JP2537785B2 - 単指向性セコンド オ―ダ― グラデイエント マイクロホン - Google Patents

単指向性セコンド オ―ダ― グラデイエント マイクロホン

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JP2537785B2 JP60285897A JP28589785A JP2537785B2 JP 2537785 B2 JP2537785 B2 JP 2537785B2 JP 60285897 A JP60285897 A JP 60285897A JP 28589785 A JP28589785 A JP 28589785A JP 2537785 B2 JP2537785 B2 JP 2537785B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子音響トランジユーサ、より詳細には、単
指向性パターンを持つ指向性マイクロホンに関する。
指向性特性を持つ音響トランジユーサは多くの用途に
使用される。特に、比較的大きな指向性率を持つ単指向
性マイクロホンは広い用途をもつ。これらマイクロホン
の殆んどは、設計次第で（ａ＋cosθ）にを表わされる
各種の指向性特性を示すファーストオーダーマイクロホ
ン（音圧一次傾度マイクロホン）である。このマイクロ
ホンは、既に周知のように２つの検知表面上の音圧間の
差に比例する電気的出力信号を提供するものである。こ
こで、ａは定数であり、θは回転軸に対する角度を表わ
す。このようなシステムによつて最高４までの指向性率
を得ることが可能である。
指向性はコマンド オーダー グラデイエント（音圧
二次傾度）マイクロホンを使用することによつて向上で
きる。これらマイクロホンは（ａ＋cosθ）（ｂ＋cos
θ）によつて与えられる指向性パターンを持ち、最高７
の指向性率を実現する。しかし、このようなマイクロホ
ンはフアースト オーダー設計と比較して複雑で、また
SN比が損なわれる問題を持つ。
本発明においては、２つの市販のファーストオーダー
グラディエントマイクロホン（音圧一次傾度マイクロホ
ン）の各々をバフルの中央に収容することによつて単指
向性感度パターンを持つセコンド オーダー グラデイ
エント マイクロホンが提供される。このバフルは平坦
な面を持つが、これは好ましくは正方形あるいは円形と
され、平行な面を持つ。２つのバフルは互いに平行に置
かれる。マイクロホンの回転軸は一致するように配置さ
れる。マイクロホンの１つからの出力信号が他方から出
力された遅延信号から減算される。
単指向性マイクロホンは、比較的周波数に依存しない
指向性特性を示し、±40度の主ローブの３デシベル ビ
ーム幅を持ち、そして主ローブより約15デシベル低いサ
イド ローブを与える。等化後のマイクロホンの最大感
度方向の周波数レスポンスは0.3kHzから4kHzの間で±3d
B以内であり、マイクロホンの等価ノイズ レベルは28d
B SPLである。
本発明は従来の技術に対して以下の長所を持つ。つま
り、好ましい実施態様は小さなサイズで同一感度を達成
できる。個々のマイクロホンの２つの面の間の有効間隔
が増大され、従つて、好ましくないサイド効果を与える
ことなく、システムの感度が直接的に向上される。好ま
しい実施態様は、簡単な市販のフアースト オーダー
グラデイエント エレクトレツト マイクロホンを使用
するが、任意のタイプのフアースト オーダー グラデ
イエント エレクトレツト トランジユーサが使用でき
る。通常の音声レベルで約30デシベルのSN比が得られ、
また先行技術と比較してバンド幅が拡張できる。この実
施態様は製造が簡単である。
本発明の１つの用途として高い指向性感度及び小さな
サイズが要求される移動無線への応用が考えられる。
第１図には本発明の好ましい実施態様が示される。こ
の単指向性マイクロホン構成は２個の市販の例えば、８
×４×2mm3のサイズのノウレル モデルBW−1789（Know
les model BW−4789）あるいはATTテクノロジーEL−３
（ATT Technologies EL−３）エレクトレツト マイク
ロホンなどのようなフアースト グラデイエント両指向
性マイクロホン14及び24を含むが、これは後部間隙が音
界に対して開かれると、フアーストグラデイエントを生
成する。これらマイクロホンはサイズ３×3cm2あるいは
直径3cmの２つの正方形ないし円形のルサイト、あるい
は他のプラスチツク バフル12及び22内に切り込まれた
開口部に位置される。マイクロホン14及び24とバフル12
及び22との間はエポキシにてシールされる。第１図に示
されるごとく、マイクロホン14及び24は5cmの間隔を置
いて配置され、マイクロホン14及び24の軸が一致するよ
うに方位される。マイクロホン14及び24はバフル12及び
22内にマイクロホンのトツプからバフルのトツプまでの
距離h1がマイクロホンのボタムからバフルのボタムまで
距離h2と等しくなるように位置される。同様に、マイク
ロホンの片方のサイドからバフルの最も近いエツジまで
の距離11がマイクロホンの反対のエツジからバフルの最
も近いエツジまでの距離12と等しくなるようにされる。
バフル12及び22はデバイス18によつて適当に支持され
る。
本発明の原理は第２図を参照することによつて明白と
なる。マイクロホン14は距離d2だけ離された２つのセン
サ、つまり正のセンサ15及び負のセンサ13を含む。同様
に、マイクロホン24は距離d2だけ離された２つのセン
サ、つまり正のセンサ25及び負のセンサ23を含む。個々
のセンサはマイクロホンの面と対応する。この２つのマ
イクロホンの間の距離はd1である。このマイクロホンは
１つの実施態様においては同じ極が互いに向き合うよう
に構成される。
音響源Ｂから伝搬する平面の音波が第２図のデバイス
に突き当るものと仮定する。この音は最初にマイクロホ
ン14によつてピツクアツプされ、次にマイクロホン14か
らの出力は遅延回路20にパスされる。マイクロホン14に
当与つた後、音響源Ｂからの音は距離d1だけ伝搬してマ
イクロホン24に当たる。遅延τが距離d1と等しくされる
と、マイクロホン14及び24からの音響信号は互いに相殺
し合いデバイスからの出力はゼロとなる。この２つの音
響信号の重複が第３図に概念的に示される。
次に音響源Ｆから音が放射されるものと仮定する。こ
の音は最初にマイクロホン24に当たる。この音は次に距
離d1だけ伝搬した後にマイクロホン14に到着し、遅延回
路20を通じて戻され、図示されるようにこれにマイクロ
ホン24からの音が加えられて、この結果、出力を与え
る。
第４図には２つの別の遅延回路＋τ、30及び−τ、35
を持つように修正された第２図の構成が示される。これ
ら遅延回路からの信号出力が次に回路40によつて加えら
れる。片方のマイクロホンからの出力信号が他方に対し
て２τだけ遅延されると、全システムの感度は以下の式
によつて与えられる。
ここで、M0はセンサ13、15、23及び25の各々の感度を
示し、波数ｋ＝ω/cであり、ωは角振動数を表わし、ｃ
は音速を表わし、d3cτに等しく、そしてθはセンサ間
を接続する線に対する入射音の方向を示す。d3/d1に比
によつて異なる指向性利得を持つ各種の指向性図を得る
ことができる。d3/d1＝１の設計は7.5の指向性率を与
え、一方、d3/d1＝3/5の設計では最高８の指向性率が達
成できる。第４図の個々のセンサの出力に追加の遅延を
加えることによつて最高９までの指向性率が達成でき
る。
バブル、例えば、第１図の12及び22は、本発明におい
ては、個々のグラデイエントの２つの音の入り口の間、
つまり、マイクロホン14及び24の２つの表面（内側及び
外側）の間の音の経路差を距離h1、h2、l1、及びl2を変
化させることによつて増加するために使用される。従つ
て、第４図の間隔d2は第１図のバフル12及び24のサイズ
によつて決定される。
グラデイエント マイクロホン14あるいは24の１つか
らの出力は、例えば、マイクロホン14と24の間の間隔d1
に対応する150μｓの遅延時間を持つサードオーダーバ
ターワースフィルタ（３次のバターワースフィルタ）に
よつて遅延できる。このことは、d3/d1の遅延率が得ら
れることを意味する。ω２周波数依存を修正するための
バターワース フイルタ60、増幅器62及び低域フイルタ
64が第６図に示される。この装置に対する対応する理論
極パターンが第５図に示される。このパターンは主ロー
ブ53及び２つの小さなサイド ローブ55及び57を持つ
が、これらはサードオーダー指向性図が対象とされる場
合は、実際には１つの変形した円錐曲線回転体のサイド
ローブである。
単指向性マイクロホンに関する測定が無音響室内で遂
行された。マイクロホンがＢ＆Ｋモデル3922ターンテー
ブル上に搭載され、平面及び球面の音界に対して露出さ
れた。結果がＢ＆Ｋモデル2307レベル レコーダにて作
図された。
マイクロホンの出力が最初に40デシベル増幅され、次
に第６図及び第７図に示されるようにセコンドオーダー
システム（音圧二次傾度系）のω２周波数依存を修正す
るために二段RCフイルタに通過された。0.25から3.5kHz
のレンジの帯域フイルタがバンドずれノイズを除去する
ために使用された。
マイクロホンから約２メートル離れた所に位置する平
面音界源に対する単指向性マイクロホンの指向性特性が
第８図に示される。第８図には、ここで選択されたセコ
ンド オーダー単指向性システムに対する期待される理
論極レスポンス〔1/2cosθ（１＋cosθ）〕も示され
る。1kHz及び2kHzにおいては、実験結果は理論値とほぼ
一致する。500Hzにおいては、サイド ローブは12dB低
いのみであり、期待されるより8dB大きい。全ての周波
数において、マイクロホンは後方向に非消失感度を持
つ。第５図の検討からこれはd3/d1の値１からの偏差、
つまり、フアースト オーダー グラデイエント セン
サの周波数及び位相レスポンスの差に起因するものであ
ると考えられる。
有限距離の音響源の音界に対して露出されたこのよう
な指向性マイクロホンの性能はこれらの小さなノイズの
大きな空間においての使用に大きな意味を持つ。第９図
は0.5メートルの距離に置かれた音響源に対する極レス
ポンスを示す。驚くべきことは、指向性特性が平面波の
場合とほぼ同一であることである。これは無響状態が悪
いためであるとも考えられる。
第10図には1/3オクターブ バンド ノイズ励起に対
するφ＝０、90及び180度についてのマイクロホンの修
正周波数レスポンスが示される。1kHでのマイクロホン
の感度はφ＝０度の最大感度の方向において−60dBV/Pa
である。このマイクロホンは0.3kHzから4kHzにおいては
±3dBの周波数レスポンスを持つ。φ＝90及び180度の最
小感度の方向においては、0.45kHzから2kHzにおいて、
レスポンスは−15dB低い。0.25kHzから3.5kHzの周波数
レンジについて測定された対応するノイズ レベルは28
dBである。
本発明は移動無線に応用できる。第11図には自動車の
屋根82の下の図示されてない運転手側のウインドシール
80の付近に位置された本発明を具現する指向性マイクロ
ホンが示される。このマイクロホン構成はそれぞれ前述
の方法にてマイクロホン91及び93を収容する２つの平行
のバフル92及び94を持つベース90を含む。通常のレスポ
ンスパターンはローブ96によつて示されるごとくであ
る。車の屋根82の寸法は音声レンジの音の波長と比較し
て大きい。このため、周知の音圧ダブリング効果によつ
て、ローブ96がゆがめられ強度が２倍にされる。前述し
たごとく、バフルの寸法を調節することによつてローブ
の指向性及びサイズを制御することが可能である。
第12図には第１図のマイクロホン14及び24に対する第
４図の構成とは異なるもう１つの構成が示される。マイ
クロホン14のセンサ13とマイクロホン24のセンサ25が互
いに向き合うようにされる。この場合はマイクロホン14
及び24からの出力信号は減算される。このような構成は
センサが完全なフアースト オーダー グラデイエント
でない場合に必要となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の好ましい実施態様を示す図； 第２図、第３図及び第４図は本発明の基本となる原理を
図解する図； 第５図、第８図、第９図及び第10図はレスポンス パタ
ーンを示す図； 第６図及び第７図は信号経路を示す図、 第11図は本発明の応用を示す図、そして 第12図は第４図に対応するもう１つの構成を示す図であ
る。 〔主要部分の符号の説明〕 12、22……第１及び第２のバフル 14、24……マイクロホン 40……加算装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−116396（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−151799（ＪＰ，Ａ)

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の波長に対応する第１の周波数から、
    第２の波長に対応する周波数であって第１の周波数より
    も高い第２の周波数の範囲に音響エネルギーが存在する
    ような入射波エネルギーで使用するマイクロホン装置で
    あって、そのおのおのが第１の音響経路長（例えばd2）
    だけ分離された第１及び第２の検知表面を有し、かつ出
    力信号を提供する複数の音圧一次傾度マイクロホン（例
    えば、14,24または91,93）を含むマイクロホン装置にお
    いて、 複数のバッフルであって、おのおののバッフルがそのバ
    ッフルと関連づけられる少なくとも１つのマイクロホン
    を収容する、概ね中央に位置づけられるくぼみを規定
    し、各該関連づけられるマイクロホンの該第１の音響経
    路をふさぎ、そして該第１の音響経路長よりも長く、か
    つ該第２の波長よりも実質的に短い長さの第２の音響経
    路（例えば、h1,h2,l1またはl2）を作り出すための複数
    のバッフル（例えば、12,22または92,94）と、 該マイクロホンの出力信号を結合して該マイクロホン装
    置に対して二次の音圧傾度の指向性パターンを提供する
    結合手段とを含むことを特徴とするマイクロホン装置。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
    て、 該結合手段が、該マイクロホンからの出力信号を加算す
    るものであることを特徴とするマイクロホン装置。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
    て、 該結合手段が、該マイクロホンからの出力信号を減算す
    るものであることを特徴とするマイクロホン装置。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
    て、 該結合手段が、該出力信号の関連する１つを遅延させる
    少なくとも１つの遅延素子（例えば、20または30,35）
    を含むことを特徴とするマイクロホン装置。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
    て、 該第１および第２の検知表面が互いに平行であることを
    特徴とするマイクロホン装置。
  6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
    て、 おのおののマイクロホンの該検知表面が２つの極の相異
    なるものを有していることを特徴とするマイクロホン装
    置。
  7. 【請求項７】特許請求の範囲第６項に記載の装置におい
    て、 該マイクロホンは、互いに向かい合う同じ極の検知表面
    をもって構成されていることを特徴とするマイクロホン
    装置。
  8. 【請求項８】特許請求の範囲第６項に記載の装置におい
    て、 該マイクロホンは互いに向かい合う異なる極の検知表面
    をもって構成されていることを特徴とするマイクロホン
    装置。
  9. 【請求項９】特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
    て、 一対のマイクロホンが、実質的に平行であり、かつ 該第２の波長よりも短い距離（例えば、d1）だけ離れて
    いることを特徴とするマイクロホン装置。
  10. 【請求項１０】特許請求の範囲第１項に記載の装置にお
    いて、 各マイクロホンは、関連するバッフル内の中央に配置さ
    れていることを特徴とするマイクロホン装置。
  11. 【請求項１１】特許請求の範囲第１項に記載の装置にお
    いて、 該装置が、さらに該マイクロホンに接続される少なくと
    も１つの追加のバッフルを含み、該追加のバッフルのお
    のおのは該第２の波長よりも長い寸法をもっていること
    を特徴とするマイクロホン装置。
  12. 【請求項１２】第１の波長に対応する第１の周波数から
    第２の波長に対応する周波数であって、第１の周波数よ
    りも実質的に高い第２の周波数までの範囲に音響エネル
    ギーが存在するような入射波エネルギーで使用するため
    のマイクロホン装置についての指向性感度パターンを生
    成する方法において、 各バッフルに一対のくぼみを作成し、各くぼみは該バッ
    フルの概ね中央に位置づけられており、 第１の音響経路長だけ離れた第１および第２の検知表面
    を有し出力信号を提供する双方向性の音圧一次傾度マイ
    クロホンを各くぼみに配置することによって、該第１の
    音響経路を該第２の波長よりも実質的に短い第２の音響
    経路で置換するものであり、そして 各マイクロホンの出力信号を結合する各ステップを含む
    ことを特徴とする指向性感度パターンを生成する方法。
  13. 【請求項１３】特許請求の範囲第12項に記載の方法にお
    いて、さらにマイクロホン出力信号を結合する前に該マ
    イクロホンの少なくとも１つの出力に遅延を導入するス
    テップを含むことを特徴とする指向性感度パターンを生
    成する方法。
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