專利名稱：麥克風(fēng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種麥克風(fēng)裝置，其至少具有三個壓力梯度換能器，每個壓力梯度換 能器具有振膜，每個壓力梯度換能器具有通向振膜的正面的第一聲音入口和通向振膜的背 面的第二聲音入口，并且其中，每個壓力梯度換能器的方向特性具有最大敏感度方向，即， 主方向，并且其中，壓力梯度換能器的主方向相對于彼此傾斜。本發(fā)明還涉及一種由麥克風(fēng)裝置合成麥克風(fēng)信號的方法，利用此方法，可以將聲 音作為從聲源到麥克風(fēng)裝置的函數(shù)，對聲音進行拾音，例如，優(yōu)選地，拾音聲源附近的聲音， 屏蔽一定距離之外的聲音。
背景技術(shù)：
錄音技術(shù)中的最大挑戰(zhàn)之一是，例如，在現(xiàn)場直播和音樂會期間，避免或減小反 饋。由于從(放大器)揚聲器發(fā)出的信號再次被麥克風(fēng)(部分地)接收，并因此再次出現(xiàn) 在放大器處，導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生反饋，因此，信號在揚聲器位置處雪崩似地增加，發(fā)出震耳欲聾 的嘯聲。一種避免反饋的可行做法包括利用指向性麥克風(fēng)(第1階或更高階)或者將麥克 風(fēng)布置在揚聲器的聲影區(qū)中，以延長揚聲器和麥克風(fēng)之間的信號路徑。這樣的措施使得問 題減小，但是不能完全阻止不期望的反饋效應(yīng)。通常很重要的是，舞臺上也能聽到揚聲器信 號，但是，歌手、演員、演講者必須能夠聽到他們自己及其他人的話音以及在舞臺上與他們 配合的其它聲源的聲音，例如，樂隊演奏?，F(xiàn)有技術(shù)的另一個問題是聲音換能器不能區(qū)分遠近聲源，并且對所有進入的聲源 進行拾音。可是，這常常是一個缺陷，特別是因為期望特意對特定聲源拾音，而努力要抑制 背景噪聲、發(fā)動機噪聲、汽車或飛機振動等。于是，需要創(chuàng)建一種麥克風(fēng)裝置和方法，利用該裝置和方法可以抑制反饋、撿拾聲 音，優(yōu)選地，將聲音作為聲源位置的函數(shù)來拾音并且/或者對其進行檢測，以便能夠采用另 外的度量作為到聲源的距離的函數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
利用上述麥克風(fēng)裝置實現(xiàn)這些目標，此麥克風(fēng)裝置具有至少一個壓力換能器，壓 力梯度換能器和壓力換能器的聲學(xué)中心位于假想的球體之內(nèi)，其中此球體的半徑對應(yīng)于換 能器振膜的最大維度的兩倍。最后一條標準確保所有換能器的必需的一致的位置。在更優(yōu)選的實施例中，壓力 梯度換能器和壓力換能器的聲學(xué)中心位于假想的球體內(nèi)部，此球體的半徑對應(yīng)于換能器的 振膜的最大維度。通過將聲音入口移動到一起來增加一致性，可以實現(xiàn)特別的結(jié)果。還可以利用上述方法實現(xiàn)本發(fā)明的目的，其中，通過將源自壓力梯度換能器的信 號相加來形成和信號，并且從(一個或多個)壓力換能器的(一個或多個)信號獲得具有 全向特性的信號，從源自壓力梯度換能器的和信號中減去源自(一個或多個)壓力換能器 的信號。
從至少三個一致性布置的梯度換能器開始，通過和形式生成全向信號。同時，利用 與梯度換能器一致布置的至少一個壓力換能器產(chǎn)生另外的全向信號。利用以不同方式獲 得的兩個全向信號的不同形式，獲得不同的信號，其信號強度取決于近場(near-field)效 應(yīng)，并且優(yōu)選地，再現(xiàn)位于根據(jù)本發(fā)明的麥克風(fēng)裝置附近的聲源，然而，隨著聲源與麥克風(fēng) 裝置的距離增加，聲源在不同信號中的表現(xiàn)也越來越弱。本發(fā)明利用了所謂的近場效應(yīng)，也稱為鄰近效應(yīng)，如果聲源位于梯度換能器的附 近，則在梯度換能器中發(fā)生鄰近效應(yīng)，并導(dǎo)致低頻增加。聲源和梯度換能器越近，對于低頻 的過分強調(diào)就越強。一般來說，在間距小于所考慮的頻率的波長X的麥克風(fēng)處開始出現(xiàn)近 場效應(yīng)。在壓力換能器中，在所有方向具有幾乎相等的敏感度，因此產(chǎn)生全向信號，不存在 近場效應(yīng)。然而，梯度換能器中的振膜兩側(cè)都通過開口以能夠傳導(dǎo)聲音的方式連接到周圍， 在振膜正面一側(cè)，壓力換能器僅有一個聲音入口。在壓力換能器中，振膜艙外殼中也可以有 微小的開口，以便補償靜態(tài)壓力變化，但這不會影響壓力換能器的性質(zhì)或全向特性。僅在壓力梯度換能器中，即，被指向的麥克風(fēng)中，出現(xiàn)近場效應(yīng)，而在壓力換能器 中不存在此效應(yīng)，并且，與聲音接收器的主方向有關(guān)，取決于聲音的入射角度。這意味著在 心型或超心型的主方向，近場效應(yīng)表現(xiàn)得最明顯，然而，在與主方向成90°角傾斜的方向， 近場效應(yīng)可以忽略?，F(xiàn)在利用近場效應(yīng)，以便確定一致性換能器布置和聲源之間的距離，或 者，作為待拾音的聲源或待屏蔽的聲源的標準。由于從該壓力換能器或者若干個壓力換能 器的組合所得到的全向信號不受鄰近效應(yīng)的影響，對梯度信號和全向信號進行比較可以確 定到聲源的距離。根據(jù)各個換能器或其等效元件的質(zhì)量，可以利用濾波器在第一步中相互調(diào)節(jié)從各 個換能器獲得的信號的頻率響應(yīng)。現(xiàn)在使用從各個換能器信號得到的信號以兩種不同方式生成全向信號。通過對三 個梯度換能器的梯度信號求和，生成第一全向信號。從壓力換能器(也被稱為零階換能器) 的信號獲得第二全向信號，壓力換能器具有全向拾音模式。可以從包括若干個壓力換能器 的裝置獲得第二全向信號。通過對若干個一致布置的壓力換能器求和，例如，對四個壓力換 能器求和，所得到的全向信號接近理想的球體，并且可以通過組合若干個壓力換能器來補 償與單個壓力換能器中的全向信號的輕微偏差。以下將通過求和得到的信號稱為全向信號，即使由于制造公差，出現(xiàn)了由真實換 能器或者由拾音模式或頻率響應(yīng)彼此不同的換能器導(dǎo)致的偏差。然而，總而言之，仍然可以 利用球形來近似描述這些信號，這在聲學(xué)中也是非常普遍的。在這種情況下，由于隨梯度換 能器在信號中產(chǎn)生近場效應(yīng)，因此，也出現(xiàn)偏離。球形包含一個方向上的凸出部分。在不同 形成過程中，此凸出部分得到保持，并形成所期望的(指向性)信號。


以下參考附圖進一步描述本發(fā)明。在附圖中圖1示出遠場(far-field)和近場(near-field)之間的過渡，作為離聲源的距離 r和聲波頻率f的函數(shù)；圖2示出以dB為單位的聲音速率等級，對于離開聲源的不同距離r，作為頻率的函 數(shù)；
圖3示出梯度換能器，其中，聲音入口在振膜艙外殼的相反的兩側(cè)上；圖4示出梯度換能器，其中，聲音入口在振膜艙外殼的同一側(cè)上；圖5示出壓力換能器的截面圖；圖6a示出根據(jù)本發(fā)明的位于一個平面中的麥克風(fēng)裝置；圖6b示出圖6a的各個換能器的拾音模式；圖7示出根據(jù)本發(fā)明的位于曲面上的麥克風(fēng)裝置；圖8示出根據(jù)本發(fā)明的麥克風(fēng)裝置，其中，所有換能器都容納在公共外殼中；圖8a示出嵌入在接口中的換能器裝置；圖8b示出布置在接口上的換能器裝置；圖9示出根據(jù)本發(fā)明的麥克風(fēng)裝置，包括4個梯度換能器和一個壓力換能器；圖9a示出一種裝置，其包括4個梯度換能器和4個壓力換能器；圖10示出優(yōu)選的一致性條件的示意圖；圖11示出根據(jù)本發(fā)明的4個換能器中的信號處理；圖12示出根據(jù)本發(fā)明的5個換能器中的信號處理；圖13示出在沒有聲源在近場中發(fā)聲的情況下，從梯度換能器獲得的信號以及從 (一個或多個)壓力換能器獲得的信號的拾音模式；圖14示出在有聲源在近場中發(fā)聲的情況下，從梯度換能器獲得的信號以及從(一 個或多個)壓力換能器獲得的信號的拾音模式。
具體實施例方式在研究換能器裝置之前，需要對近場效應(yīng)做一些解釋在數(shù)學(xué)上，可以通過換能器 概念中的差值來解釋近場效應(yīng)。在平坦的聲場中，聲壓和聲速總是同相的，因此對于平坦聲 場來說不存在近場效應(yīng)。對于球形聲源的一般情況，必須區(qū)別聲壓和聲速。球形聲源的聲 壓的振幅隨1/r減小(其中，r表示距離全向聲源的距離)，因此在壓力換能器(也稱為零 階換能器)中，不會發(fā)生近場效應(yīng)。從以下兩項得到球形聲源的聲速
K’遠場=*—cos[k(ct-r)-h<pA]( 1 )
p*c r
\近場=+ * ^"sin[k(ct ~r) + <PA](2)其中，P表示密度，r表示離聲源的距離，c表示聲速，A表示波長，t表示時間，CpA表示相位，k表示圓波數(shù)目(2 Ji /入或2 Ji f/c)，A表示振幅，
6 隨著(kXr)增加，此表達式接近數(shù)值1。在較小數(shù)值(kXr)處，對于增強因子B獲得如下表達式 由此可明顯看出，(kXr)的較小值導(dǎo)致了等級的連續(xù)增加。如果在公式(3)中代入180°的方位角0，可獲得與公式(5)中的表達式相同的 增強因子B。這意味著近場效應(yīng)具有8字形特性(對于方位角e為90°，則不依賴于kXr)。以下進一步描述根據(jù)本發(fā)明的換能器裝置的例子，其中，參考圖3至5簡要解釋優(yōu) 選換能器類型。圖3和圖4示出了“正?！碧荻日衲づ摵汀捌教埂碧荻日衲づ撝g的差異。在前者 中，如圖3所示，聲音入口 a位于振膜艙外殼4的正面上，而聲音入口 b位于振膜艙外殼4 相反的背面?zhèn)壬?。正面聲音入?a連接到振膜5的正面，振膜5緊繃在振膜環(huán)6上，并且背 面聲音入口 b連接到振膜5的背面。對于所有壓力梯度，振膜的正面是聲音可相對無阻礙地到達的一側(cè)，而僅在聲音f■表示頻率。由公式(1)和⑵可明顯看出，遠場聲速隨1/r減小，而在近場中隨l/(kXr2)減 小。由圖1和圖2也可明顯看出，作為距離和頻率的函數(shù)，利用壓力梯度麥克風(fēng)拾音的信號 等級增加。近場和遠場的分離由kXr = 1給出，近場和遠場之間的過渡區(qū)由kXr = 2和 kXr = 0. 5 限定。也可通過下式來描述每個單個梯度振膜艙的特性 其中，a表示全向部分的權(quán)重因子，b表示梯度部分的權(quán)重因子。對于數(shù)值a =1， b = 1，得到心型曲線，對于a = 1和b = 3，得到超心型曲線。一般而言，作為接近效應(yīng)的結(jié)果，可將梯度麥克風(fēng)的增強因子B描述為梯度麥 克風(fēng)的入射角的函數(shù)，如在 Philip S. Cotterell 的論文，BSc, MSc，AMIEE，Department of Cybernetics, February 2002, "On the Theory of the Second-OrderSound Field Microphone”中所描述的 角度e表示全向坐標的方位角，tp表示仰角。對于心型的簡單情況(a = 1，b = 1)，增強因子B在(kXr)的較大數(shù)值處，即較大距離r和較高頻率f 處，假設(shè)如下式通過在聲學(xué)上相位旋轉(zhuǎn)的元件之后才能抵達振膜的背面。一般而言，通向正面的聲音路徑 比通向背面的聲音路徑更短，并且通向背面的聲音路徑具有很高的聲學(xué)摩擦。在電極7后 面的區(qū)域中，在多數(shù)情況下存在聲學(xué)摩擦8，聲學(xué)摩擦8可以被設(shè)計成壓縮物、無紡的或泡 沫的形式。在圖4的平坦梯度振膜艙中，也稱為接口麥克風(fēng)，在振膜艙外殼4的正面設(shè)置有聲 音入口 a和b，其中，一個通向振膜5的正面，另一個經(jīng)由聲音通道9通向振膜5的背面。此 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢在于它能夠被集成在接口 11中，例如，集成在汽車的控制臺中，并且，由于可 以將聲學(xué)摩擦器件8，例如，非編織物、泡沫、壓縮物、穿孔物和平板等布置在振膜5附近的 區(qū)域中，可以得到非常平坦的設(shè)計。通過將聲音入口 a和b都布置在振膜艙的同一側(cè)，實現(xiàn)了相對于振膜軸的非對稱 拾音模式，例如，心型曲線、超心型曲線等。在EP 1 351 549 A2或?qū)?yīng)的US 6，885，751 A 中詳細描述了這種振膜艙，這兩篇文獻的全部內(nèi)容通過引用包括在本說明中。圖5中示出了壓力換能器，也稱為零階換能器。在零階換能器中，僅振膜的正面連 接到外部環(huán)境，而背面面對著封閉的容積。在后部的容積中可以存在天然的小開口，這些小 開口被認為能夠補償靜態(tài)壓力變化，但對動態(tài)屬性和拾音模式?jīng)]有影響。壓力換能器具有 基本上全方向的拾音模式。作為頻率的函數(shù)，可以得到此結(jié)果的微小偏差?，F(xiàn)在圖6a示出了根據(jù)本發(fā)明的麥克風(fēng)裝置，其包括三個壓力梯度換能器1、2、3， 和被這些壓力梯度換能器包圍的壓力換能器5。此壓力梯度換能器的拾音模式(圖6b)包 括全向部分和8字形部分。實質(zhì)上，可以用P( 0 ) = k+(l-k) Xcos(0)來表示此拾音模式， 其中，k表示與角度無關(guān)的全向部分，而(l-k)XC0S(e)表示角度相關(guān)的8字形部分。參 考方程(1)，已經(jīng)處理了此拾音模式的可替代數(shù)學(xué)描述，其中也進行了歸一化。根據(jù)圖6b繪 出的各個換能器的方向性分布，這種情況涉及具有心型曲線特征的梯度換能器。然而，原則 上，從球形和8字形組合得到的所有梯度，比如超心型曲線，都是可以想到的。理想情況下，壓力換能器5的拾音模式是全向的。作為制造公差和質(zhì)量的函數(shù)， 在較高頻率處，可能與全向形式有偏差，但是，可以總是通過大致球形來近似描述此拾音模 式。相比梯度換能器，壓力換能器僅有一個聲音入口，因此，振膜的偏轉(zhuǎn)與壓力成正比，而不 是與振膜的正面和背面之間的壓力梯度成正比。上述實例中的梯度換能器1、2、3位于x-y平面上，并且?guī)缀蹙鶆蚍植荚诩傧雸A的 圓周上，即，它們幾乎彼此間距相等。在三個梯度換能器的情況下，它們的主方向(最大敏 感度方向)lc、2c、3c彼此傾斜，大致成120°方位角(圖6b)。在n個梯度換能器中，它們 的主方向之間的角度在平面上是360° n，允許有幾度的偏離，這不會影響本發(fā)明的功能。原則上，任何類型的梯度換能器都適合用來實現(xiàn)本發(fā)明，但是，所述的變形是尤其 優(yōu)選的，因為，其涉及了平坦換能器或所謂的接口麥克風(fēng)，其中，兩個聲音入口位于相同一 側(cè)表面上，即，接口上。從圖6a回到根據(jù)本發(fā)明的麥克風(fēng)裝置，現(xiàn)在的特殊之處在于，轉(zhuǎn)換器1、2、3、5被 彼此一致地布置，即，它們的指向彼此相對，從而通向相應(yīng)振膜正面的聲音入口 la、2a、3a、 5a彼此相互臨近，而通向振膜背面的梯度換能器的聲音入口 lb、2b、3b位于這種布置的外 圍。在后續(xù)解釋中，將延長連接線的交叉點視為麥克風(fēng)裝置的中心，其中，延長連接線將正 面聲音入口 la或2a或3a連接到背面聲音入口 lb或2b或3b。優(yōu)選地，現(xiàn)在壓力換能器5位于此裝置的中心處。在圖6b中，梯度換能器的主方向lc、2c、3c就是朝向此中心。因此， 兩個換能器1、2和3的正面聲音入口 la、2a、3a，也稱為語音輸入口，位于此裝置的中心區(qū) 域。通過這樣的手段，可以顯著增強轉(zhuǎn)換器的一致性?，F(xiàn)在，根據(jù)本發(fā)明，壓力換能器5位 于麥克風(fēng)裝置的中心區(qū)域，其中，優(yōu)選地，壓力換能器5的單個聲音入口位于壓力梯度換能 器1、2、3的聲音入口的連接線交叉點處。以下的考慮將麥克風(fēng)裝置限制為特定的功能良好 的變形。一致性產(chǎn)生，這表現(xiàn)在梯度換能器1、2、3和壓力換能器5的聲學(xué)中心盡可能彼此 靠近，優(yōu)選地，位于同一點處。將互易換能器(reciprocaltransducer)的聲學(xué)中心定義為， 當(dāng)換能器作為聲源時，看起來從該點發(fā)出全向波的點。作者為Jacobsen，F(xiàn)inn ；Barrera Figueroa, Salvador ；Rasmussen, Knaud 的發(fā)表在 Acoustical Society of America Journal, Volume 115，Issue4，PP. 1468-1473(2004)(美國聲學(xué)學(xué)會雜志第 115 卷第 4 期第 1468-1473 頁)的論文“A note on the concept of acoustic center”研究了確定聲源 的聲學(xué)中心的各種方法，包括基于偏離逆距離定律(deviations from inverse distance law)的方法和基于相位響應(yīng)的方法。通過對電容式麥克風(fēng)的實驗結(jié)果闡釋此考慮。本篇論 文的內(nèi)容通過引用包含在本說明書中。可以通過在利用小空間區(qū)域中，S卩，觀察點，在離開轉(zhuǎn)換器某距離處沿著某方向以 某頻率對聲學(xué)換能器進行正弦激勵期間測量全向波波前來確定聲學(xué)中心。從有關(guān)全向波波 前的信息開始，可以得到有關(guān)全向波的中心(即，聲學(xué)中心)的結(jié)論。在 Salvador Barrera-Figueroa 禾口 Knud Rasmussen 發(fā)表于 The Journal of theAcoustical Society of America, Volume 120, Issue 5, pp. 2668-2675 (2006)(美國 聲學(xué)學(xué)會雜志第2006年120卷第5期第2668-2675頁)的論文“The acousticcenter of laboratory standard microphones”中可找到將聲學(xué)中心概念應(yīng)用于麥克風(fēng)的詳細表述， 此論文的內(nèi)容通過引用包含在本說明書中。作為確定聲學(xué)中心的很多可能之一，將此論文 所述的方法簡要描述如下類似電容型麥克風(fēng)，對于互易換能器，是將此換能器作為聲音發(fā)射器還是聲音接 收器并不重要。在上述論文中，通過逆距離定律來確定聲學(xué)中心 其中，rt是聲學(xué)中心，p是空氣密度，f是頻率，Mf是麥克風(fēng)敏感度，i是電流，y是復(fù)波傳播系數(shù)。此結(jié)果僅關(guān)于壓力接收器。此結(jié)果表明，對于平均頻率(在1kHz范圍內(nèi))確定的 中心偏離對于高頻確定的中心。這種情況下，將聲學(xué)中心定義為小區(qū)域。對于確定梯度換能 器的聲學(xué)中心，這里使用完全不同的方法，因為，公式(6)沒有考慮近場相關(guān)的依賴性。這 會引起如下的有關(guān)聲學(xué)中心的問題換能器必須圍繞哪個點旋轉(zhuǎn)，才能觀察到與觀察點處的波前相同的相位。在梯度換能器中，可以從旋轉(zhuǎn)對稱開始，從而聲學(xué)中心可僅位于與振膜平面正交 的直線上?？梢酝ㄟ^兩次測量來確定任意直線上的精確的點——最優(yōu)選的是，從0°的主方 向以及從180°方向。除了對這兩次測量的相位響應(yīng)進行比較之外，確定頻率相關(guān)的聲學(xué)中 心，對于聲學(xué)中心的平均估計，最簡單的方法是改變換能器在測量之間所圍繞著旋轉(zhuǎn)的旋 轉(zhuǎn)點，從而脈沖響應(yīng)最大程度地重疊(或者，換言之，從而兩個脈沖響應(yīng)之間的最大相關(guān)位 于中心)。上述的“平坦”梯度振膜艙現(xiàn)在具有的屬性是它們的聲學(xué)中心不是振膜中心，其 中，兩個聲音入口位于接口上。聲學(xué)中心位于最接近通向振膜正面的聲音入口處，因此，在 接口和振膜之間形成最短的連接。聲學(xué)中心也可以位于振膜艙外部。在使用其它壓力換能器期間，必須進行如下考慮如果考慮壓力換能器的振膜在 XY平面中，并且將XY平面中圍繞X軸的任意角指定為方位角，將圍繞XY平面的任意方向的 角度指定為仰角，可以得到如下結(jié)論，事實上壓力換能器信號相對于理想全向信號的偏離通常隨著頻率增加(例如，1kHz以 上)而變得更大，但是在聲音從不同仰角暴露期間，增加得更加強烈。由于這些考慮，當(dāng)在接口上布置壓力換能器時，得到了特別優(yōu)選的變形，使得振膜 基本上平行于接口。作為另一種優(yōu)選變形，振膜的位置盡可能接近接口，優(yōu)選地，與接口齊 平，但是，至少在對應(yīng)于振膜的最大維度的距離之內(nèi)。因此，也很容易解釋壓力換能器的聲 學(xué)中心的定義。這種布局的聲學(xué)中心位于在振膜中心處與振膜表面正交的直線上。作為良 好的近似，為簡便起見，可以假設(shè)聲學(xué)中心位于振膜表面上的振膜中心。本發(fā)明的一致性標準要求壓力梯度振膜艙1、2、3和壓力換能器5的聲學(xué)中心101、 201,301,501位于假想球形0內(nèi)部，此球形的半徑R是換能器振膜的最大維度D的兩倍。在更優(yōu)選的實施例中，壓力梯度換能器和壓力換能器的聲學(xué)中心位于假想球形內(nèi) 部，此球形的半徑對應(yīng)于換能器振膜的最大維度。通過將聲音入口移動到一起以增強一致 性，可以實現(xiàn)特別的結(jié)果。在如圖10中示意性示出的優(yōu)選的一致性條件，已被證明對于根據(jù)本發(fā)明的換能 器布置是特別優(yōu)選的為了確保該一致性條件，壓力梯度振膜艙1、2、3和壓力換能器5的聲 學(xué)中心101、201、301、501位于假想球形0內(nèi)部，此假想球形0的半徑R等于換能器的振膜 的最大維度D。虛線表示振膜100、200、300、500的尺寸和位置?？商娲?，該一致性條件也可以被描述成，第一聲音入口 la、2a、3a和壓力換能器 5的聲音入口 5a位于假想球形0內(nèi)部，該假想球形0的半徑R對應(yīng)于換能器的振膜100、 200,300,500的最大維度D。與使用最大振膜維度D (例如，圓形振膜的直徑，或者三角形或 矩形振膜的邊長)確定此一致性條件相伴隨的事實是，振膜的尺寸決定噪聲距離，因此代 表了聲學(xué)幾何的直接標準?？梢院茏匀坏叵氲?，振膜100、200、300和500的尺寸不同。這種情況下，使用最大
的振膜來確定優(yōu)選標準。在圖6a所示的實例中，換能器1、2、3、5被布置在一個平面中。各個換能器的連 接線將正面聲音入口和背面聲音入口相互連接，這些連接線相對于彼此傾斜，形成約120°
圖7示出了本發(fā)明的另一種變形，其中，并沒有將兩個壓力梯度換能器1、2、3和壓 力換能器5布置在一個平面中，而是布置在一個假想的全方向的表面上。這種情況可能出 現(xiàn)在現(xiàn)實中，當(dāng)將麥克風(fēng)裝置的聲音入口布置在彎曲的接口上時，例如，車輛的控制臺上。 為了簡明起見，圖7中沒有示出換能器嵌入在其中或者換能器緊固在其上的那種接口。一方面，圖7中的曲率表示與中心之間的距離減小(這是期望出現(xiàn)的，因為，聲學(xué) 中心位置更加靠近)，然而，另一方面，語音輸入開口因此在一定程度上被遮蔽。此外，這改 變了單個振膜艙的拾音模式，從而信號的8字形部分變得更小(則從超心型曲線形成心型 曲線)。為了不讓遮蔽的缺陷占上風(fēng)，優(yōu)選地，曲率不應(yīng)該超過60°。換言之，壓力梯度振 膜艙1、2、3被布置在假想錐體的外表面上，其中該假想錐體的表面線與錐體軸線圍成至少 30° 角。通向振膜正面的梯度換能器的聲音入口 la、2a、3a位于一個平面中，此后稱為基 準平面，然而，布置在彎曲的接口上的聲音入口 lb、2b、3b位于該基準平面的外部。將梯度 換能器1、2、3的主方向投射到如此定義的基準平面，其投影可圍成相當(dāng)于約360° /n的角 度，其中，n代表一圈中布置的梯度換能器的數(shù)目。與使用布置在一個平面中的振膜艙的實例一樣，在該實例中，壓力梯度換能器的 主方向相對于彼此傾斜方位角9，即，它們不僅在錐體軸平面中相對于彼此傾斜，而且在與 錐體軸正交的平面中，主方向的投影也相對于彼此傾斜。梯度換能器1、2、3和壓力換能器5的聲學(xué)中心也位于假想球形內(nèi)，該假想球形的 半徑小于圖7的布置中的換能器振膜的最大維度。這樣，通過聲學(xué)中心在空間上的接近，實 現(xiàn)了本發(fā)明所需要的、尤其是進一步的信號處理所需要的一致性。與圖6a的變形中一樣， 圖7所示的振膜艙也優(yōu)選地布置在接口上，例如，嵌入在接口中。圖8A和8B中示出了將振膜艙布置在接口上的可行方式。在圖8A中，示出了來自 圖6a的麥克風(fēng)裝置的剖面圖，振膜艙放置在接口 20上或者固定到接口 20上，而在圖8B中， 振膜艙被嵌入到接口 20中，并且振膜艙的正面與接口 20齊平。可以想到另一種變形，其中，將壓力梯度振膜艙1、2、3和壓力換能器5布置在公共 外殼21內(nèi)，其中，振膜、電極以及各個換能器的安放通過間隔裝置彼此分開。從外部不再能 看到聲音入口。公共外殼的表面可以是平面(稱為根據(jù)圖6a的布置)或者曲面(稱為根 據(jù)圖7的布置)，其中，在公共外殼中布置有聲音入口。接口 20本身可以被設(shè)計為板式、控 制臺式、壁式、包覆層等。圖9示出了本發(fā)明的另一種變形，其可以在沒有一側(cè)的聲音入口麥克風(fēng)的情況下 工作。此外，現(xiàn)在，在空間布置中使用四個梯度換能器，而不是僅有三個梯度換能器。在每 個壓力梯度換能器1、2、3、4中，將第一聲音入口 la、2a、3a、4a布置在振膜艙外殼的正面，將 第二聲音入口 lb、2b、3b、4b布置在振膜艙外殼的背面。壓力換能器5僅在正面具有聲音入 口 5a。通向振膜正面的第一聲音入口 la、2a、3a、4a彼此相對，也滿足了本發(fā)明的一致性標 準，即，它們位于假想球形內(nèi)，其中此假想球形的半徑對應(yīng)于換能器之中的振膜的最大維度 的兩倍。梯度換能器的主方向面對麥克風(fēng)裝置的公共中心區(qū)域?，F(xiàn)詳細討論圖9中的布置的維度的例子。假設(shè)此空間換能器布置包括與四面體的 表面一致的理想平坦換能器，得到振膜表面的最大直徑D與外包圍球形半徑R的比值 實際上，由于通常在剛性環(huán)上安裝振膜，并且不能將單個振膜艙制造得任意薄，因 此，不能利用延伸到四面體邊緣的振膜來實現(xiàn)這種換能器布置。然而，這不是問題，因為，已 表明，如果換能器布置，尤其是通向振膜正面的聲音入口，位于假想球形0內(nèi)，其中，球形0 的半徑等于換能器之一的振膜的最大維度D的兩倍，則本發(fā)明的概念奏效。優(yōu)選地，如圖9所示，在假想四面體的表面上布置梯度換能器，并通過間隔裝置50 將其彼此隔開，以便在布置的中心為壓力換能器5制造空間。利用麥克風(fēng)桿60固定整個布 置。如參考圖10所解釋的那樣，一致性條件自然也適用于具有四個壓力梯度換能器 的布置。本發(fā)明不限于上述的變形。原理上，也可設(shè)置多于四個梯度換能器，以便通過求和 形式從它們的信號得到合成的全向信號。如圖9a所示，也可以設(shè)置若干個壓力換能器5、5’、5”、5”’。通過對各個壓力換能 器的全向信號求和，可以再次形成全向信號，該信號仍然是均勻的，接近理想的球形，并且 與頻率無關(guān)。在本實例中，設(shè)置了四個壓力換能器5、5’、5”、5”’，它們分別被布置在四面體 的表面上，聲音入口直接朝外。還設(shè)置了間隔裝置50，以便在空間中固定壓力換能器或梯度 換能器。以下進一步考慮對各個振膜艙信號進行信號處理，以得到合成的總的信號圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的用于4個換能器的算法，圖12示出了用于5個換能器 的算法。優(yōu)選的是數(shù)字式處理，但這并不是絕對必要的。利用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器對壓力梯度換能器1、2、3和4 (4是可選的)的信號進行轉(zhuǎn) 換，并利用濾波器F1、F2、F3和F4(F4是可選的)使它們彼此適配。這些濾波器允許有制造 公差，輕微偏離頻率響應(yīng)等，并在啟動前被校準，使得每個信號的傳輸函數(shù)幾乎相同。此外， 將梯度信號相加，產(chǎn)生和信號Seft。由于此和信號由各個梯度信號組成，近場效應(yīng)在和信號 中也扮演非常重要的角色，使得和信號與理想全向形狀之間的偏差是聲源到麥克風(fēng)裝置的 距離的函數(shù)。與此并行進行的是，對壓力換能器5的信號的數(shù)字化和處理，并且可選地，利用放 大器70進行放大。在遠場中進行拾音期間，和信號少大致為全向形狀，因為近場效 應(yīng)不會導(dǎo)致全向形狀變形，并且，可能的話，和信號和放大器的輸出信號應(yīng)該相等， 這樣，在求差之后，在輸出端形成最小的信號(在理想情況下，根本不形成信號Sa)。放大 器70允許這種情況，并在啟動前進行校準。現(xiàn)在參考圖13和14解釋本發(fā)明的原理，并且該圖示出了從各個梯度信號(虛線) 得到的和信號Seft以及從(一個或多個)壓力換能器(實線)得到的和信號的拾音模 式。對于這種情況，在足夠遠的距離發(fā)出聲音，即，聲源位于遠場，在對應(yīng)的歸一化之后，信 號Seft和幾乎都是全向的，它們彼此覆蓋(圖13)。對于這種情況，將聲源90布置在近場，其發(fā)出聲音，從各個梯度信號獲得的和信 號Seft的拾音模式發(fā)生變化(虛線)?，F(xiàn)在，在朝向聲源的方向上可觀察到膨脹部分80，因 為現(xiàn)在近場效應(yīng)在起作用。基于圖6a所示的平坦麥克風(fēng)裝置，現(xiàn)在可對圖14進行如下解釋現(xiàn)在梯度換能器是有方向性的，從而梯度換能器之一的主方向指向X方向(圖14中的坐標系)，因此其指 向聲源。其它兩個梯度換能器(根據(jù)圖6a)的主方向向下傾斜120°。這解釋了為什么+χ 方向上的膨脹部分是-χ方向上的膨脹部分的大約兩倍大。作為近場效應(yīng)的結(jié)果，其它兩個 梯度換能器之和相比正面的梯度換能器有-6B的級別差(level difference) 0原因在于， 這兩個梯度換能器的主方向不朝向聲源，并且它們在χ方向上的敏感度要低得多。膨脹部分80在求差Seft-S^；力之后仍然存在，它現(xiàn)在精確指向聲音到達麥克風(fēng)裝 置的方向，從而，某種程度而言，可以進行指向性的拾音，并可確定距離?？梢酝ㄟ^對振幅進 行解釋以及利用已存儲的測試數(shù)據(jù)進行比較來確定距離?？梢詫崿F(xiàn)測試數(shù)據(jù)，因為，可以從不同的方向和距離對根據(jù)本發(fā)明的換能器布置 進行測量，并且，可以在存儲器中存儲比值。
權(quán)利要求
一種麥克風(fēng)裝置，其至少具有三個壓力梯度換能器(1，2，3)，每個壓力梯度換能器具有振膜，每個壓力梯度換能器(1，2，3)具有通向振膜的正面的第一聲音入口(1a，2a，3a)，和通向振膜的背面的第二聲音入口(1b，2b，3b)，并且，其中，每個壓力梯度換能器(1，2，3)的方向特性具有最大敏感度方向，即，主方向，并且其中，所述壓力梯度換能器(1，2，3)的主方向(1c，2c，3c)相對于彼此傾斜，其特征在于，所述麥克風(fēng)裝置至少具有一個壓力換能器(5)，所述壓力梯度換能器(1，2，3)和所述壓力換能器(5)的聲學(xué)中心(101，201，301，501)位于假想球體(O)內(nèi)，所述假象球體的半徑(R)對應(yīng)于換能器(1，2，3，5)的振膜的最大維度(D)的兩倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的麥克風(fēng)裝置，其特征在于，所述壓力梯度換能器(1，2，3)和所 述壓力換能器(5)的聲學(xué)中心(101，201，301，501)位于假想球體(0)內(nèi)，所述假象球體的 半徑(R)對應(yīng)于換能器(1，2，3，5)的振膜的最大維度(D)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的麥克風(fēng)裝置，其特征在于，所述麥克風(fēng)裝置具有三個壓力 梯度換能器(1，2，3)和一個壓力換能器(5)，所述壓力梯度換能器(3)被布置成，使得所述 三個壓力梯度換能器(1，2，3)的主方向(lc，2c，3c)在基準平面中的投影彼此圍成約120° 角，所述基準平面是由所述壓力梯度換能器(1，2，3)的第一聲音入口(la，2a，3a)擴展形成 的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的麥克風(fēng)裝置，其特征在于，將所述壓力梯度換能器(1，2，3)和 所述壓力換能器(5)布置在邊界(20)內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的麥克風(fēng)裝置，其特征在于，在每個壓力梯度換能 器(1，2，3)中，將所述第一聲音入口(la，2a，3a)和所述第二聲音入口(lb，2b，3b)布置在 同一側(cè)，即，換能器外殼的正面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的麥克風(fēng)裝置，其特征在于，布置成使得所述壓力梯度換能器 (1,2,3)的正面和所述壓力換能器(5)的正面與所述邊界(20)齊平。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的麥克風(fēng)裝置，其特征在于，在每個壓力梯度換能 器(1，2，3)中，將所述第一聲音入口(la，2a，3a)布置在換能器外殼的正面，并將所述第二 聲音入口(lb，2b，3b)布置在換能器外殼的背面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的麥克風(fēng)裝置，其特征在于，將所述壓力梯度換能 器(1，2，3)和所述壓力換能器(5)布置在公共振膜艙外殼中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的麥克風(fēng)裝置，其特征在于，所述麥克風(fēng)裝置具有四個壓力 梯度換能器(1，2，3，4)和至少一個壓力換能器(5)，將所述壓力梯度換能器(1，2，3，4)布置 在四面體的表面上，并且將所述至少一個壓力換能器(5)布置在所述四面體的內(nèi)部。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的麥克風(fēng)裝置，其特征在于，所述麥克風(fēng)裝置具 有被布置在四面體的表面上的四個壓力換能器(5，5’，5”，5”’)。
11.一種用于對來自根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的麥克風(fēng)裝置的麥克風(fēng)信號進 行合成的方法，其特征在于，對源自壓力梯度換能器(1，2，3，4)的信號求和以形成和信號 (Seft)，并且從壓力換能器(5，5’，5”，5”’ )的信號獲得具有全向特性的信號(S壓力)，從源 自壓力梯度換能器(1，2，3，4)的和信號(S梯度)中減去源自壓力換能器(5，5’，5”，5”’ )的fn巧(S壓力)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在進行求和之前，利用濾波器(Fl，F(xiàn)2，2F3，F(xiàn)4)使所述壓力梯度換能器(1，2，3，4)的信號彼此適配。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，在從源自壓力梯度換能器(1，2， 3,4)的和信號(S·)中減去源自壓力換能器(5，5’，5”，5”’)的信號之前，利用放大器(70) 對源自壓力換能器(5，5’，5”，5”’ )的信號進行放大。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種麥克風(fēng)裝置，其至少具有三個壓力梯度換能器(1，2，3)，每個壓力梯度換能器具有振膜，每個壓力梯度換能器(1，2，3)具有通向振膜的正面的第一聲音入口(1a，2a，3a)，以及通向振膜的背面的第二聲音入口(1b，2b，3b)，并且其中，每個壓力梯度換能器(1，2，3)的方向特性包括全向部分和8字形部分并具有最大敏感度方向，即，主方向，并且其中，壓力梯度換能器(1，2，3)的主方向(1c，2c，3c)相對于彼此傾斜。本發(fā)明的特征在于，該麥克風(fēng)裝置至少具有一個壓力換能器(5)，壓力梯度換能器(1，2，3)和壓力換能器(5)的聲學(xué)中心(101，201，301，501)位于假想球形(O)內(nèi)，此假想球形(O)的半徑(R)對應(yīng)于換能器(1，2，3，5)的振膜的最大維度(D)的兩倍。
文檔編號H04R1/38GK101884224SQ200780101792
公開日2010年11月10日 申請日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者弗雷德里克·里寧 申請人:Akg聲學(xué)有限公司