WO2019211487A1 - Mikrofonarray - Google Patents

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WO2019211487A1
WO2019211487A1 PCT/EP2019/061529 EP2019061529W WO2019211487A1 WO 2019211487 A1 WO2019211487 A1 WO 2019211487A1 EP 2019061529 W EP2019061529 W EP 2019061529W WO 2019211487 A1 WO2019211487 A1 WO 2019211487A1
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WO
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microphones
microphone array
microphone
high sensitivity
circle
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PCT/EP2019/061529
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Inventor
Alexander Krüger
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Sennheiser Electronic Gmbh & Co. Kg
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    • H04R2430/23—Direction finding using a sum-delay beam-former

Definitions

  • the invention relates to a microphone array.
  • the acoustic events on the playing field may be particularly interesting for immersive playback, such as the sounds of the ball, the bat, etc., and the conversations of the players, referees, coaches, etc.
  • the noise mainly comprises the noise of the audience, which is usually located in the sports venues on bleachers.
  • the microphones for sound recording should not obstruct the view neither the audience nor the cameras usually available.
  • a typical example is the playing field of a football stadium, where ball sounds, player calls, the referee's whistle and coaching instructions are to be recorded. Comparable problems can occur in other sports such as baseball or in other situations in which sound recordings are to be made of sound sources that are distributed over a flat surface and possibly movable and despite noise from the environment not directly provided with a microphone can be.
  • a solution known as "KICK" by LAWO consists of a set-up of numerous directional microphones or microphones with a super-cardioid characteristic distributed around a soccer field at the edge of the field parallel to the ground (https://www.lawo.com/en/products /audio-production-tools/kick.html).
  • the position data is input to an automatic audio mixing unit which also receives the output signals of the microphones and processes and weights and mixes them according to the position data.
  • the underlying idea is that signals from microphones that are closest to the current ball position are weighted very highly.
  • a disadvantage of this known solution is that a high cabling effort is required.
  • the cables and microphones must be routed before each game and dismantled after each game. Additional microphones require additional cables and make the system more expensive.
  • the fixed orientation of the microphones ensures that their optimally detected area must be relatively wide to cover also areas between adjacent microphones. Nevertheless, these areas are recorded only with low sound quality and thus suboptimal.
  • a larger detection area of the microphones in the plane azimuth angle
  • the vertical detection area elevation angle
  • Another possible solution consists in manual alignment or tracking of directional microphones with a particularly high directivity. However, this is associated with a time delay. In addition, in the case of manual alignment operator for each directional microphone is necessary, and it can transmit structure-borne noise to the microphone. A possible remote control for tracking the microphones would both additional delays and engine noise occur that would inevitably recorded by the microphone and audible as noise. A misalignment of a directional microphone affects different frequencies differently, because the directivity of the directional microphones is higher for higher frequencies than for lower ones. This causes the tone of the sound signal to change constantly. Another known solution for achieving high directivity is beamforming. The output signals of several, arranged in an array microphones are interconnected, for example by means of delay, addition and filtering.
  • the resulting beam ie the region of particularly high sensitivity, has an adjustable direction and is usually rotationally symmetrical.
  • the particular shape of the beam depends on the type, number and arrangement of the microphones as well as the algorithm used for the combination.
  • Typical algorithms include the delay and summation algorithm ("delay-and-sum", DS) and the “minimum variance distortionless response” (MVDR) algorithm, which however also have disadvantages.
  • DS delay-and-sum
  • MVDR minimum variance distortionless response
  • microphone arrays are constructed from microphones with little or no directivity because they are easy to handle and inexpensive. In order to obtain a high directivity over a wide azimuth angle and a comparable directivity with respect to the elevation, very many microphones are necessary, which leads to a high computational effort. It is therefore an object of the present invention to provide a microphone arrangement which solves the above problems.
  • an array of circular shotgun microphones is known (Y. Sasaki, T. Nishiguchi, K. Ono: “Development of multichannel single-unit microphone using shotgun microphone array”).
  • adjacent shotgun microphones are used to narrow the rotationally symmetrical directional characteristic of each individual shotgun microphone at low frequencies by filtering in addition to the respective direction.
  • shotgun microphones are considered an alternative Beamforming used.
  • An object of the present invention is to provide a microphone assembly with a particularly high directivity in the vertical direction and a high, but adjustable within wide limits directivity in the horizontal direction.
  • the object is achieved by the microphone array specified in claim 1.
  • a microphone array has a plurality of microphones whose output signals are combined to form at least one common output signal, wherein the microphones are shotgun microphones with a preferred direction of high sensitivity is arranged.
  • the microphones are also essentially uniform on a circle or circular portion such that each of the microphones has another preferred direction of high sensitivity, and preferably the angles between the individual microphones are substantially equal over the entire circle or circle segment.
  • the microphones can point inwards or outwards with respect to the circle or circle section. In one embodiment, all microphones lie substantially in one plane. In another embodiment, the microphones are in several, z. B. two or three, parallel and adjacent levels. The thickness of each level can correspond approximately to the diameter of a microphone or shotgun.
  • the common output of the microphone array is obtained by beamforming. Due to the high directivity of the shotgun microphones, both the elevation angle and the azimuth angle of the detection range of the arrangement are very small, while the azimuth angle in a very large range, which can be up to 360 °, is adjustable. The resulting directivity of the microphone array in the azimuth direction can be stronger than the directivity of a single shotgun microphone, even if none of the shotgun microphones points in the appropriate direction. In embodiments in which the microphones are distributed over a full circle, always show some shotgun microphones against the actual target direction. This allows a consistent directional characteristic regardless of the orientation of the microphone array.
  • a method for audio recording by means of shotgun microphones is specified in claim 12.
  • FIG. 1 shows a microphone array in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a shotgun microphone with interference tube
  • FIG. 3 shows a block diagram of a signal processing for the beamforming algorithm
  • FIG. 5 shows a microphone array in a third embodiment
  • FIG. 6 shows a microphone array in a fourth embodiment
  • FIG. 7 shows a block diagram of a multi-focus signal processing for the beamforming algorithm
  • 8 shows a diagram of the radial components of modal responses of a Sennheiser MKH8070 shotgun microphone
  • FIG. 10 is a perspective view of a microphone array in an embodiment.
  • each of the directional microphones 110 contains a microphone capsule, wherein the microphone capsules of all directional microphones 110 are arranged on a circle 120 with the radius r about a center point C around.
  • each directional microphone 110 includes an interference tube orthogonal to the circle 120 and directed radially outward. The interference tube provides the directional characteristic of the respective directional microphone.
  • the microphones are therefore also referred to as shotgun microphones. The preferred direction of high sensitivity of each
  • Shotgun microphone is in its respective longitudinal direction, ie also orthogonal to the circle 120 and radially to the entire arrangement.
  • each microphone has another preferred direction of high sensitivity.
  • all shotgun microphones can be arranged substantially in a common plane. The entire arrangement is e.g. positioned in a football stadium substantially horizontally, so that the shotgun microphones are aligned parallel to the ground.
  • the shotgun microphones could be arranged in two or more different planes. These levels should preferably be close together.
  • the microphones can basically also be arranged in completely different levels, but then the sensitivity of all microphones with respect to a defined elevation should be similar. In other words, the "viewing directions" or focus areas of the various microphones should all be substantially in one plane at an intended distance.
  • the radius of circle 120 or circular segment determines the alias frequency and the operating frequency range. A larger radius with a constant number of directional microphones results in enhancements for low frequencies, leading to a shift of this range to lower frequencies and to a lower alias frequency. Increasing the number of microphones results in a higher alias frequency.
  • the shotgun microphone 200 includes a tube 210 acting as an interference tube with a microphone capsule 240 (not visible in the drawing) therein.
  • the microphone capsule can be electrically connected via an electrical connection 250 at the rear end of the shotgun microphone.
  • the aiming tube 210 includes in this example at its front end one or more openings 230, which serve the sound inlet. Laterally distributed over the length of the tube are further openings 220, through which sound arriving laterally can also enter the tube. This incident sound also passes through the openings 230 in the tube, but out of phase because of the longer path. In the tube, it overlaps with the incident through the side openings 220 lateral sound.
  • the side openings 220 of the interference tube are normally not distributed over its circumference, but are located on only one side, which is referred to below as the top of the shotgun microphone.
  • Shotgun microphones offer the advantage of a particularly high directivity, which refers both to a very small azimuth angle and a very small elevation angle.
  • the elevation angle is the angle perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1.
  • the azimuth angle, ie the angle in the drawing plane of FIG. 1 of each shotgun microphone is very small, but by including adjacent shotgun microphones and by suitable calculations for combining the different microphone signals can be a directivity of the entire arrangement in the plane control.
  • the directivity of a rotationally symmetrical arrangement as in FIG. 1 can be controlled electronically in any direction of the plane, ie at any arbitrary azimuth angle.
  • the elevation angle of the directional characteristic of the entire arrangement is the same as the elevation angle of the directional characteristic of each directional tube microphone, so very small. Therefore, it is not necessary to arrange microphones in multiple vertical planes to achieve high vertical directivity. This results in a flat arrangement that does not disturb the view of the audience or cameras in a sports stadium, for example, when the microphone array is positioned at the edge of the field. In addition, no calculations are required for a (possibly time-variable) combination of the microphone signals via the vertical axis.
  • a further advantage of a rotationally symmetrical arrangement as in FIG. 1 is that the directivity as well as the frequency characteristic is uniform in any direction of the plane, ie at any arbitrary azimuth angle.
  • One possible and particularly advantageous signal processing for the microphone array is the beamforming algorithm.
  • the beamforming is based on the so-called modal beamforming, which is especially suitable for configurations in which all microphones have essentially the same directivity (directivity) and are arranged on a sphere or on a circle.
  • directivity directivity
  • the number Q of the used microphones determines the maximum realizable degree M of the output signal, which corresponds to the spatial resolution of the radiation pattern (beam pattem), according to M
  • the processing is done in two steps: (a) frequency-independent mixing (or matrixing) of the microphone signals to produce 2M + 1 intermediate or mixed signals, and (b) filtering and then weighting and summing the intermediate or mixed signals.
  • the control ie the indication of information about the desired azimuth angle Ft
  • the control can be achieved either manually or automatically, eg by a visual tracking system.
  • the filtered signals are weighted prior to summing, which facilitates the simultaneous recording of multiple sound sources as targets. An example is shown in Fig. 7 and will be explained below.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a signal processing for the modal beamforming algorithm for an array of circularly arranged directional microphones.
  • the Q microphone signals C (w, ci C (w, co) are mixed independently of frequency in a transformation matrix ⁇ (f 1 , f 2 , ..., Fo) 310.
  • the transformation matrix applies to a desired maximum degree and provides (2M + 1) output signals.
  • Each output signal is filtered, whereby of the (2M + 1) filters 320, ..., 322 ', one filter 320 occurs once and all others twice as a filter pair 321, 32T.
  • the filter 321 for the (-M + 1) th output of the matrix and the filter 32T for the (M-1) th output of the matrix are equal.
  • Each filter or filter pair has its own filter function, according to an order of a specific mode.
  • the output of each filter 32Q, ..., 322 ' is output in one or more weighting units 330 corresponding to the desired azimuth direction Ft with a corresponding value (gain). g ⁇ weighted.
  • the 2M + 1 weighted filtered composite signals are summed in a summation unit 340, and the sum signal U (w) can then either be output as output 360, or optionally filtered in an equalization filter 350 and then output.
  • a very flexible time-varying beamforming is possible.
  • the number of directional microphones determines the spatial resolution of the possible directional characteristic, in particular the maximum directivity index, which indicates the ratio between the output power with respect to a desired target direction and the total output power integrated over all other directions.
  • the circular harmonic transform described below it is advantageous to use a uniform distribution of the microphones on a circle in view of the assumption made therefor. This ensures consistent signal quality over all (azimuth) directions, as intended in modal beamforming.
  • FIG. 5 shows a microphone array 500 in a third embodiment, in which each of the eleven directional microphones 510i,..., 510n is rotated by an angle a and their microphone capsules are arranged on a circle 520.
  • the algorithm used must take this rotation into account, with very small angles being negligible.
  • FIG. 6 shows a microphone array 600 in a fourth embodiment, in which eleven directional microphones 610i,..., 610n are again distributed uniformly over a semicircle 620. For a central alignment near 0 ° corresponding to the microphone 610e, this arrangement is easily replaceable.
  • a microphone array of the shape shown in Fig. 6 is e.g. replaceable at the corners of a playing field where a range of substantially 90 ° is to be detected.
  • Fig. 7 shows a block diagram of a multi-focus signal processing for the beamforming algorithm.
  • the multi-focus signal processing includes a mixing matrix 310 for mixing the microphone signals to (2M + 1) mixed signals, where M is the order of the common output, and a plurality of (2M + 1) filters 320,321, 321 ', 322,322 * for filtering the mixed signals, resulting in filtered mixed signals QF-M, QF-M + I, ..., QFO, ..., QFM-I, QFM.
  • the filtered ones Mixed signals are now forwarded not only to (2M + 1) first weighting units 330i, but also to (2M + 1) second weighting units 3302.
  • the first weighting units 330i weight each of the filtered composite signals with a first weighting gM ( ®Ti ) ,. .., go ⁇ ®Ti ) ,. .., gM i ®Ti ) , and the second weighting units 3302 weight each of the filtered composite signals with a second weight gM ( ®T2 ) ,.
  • each first weighting unit corresponds to the first preferred high sensitivity direction Fti
  • the weighting of every other weighting unit corresponds to the second preferred high sensitivity direction
  • FTS first weighting units 330i and the output signals of the second weighting units 3302 are separately added in two separate summation units 340I, 3402, optionally filtered 350I, 3502, and then outputted.Thus, the microphone array simultaneously has two preferred high sensitivity directions Fti, Ft2.
  • the second weighting units 330 2 are the same process filtered mixed signals as the first weighting units 330i and use only another directional information for the preferred high sensitivity direction Ft2. Therefore, the filters 320, ..., 322 'need only be calculated and implemented once, because they are direction independent.
  • the weighting units can be implemented as multipliers, for example.
  • the entire arrangement shown in FIG. 3 or in FIG. 7 can be realized by one or more microprocessors, if necessary with corresponding software programs.
  • ro is the radius of the circle and the azimuth glows of the qth microphone measured counterclockwise in the xy plane from the x axis.
  • the representation of the q-th microphone signal in the frequency domain at an angular frequency w can be described as a superposition (composition) of responses to individual plane waves that arrive from all possible azimuth angles F, ie
  • H (w, F) is the so-called plane wave amplitude density function, which is essentially a frequency domain representation of the sound pressure at the origin originated by a single plane wave incident at an azimuth angle F.
  • H (w, xq , f) is the directional characteristic of the qth microphone.
  • the individual weights H h (w, x q ) of the circular harmonic series in (4) are referred to as modal responses of degree m.
  • the modal responses can be factored into a frequency- and radius-dependent component and another component that depends only on the azimuth angle according to
  • FIGS. 3 and 7 A block diagram of a typical modal beamformer is shown in FIGS. 3 and 7 as described above. The two steps mentioned below are described in more detail below.
  • the maximum absolute value of the degree m that can be reconstructed is also finite and depends on the distribution of the spatial sampling points x q on the circle.
  • the weights are all the same for the particular case of uniform distribution, viz and the maximum absolute value of the degree m that can be reconstructed is given by
  • this matrix is frequency independent.
  • the individual plane waves of the acting sound field are now weighted in accordance with a desired directional characteristic in order to be subsequently integrated or summed up.
  • the maximum degree M of the circular harmonic series coefficients of the amplitude density function of the plane wave determines the maximum possible spatial resolution of the desired directional characteristic. Therefore, a prototype of a desired directional characteristic is defined by means of a broken circular harmonic series expansion of the same degree M:
  • the current beamformer output signal 7 (w) in the frequency domain is calculated as the weighted sum of the circular harmonic series coefficients of the amplitude density function of the plane wave as follows:
  • the frequency-independent directional characteristic used here is advantageous and desirable.
  • an equalizing filter 350, 350 ' may be applied to the output signal 7 (w) of the beamformer to produce a directional coloration or to compensate for directional staining, e.g. to attenuate high-frequency signal components affected by spatial aliasing.
  • the radius of the circle on which the microphone capsules of the directional microphones are arranged influences at least two characteristic values of the array, namely the directivity which can be achieved in practice at low frequencies and the frequency at which spatial aliasing sets in.
  • the directivity at low frequencies is affected as follows.
  • the radial components & m (c ⁇ j , r 0 ) of the modal responses typically have a high-pass characteristic, with the cutoff frequency increasing with the degree index m.
  • FIG. 8 shows by way of example a diagram of the radial components of modal responses for different degrees m of a Sennheiser MKH8070 shotgun microphone, plotted over a product 0 .
  • the contributions of the modes with increasing degree m within the measured microphone signals (16) very small. Therefore, in order to reconstruct the corresponding circular harmonic series coefficients of the amplitude density function of the plane wave, a high gain of -j- - is necessary (see (26))
  • Spatial aliasing is a phenomenon that occurs when, for example, a sound field is scanned at too few sample points in order to detect high-frequency spatial oscillations of the sound pressure. Since the relevance of higher-order circular harmonics within the signature function normally increases with the spectral frequency, so does the size of the spatial aliasing error. In particular, the angular frequency at which the contribution of the circular harmonics with degrees greater than M to the signature function becomes significant can be regarded as the frequency at which the aliasing effect becomes disturbing or noteworthy. Essentially, this angular frequency is included
  • the spatial aliasing frequency can be increased by reducing the radius r of the array.
  • the number of microphones can be increased.
  • FIG. 9 schematically shows a microphone array 900 with eleven shotgated microphones in a fifth embodiment, in which the individual shotgun microphones 910i,..., 91011 are oriented substantially in the direction of the center C of the array.
  • the respective microphone capsules lie on the circle 920 of radius r.
  • FIG. 10 shows in a further embodiment a perspective view of a similar microphone array 1000 with fifteen shotgun microphones 1010i,..., 1010i5, which are likewise aligned in the direction of the center C of the array.
  • the microphones can e.g. to be mounted on a ring or plate.
  • the side openings 220 of the interference tubes of the shotgun microphones 1010i, ..., 1010i5 must not be obscured, since they represent the most important inlet openings for the sound here.
  • the shotgun microphones 1010i, ..1010is are not replaced by the opposite ones, i. disturbed in the "direction of view" shotgun microphones.
  • the shotgun microphones 1010i, ..., 1010i5 are therefore arranged so that their tops with the side openings 220 are freely accessible to the sound and preferably all point in the same direction.
  • the shotgun microphones 1010i,..., 1010i5 lie essentially in one plane, wherein the directivity of the microphone array can be controlled electronically within this plane. It should be noted that the illustration in Fig. 10 is not necessarily to scale. For example, the microphones 1010i, ..., 101 Ois should be distributed as evenly as possible over the circle 1020.
  • a particular advantage of the microphone array according to the invention is that it does not have to be moved, but remains stationary, whereby the direction of highest sensitivity can be adjusted by electronic control, in the case of the circular arrangement in any direction within the circle plane (corresponding to an azimuth). Mutual angle of 0 ° -360 ° with horizontal structure). It may be useful in other applications to position the circle plane vertically to detect an elevation angle of 0 ° -360 ° while keeping the azimuth angle of the detection area very low. Likewise, any intermediate orientations of the microphone level are possible. As shown in the drawings, there is no microphone in the center of the assembly.
  • the specified number of directional microphones per array is the respective Minimum number; it is always possible and may be advantageous to increase the number Q of microphones, as explained above. The number Q can be even or odd.
  • the invention relates to a method of audio recording by means of a microphone array of directional microphones, wherein at least one common output signal is generated containing the sound in an adjustable preferred direction of high sensitivity of the microphone array, comprising the steps of: mixing a plurality of microphone signals in a mixing matrix on (2M + 1) mixed signals, where M is the order of the common output signal, and wherein the microphone signals come from the directional microphones and the directional microphones are arranged substantially in one plane and on a circle or circle section such that a preferred one for each of the directional microphones Direction of high sensitivity is substantially orthogonal outward or inward of the circle or circular section, filtering the mixed signals in a plurality of (2M + 1) filters, resulting in filtered mixed signals, weighting each of the filtered mixed signals with a weighting in a plurality of (2M + 1) weighting units, wherein the weighting of each weighting unit corresponds to the adjustable preferred direction of high sensitivity of the microphone array, and summing up the (2M + 1) weighte
  • the embodiments described above are exemplary and can be combined with each other, even if such a combination is not explicitly mentioned.
  • the individual directional microphones can also point inwards in an array arrangement as shown in FIG. 5, as in FIGS. 9 and 10.

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Abstract

Für bestimmte Anwendungsfalle, wie z.B. in einem Sportstadion, wird ein Mikrofonarray mit besonders hoher Richtwirkung in vertikaler Richtung und einer hohen, jedoch in weiten Grenzen einstellbaren Richtwirkung in horizontaler Richtung bereitgestellt. Das Mikrofonarray (100) hat eine Mehrzahl von Mikrofonen (110), deren Ausgangssignale zu mindestens einem gemeinsamen Ausgangssignal (360) kombiniert werden. Die Mikrofone sind Richtmikrofone mit einer bevorzugten Richtung hoher Empfindlichkeit (115) und im Wesentlichen in einer Ebene auf einem Kreis (120) oder Kreisabschnitt angeordnet, sodass jedes Mikrofon eine andere bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit aufweist. Dabei liegt für jedes der Mikrofone die bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit (115) im Wesentlichen orthogonal zu dem Kreis oder Kreisabschnitt. Ein gemeinsames Ausgangssignal (360) des Mikrofonarrays wird durch Strahlformung (310,..., 350) gewonnen. Das Mikrofonarray (100) hat eine einstellbare bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit, wobei das gemeinsame Ausgangssignal (360) den aus dieser einstellbaren Richtung aufgenommenen Schall enthält.

Description

Mikrofonarray
Die Erfindung betrifft ein Mikrofonarray.
Hintergrund
Bei Tonaufnahmen in großen Sportstätten können für eine immersive Wiedergabe die akustischen Ereignisse auf dem Spielfeld besonders interessant sein, so wie Geräusche des Balls, des Schlägers usw. und die Gespräche der Spieler, Schiedsrichter, Trainer, usw.
Dabei ist es wegen der vielen Umgebungsgeräusche schwierig, eine gute Tonqualität und Sprachverständlichkeit zu erreichen. Das hängt damit zusammen, dass Mikrofone oft am Spielfeldrand positioniert sein müssen, weil ein großer Abstand zu den gewünschten Schallquellen eingehalten werden muss. Die Störgeräusche umfassen im Wesentlichen den Lärm des Publikums, das sich in den Sportstätten normalerweise auf Zuschauertribünen befindet. Außerdem sollten die Mikrofone zur Tonaufnahme weder dem Publikum noch den üblicherweise vorhandenen Kameras die Sicht versperren.
Ein typisches Beispiel ist das Spielfeld eines Fußballstadions, bei dem Ballgeräusche, Spielergespräche, das Pfeifen des Schiedsrichters und Traineranweisungen aufgenom- men werden sollen. Vergleichbare Probleme können bei anderen Sportarten wie z.B. Baseball oder auch in anderen Situationen auftreten, in denen Tonaufnahmen von Schallquellen gemacht werden sollen, die weit über eine ebene Fläche verteilt und ggf. beweglich sind und die trotz Störgeräuschen aus der Umgebung nicht direkt mit einem Mikrofon versehen werden kön- nen.
Eine unter der Bezeichnung„KICK“ bekannte Lösung der Firma LAWO besteht in einem Aufbau aus zahlreichen Richtmikrofonen oder Mikrofonen mit Supernierencharakteristik, die um ein Fußballspielfeld herum am Spielfeldrand parallel zum Boden verteilt sind (https://www.lawo.com/en/products/audio-production-tools/kick.html). Zur Erfassung der Ballgeräusche wird die Position des Balls automatisch oder halbautomatisch visuell verfolgt. Die Positionsdaten werden in eine automatische Audio-Mischeinheit gegeben, die auch die Ausgangssignale der Mikrofone erhält und entsprechend der Positionsdaten verarbeitet bzw. gewichtet und mischt. Die dahinterstehende Idee ist, dass Signale von Mikrofonen, die der momentanen Ballposition am nächsten sind, besonders hoch gewichtet werden. Ein Nachteil dieser bekannten Lösung ist, dass ein hoher Verkabelungsaufwand erforderlich ist. Die Kabel und die Mikrofone müssen vor jedem Spiel verlegt und nach jedem Spiel wieder abgebaut werden. Zusätzliche Mikrofone erfordern zusätzliche Kabel und verteuern das System. Außerdem sorgt die feste Ausrichtung der Mikrofone dafür, dass deren optimal erfasster Bereich relativ breit sein muss, um auch Bereiche zwischen benachbarten Mikrofonen abzudecken. Trotzdem werden diese Bereiche nur mit geringer Tonqualität und somit suboptimal erfasst. Darüber hinaus führt ein größerer Erfassungsbereich der Mikrofone in der Ebene (Azimutwinkel) auch dazu, dass der vertikale Erfassungsbereich (Elevationswinkel) größer wird, da die Richtcharakteristiken bekannter Mikrofone rotationssymmetrisch sind. Dies führt dazu, dass Geräusche aus den höher gele- genen Zuschauertribünen miterfasst werden.
Eine andere mögliche Lösung besteht in einer manuellen Ausrichtung oder Nachführung von Richtmikrofonen mit besonders hoher Richtwirkung. Dies ist jedoch mit einer zeitlichen Verzögerung verbunden. Außerdem ist im Fall der manuellen Ausrichtung Bedienpersonal für jedes Richtmikrofon notwendig, und es kann sich dabei Körperschall auf das Mikrofon übertragen. Bei einer möglichen Fernbedienung zur Nachführung der Mikrofone würden sowohl zusätzliche Verzögerungen als auch Motorgeräusche auftreten, die zwangsläufig vom Mikrofon aufgenommen und als Störgeräusche hörbar würden. Von einer fehlerhaften Ausrichtung eines Richtmikrofons sind verschiedene Frequenzen unterschiedlich betroffen, weil die Richtwirkung der Richtmikrofone für höhere Frequenzen stärker ist als für niedrigere. Dies führt dazu, dass sich die Klangfarbe des Tonsignals ständig ändert. Eine weitere bekannte Lösung, um eine hohe Richtwirkung zu erzielen, ist die Strahlformung (beamforming). Dabei werden die Ausgangssignale mehrerer, zu einem Array angeordneter Mikrofone zusammengeschaltet, z.B. mittels Verzögerung, Addition und Filterung. Der resultierende Strahl, d.h. der Bereich besonders hoher Empfindlichkeit, hat eine ein- stellbare Richtung und ist üblicherweise rotationssymmetrisch . Die jeweilige Form des Strahls hängt von dem Typ, der Anzahl und der Anordnung der Mikrofone sowie von dem Algorithmus ab, der zur Kombination verwendet wird. Übliche Algorithmen sind z.B. der Verzögerungs- und Summationsalgorithmus („Delay-and-Sum“, DS) und der„Minimum Va- riance Distortionless Response“ (MVDR) Algorithmus, die jedoch jeweils auch Nachteile haben. Normalerweise werden Mikrofonarrays aus Mikrofonen ohne oder mit geringer Richtwirkung aufgebaut, weil sie einfach zu handhaben und günstig sind. Um eine hohe Richtwirkung über einen weiten Azimutwinkel und eine vergleichbare Richtwirkung bezüglich der Elevation zu erhalten, sind dabei sehr viele Mikrofone notwendig, was zu einem hohen Rechenaufwand führt. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mikrofonanordnung anzugeben, die die oben genannten Probleme löst.
Um mehrkanalige Audioaufnahmen zu machen, z.B. für 22 Kanäle, ist eine Anordnung mit kreisförmig angeordneten Richtrohrmikrofonen bekannt (Y. Sasaki, T. Nishiguchi, K. Ono: „Development of multichannel single-unit microphone using shotgun microphone array“). Dabei werden benachbarte Richtrohrmikrofone benutzt, um bei tiefen Frequenzen die rotationssymmetrische Richtcharakteristik jedes einzelnen Richtrohrmikrofons durch Filterung zusätzlich auf die jeweilige Richtung zu verengen. Bei einer anderen bekannten Lösung (K.Niwa,Y.Koizumi, K.Kobayashi, H.Uematsu:„Binaural sound generation correspon- ding to omnidirectional Video view using angular region-wise source enhancement“) wer- den Richtrohrmikrofone als eine Alternative zu Beamforming genutzt.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Mikrofonanordnung mit besonders hoher Richtwirkung in vertikaler Richtung und einer hohen, jedoch in weiten Grenzen einstellbaren Richtwirkung in horizontaler Richtung. Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Mikrofonarray gelöst.
Erfindungsgemäß hat ein Mikrofonarray eine Mehrzahl von Mikrofonen, deren Ausgangssignale zu mindestens einem gemeinsamen Ausgangssignal kombiniert werden, wobei die Mikrofone Richtrohrmikrofone mit einer bevorzugten Richtung hoher Empfindlichkeit ange ordnet sind. Die Mikrofone sind außerdem im Wesentlichen gleichmäßig so auf einem Kreis oder Kreisabschnitt angeordnet, dass jedes der Mikrofone eine andere bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit aufweist, wobei vorzugsweise die Winkel zwischen den einzelnen Mikrofonen im Wesentlichen über den ganzen Kreis oder Kreisabschnitt gleich sind. Dabei können die Mikrofone bezüglich des Kreises oder Kreisabschnitts nach innen oder nach außen zeigen. In einer Ausführungsform liegen alle Mikrofone im Wesentlichen in einer Ebene. In einer anderen Ausführungsform liegen die Mikrofone in mehreren, z. B. zwei oder drei, parallelen und benachbarten Ebenen. Dabei kann die Dicke jeder Ebene etwa dem Durchmesser eines Mikrofons bzw. Richtrohrs entsprechen. Das gemeinsame Ausgangssignal des Mikrofonarrays wird durch Strahlformung (beamforming) gewonnen. Durch die hohe Richtwirkung der Richtrohrmikrofone sind sowohl der Elevationswinkel wie auch der Azimutwinkel des Erfassungsbereichs der Anordnung sehr klein, während der Azimutwinkel in einem sehr großen Bereich, der bis zu 360° betragen kann, einstellbar ist. Die resultierende Richtwirkung der Mikrofonanordnung in Azimutrichtung kann dabei stärker als die Richtwirkung eines einzelnen Richtrohrmikrofons sein, selbst wenn keines der Richtrohrmikrofone in die entsprechende Richtung zeigt. In Ausführungsformen, in denen die Mikrofone über einen Vollkreis verteilt angeordnet sind, zeigen immer auch einige Richtrohrmikrofone entgegen der eigentlichen Zielrichtung. Dies ermöglicht eine gleichbleibende Richtcharakteristik unabhängig von der Ausrichtung des Mikrofonarrays.
Ein Verfahren zur Audioaufnahme mittels Richtrohrmikrofonen ist in Anspruch 12 angege- ben.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden in den Ansprüchen 2-11, 13-14 sowie in der folgenden detaillierten Beschreibung angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Zeichnungen darge- stellt. Darin zeigt
Fig. 1 ein Mikrofonarray in einer ersten Ausfü hru ngsform ;
Fig. 2 ein Richtrohrmikrofon mit Interferenzrohr;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitung für den Beamforming-Algorith- mus;
Fig. 4 ein Mikrofonarray in einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 5 ein Mikrofonarray in einer dritten Ausführungsform;
Fig. 6 ein Mikrofonarray in einer vierten Ausführungsform;
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Multifokus-Signalverarbeitung für den Beamfor- ming-Algorithmus; Fig. 8 ein Diagramm der Radialkomponenten von Modalantworten eines Sennhei- ser MKH8070 Richtrohrmikrofons;
Fig. 9 ein Mikrofonarray in einer fünften Ausführungsform; und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines Mikrofonarrays in einer Ausführungs- form.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 zeigt exemplarisch in einer Ausführungsform der Erfindung ein zirkulares Mikrofonarray 100 mit einunddreißig Richtmikrofonen 110, wobei sowohl das Mikrofonarray 100 als auch jedes einzelne Richtmikrofon 110 eine sehr hoher Richtwirkung aufweisen. Jedes der Richtmikrofone 110 enthält eine Mikrofonkapsel, wobei die Mikrofonkapseln aller Richtmikrofone 110 auf einem Kreis 120 mit dem Radius r um einen Mittelpunkt C herum angeordnet sind. Außerdem enthält jedes Richtmikrofon 110 ein Interferenzrohr, das orthogonal zu dem Kreis 120 liegt und radial nach außen gerichtet ist. Das Interferenzrohr sorgt für die Richtcharakteristik des jeweiligen Richtmikrofons. Die Mikrofone werden daher auch als Richtrohrmikrofone bezeichnet. Die bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit jedes
Richtrohrmikrofons ist in seiner jeweiligen Längsrichtung, also ebenfalls orthogonal zum Kreis 120 bzw. radial zur gesamten Anordnung. Damit hat jedes Mikrofon eine andere bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit. Die Richtrohrmikrofone sind im Wesentlichen gleichmäßig über den Kreis verteilt, so dass zwischen den Mikrofonen jeweils gleiche Win- kel liegen, z.B. 360 31=11 ,6°. Weiterhin können in einer Ausführungsform alle Richtrohrmikrofone im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein. Die gesamte Anordnung wird z.B. in einem Fußbalistadion im Wesentlichen waagerecht positioniert, so dass die Richtrohrmikrofone parallel zum Boden ausgerichtet sind.
Alternativ könnten die Richtrohrmikrofone in zwei oder mehr verschiedenen Ebenen ange- ordnet sein. Diese Ebenen sollten bevorzugt eng zusammenliegen. Die Mikrofone können grundsätzlich auch in völlig verschiedenen Ebenen angeordnet sein, jedoch sollte dann die Empfindlichkeit aller Mikrofone bezüglich einer festgelegten Elevation ähnlich sein. Mit anderen Worten, die„Blickrichtungen“ oder Fokusbereiche der verschiedenen Mikrofone sollten in einer beabsichtigten Entfernung alle im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Der Radius des Kreises 120 oder Kreissegments bestimmt die Aliasfrequenz und den Betriebsfrequenzbereich. Ein größerer Radius bei konstanter Anzahl der Richtmikrofone bewirkt Verbesserungen für tiefe Frequenzen, indem er zu einer Verschiebung dieses Bereichs zu tieferen Frequenzen und zu einer tieferen Aliasfrequenz führt. Eine Erhöhung der Anzahl der Mikrofone führt zu einer höheren Aliasfrequenz. Fig. 2 zeigt exemplarisch ein einzelnes Richtro rmikrofon 200, das als Richtmikrofon 110 in der Anordnung 100 verwendet werden kann. Das Richtrohrmikrofon 200 enthält ein als Interferenzrohr wirkendes Rohr 210 mit einer darin liegenden Mikrofonkapsel 240 (nicht in der Zeichnung sichtbar). Die Mikrofonkapsel kann über einen elektrischen Anschluss 250 am hinteren Ende des Richtrohrmikrofons elektrisch angeschlossen werden. Das Richtrohr 210 enthält in diesem Beispiel an seinem vorderen Ende eine oder mehrere Öffnungen 230, die dem Schalleintritt dienen. Seitlich befinden sich über die Länge des Rohrs verteilt weitere Öffnungen 220, durch die auch seitlich eintreffender Schall in das Rohr gelangen kann. Dieser seitlich eintreffende Schall gelangt auch durch die Öffnungen 230 in das Rohr, allerdings phasenversetzt wegen des längeren Weges. Im Rohr überlagert er sich mit dem durch die Seitenöffnungen 220 eintreffenden seitlichen Schall. Durch Interferenz innerhalb des Rohres wird dieser Schall daher kompensiert, so dass sich eine geringere Empfindlichkeit für den seitlich eintreffenden Schall ergibt. Nur für frontal eintreffenden Schall überlagern sich die durch die Öffnungen 220,230 in das Rohr gelangenden Anteile konstruktiv, was zu einer höheren Empfindlichkeit des Mikrofons für den frontal eintreffenden Schall führt („endfire shotgun microphone“). Die Seitenöffnungen 220 des Interferenzrohres sind normalerweise nicht über dessen Umfang verteilt, sondern befinden sich nur auf einer Seite, die im Folgenden als Oberseite des Richtrohrmikrofons bezeichnet wird.
Richtrohrmikrofone bieten den Vorteil einer besonders hohen Richtwirkung, was sich so- wohl auf einen sehr kleinen Azimutwinkel als auch einen sehr kleinen Elevationswinkel bezieht. Der Elevationswinkel ist der Winkel senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1. Zwar ist auch der Azimutwinkel, d.h. der Winkel in der Zeichenebene der Fig. 1 , jedes einzelnen Richtrohrmikrofons sehr klein, aber durch Einbeziehen benachbarter Richtrohrmikrofone und durch geeignete Berechnungen zur Kombination der verschiedenen Mikrofonsignale lässt sich eine Richtwirkung der gesamten Anordnung in der Ebene steuern. Insbesondere lässt sich die Richtwirkung einer rotationssymmetrischen Anordnung wie in Fig. 1 elektronisch in jede beliebige Richtung der Ebene, d.h. zu jedem beliebigen Azimutwinkel steuern. Dabei ist der Elevationswinkel der Richtcharakteristik der gesamten Anordnung derselbe wie der Elevationswinkel der Richtcharakteristik jedes einzelnen Richtrohrmikrofons, also sehr klein. Daher ist es nicht notwendig, Mikrofone in mehreren vertikalen Ebenen anzuordnen, um eine hohe vertikale Richtwirkung zu erzielen. Dadurch entsteht eine flache Anordnung, die z.B. in einem Sportstadion die Sicht der Zuschauer oder Kameras nicht stört, wenn das Mikrofonarray am Spielfeldrand positioniert wird. Außerdem sind keine Berechnungen für eine (ggf. zeitlich veränderliche) Kombination der Mikrofonsignale über die ver- tikale Achse erforderlich. Ein weiterer Vorteil einer rotationssymmetrischen Anordnung wie in Fig. 1 besteht darin, dass die Richtwirkung ebenso wie die Frequenzcharakteristik in jede beliebige Richtung der Ebene, d.h. zu jedem beliebigen Azimutwinkel, gleichmäßig ist. So entstehen keine klanglichen Verfärbungen von seitlich eintreffenden Tönen, wie z.B. Geräuschen aus dem Publikum, wenn die Richtung hoher Empfindlichkeit der Anordnung geändert wird. Außerdem ist es durch mehrfach parallele unterschiedliche Verarbeitung der Mikrofonsignale leicht, mehrere Richtungen gleichzeitig als Richtungen hoher Empfindlichkeit zu definieren. Dadurch lässt sich der Strahl auf mehrere Azimutwinkel gleichzeitig fokussieren, d.h. es können mehrere Schallquellen aus unterschiedlichen Richtungen gleichzeitig mit hoher Richtwirkung („directivity“) aufgenommen werden.
Verschiedene Methoden der Signalverarbeitung können verwendet werden. Eine mögliche und besonders vorteilhafte Signalverarbeitung für das Mikrofonarray ist der Beamforming- Algorithmus. Hierbei basiert die Strahlformung auf dem sogenannten modalen Beamfor- ming, das speziell für Konfigurationen geeignet ist, in denen alle Mikrofone im Wesentli- chen gleiche Direktivität (Richtwirkung) haben und auf einer Kugel oder auf einem Kreis angeordnet sind. Für den Betriebsfrequenzbereich des Arrays ist es möglich, eine annähernd gleichförmige Richtwirkung über alle Frequenzen des Betriebsfrequenzbereichs zu erzielen. Die Anzahl Q der benutzten Mikrofone bestimmt den maximalen realisierbaren Grad M des Ausgangssignals, der der räumlichen Auflösung der Richtcharakteristik (beam pattem) entspricht, gemäß M
Figure imgf000009_0001
Die Verarbeitung erfolgt in zwei Schritten: (a) ein frequenzunabhängiges Mischen (oder Matrizieren) der Mikrofonsignale, um 2M+1 Zwischensignale oder Mischsignale zu erzeugen, und (b) Filtern und anschließendes Gewichten und Aufsummieren der Zwischensignale oder Mischsignale.
Besonders beachtenswert ist die Option, den Strahl (d.h. die resultierende Richtung hoher Empfindlichkeit) auf einen gewünschten Azimutwinkel Ft zu lenken, indem die reellwertigen Gewichtungen g fT) entsprechend errechnet werden. Die Steuerung (d.h. die Angabe von Informationen über den gewünschten Azimutwinkel Ft) kann entweder manuell oder automatisiert erreicht werden, z.B. durch ein visuelles Verfolgungssystem. Von besonderer Bedeutung ist, dass die eigentliche Steuerung des Mikrofonarrays elektronisch, d.h. berüh- rungslos, erfolgt und dass die Steuerinformation zeitlich variiert. Weiter werden die gefilterten Signale vor dem Aufsummieren entsprechend gewichtet, was die gleichzeitige Aufnahme mehrerer Schallquellen als Ziele erleichtert. Ein Beispiel ist in Fig. 7 gezeigt und wird weiter unten erläutert. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitung für den modalen Beamforming- Algorithmus für ein Array von zirkulär angeordneten Richtmikrofonen. Die Q Mikrofonsignale C(w,ci C(w,co) werden in einer Transformationsmatrix Ύ^(f1, f2, ..., Fo) 310 frequenzunabhängig gemischt. Die T ransformationsmatrix gilt für einen gewünschten maxi- malen Grad
Figure imgf000010_0001
und liefert (2M+1) Ausgangssignale. Jedes Ausgangssignal wird gefiltert, wobei von den (2M+1 ) Filtern 320,... ,322' ein Filter 320 einmal und alle anderen jeweils zweimal gleichartig als Filterpaar 321 ,32 T auftreten. Z.B. sind das Filter 321 für den (-M+1)-ten Ausgang der Matrix und das Filter 32T für den (M-1 )-ten Ausgang der Matrix gleich. Jedes Filter bzw. Filterpaar hat eine eigene Filterfunktion, entsprechend einer Ord- nung einer bestimmten Mode. Das Ausgangssignal jedes Filters 32Q,...,322‘ wird in einer oder mehreren Gewichtungseinheiten 330 entsprechend der gewünschten Azimutrichtung Ft mit einem entsprechenden Wert (gain)
Figure imgf000010_0002
g^ gewichtet. Die 2M+1 gewichteten gefilterten Mischsignale werden in einer Summationseinheit 340 aufsummiert, und das Summensignal U(w) kann dann entweder als Ausgangssignal 360 ausgegeben werden, oder optional in einem Equalisationsfilter 350 gefiltert und dann ausgegeben werden. Somit wird ein sehr flexibles zeitvariantes Beamforming ermöglicht.
Für die Anzahl der Richtmikrofone und ihre Positionen gilt folgendes. Generell bestimmt die Anzahl der Mikrofone die räumliche Auflösung der möglichen Richtcharakteristik, insbesondere den Richtungsindex (maximum directivity index), der das Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung in Bezug auf eine gewünschte Zielrichtung und der gesamten, über alle anderen Richtungen integrierten Ausgangsleistung angibt. Im Kontext der modalen Strahlsteuerung (modal beam forming) ist es sinnvoll, die Anzahl Q der Mikrofone in Abhängigkeit von dem erforderlichen maximalen Grad M zu wählen, gemäß Q=2M+1. Wenn die weiter unten beschriebene Zirkuläre Harmonische Transformation benutzt wird, ist es in Anbetracht der dafür gemachten Annahmen vorteilhaft, eine gleichmäßige Verteilung der Mikrofone auf einem Kreis zu verwenden. Dies sichert eine gleichmäßige Signalqualität über alle (Azimut-) Richtungen, wie es bei der modalen Strahlformung beabsichtigt ist.
Fig. 4 zeigt ein Mikrofonarray 400 in einer zweiten Ausführungsform. Dabei werden elf Richtmikrofone 410i,...,410n gleichmäßig über einen Kreis 420 verteilt radial angeordnet. Gemäß der Formel G = 2M + 1 mit Q=11 lässt sich ein Signal mit dem Grad von höchstens M=5 erzeugen.
Wenn ein anderer Algorithmus als die modale Strahlsteuerung benutzt wird, kann es jedoch sinnvoll sein, die Richtmikrofone anders anzuordnen, nämlich nicht exakt radial, sondern leicht verdreht bzw. verschoben. Die gesamte Anordnung wird dadurch kleiner, ohne dass die Länge der einzelnen Richtmikrofone oder der Durchmesser des Mikrofonkreises reduziert werden. Fig. 5 zeigt ein Mikrofonarray 500 in einer dritten Ausführungsform, bei dem jedes der elf Richtmikrofone 510i,...,510n um einen Winkel a gedreht ist und ihre Mikrofonkapseln auf einem Kreis 520 angeordnet sind. Der verwendete Algorithmus muss diese Drehung berücksichtigen, wobei sehr kleine Winkel vernachlässigt werden können.
Es kann außerdem für bestimmte Anwendungen sinnvoll sein, die Richtmikrofone auf einem Kreissegment mit einem bestimmten Winkel anzuordnen, z.B. wenn nur geringe Störgeräusche von hinten zu erwarten sind. Der Nachteil einer Kreissegmentanordnung gegenüber einer Vollkreisanordnung ist jedoch, dass bei einer Ausrichtung nahe am Rand die Störgeräusche aus Richtungen, in die kein Richtmikrofon zeigt, nicht gut unterdrückt werden können. Dieses Problem kann teilweise kompensiert werden, indem das Kreissegment größer gemacht wird als der zu beobachtende Bereich. Fig. 6 zeigt ein Mikrofonarray 600 in einer vierten Ausführungsform, bei dem wieder elf Richtmikrofone 610i,...,610n gleichmäßig über einen Halbkreis 620 verteilt sind. Für eine zentrale Ausrichtung nahe 0° entsprechend dem Mikrofon 610e ist diese Anordnung gut ersetzbar. Auf für einen Bereich von z.B. ±45° um die zentrale Ausrichtung kann ein akzeptables Ergebnis erreichbar sein. Entsprechend ist ein Mikrofonarray der in Fig. 6 gezeigten Form z.B. an den Ecken eines Spielfeldes ersetzbar, wo ein Bereich von im Wesentlichen 90° erfasst werden soll.
Allerdings sind für eine kreissegmentförmige Anordnung von Richtmikrofonen andere Al- gorithmen als modale Strahlsteuerung normalerweise besser geeignet, weil sie nicht auf einer kreissymmetrischen Anordnung der Mikrofone beruhen. Jedoch haben solche alternativ ersetzbaren Algorithmen den Nachteil, dass nicht nur ihre skalaren Gewichtungen, sondern auch ihre Filterfunktionen richtungsabhängig sind. Da die Berechnung der Filterfunktionen bzw. Filterkoeffizienten oft relativ rechenaufwendig ist, können diese vorab be- rechnet werden. Die Vorrichtung enthält dann einen Speicher, in dem die jeweiligen Filterkoeffizienten für bestimmte Richtungen abgelegt sind und aus dem sie bei Bedarf abgerufen werden können. Auf diese Art ist auch mit solchen alternativen Algorithmen ein Betrieb in Echtzeit möglich.
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild einer Multifokus-Signalverarbeitung für den Beamforming- Algorithmus. Wie schon die in Fig. 3 gezeigte Einzelfokus-Signalverarbeitung enthält die Multifokus-Signalverarbeitung eine Mischmatrix 310 zum Mischen der Mikrofonsignale auf (2M+1 ) Mischsignale, wobei M die Ordnung des gemeinsamen Ausgangssignals ist, und eine Mehrzahl von (2M+1) Filtern 320,321 ,321‘,322,322* zum Filtern der Mischsignale, wobei gefilterte Mischsignale QF-M,QF-M+I, ... ,QFO, ...,QFM-I, QFM entstehen. Die gefilterten Mischsignale werden nun nicht nur an (2M+1 ) erste Gewichtungseinheiten 330i weitergeleitet, sondern auch an (2M+1 ) zweite Gewichtungseinheiten 3302. Die ersten Gewichtungseinheiten 330i gewichten jedes der gefilterten Mischsignale mit einer ersten Gewichtung g-M(®Ti), . .. ,go{®Ti), . .. ,gMi®Ti) , und die zweiten Gewichtungseinheiten 3302 gewichten jedes der gefilterten Mischsignale mit einer zweiten Gewichtung g-M(®T2), . . . ,goi®T2), ... , gM(®T2} . Dabei entspricht die Gewichtung jeder ersten Gewichtungseinheit der ersten bevorzugten Richtung hoher Empfindlichkeit Fti , und die Gewichtung jeder zweiten Gewichtungseinheit entspricht der zweiten bevorzugten Richtung hoher Empfindlichkeit FTS . Die Ausgangssignale der ersten Gewichtungseinheiten 330i und die Ausgangssignale der zweiten Gewichtungseinheiten 3302 werden getrennt voneinander in zwei separaten Summationseinheiten 340I,3402 aufaddiert, optional gefiltert 350I,3502 und dann ausgegeben. Damit hat das Mikrofonarray gleichzeitig zwei bevorzugte Richtungen hoher Empfindlichkeit Fti,Ft2 . Die beiden Ausgangssignale 360I,3602 enthalten die Audiosignale aus diesen zwei bevorzugten Richtungen hoher Empfindlichkeit des Mikrofonarrays. Z.B. können Geräusche aus Richtung des Balls und aus Richtung des Schiedsrichters gleichzeitig extrahiert und aufgenommen werden. Ein Vorteil der Anordnung ist, dass die zweiten Gewichtungseinheiten 3302 dieselben gefilterten Mischsignale wie die ersten Gewichtungseinheiten 330i verarbeiten, und nur eine andere Richtungsinformation für die bevorzugte Rich tung hoher Empfindlichkeit Ft2 benutzen. Daher müssen die Filter 320,..., 322' nur einmal berechnet und implementiert werden, denn sie sind richtungsunabhängig. Die Gewichtungseinheiten können z.B. als Multiplizierer implementiert werden. Die gesamte in Fig. 3 oder in Fig. 7 gezeigte Anordnung kann durch einen oder mehrere Mikroprozessoren ggf. mit entsprechenden Softwareprogrammen realisiert werden.
Details der zweidimensionalen modalen Strahlsteuerung werden im Folgenden erklärt. Zunächst werden grundlegende Annahmen und Zusammenhänge erklärt. In einem kompakten Areal von Interesse innerhalb des drei-dimensionalen Raumes, das das Zentrum eines gedachten Koordinatensystems enthält, frei von Schallquellen ist und von außen durch ein von der z-Achse unabhängiges Schallfeld angeregt wird, liegt ein Array von Q akustischen Sensoren (d.h. Mikrofonen), die sich linear verhalten. Diese sind auf einem Kreis innerhalb der xy-Ebene des gedachten Koordinatensystems angeordnet, mit den (zwei-dimensionalen) Koordinaten
Figure imgf000012_0001
Dabei ist ro der Radius des Kreises und der Azimutwunkel des q-ten Mikrofons, gemessen gegen den Uhrzeigersinn in der xy-Ebene von der x-Achse aus. Die Repräsentation des q-ten Mikrofonsignals im Frequenzbereich bei einer Kreisfrequenz w kann als Überlagerung (composition) von Antworten auf individuelle ebene Wellen beschrieben werden, die von allen möglichen Azimutwinkeln F eintreffen, d.h.
Figure imgf000013_0001
Dabei ist O(w,F) die sogenannte Amplitudendichtefunktion der ebenen Welle (plane wave amplitude density function), die im Wesentlichen eine Frequenzbereichs-Repräsentation des Schalldrucks im Koordinatenursprung ist, der durch eine einzelne, ebene, mit einem Azimutwinkel F einfallenden Welle hervorgerufen wird. H(w, xq, f) ist die Richtcharakteristik des q-ten Mikrofons. Durch Reihenzerlegung der Richtcharakteristik H{w, xq, f) und der Amplitudendichtefunktion der ebenen Welle€(w, f) in Reihen reellwertiger orthonormaler Zirkulär Harmonischer (einer Sonderform der Sphärisch Harmonischen), definiert durch
for m > 0
for m - 0
(3) for m < 0
Figure imgf000013_0002
gemäß
Figure imgf000013_0003
und unter Ausnutzung der Orthonormalität der Zirkulär Harmonischen, d.h.
rgm( )trgm,(ij!>)d f = 5m>m, (6) wobei 5V die Kronecker-Delta-Funktion ist, kann die Repräsentation des Mikrofonsignals im Frequenzbereich x
Figure imgf000013_0004
formuliert werden als
Figure imgf000013_0005
Die individuellen Gewichte Hh(w, xq) der Zirkulär Harmonischen Reihe in (4) werden als Modalantworten vom Grad m bezeichnet.
Wenn alle Mikrofone gleiche Richtcharakteristiken haben und orthogonal zu dem Kreis nach außen oder innen gerichtet sind, kann dies formal ausgedrückt werden als
Figure imgf000013_0006
mit /ίRKOto(w, r0, f) als F-symmetrische Prototyp-Richtcharakteristik (prototype directivity).
Diese kann betrachtet werden als einem Mikrofon an einer Position (r0, (pq = 0) zugehörig. Wegen dieser F-Symmetrie ist die Zirkulär Harmonische Reihenzerlegung von pROTo (^A ro> ) gegeben durch
^RKOTq(w< G0< F) — S5h=-oo ^RKOTO,th(w> Gq) ^ΈthίF) (1 0) mit
^rkoto,th(w, Go) = 0 for m < 0. (1 1)
Für diesen speziellen Fall können die Modalantworten faktorisiert werden in eine frequenz- und radiusabhängige Komponente und eine andere Komponente, die nur vom Azimutwin- kel abhängt gemäß
Figure imgf000014_0001
mit
Figure imgf000014_0002
Außerdem bemerkenswert sind die Symmetrie der Radialkomponenten
Figure imgf000014_0003
und die Tatsache, dass die Radialkomponenten vom Produkt der Kreisfrequenz und dem Radius abhängen:
&m(w,r0) = öm(wr0) (14a)
Durch Einsetzen von (12) in (8) kann die Frequenzbereichs-Repräsentation c(w, xq) des q-ten Mikrofonsignals ausgedrückt werden als
Figure imgf000014_0004
Im Folgenden wird das grundlegende Prinzip der modalen Strahlformung (modal beam- forming) beschrieben. Dieses kann in die folgenden beiden Schritte unterteilt werden:
(1) Rekonstruktion der zugrunde liegenden Überlagerung des einwirkenden Schallfel- des individueller ebener Wellen aus den Mikrofonsignalen ^(w,c,), repräsentiert durch die Koeffizienten Cm{ ) der Zirkulär Harmonischen Reihenzerlegung der Amplitudendichtefunktion der ebenen Wellen, und (2) Gewichten der individuellen ebenen Wellen des einwirkenden Schallfeldes gemäß einer gewünschten Richtcharakteristik (target beam-pattern) und anschließend deren Integration, um das Ausgangssignal des Strahlformers (Beamformer) zu erhalten.
Ein Blockdiagramm eines typischen modalen Strahlformers ist in Fig. 3 und Fig. 7 gezeigt, wie oben beschrieben. Die beiden genannten Schritte werden im Folgenden detaillierter beschrieben.
Zur Motivation der Rekonstruktion des einwirkenden Schallfelds wird die Zirkulär Harmonische Reihenzerlegung der Mikrofonsignale im Frequenzbereich
Figure imgf000015_0001
verglichen mit (15). Dabei wird klar, dass die Reihenkoeffizienten Xm(a), r0) in Beziehung stehen zu den gesuchten Zirkulär Harmonischen Reihenkoeffizienten Cm(w) der Amplitudendichtefunktion der ebenen Welle gemäß
Figure imgf000015_0002
Daher werden zwei weitere Schritte durchgeführt:
(1 ) Die Zirkulär Harmonischen Reihenkoeffizienten der Mikrofonsignale im Frequenzbereich werden abgeschätzt durch eine Zirkulär Harmonische Transformation gemäß
Figure imgf000015_0003
Hier ist zu beachten, dass wegen der endlichen Anzahl Q der räumlichen Abtastpunkte xq der maximale Absolutwert des Grades m, der rekonstruiert werden kann, ebenfalls endlich ist und von der Verteilung der räumlichen Abtastpunkte xq auf dem Kreis abhängt. Z.B. sind die Gewichte für den speziellen Fall einer gleichmäßigen Verteilung alle gleich, nämlich
Figure imgf000015_0004
und der maximale Absolutwert des Grades m, der rekonstruiert werden kann, ist gegeben durch
(19)
Figure imgf000015_0007
Durch Definition des Vektors C(w), der die Signale aller Mikrofone enthält, als
Figure imgf000015_0005
des Vektors aller Zirkulär Harmonischen Reihenkoeffizienten als
Figure imgf000015_0006
und der diskreten Zirkulär Harmonischen T ransformationsmatrix als
TM(f1, f2 .", f(}) =
Figure imgf000016_0001
kann die Abschätzung der Zirkulär Harmonischen Reihenkoeffizienten durch folgende Matrizenmultiplikation ausgedrückt werden:
XCH(«, ro) = T(M)(fn f2, ... , Fo) · C(w) (23)
Besonders wichtig ist, dass diese Matrix frequenzunabhängig ist.
(2) Unter Berücksichtigung von (17) und (14) werden die Zirkulär Harmonischen Rei henkoeffizienten der Amplitudendichtefunktion der ebenen Welle im Prinzip wie folgt abgeschätzt:
Figure imgf000016_0002
mit
1
/|m|(",r0) (25) ö|m| (*V o)'
was einer Filterung für jeden einzelnen geschätzten Zirkulär Harmonischen Reihenkoeffizienten der Mikrofonsignale lm(co,r0) im Frequenzbereich entspricht.
Mit den abgeschätzten Zirkulär Harmonischen Reihenkoeffizienten der Amplitudendichtefunktion der ebenen Welle werden nun die einzelnen ebenen Wellen des einwirkenden Schallfeldes entsprechend einer gewünschten Richtcharakteristik gewichtet, um anschließend integriert bzw. aufsummiert zu werden. Der maximale Grad M der Zirkulär Harmonischen Reihenkoeffizienten der Amplitudendichtefunktion der ebenen Welle bestimmt die maximal mögliche räumliche Auflösung der gewünschten Richtcharakteristik. Daher wird ein Prototyp einer gewünschten Richtcharakteristik mittels einer abgebrochenen Zirkulär Harmonischen Reihenentwicklung desselben Grades M definiert:
Figure imgf000016_0003
die für einen Ziel-Azimutwinkel fΊ = 0 eingestellt wird und F-symmetrisch ist. Wegen der Symmetrie sind die Reihenkoeffizienten für negative Grad-Indizes m Null. Wenn die Richtcharakteristik auf einen beliebigen gewünschten Azimutwinkel Ft eingestellt wird, können ihre entsprechenden Zirkulär Harmonischen Reihenkoeffizienten aus denjenigen für ft = 0 berechnet werden gemäß
Figure imgf000017_0001
Das aktuelle Strahlformer-Ausgangssignal 7(w) im Frequenzbereich wird als gewichtete Summe der Zirkulär Harmonischen Reihenkoeffizienten der Amplitudendichtefunktion der ebenen Welle wie folgt berechnet:
Figure imgf000017_0002
Wegen der Äquivalenz von (28) mit
Figure imgf000017_0003
wird die Integration der gewichteten Beiträge der ebenen Welle zum einwirkenden Schallfeld deutlich.
Für die meisten Anwendungsfälle ist die hier benutzte frequenzunabhängige Richtcharakteristik vorteilhaft und gewünscht. Es lässt sich jedoch auch sehr einfach eine frequenzab- hängige Richtcharakteristik erstellen, indem die Gewichtungsfaktoren frequenzabhängig gemacht werden. Dies erfordert je einen Filter pro Koeffizient der Zirkulär Harmonischen Reihenkoeffizienten der Amplitudendichtefunktion der ebenen Welle vor der Summation.
Optional kann ein Equalizingfilter 350,350' auf das Ausgangssignal 7(w) des Strahlformers angewandt werden, um eine richtungsunabhängige Färbung (coloration).zu erzeugen bzw. eine richtungsabhängige Färbung zu kompensieren, z.B. um von räumlichem Aliasing betroffene hochfrequente Signalkomponenten zu dämpfen.
Der Radius des Kreises, auf dem die Mikrofonkapseln der Richtmikrofone angeordnet sind, beeinflusst mindestens zwei Kennwerte des Arrays, nämlich die in der Praxis realisierbare Richtwirkung bei niedrigen Frequenzen und diejenige Frequenz, ab der das räumliche Aliasing einsetzt.
Die Richtwirkung bei niedrigen Frequenzen wird wie folgt beeinträchtigt. Die radialen Komponenten &m(c<j,r0) der Modalantworten haben typischerweise eine Hochpass-Charakteristik, wobei die Grenzfrequenz (cutoff frequency) mit dem Grad-Index m steigt. Zur Veranschaulichung zeigt Fig. 8 exemplarisch ein Diagramm der Radialkomponenten von Modal- antworten für verschiedene Grade m eines Sennheiser MKH8070 Richtrohrmikrofons, aufgetragen über ein Produkt w · r0. Wie zu erkennen ist, werden insbesondere für niedrige Spektralfrequenzen die Beiträge der Moden mit steigendem Grad m innerhalb der gemessenen Mikrofonsignale (16) sehr klein. Um die entsprechenden Zirkulär Harmonischen Reihenkoeffizienten der Amplitudendichtefunktion der ebenen Welle zu rekonstruieren, ist deshalb ein hoher Verstärkungsfaktor von -— j— - notwendig (siehe (26)), da
Figure imgf000018_0001
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klein ist. Das führt zu einer typischerweise geringen Verstärkung des Weißen Rauschens für eine Richtcharakteristik mit einem hohen Grad M, was bedeutet, dass das Mikrofonrauschen im Ausgangssignal des Strahlformers stark verstärkt wird. Durch Vergrößerung des Radius r des Arrays werden die in Fig. 8 dargestellten Kurven im Wesentlichen nach links verschoben, d.h. in Richtung niedrigerer Frequenzen. Dies führt zu einer Verringerung der Hochpass-Grenzfrequenzen und reduziert dadurch den Effekt der Verstärkung des Weißen Rauschens bei niedrigen Frequenzen, verglichen mit einem kleineren Radius.
Räumliches Aliasing ist ein Phänomen, das auftritt, wenn z.B. ein Schallfeld an zu wenigen Abtastpunkten abgetastet wird, um hochfrequente räumliche Oszillationen des Schalldrucks zu erfassen. Da die Relevanz der Zirkulär Harmonischen mit höherem Grad m in- nerhalb der Signaturfunktion normalerweise mit der Spektralfrequenz steigt, gilt dies auch für die Größe des durch das räumliche Aliasing hervorgerufenen Fehlers. Insbesondere kann die Winkelfrequenz, bei der der Beitrag der Zirkulär Harmonischen mit Graden größer als M zur Signaturfunktion signifikant wird, angesehen werden als diejenige Frequenz, bei der der Aliasingeffekt störend bzw. nennenswert wird. Im Wesentlichen liegt diese Win- kelfrequenz bei
Figure imgf000018_0003
wobei cs die Schallgeschwindigkeit ist. Das bedeutet, dass für eine gewählte Anzahl Q von Mikrofonen die räumliche Aliasingfrequenz erhöht werden kann, indem der Radius r des Arrays reduziert wird. Alternativ kann für einen gegebenen Radius des Arrays die Anzahl der Mikrofone erhöht werden.
Für Mikrofonarrays für hörbare Frequenzen sollten die Mikrofonkapseln auf einem Kreis oder Kreisabschnitt mit einem Radius mit mindestens rmn = 5 cm liegen. Aus praktischen Gründen ist ein maximaler Radius von ca. rmax = 100 cm zu empfehlen. Für Mikrofonarrays die zur Anwendung z.B. in einem Sportstadion gedacht sind, ist es vorteilhaft, wenn der Radius bei nach außen zeigenden Richtrohrmikrofone zwischen rmm = 30 cm und rmax = 40 cm und bei nach innen zeigenden Richtrohrmikrofone z. B. zwischen rmm = 40 cm und rmax = 60 cm beträgt. Mit dem beispielhaft beschriebenen Aufbau lässt sich z.B. für Frequenzen von 200 Hz - 3 kHz eine sehr hohe Richtwirkung erzielen. Für Aufnahmen in einem Sportstadion sind Frequenzen unterhalb von 3 - 4 kHz besonders relevant. Eine kleinere Bauform des Mikrofonarrays ist möglich, wenn die kreisförmig angeordneten Richtrohrmikrofone radial nach innen zeigen. Die oben angegebenen Berechnungen gelten in dem Fall weiterhin. Fig. 9 zeigt schematisch ein Mikrofonarray 900 mit elf Richtrohrmikrofonen in einer fünften Ausführungsform, bei der die einzelnen Richtrohrmikrofone 910i ,... ,91011 im Wesentlichen in Richtung des Zentrums C des Arrays ausgerichtet sind.
Die jeweiligen Mikrofonkapseln (nicht dargestellt) liegen auf dem Kreis 920 mit dem Radius r. Bei einem Radius von r = 50 cm und unter Verwendung von z.B. Sennheiser MKH8070 Richtrohrmikrofonen mit einer Länge von ca. 46,5 cm (wobei die Mikrofonkapsel ca. 6 cm vom hinteren Ende entfernt ist) beträgt der Durchmesser des gesamten Arrays daher nur 2*(50+6) cm = 112 cm statt 2*(50+40,5) cm = 181 cm.
Fig. 10 zeigt in einer weiteren Ausführungsform eine perspektivische Ansicht eines ähnlichen Mikrofonarrays 1000 mit fünfzehn Richtrohrmikrofonen 1010i,...,1010i5, die ebenfalls in Richtung des Zentrums C des Arrays ausgerichtet sind. Die Mikrofone können z.B. auf einem Ring oder einer Platte befestigt werden. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass die seitlichen Öffnungen 220 der Interferenzrohre der Richtrohrmikrofone 1010i,...,1010i5 nicht verdeckt sein dürfen, da sie hier die wichtigsten Einlassöffnungen für den Schall darstellen. Somit werden die Richtrohrmikrofone 1010i, .. 101 Ois nicht durch die jeweils gegenüber, d.h. in„Blickrichtung“ liegenden Richtrohrmikrofone gestört. Die Richtrohrmikrofone 1010i,...,1010i5 sind daher so angeordnet, dass ihre Oberseiten mit den seitlichen Öffnungen 220 frei für den Schall zugänglich sind und bevorzugt alle in dieselbe Richtung weisen. Ebenso wie in den vorher beschriebenen Beispielen liegen die Richtrohrmikrofone 1010i,...,1010i5 im Wesentlichen in einer Ebene, wobei sich die Richtwirkung des Mikrofonarrays innerhalb dieser Ebene elektronisch steuern lässt. Zu beachten ist, dass die Darstellung in Fig. 10 nicht unbedingt maßstabgetreu ist. Z.B. sollen die Mikrofone 1010i,..., 101 Ois möglichst gleichmäßig über den Kreis 1020 verteilt sein.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Mikrofonarrays ist, dass es nicht bewegt werden muss, sondern ortsfest bleibt, wobei die Richtung höchster Empfindlichkeit durch elektronische Steuerung eingestellt werden kann, und zwar im Fall der kreisförmigen Anordnung auf jede beliebige Richtung innerhalb der Kreisebene (entsprechend einem Azi- mutwinkel von 0°-360° bei waagerechtem Aufbau). Es kann in anderen Anwendungsfällen sinnvoll sein, die Kreisebene senkrecht zu positionieren, um einen Elevationswinkel von 0°-360° zu erfassen und dabei den Azimutwinkel des Erfassungsbereichs sehr gering zu halten. Ebenso sind beliebige, dazwischen liegende Ausrichtungen der Mikrofonebene möglich. Wie in den Zeichnungen dargestellt, befindet sich kein Mikrofon in der Mitte der Anordnung. Die jeweils angegebene Anzahl von Richtmikrofonen pro Array ist die jeweilige Mindestanzahl; es ist immer möglich und kann vorteilhaft sein, die Anzahl Q der Mikrofone zu erhöhen, wie oben erläutert. Dabei kann die Anzahl Q gerade oder ungerade sein.
In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Audioaufnahme mittels eines Mikrofonarrays aus Richtmikrofonen, wobei mindestens ein gemeinsames Aus- gangssignal erzeugt wird, das den Schall in einer einstellbaren bevorzugten Richtung hoher Empfindlichkeit des Mikrofonarrays enthält, mit den Schritten: Mischen mehrerer Mikrofonsignale in einer Mischmatrix auf (2M+1 ) Mischsignale, wobei M die Ordnung des gemeinsamen Ausgangssignals ist, und wobei die Mikrofonsignale von den Richtmikrofonen kommen und die Richtmikrofone im Wesentlichen in einer Ebene und auf einem Kreis oder Kreisabschnitt so angeordnet ist, dass für jedes der Richtmikrofone eine bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit im Wesentlichen orthogonal nach außen oder nach innen zu dem Kreis oder Kreisabschnitt liegt, Filtern der Mischsignale in einer Mehrzahl von (2M+1 ) Filtern, wobei gefilterte Mischsignale entstehen, Gewichten jedes der gefilterten Mischsignale mit einer Gewichtung in einer Mehrzahl von (2M+1 ) Gewichtungseinheiten, wobei die Gewichtung jeder Gewichtungseinheit der einstellbaren bevorzugten Richtung hoher Empfindlichkeit des Mikrofonarrays entspricht, und Aufsummieren der (2M+1) gewichteten, gefilterten Mischsignale in einer Summationseinheit, wobei das gemeinsame Ausgangssignal entsteht.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind exemplarisch und können miteinander kombiniert werden, auch wenn eine solche Kombination nicht ausdrücklich genannt ist. Z.B. können in einer Arrayanordnung wie in Fig. 5 dargestellt die einzelnen Richtmikrofone auch nach innen zeigen, wie in Fig. 9 und Fig. 10.

Claims

Patentansprüche
1. Mikrofonarray (100) mit einer Mehrzahl von Mikrofonen (110), deren Ausgangssignale zu mindestens einem gemeinsamen Ausgangssignal (360) kombiniert werden, wobei
- die Mikrofone Richtrohrmikrofone mit je einem Interferenzrohr und je einer Mikrofonkapsel sind, die eine bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit (115) in
Richtung des Interferenzrohrs aufweisen;
- die Mikrofone im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind;
- die Mikrofone so angeordnet ist, dass jedes Mikrofon eine andere bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit aufweist;
- die Mikrofone so angeordnet sind, dass ihre Mikrofonkapseln auf einem Kreis
(120,920) oder Kreisabschnitt liegen und für jedes der Mikrofone die bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit (115) im Wesentlichen orthogonal zu dem Kreis oder Kreisabschnitt zeigt;
- das gemeinsame Ausgangssignal (360) durch Strahlformung (beamforming) (310,...,350) gewonnen wird; und
- das Mikrofonarray (100) mindestens eine einstellbare bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit aufweist, wobei das gemeinsame Ausgangssignal (360) den aus dieser mindestens einen einstellbaren Richtung aufgenommenen Schall enthält.
2. Mikrofonarray nach Anspruch 1 , wobei die Strahlformung (310,..., 350) eine Richtcharakteristik des Mikrofonarrays erzeugt, die durch einen Grad M definiert wird, wobei ein höherer Grad eine stärker fokussierte Richtcharakteristik bedeutet, und wobei die Mehrzahl von Mikrofonen mindestens (2M+1) Mikrofone umfasst.
3. Mikrofonarray nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin mit einer elektronischen
Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Mikrofone, um die Strahlformung (beamforming) (310, ...,350) durchzuführen.
4. Mikrofonarray nach Anspruch 3, wobei die elektronische Schaltungsanordnung mindestens folgende Elemente umfasst:
- eine Mischmatrix (310) zum Mischen der Mikrofonsignale auf (2M+1) Mischsignale, wobei M die Ordnung des gemeinsamen Ausgangssignals ist; - eine Mehrzahl von (2M+1 ) Filtern (320,321 ,321 ,322,322‘) zum Filtern der
Mischsignale, wobei gefilterte Mischsignale (QF-M,QF-M+I , ...,GFO, ... ,GFM-I , QF ) entstehen;
- eine Mehrzahl von (2M+1) Gewichtungseinheiten (330), um jedes der gefilterten Mischsignale mit einer Gewichtung (g-M<®T),...,goi<I>T),..., giv^i ) ZU gewichten, wobei die Gewichtung jeder Gewichtungseinheit der einstellbaren bevorzugten Richtung hoher Empfindlichkeit (Ft) des Mikrofonarrays entspricht; und
- einer Summationseinheit (350) zum Aufsummieren der (2M+1 ) gewichteten, gefilterten Mischsignale, wobei ein Ausgangssignal (360) entsteht, das Schall aus der einstellbaren bevorzugten Richtung hoher Empfindlichkeit des Mikrofonarrays enthält.
5. Mikrofonarray nach Anspruch 4, wobei das Mikrofonarray mindestens zwei bevorzugte Richtungen hoher Empfindlichkeit (FP,FTS) hat und wobei die Schaltungsanordnung weitere Gewichtungseinheiten (3302) und mindestens eine weitere Summationseinheit (3502) enthält, wobei die zweiten Gewichtungseinheiten
(3302) dieselben gefilterten Mischsignale wie die ersten Gewichtungseinheiten (330i) verarbeiten, aber eine andere Richtungsinformation für die bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit (Ft2) des Mikrofonarrays erhält.
6. Mikrofonarray nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Mikrofonkapseln auf einem Kreis oder Kreisabschnitt mit einem Radius zwischen rmm = 5 cm und rmax = 100 cm liegen.
7. Mikrofonarray nach Anspruch 6, wobei der Radius zwischen 30 cm und 60 cm liegt.
8. Mikrofonarray nach einem der Ansprüche 1-7, ferner mit einer Steuereinheit zum Einstellen der bevorzugten Richtung hoher Empfindlichkeit des Mikrofonarrays, oder mit einem Eingang zum Anschluss einer solchen Steuereinheit.
9. Mikrofonarray nach einem der Ansprüche 1-8, wobei für jedes der Mikrofone die bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit (115) relativ zu dem Kreis oder Kreisabschnitt nach außen zeigt.
10. Mikrofonarray nach einem der Ansprüche 1-9, wobei für jedes der Mikrofone die bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit (115) relativ zu dem Kreis oder
Kreisabschnitt nach innen zeigt.
11. Mikrofonarray nach einem der Ansprüche 1-10, wobei jedes der Mikrofone eine Mehrzahl von linear angeordneten Mikrofonkapseln enthält, die jeweils eine feste Richtcharakteristik aufweisen. 12. Verfahren zur Audioaufnahme mittels eines Mikrofonarrays aus Richtmikrofonen, wobei mindestens ein gemeinsames Ausgangssignal erzeugt wird, das den Schall in einer einstellbaren bevorzugten Richtung hoher Empfindlichkeit des Mikrofonarrays enthält, mit den Schritten
- Mischen mehrerer Mikrofonsignale in einer Mischmatrix (310) auf (2M+1) Mischsignale, wobei M die Ordnung des gemeinsamen Ausgangssignals ist, und wobei die Mikrofonsignale von den Richtmikrofonen kommen und die
Richtmikrofone im Wesentlichen in einer Ebene und auf einem Kreis (120) oder Kreisabschnitt so angeordnet ist, dass für jedes der Richtmikrofone eine bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit (115) im Wesentlichen orthogonal zu dem Kreis (120) oder Kreisabschnitt liegt;
- Filtern der Mischsignale in einer Mehrzahl von (2M+1 ) Filtern (320,...,322‘), wobei gefilterte Mischsignale (QF-M,GF-M+I ,... ,QFO, ... ,QFM-I, QFM) entstehen;
- Gewichten jedes der gefilterten Mischsignale mit einer Gewichtung (gA>,..., goW,..., gtA ) in einer Mehrzahl von (2M+1) Gewichtungseinheiten (330), wobei die Gewichtung jeder Gewichtungseinheit der einstellbaren bevorzugten Richtung hoher Empfindlichkeit (Ft) des Mikrofonarrays entspricht; und
- Aufsummieren der (2M+1 ) gewichteten, gefilterten Mischsignale in einer Summationseinheit (350), wobei das gemeinsame Ausgangssignal (360) entsteht.
13. Verfahren nach Anspruch 12, mit dem zusätzlichen Schritt
- Detektieren einer Änderung eines Eingangssignals, das die einstellbare bevorzugte Richtung hoher Empfindlichkeit (Ft) des Mikrofonarrays steuert; und
- Ändern der bevorzugten Richtung hoher Empfindlichkeit (Ft) des Mikrofonarrays entsprechend der detektierten Änderung.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Anzahl der
Richtmikrofone mindestens 2M+1 beträgt.
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