KR940003447B1

KR940003447B1 - 단일지향성 마이크로폰 장치 및 단일지향성 마이크로폰 감도 패턴 형성방법

Info

Publication number: KR940003447B1
Application number: KR1019850009581A
Authority: KR
Inventors: 마르틴 세슬러 게르하르트; 에드워드 웨스트 제임스
Original assignee: 아메리칸 텔리폰 앤드 텔레그라프 캄파니; 엘리 와이스
Priority date: 1984-12-20
Filing date: 1985-12-19
Publication date: 1994-04-22
Also published as: KR860005550A; CA1276283C; DE3587217T2; EP0186996A3; EP0186996A2; US4742548A; JP2537785B2; EP0186996B1; DE3587217D1; JPS61150600A

Abstract

내용 없음.

Description

단일지향성 마이크로폰 장치 및 단일지향성 마이크로폰 감도 패턴 형성방법

제1도는 본 발명의 양호한 실시예 도시도.

제2, 제3 및 제4도는 본 발명의 원리를 설명하는데 유용한 도면.

제5, 제8, 제9 및 제10도는 응답 패턴도.

제6 및 제7도는 신호 경로 도시도.

제11도는 본 발명의 응용도.

제12도는 제4도의 대안의 장치도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12,22 : 배플 14,24 : 마이크로폰

23,25 : 감지기 60 : 버터 워쓰 필터

62 : 증폭기 64 : 저역 통과 필터

[기술분야]

본 발명은 전기 음향 변환기(electroacoustic transducers)에 관한 것으로서, 특히 단방향 지향성 패턴(unidirectional directivity pattern)을 갖는 지향성 마이크로폰(directional microphone)에 관한 것이다.

[발명의 배경]

지향 특성을 가진 음향 변환기는 널리 응용된다. 특히, 비교적 큰 지향성 계수(directivity factors)를 가진 단일 지향성 마이크로폰이 널리 사용된다. 대다수의 상기 마이크로폰은, 구성 세부사항에 따라, (a+cosθ)로 기술된 단일지향성 특성을 나타내는 1차 그래디언트(first order gradinets)를 갖는데, 여기서 a는 상수이고 θ는 회전축에 대한 각이다. 최대값이 4인 지향성 계수는 이러한 시스템에 의해 얻을 수 있다.

상기 지향성은 2차 그래디언트 마이크로폰을 사용하므로 개선될 수도 있다. 이들 마이크로폰은(a+cosθ)(b+cosθ)로 주어진 지향성 패턴을 가지며 최대 9의 지향성 계수를 산출한다. 이러한 마이크로폰의 광범위한 사용은 1차 설계에 비해서 보다 복잡한 설계와 신호대 잡음비의 감소로 인해 방해 받는다.

[발명의 개요]

단일지향성 감도 패턴을 가진 2차 그래디언트 마이크로폰은 상업적으로 입수가능한 1차 그래디언트 마이크로폰 2개를 배플(baffle ; 음향 차폐 장치)의 중앙에 수용하므로 얻어진다. 상기 배플은 주로 사각형 또는 원형의 평평한 표면이나 평행한 표면을 갖는데, 2개의 배플은 서로 평행하다. 마이크로폰의 회전축은 일치하도록 배열된다. 마이크로폰중 한 마이크로폰의 출력 신호는 다른 마이크로폰에서 지연된 출력 신호만큼 감산된다.

단일 지향성 마이크로폰은 비교적 주파수 독립적인 지향특성을 나타내며 ±40도의 메인 로브(main lobe)의 3데시벨(㏈) 빔 폭을 가지며, 상기 메인 로브 아래에 약 15㏈의 보조 로브가 나타난다. 균일화(equalization)후에, 최대 감도 방향에서의 마이크로폰의 주파수 응답은 0.3㎑와 4㎑ 사이에서 ±3㏈이내이다. 마이크로폰의 등가 잡음 레벨은 28㏈ SPL에 달한다.

종래기술을 능가하는 이하 잇점은 본 발명에 의해 실현된다. 양호한 실시예는 같은 감도에 대해 보다 작은 크기를 갖는다. 각 마이크로폰의 2개의 표면간의 유효 간격이 증가되어 불필요한 부작용을 초래하지 않고도 시스템의 감도를 직접 증가시킬 수 있다. 상기 양호한 실시예는 상업적으로 입수가능한 그래디언트 일렉트릿(electret) 마이크로폰을 사용한다. 임의의 형태의 1차 그래디언트 소형 변화기가 사용될 수도 있다. 정상 음성 레벨에 대하여 약 30㏈의 신호대 잡음비가 얻어진다. 상기는 종래 기술의 시스템을 능가하는 확장된 대역 폭이다. 상기 실시예는 제조가 용이하다.

본 발명에 대한 적용의 한 예가 고지향성이며 소형이어야 하는 이동 무선(mobile radio)이다.

[상세한 설명]

본 발명의 양호한 실시예가 제1도에 도시되었다. 단일지향성 마이크로폰 장치는 배후 공동이 음향필드에 개방되어 1차 그래디언트를 형성하게 한 크기가 8×4×2㎣인 노울리스(Knowles)사의 모델명 BW-1789 또는 ATT-테크놀러지사의 EL-3 일렉트릿 마이크로폰과 같이 2개의 상업적으로 입수가능한 1차 그래디언트 단일 지향성 마이크로폰(14 및 24)을 포함한다. 이들 마이크로폰은 크기가 3×3㎤인 사각형 또는 직경 3㎝의 원형으로 잘라낸 루시트(LUCITE : 투명합성수지)또는 플래스틱 배플(12 및 22)에 위치한다. 마이크로폰(14, 24)과 배플(12, 22)간의 간격은 에폭시로 밀봉된다. 제1도에 도시된 바와 같이, 배플된 마이크로폰(14, 24)은 5㎝ 이격되어 배열되며 아미크로폰(14, 24)의 축이 일치하도록 방향이 정해진다. 마이크로폰(14, 24)이 배플(12, 22)에 위치되는데, 마이크로폰의 상부에서 배플의 상부까지의 거리 h₁가 마이크로폰의 하부에서 배플의 하부까지의 거리 h₂와 같다. 이와 마찬가지로, 마이크로폰의 한측면에서 배플의 가장 가까운 모서리까지의 거리 l₁이 마이크로폰의 반대쪽 모서리에서 배플의 가장 가까운 모서리까지의 거리와 같다. 배플(12, 22)은 소자(18)에 의해 적절히 지지된다.

본 발명의 원리는 제2도를 참조하므로 보다 더 명백해질 것이다. 마이크로폰(14)은 거리 d₂만큼 이격된 2개의 감지기, 즉 정극성 감지기(15)와 부극성 감지기(13)를 포함하는 것으로 도시되었다. 이와 마찬가지로, 마이크로폰(24)은 거리 d₂만큼 이격된 2개의 감지기, 즉 정극성 감지기(25)와 부극성 감지기(23)를 포함하는 것으로 도시되었다. 각 감지기는 마이크로폰의 표면에 대응한다. 두 마이크로폰의 거리는 d₁이다. 상기 마이크로폰은 같은 극성이 서로 마주하도록 한 실시예에서 배열된다.

음원 B으로부터 진행되는 평면 음파(plane sound wave)가 제2도의 소자상에 충돌한다고 가정한다. 음향은 마이크로폰(14)에 의해 우선적으로 픽업되고 그후에 마이크로폰(14)으로부터의 출력이 지연회로(20)를 통해 통과된다. 음원 B으로부터의 음파는 마이크로폰(14)에 충돌한 후에, 마이크로폰(24)에 충돌하기 전에 거리 d₁를 이동해야 한다. 지연 τ이 거리 d₁과 동일하면, 마이크로폰(14, 24)으로부터의 음향 신호가 서로 상쇄되어 이 장치로 부터 아무런 출력도 나오지 않을 것이다. 두 음향 신호의 중첩이 제3도에 개념적으로 도시되었다.

이제 음원 F으로부터 음향이 방사된다고 가정한다. 이 음향은 마이크로폰(24)에 최초로 충돌할 것이다. 그 다음에 이 음향은 마이크로폰(14)까지의 거리 d₁를 이동하여 지연회로(20)를 통하여 리턴될 것이고, 쉽게 알 수 있듯이, 마이크로폰(24)으로부터의 음향에 가산되어 출력을 발생시킨다.

제4도를 참조하면, 제2도에 도시된 지연회로를 두개의 분리 지연회로(+τ, 30 ; -τ35)로 재작성되어 있다. 그후에, 이들 지연회로로부터의 신호 출력은 회로(40)에 의해 가산된다. 마이크로폰중 한 마이크로폰으로부터의 출력신호가 다른 것에 비해 2τ만큼 지연되면, 전체 시스템의 감도는 다음과 같이 주어지는데,

여기서, Mo=각각의 감지기(13, 15, 23 및 25)의 감도이며, 파 번호

(W는 각 주파수, c=음속)이며, d₃=2cτ이고, θ는 감지기를 연결하는 선에 대한 음의 입사방향이다.

의 비율에 따라, 상이한 지향성 지수를 가진 다양한 지향성 패턴이 얻어진다. 제5도에 두가지 예가 도시되어 있다.

로 설계하면, 7.5의 지향성 계수를 얻을 수 있는 반면에,

이면, 최고 취득 가능한 8의 계수를 얻는다. 9까지의 지향성 계수는 제4도의 개별 감지기의 출력에 부가 지연을 삽입하므로서 이루어질 수 있다.

제1도의 12, 22와 같은 배플이 본 발명에 사용되어, 거리(h₁, h₂, l₁, l₂)를 변화시키므로 각 그래디언트의 2개의 음향 입구, 즉 마이크로폰(14 및 24)의 두 표면(내부 및 외부)간의 음향 경로 차이를 증가시킨다. 따라서, 제4도의 간격 d₂는 제1도의 배플(12, 22)의 크기에 의해 결정된다.

그래디언트 마이크로폰(14 및 24)중 하나의 출력은, 예를들면 마이크로폰(14,24)사이의 간격 d₁에 대응하게, 150㎲의 지연 시간을 갖는 3차 버터워쓰 필터(Butterworth filter)에 의해 지연될 수 있다. 이렇게 하여,

의 지연비가 얻어진다. W²주파수(종속)을 정정하는 버터워쓰 필터(60), 증폭기(62) 및 저역 통과 필터(64)가 제6도에 도시되어 있다. 이 장치에 대응하는 이론상의 극성 패턴이 제5도에 도시되어 있다. 이 패턴은, 3차원 지향성 패턴을 고려된다면, 실제로 단일 변형 환상 측면 로브(single deformed toroidal side lobe)인 2개의 작은 측면 로브(55, 57)와 메인 로브(53)로 구성된다.

단일지향성 마일크로폰에 대한 측정은 무향실(반향이 없는 방)에서 수행된다. 마이크로폰은 B ＆ K 모델 3922 턴테이블에 장착되어 평면이고 구면인 음향필드에 노출된다. 그 결과가 B ＆ K 모델 2307 레벨 레코더로 그려진다.

마이크로폰의 출력은 먼저 40㏈로 증폭되고 그후에 2스테이지 RC 필터를 통해 통과되고 제6 및 7에 도시된 2차 시스템의 W²주파수 종속을 정정시킨다. 0.25 내지 3.5㎑의 범위를 갖는 대역 통과 필터는 대역 잡음의 유추를 제거하는데 사용된다.

마이크로폰으로부터 약 2미터 떨어져 있는 음원인 평면 음향 필드에 대한 단일지향성 마이크로폰의 지향성 특성이 제8도에 도시되어 있다. 제8도는 본원에서 선택된 2차 단일지향성 시스템에 대해 예상된 이론상의 극성 응답[1/2cosθ(1+cosθ)]을 도시한다. 1㎑와 2㎑에서 실험결과는 이론과 논리적으로 일치한다. 500Hz에서 보조 로브는 12㏈ 감소되지만 예상보다 8㏈ 더 크다. 모든 주파수에서 마이크로폰은 역방향에 대해서도 소실되지 않은 감도를 갖는다. 제5도를 보면, 상기가 값 1로부터

의 편차 또는 1차 그래디언트 감지기의 주파수 및 위상 응답의 차이에 의한 것임을 알 수 있다.

한정된 거리에 있는 음원의 음향 필드에 노출된 상기 지향성 마이크로폰의 성능은 잡음이 적은 공간에서 사용할때 매우 중요하다. 제9도는 0.5미터의 거리에 위치된 음원에 대한 극성 응답을 도시한다. 놀랍게도 지향성 특성은 평면파의 경우와 거의 같다. 이것은 반향 조건이 나쁘기 때문일 수도 있다.

ø=0.90 및 180도에 대한 마이크로폰의 정정된 주파수 응답이 1/3 옥티브 대역 잡음 여기(1/3 cotave band noise excitation)에 대하여 제10도에 도시되었다. 1㎑에서의 마이크로폰 감도는 ø=0도에서 최대 감도 방향으로 -60㏈v/Pa이다. 마이크로폰은 0.3㎑에서 4㎑일 때 ±3㏈내의 주파수 응답을 갖는다. ø=90 및 180도인 최소 감도의 방향에서, 상기 응답은 0.45㎑ 및 2㎑ 사이에서 -15㏈ 감소된다. 주파수 범위 0.25㎑ 내지 3.5㎑에 대해 측정된 마이크로폰의 등가 잡음 레벨은 28㏈이다.

본 발명은 이동 무선에 사용된다. 제11도를 참조하면, 자동차 앞유리(80) 근처와 운전자(도시되지 않음) 근처의 자동차의 지붕(82) 밑에 위치된 본 발명을 실시하는 지향성 마이크로폰이 도시되었다. 상기 마이크로폰 장치는 본원에서 전술된 방식으로 마이크로폰(91 및 93)을 각기 수용하는 2개의 평행한 배플(92 및 94)을 구비한 베이스(90)를 포함한다. 정상 응답 패턴은 로브(96)로 도시되어 있다. 자동차의 지붕(82)의 크기는 음성 영역에 있는 음향의 파장에 비해 더 크다. 상기가 로브(96)를 축처지게 해 공지의 압력 배가 효과(pressure doubling effect)에 의해 그 감도가 두배로 되게 한다. 전술된 바와 같이, 배플의 크기를 조정하므로, 로브의 지향성 및 크기가 조절된다.

제1도의 마이크로폰(14, 24)에 대하여 제4도에 도시된 것과 다른 대안의 장치가 제12도에 도시되었다. 마이크로폰(14)의 감지기(13)와 마이크로폰(24)의 감지기(25)는 서로 마주보도록 배치된다. 마이크로폰(14, 24)으로부터의 출력신호는 이 경우에 감산된다. 감지기가 1차 그래디언트가 아닐 경우, 이러한 배열이 반드시 필요하다.

Claims

제2주파수가 제1주파수 보다 실제로 더 크며, 상기 제1 및 제2주파수가 제1 및 제2파장에 각기 대응하게, 상기 제1주파수에서 제2주파수까지 가변하는 주파수를 가진 입사파 에너지를 사용하는 마이크로폰 장치에 있어서, 상기 장치는 제1음향 경로에 의해 분리된 제1 및 제2감지표면을 각각 구비하며, 출력 신호를 각각 제공하는 다수의 1차 그래디언트 마이크로폰과 ; 적어도 하나의 관련 마이크로폰을 각각 수용하며, 각 관련 마이크로폰의 상기 제1음향 경로를 각각 차단하고, 상기 제1음향 경로보다 더 크며 상기 제2파장 보다 실제로 더 작은 제2음향 경로를 각각 만드는 다수의 배플 및 ; 상기 마이크로폰 장치에 2차 지향성 응답 패턴을 제공하기 위해 상기 마이크로폰의 출력신호를 결합시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치.
제1항에 있어서, 상기 결합 수단은 상기 마이크로폰으로부터의 출력신호를 가산하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치.
제1항에 있어서, 상기 결합 수단은 상기 마이크로폰에서 출력 신호를 감산하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치.
제1항에 있어서, 상기 결합 수단은 상기 출력신호중 관련 출력을 지연시키는 적어도 하나의 지연 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2감지 표면은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치.
제1항에 있어서, 각 마이크로폰의 상기 감지 표면은 두가지 극성중 상이한 한 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치.
제6항에 있어서, 상기 마이크로폰은 서로 동일한 극성이 대면하게 감지 표면이 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치.
제6항에 있어서, 상기 마이크로폰은 서로 상이한 극성이 대면하게 감지 표면이 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치.
제1항에 있어서, 한쌍의 마이크로폰이 실제로 평행하고 상기 제2파장보다 적은 거리 만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치.
제1항에 있어서, 각 마이크로폰이 관련 배플내의 중심에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치.
제1항에 있어서, 상기 마이크로폰에 접속되어지며, 상기 제2파장 보다 크기가 더 큰 적어도 하나의 부가의 배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치.
제2주파수가 제1주파수보다 실제로 더 크며, 상기 제1 및 제2주파수가 제1 및 제2파장에 각기 대응하게, 상기 제1주파수에서 제2주파수까지 가변하는 주파수를 가진 입사파 에너지를 사용하는 마이크로폰 장치용 지향성 감도 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은 각 배플에 한쌍의 레세스(홈)을 뚫는 단계와, 제1음향 경로에 의해 분리된 제1 및 제2감지 표면을 가진 단일 지향성 1차 마이크로폰을 배치(출력신호를 제공하는 각 마이크로폰의 배치에 의해, 상기 제1음향 경로가 상기 제2파장 보다 실제로 적은 제2음향 경로로 대체됨)시키는 단계, 및 각 마이크로폰의 출력 신호를 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치용 지향성 감도 패턴 형성 방법
제12항에 있어서, 마이크로폰 출력 신호를 결합시키기에 앞서, 적어도 하나의 상기 마이크로폰의 출력에 지연을 초래하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 장치용 지향성 감도 패턴 형성 방법.