[0001] Die Erfindung betrifft ein Richtmikrofon.
Moderne Hörgeräte greifen auf Richtmikrofonanordnungen zurück, die durch ihre richtungsabhängige
Mikrofonempfindlichkeit eine Ausgrenzung von aus seitlichen und rückwärtigen Richtungen
kommenden Störsignalen ermöglichen. Dabei wird durch diesen räumlichen Effekt eine
Verbesserung des Nutzsignal- zu Störgeräusch-Verhältnisses erreicht, so dass beispielsweise
eine gesteigerte Sprachverständlichkeit des Nutzsignals vorliegt. Die herkömmlichen
Richtmikrofonanordnungen basieren auf einer Auswertung der Phasen-(Laufzeit-)-Differenzen,
die sich bei einer ausbreitenden Schallwelle zwischen mindestens zwei räumlich getrennten
Schallaufnahmeorten ergeben.
[0002] In Hörgeräten werden dazu bisher Gradientenmikrofone bzw. aus mehreren omnidirektionalen
Schalldruckaufnehmern bestehende Richtmikrofonanordnungen erster und höherer Ordnung
eingesetzt. Während erstere aus dem mechanischen Aufbau heraus die Differenz der von
zwei Schalleintrittsöffnungen stammenden Schallsignale bestimmen, kann bei Kombination
mehrerer Schalldruckaufnehmer über eine geeignete Signalverarbeitung eine gute statische
oder gar adaptiv veränderliche Richtwirkung erreicht werden.
[0003] Allerdings werten alle bekannten Verfahren in gleicher Weise die Unterschiede der
an den Schalleintrittsöffnungen vorliegenden Schallsignale aus. Da nun bei Hörgeräteanwendungen
bauartbedingt die Abstände zwischen den Schalleintrittsöffnungen sehr klein sind,
führt dies dazu, dass bei tieferen Frequenzen, bei denen die Schallwellenlänge sehr
viel größer als die Abstände der Mikrofoneinlassöffnungen ist, die festzustellenden
Unterschiede zwischen den Audiosignalen und damit auch die zu erzielende Richtwirkung
sehr gering sind. Typischerweise besitzen alle Richtmikrofonanordnungen bei tieferen
Frequenzen eine deutlich reduzierte Richtwirkung, Anordnungen aus mehreren Druckaufnehmern
stellen überdies sehr hohe Ansprüche an den Amplituden- und Phasenabgleich der Mikrofone.
[0004] Aus der US 4974117 ist ein differentieller Druckwandler bekannt, der zwei Membranen
kapazitiv koppelt. Dabei wird die Druckdifferenz gemessen zwischen dem Druck im Volumen
zwischen den Membranen und dem Druck im Volumen, welches die beiden Membrane umgibt.
[0005] In Anlehnung an das Hörorgan der 'Ormia'-Fliege, welches mithilfe einer mechanischen
Kopplung zweier Hörmembrane eine einzigartige Richtwirkung erreicht, werden verschiedene
Ansätze zum Einsatz von mechanisch gekoppelten Hörmembranen in Hörhilfsgeräten verfolgt.
Beispielsweise werden bei einem auf Silizium-Mikromechanik basierenden Mikrofonsystem
die schwingungsfähigen Membrane zweier selbständig nebeneinander angeordneter Mikrofone
über einen Steg negativ miteinander mechanisch verkoppelt, siehe "Mechanically coupled
ears for directional hearing in the parasitoid fly Ormia ochracea", R.N. Miles, D.
Robert, R.R. Hoy, Journal of the Acoustical Society of America 98 (1995), S. 3059.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Richtmikrofon sowie die Verwendung
eines Richtmikrofons in einem Hörhilfsgerät anzugeben, die bei einer möglichst kleinen
Bauform zu einer gute Richtwirkung führen.
[0007] Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Richtmikrofon mit
zwei Membranen, die einerseits jeweils über ein Luftvolumen mit einer von zwei räumlich
getrennten Schalleinlassöffnungen akustisch verbunden sind und andererseits über ein
drittes Luftvolumen miteinander akustisch verkoppelt sind, und mit Mitteln zum Erzeugen
mindestens eines Ausgangssignals des Richtmikrofons aus der Schwingung einer der beiden
Membranen.
[0008] Die erhöhte Richtungsauflösung eines Richtmikrofons nach der Erfindung wird durch
die akustische Verkopplung zweier unabhängiger Membrane erreicht. Die Kopplung erfolgt
durch ein geringes Luftvolumen, welches sich zwischen den Membranen befindet. Trifft
eine Schallwelle unter einem bestimmten Schalleinfallswinkel auf das Richtmikrofon,
so erreicht die Schallwelle die beiden Mikrofonmembrane zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
Die Schallwelle wird von den Membranen auf das Volumen zwischen den beiden Membranen
weitergeleitet. Dies bewirkt eine komplexe Wechselwirkung der beiden mechanisch schwingungsfähigen
Membranen. Je nach Einfallsrichtung stellt sich aufgrund der Laufzeitunterschiede
zwischen den auf die Membrane wirkenden Schallwellen ein Amplituden- und Phasenunterschied
ein. Bei einem symmetrischen Einfall, bei dem die Schallwelle gleichzeitig auf die
beiden Membrane trifft, sind die in die akustische Kopplung eingespeisten Schalldrucke
gleich groß, d.h. sie befinden sich im Gleichgewicht. Werden die Schwingungen mit
Mitteln zum Erzeugen eines Ausgangssignals, beispielsweise mit üblichen Mikrofonsensoren,
gemessen, so sind in diesem Fall die Ausgangssignale der beiden Mikrofonmembrane im
Idealfall gleich groß. Sie unterscheiden sich dagegen bei einem asymmetrischen Einfall
der Schallwelle.
[0009] Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein Richtmikrofon nach der Erfindung
einen sehr kleinen und kompakten Aufbau aufweist. Die Ausmaße des Aufbaus sind vorwiegend
gegeben durch die Größe der Membranen und durch die Luftvolumina, die einerseits die
Verbindung zu den Schalleinlassöffnungen herstellen und andererseits die beiden Membrane
miteinander verkoppeln. Unter akustischer Verkopplung wird eine Verkopplung verstanden,
welche durch eine Schallwelle erzeugt wird, die sich in der Luft im dritten Luftvolumen
bildet. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass aufgrund der akustischen Kopplung der
an den beiden Schalleintrittsöffnungen vorliegenden Schalldrucke Membranschwingungen
erzeugt werden, die von der Schalleinfallsrichtung abhängen.
[0010] In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Richtmikrofons bilden eine elektrische
Schicht auf einer der beiden Membranen und eine Gegenelektrode zu dieser elektrisch
leitenden Schicht ein kapazitives Wandlerelement. Ein solches kapazitives Wandlerelement
ermöglicht es, aus der Schwingung der Membran ein Ausgangssignal zu erzeugen. Ein
solches Wandlerelement hat den Vorteil, dass die Technologie solcher sogenannter kapazitiver
Mikrofone auf das Richtmikrofon übertragen werden kann.
[0011] In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Gegenelektrode zwischen den beiden
Membranen, die parallel zueinander angeordnet sind, angeordnet, wobei ein kleiner
Luftspalt jeweils zwischen einer der beiden Membranen und der Gegenelektrode liegt.
Zur Gewährleistung der akustischen Kopplung der beiden Membranen weist die Gegenelektrode
Luftdurchführungen auf. Dies hat den Vorteil, dass die Kopplung mithilfe der Größe
der Luftdurchführungen in ihrer Stärke eingestellt werden kann.
[0012] In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind beide Membrane leitend beschichtet
und bilden mit der Gegenelektrode jeweils ein kapazitives Wandlerelement. Jedes Wandlerelement
erzeugt dabei ein Ausgangssignal, welches sich in seiner Amplitude und in der Phase
in Abhängigkeit der Einfallsrichtung eines akustischen Signals vom jeweils anderen
Ausgangssignal unterscheidet. Anhand dieser Unterschiede kann auf die Einfallsrichtung
rückgeschlossen werden.
[0013] In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das Richtmikrofon zusätzlich
eine Signalverarbeitungseinheit und ein omnidirektionales Mikrofon auf, wobei das
Mikrofonsignal mithilfe der Signalverarbeitungseinheit zur Erzeugung des Ausgangssignals
des Richtmikrofons entsprechend einer Richtcharakteristik verwendet wird. Dabei kann
das omnidirektionale Mikrofon entweder in einem Gehäuse mit den beiden Membranen zusammengefasst
werden, oder das omnidirektionale Mikrofon kann mit Abstand zu den Membranen als eigenständige
Einheit ausgebildet sein. Diese Ausbildungsform hat den Vorteil, dass mit dem Mikrofonsignal
des omnidirektionalen Mikrofons eine richtungsunabhängige Vergleichsgröße zur Verfügung
steht, die mithilfe der Signalverarbeitungseinheit mit dem Ausgangssignal, das auf
der Schwingung eine oder beide Membrane beruht, kombiniert werden kann.
[0014] Die Aufgabe bezüglich der Verwendung des Richtmikrofons wird durch Anspruch 12 gelöst.
[0015] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der
Unteransprüche gekennzeichnet.
[0016] Es folgt die Erläuterung von mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand
der Figuren 1 bis 5. Es zeigen
- FIG 1
- den schematischen Aufbau eines Richtmikrofons mit zwei Membranen nach der Erfindung
im Querschnitt,
- FIG 2
- einen simulierte Frequenzabhängigkeit von Betrag und Phase eines Ausgangssignals,
das sich für die beiden Membrane bei einem Schallfeld ergibt, das unter einem Winkel
von 12,5° einfällt,
- FIG 3
- eine richtungsabhängige Empfindlichkeitsverteilung eines Ausgangssignals einer einzelnen
Membran bei 300 Hz,
- FIG 4
- eine richtungsabhängige Empfindlichkeitsverteilung eines Ausgangssignals einer einzelnen
Membran bei 1600 Hz und
- FIG 5
- ein Funktionsschema eines Richtmikrofonsystems, das ein omnidirektionales Mikrofon,
ein Richtmikrofon mit zwei Membranen und eine Signalverarbeitungseinheit aufweist.
[0017] Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Richtmikrofons 1 mit einem zylindrisch
geformten Gehäuse 3 im Schnitt entlang der Zylinderachse 4. Im Gehäuse 3 befinden
sich zwei vorzugsweise senkrecht zur Zylinderachse 4 angeordnete Membrane 5A,5B, die
über Halterungen 6 am Gehäuse 3 vorzugsweise luftdicht befestigt sind. Die Membrane
5A,5B sind mit Luftvolumina 7A,7B in Kontakt. Trifft eine Schallwelle auf die Schalleinlassöffnungen
9A,9B, so gelangt sie in die Luftvolumina 7A,7B und bewirkt eine Auslenkung (Schwingung)
der Membranen 5A,5B aufgrund des durch die Schallwelle geänderten Drucks. Zwischen
den beiden Membranen 5A,5B befindet sich ein drittes Luftvolumen 11 und eine Gegenelektrode
13. Das Luftvolumen 11 setzt sich aus zwei Luftspalten 14A,14B zusammen, die zwischen
der Gegenelektrode 13 und den beiden Membranen 5A,5B vorliegen, sowie aus Luftdurchführungen
15A,15B, welche die Gegenelektrode 13 durchsetzen. Die Luftdurchführungen 15A,15B
sind z.B. runde, parallel zueinander und im Wesentlichen senkrecht zu den Membranen
verlaufende Luftkanäle. Das Luftvolumen 11 bewirkt eine akustische Kopplung der beiden
Membrane 5A,5B, die zu einer negativen Gegenkopplung führt, da, falls beispielsweise
die Membran 5A durch ein einfallendes Schallfeld von der Mitte des Richtmikrofons
1 betrachtet nach außen schwingt, aufgrund der negativen Kopplung die gegenüberliegende
Membran 5B zur Mitte des Richtmikrofons 1 bewegt wird.
[0018] Die Membran 5A weist eine Durchtrittsöffnung 17 auf, die einen barometrischen Druckausgleich
des Luftvolumens 11 über das mit der Umgebung verbundene Luftvolumen 7A ermöglicht.
[0019] Fällt beispielsweise entsprechend der eingezeichneten Winkelskala eine Schallwelle
aus 270° auf das Richtmikrofon 1, wird zuerst die Membran 5A anfangen zu schwingen.
Aufgrund der Schwingung der Membran 5A wird das Luftvolumen 11 ein Druckänderung erfahren
und diese auf die Membran 5B übertragen, so dass auch die Membran 5B zu schwingen
beginnt. Diese Schwingung wird mit der zu einem späteren Zeitpunkt im Volumen 7B eintreffende
Schallwelle überlagert. Der Schalldruck der Schallwelle im Volumen 7B wird seinerseits
über die Schwingung der Membran 5B auf das Luftvolumen 11 übertragen, welches wiederum
die Kopplung mit der Membran 5A bewirkt.
[0020] Die akusto-elektrische Wandlung der Schwingungen der Membrane 5A,5B kann beispielsweise
mit Hilfe eines kapazitiven Wandlersystems erfolgen. Bei einem solchen System wird
eine Art Plattenkondensator aus der Gegenelektrode 13 und einer elektrisch leitenden
Schicht 19A,19B auf einer der Membranen 5A,5B gebildet. Bei einem derartigen Kondensatormikrofon
wird der Kondensator mittels einer Polarisationsspannung aufgeladen. Aufgrund der
Schallsignale ändert sich der Abstand zwischen der Schicht auf der Membran 5A,5B und
der Gegenelektrode 13 und es stellt sich eine Kapazitätsänderung des Kondensators
ein, welche mit einem elektronischen Impedenzwandler detektiert und in eine elektrische
Spannung umgewandelt wird. Alternativ könnte ein Elektret-Kondensatormikrofon verwendet
werden, bei dem auf der Membran 5A,5B oder auf der Oberfläche der Gegenelektrode 13
eine elektrische Ladung permanent gespeichert wird. Auch die Verwendung von Digitalmikrofon-
oder Tauchspulmikrofon-Wandlertechnologie ist zur akusto-elektrischen Wandlung verwendbar.
[0021] Figur 2 gibt eine für die Membrane 5A,5B simulierte Frequenzabhängigkeit von Betrag
A und Phase Φ eines Ausgangssignals wieder. Dabei wurde ein Schalleinfallswinkel von
12,5° (in Figur 1 angedeutet) und ein Abstand der Mikrofon-Einlassöffnungen von 4
mm angenommen. Im oberen Teil der Abbildung werden die Beträge A
5A,A
5B der beiden Membranschwingungen über die Frequenz f in einem Frequenzbereich von 10Hz
bis 10kHz abgebildet. Im unteren Teil der Abbildung wird entsprechend der Verlauf
der Phasen Φ
5A, Φ
5B der Ausgangssignale gezeigt. Bei einer Schalleinfallsrichtung von 12,5° ergibt sich
ein Laufzeitunterschied der einfallenden Schallwelle auf die beiden Membrane 5A,5B
von 2,5µsec. Auch bei diesem minimalen Unterschied zeigt sich bereits bei einer Frequenz
von 300Hz ein deutlich detektierbarer Unterschied zwischen den beiden Mikrofonen in
Betrag A und Phase Φ. Mit zunehmender Frequenz f wird der Unterschied immer ausgeprägter.
[0022] Figur 3 zeigt eine simulierte richtungsabhängige Empfindlichkeitsverteilung 21
5A eines Ausgangssignals der 'linken' Membran 5A bei 300Hz. Diese sogenannte Richtcharakteristik
ist normiert auf die Empfindlichkeit bei einem Schalleinfallswinkel von 0°, welche
auf den Wert 1 normiert ist und durch den Kreis N verdeutlicht wird. Die Winkeleinteilung
entspricht der aus Figur 1. Man erkennt eine deutlich höhere Empfindlichkeit auf der
der Membran 5A zugeordneten Seite sowie eine niedrigere Empfindlichkeit auf der anderen
Seite. Zusätzlich kommt es zu starken Phasenunterschieden zwischen den Ausgangssignalen
der beiden Membranen 5A,5B.
[0023] Figur 4 zeigt eine entsprechende Empfindlichkeitsverteilung 23
5A eines Ausgangssignals der 'linken' Membran 5A bei 1600Hz. Die Struktur dieser Richtcharakteristik
wird durch zwei Bereiche erhöhter Empfindlichkeit dominiert, die sich bei 90° und
270° befinden. Wiederum ist die Empfindlichkeit auf der der Membran 5A zugeordneten
Seite größer und es liegen starke Phasenunterschiede zwischen den Ausgangssignalen
vor.
[0024] Figur 5 zeigt ein Funktionsschema eines Richtmikrofonsystems 25, das ein omnidirektionales
Mikrofon 27, ein Richtmikrofon 29 mit zwei Membranen und eine Signalverarbeitungseinheit
31 aufweist. Ein oder beide Signale der Membrane des Richtmikrofons 29 werden mit
dem Signal des omnidirektionalen Mikrofons 27 in der Signalverarbeitungseinheit 31
zu einem an einem Augang 32 vorliegenden
[0025] Ausgangssignal gemischt, dem eine Richtcharakteristik 33 zugeordnet wird. Die Signalverarbeitungseinheit
könnte zusätzlich die Mischung derart kontrollieren, dass die Richtwirkung an das
Schallfeld adaptiv angepasst wird.
[0026] In einer einfachen Ausführungsform wird nur ein Signal einer Membran, welches alleine
schon in Hinblick auf die Richtungsempfindlichkeit einer Verbesserung gegenüber einem
Gradientenmikrofon darstellt, verwendet und eventuell zusammen mit einem omnidirektionalen
Mikrofon in einem Gehäuse oder in getrennten Gehäusen betrieben.
1. Richtmikrofon (1,29) mit zwei Membranen (5A,5B), die einerseits jeweils über ein Luftvolumen
(7A,7B) mit einer von zwei räumlich getrennten Schalleinlassöffnungen (9A,9B) akustisch
verbunden sind und andererseits über ein drittes Luftvolumen (11) miteinander akustisch
verkoppelt sind, und mit Mitteln (13,19A,19B) zum Erzeugen mindestens eines Ausgangssignals
des Richtmikrofons (1,29) aus der Schwingung einer der beiden Membranen (5A,5B).
2. Richtmikrofon (1,29) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13,19A,19B) zum Erzeugen des Ausgangssignals eine elektrisch leitende
Schicht (19A,19B) auf einer der beiden Membranen (5A,5B) umfassen.
3. Richtmikrofon (1,29) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13,19A,19B) zum Erzeugen des Ausgangssignals eine Gegenelektrode (13)
zur elektrisch leitenden Schicht (19A,19B) umfassen.
4. Richtmikrofon (1,29) nach Anspruch 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht (19A,19B) und die Gegenelektrode (13) ein kapazitives
Wandlerelement bilden.
5. Richtmikrofon (1,29) nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass beide Membranen (5A,5B) elektrisch leitend beschichtet sind und mit der Gegenelektrode
(13) jeweils ein kapazitives Wandlerelement bilden.
6. Richtmikrofon (1,29) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass beide Membranen (5A,5B) parallel zu einander angeordnet sind.
7. Richtmikrofon (1,29) nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (13) zwischen beiden Membranen (5A,5B) angeordnet ist, wobei ein
Luftspalt (14A,14B) jeweils zwischen einer der beiden Membranen (5A,5B) und der Gegenelektrode
(13) liegt.
8. Richtmikrofon (1,29) nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (13) Luftdurchführungen (15A,15B)zur akustischen Kopplung aufweist.
9. Richtmikrofon (1,29) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdurchführungen (15A,15B) parallel zueinander und senkrecht zu den Membranen
(5A,5B) verlaufend angeordnet sind.
10. Richtmikrofon (1,29) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Membrane (5A,5B) eine kleine Durchtrittsöffnung (17) zum barometrischen
Druckausgleich aufweist.
11. Richtmikrofon (1,29) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Signalverarbeitungseinheit (31) und ein omnidirektionales Mikrofon
(27) vorhanden sind, wobei das Mikrofonsignal des omnidirektionalen Mikrofons (27)
mithilfe der Signalverarbeitungseinheit (31) zur Erzeugung des Ausgangssignals des
Richtmikrofons (1,29) entsprechend einer Richtcharakteristik (33) verwendet wird.
12. Verwendung eines Richtmikrofons (1,29) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem
Hörhilfsgerät.