungsform zweiundzwanzig Kapseln und die modifizierte vierte Ausführungsform sieben Kapseln. Eine solche Zentralkapsel hat den Vorteil, dass sie an der Position des höchsten Schalldrucks (Staudruck) ein Schallsignal aufnimmt und damit für das Gesamtarray die Richtwirkung und den Rauschabstand verbessert. Allerdings liegt eine solche zusätzliche zentrale Kapsel nicht auf einem Punkt des L2-Gitters und führt daher zu einem unsymmetrischen Coarray mit Löchern, so dass das Array eine ungleichmäßige Richtwirkung erhält und nicht mehr ohne Weiteres in der Größe skalierbar ist.

Als Mikrofonkapseln eignen sich Elektretkapseln besonders gut. Dabei kann jedes Mikrofonsignal individuell korrigiert bzw. normiert werden, z.B. mittels Filterung in den individuellen digitalen Verarbeitungsblöcken DP1-DP5. Die entsprechenden Filterparameter hängen dabei von den Eigenschaften der jeweiligen Mikrofonkapsel ab, beispielsweise Phasengang und Frequenzgang. Daher eignen sich insbesondere solche Elektretkapseln gut, die ein internes Speicherelement mit entsprechenden Korrekturdaten aufweisen, aus denen die Filterparameter ermittelt werden können. Zusätzlich können die Filterparameter durch die untersuchte bzw. detektierte Richtung der Schallquelle (d.h. die Lokalisation der Schallquellen bzw. das Beamforming) beeinflusst werden. Die Lokalisation von Schallquellen und die eigentliche Schallaufnahme der Hauptschallquelle können voneinander getrennte Prozesse sein. Dabei ist es möglich, für die Lokalisation nur einige der Mikrofonkapseln zu nutzen, um den Verarbeitungsaufwand gering zu halten, während für die eigentliche Schallaufnahme alle Kapseln genutzt werden. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Mikrofon arrays ist die gute Richtwirkung bzw. der hohe Rauschabstand, d.h. eine gute Rauschunterdrückung. Rauschunterdrückung ist umso schwieriger, je weniger Mikrofonsignale zur Verfügung stehen. Dieser Zusammenhang ist jedoch nicht-linear, abhängig auch von der Position der Mikrofonkapseln und daher schwer vorhersagbar. Insbesondere die erfindungsgemäßen Mikrofon arrays mit fünfzehn oder einundzwanzig Mikrofonkapseln zeigen eine gute und gleichmäßige Richtwirkung über alle relevanten Frequenzanteile und Einfallsrichtungen des Schalls, oder eine sehr gute Rauschunterdrückung gemessen an der geringen Anzahl der Mikrofonkapseln, und sind besonders gut geeignet für Deckenmikrofone.

Claims

Patentansprüche

1 Mikrofonarray mit fünfzehn oder einundzwanzig Mikrofonkapseln (Kis,n - Kis,35, K21.11 - K21.37); und einer Schaltungsanordnung (AD1 - ADs, AP), die mit den Mikrofonkapseln verbunden ist, um Mikrofonsignale von den Mikrofonkapseln zu empfangen, und die zur gemeinsamen Signalverarbeitung der Mikrofonsignale geeignet ist; wobei die Mikrofonkapseln in einer Ebene auf einem Träger (T, T‘) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofonkapseln auf dem Träger an folgenden Positionen angeordnet sind: auf drei gleichartigen Zweigen mit jeweils derselben Anzahl an Mikrofonkapseln, wobei die Zweige jeweils um 120° gegeneinander gedreht um ein gemeinsames Zentrum angeordnet sind; und wobei, in einem ebenen isometrischen Koordinatensystem mit drei jeweils um 60° gegeneinander gedrehten Achsen (L0, L1 , L2), die ein L2-Gitter aus gleichseitigen Dreiecken bilden, jede der Mikrofon kapseln auf einer Ecke eines Dreiecks des L2-Gitters liegt.

2 Mikrofonarray nach Anspruch 1 , wobei die Seitenlänge jedes Dreiecks des L2- Gitters dem geringsten Abstand zwischen zwei der Mikrofonkapseln entspricht.

3 Mikrofonarray nach Anspruch 1 oder 2, wobei der geometrische Mittelpunkt des Arrays im Mittelpunkt eines der Dreiecke liegt, das das mittlere Dreieck (DM) ist, und wobei Positionen im isometrischen Koordinatensystem angegeben werden als Vielfache der Seitenlängen der Dreiecke im Format (L0, L1 , L2) und relativ zu einem Bezugspunkt (R) an derjenigen Ecke des mittleren Dreiecks (DM), die gegenüber seiner parallel zur L0-Achse verlaufenden Seite liegt.

4 Mikrofonarray nach Anspruch 3, wobei das Mikrofonarray fünfzehn Mikrofonkapseln (Kis,n - K1535) enthält, die ausgehend vom Bezugspunkt (R) an den folgenden Positionen, oder an den entsprechenden Positionen einer spiegelbildlichen Anordnung, angeordnet sind:

- Ki5,i 1 =(0,4,0), K15,12=(1 ,3,0), Kis,i3=(2,2,0), Kis,i4=(0,2,2) , Kis,i5=(0,2,1 ), - Kl5,21=(0,0,-3), K15,22=(0,-1 ,-2), Kl5,23=(0,-2,-1), K15,24=(2,0,-1), K15,25=(1 ,0,-1), und

- K15,31=(-3,0,1), Kl5,32=(-2,0,2), KIS,33=(-1 ,0,3), KIS,34=(-2,-1 ,0), KIS,35=(-2,0,0).

5. Mikrofonarray nach Anspruch 3, wobei das Mikrofonarray einundzwanzig Mikrofonkapseln (K21.11 - K2i,37) enthält, die ausgehend vom Bezugspunkt (R) an den folgenden Positionen, oder an den entsprechenden Positionen einer spiegelbildlichen Anordnung, angeordnet sind: - K_21,21=(-5,-1 ,0), K_21.22=(-4,-2,0), K_21,23=(-5,0,1), K_{21 ,24}=(0,-5 ,0) , K_21,25=(0,-5,-1),

K_21,26=(-1 ,-2,0), K21 ,27=(1 ,-2,0); und

- K21 ,31 =(2,0,-4) , K21 ,3₂=(3,0,-3), K_{2I ,33}=(0,0,-5), K21 ,3₄=(5, 1 ,0), K21 ,35=(5,2 ,0) , K_21,36=(3,0,0), K_{21 ,37} ⁼(1 ,2,0).

6. Mikrofonarray nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mikrofonkapseln auf drei gleichartigen, um 120° gegeneinander gedrehten Platinen (PCB1-PCB3) oder

Gruppen von Platinen angebracht sind.

7. Mikrofonarray nach Anspruch 6, wobei die Mikrofonkapseln auf mindestens zwei Gruppen von je drei gleichartigen Platinen (PCB1 1 - PCB3.₂) angebracht sind, wobei jede Platine mindestens zwei Mikrofonkapseln enthält und zu jedem Zweig je eine Platine jeder Gruppe gehört.

8. Mikrofonarray nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Mittelbereich des Arrays zwischen den drei gegeneinander gedrehten Platinen (PCB1-PCB3) oder Gruppen von Platinen keine Platine oder eine Platine ohne Mikrofonkapsel enthält.

9. Mikrofonarray nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Signalverarbeitung eine Strahlformung (Beamforming) durchführt.

10. Mikrofonarray nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Mikrofonarray zur Montage an einer Decke eines Raumes geeignet ist; der Träger eine Metallplatte mit einer schallreflektierenden Oberfläche ist; und jede der Mikrofonkapseln an je einem Loch in der Metallplatte befestigt ist, so dass sie den Schall durch das Loch aufnimmt.

11 . Mikrofonarray nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Seitenlängen der Dreiecke des L2-Gitters im Bereich von 3 - 6 cm liegen, insbesondere im Bereich von 4 - 5 cm.