Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Mikrophonanordnung nach demjenigen von Anspruch 9.

Bei der Empfangs- und Verarbeitungstechnik akustischer Signale besteht oft das Bedürfnis, Mikrophonanordnungen mit einer Übertragungscharakteristik zu realisieren, welche in vorgegebener oder vorgebbarer Funktion der Einfallsrichtung der akustischen Signale das elektrische Ausgangssignal erzeugen. Insbesondere besteht dabei das Bedürfnis, Mikrophonanordnungen mit vorgegeben oder vorgebbar gerichteter Charakteristik zu realisieren, bei denen akustische Signale aus vorgegebenen Richtungsbereichen mehr, aus andern Richtungsbereichen weniger verstärkt auf das Ausgangssignal wirken, bis hin zu Anordnungen mit praktisch in eine Richtung fokussierter Empfangscharakteristik.

Zur Realisierung solcher Übertragungscharakteristiken sind vielfältige Vorgehensweisen bekannt. Nur beispielsweise sei diesbezüglich auf die W099/04598 bzw. die US 09/146784 (ϕ-Multiplikation) oder die WO99/09786 bzw. die US 09/168184 (ϕ-Filterführung) derselben Anmelderin verwiesen, wonach grundsätzlich aus der Phasenverschiebung auf Mikrophonanordnungen eintreffender akustischer Signale und deren gezielter Verarbeitung, erwünschte Übertragungscharakteristiken von Mikrophonanordnungen erwirkt werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein weiteres Vorgehen vorzuschlagen, um eine erwünschte Übertragungscharakteristik in obgenanntem Sinne zu realisieren.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch ein Verfahren eingangs genannter Art gelöst, bei dem an der Mikrophonanordnung mindestens zwei Submikrophonanordnungen vorgesehen werden, deren Übertragungscharakteristiken in Funktion besagter Richtung je auf ihre elektrischen Ausgangssignale unterschiedlich sind und dass man das Ausgangssignal als eine Funktion eines auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert saturierten Produktes, mit dem Quotienten der Ausgangssignale der Submikrophonanordnungen als einer der Faktoren bildet.

Wenn wir im Rahmen der vorliegenden Anmeldung von "Saturierung" sprechen, so bedeutet dies, dass der Wert einer betrachteten mathematischen Funktion ab Erreichen eines vorgegebenen Wertes geklippt wird, so dass er entgegen dem Verlauf der mathematischen Funktion, ab Erreichen dieses Wertes konstant bleibt.

Obwohl eine Saturierung des erwähnten Produktes, d.h. des gewichteten Quotienten, auf einen minimalen Wert durchaus sinnvoll sein kann, wird bevorzugterweise vorgeschlagen, dass man das Produkt, jedenfalls auch, auf einen maximalen Wert saturiert.

Im weiteren kann der zweite Faktor des saturierten Produktes einen beliebigen Wert ungleich Null einnehmen, somit durchaus auch den Wert 1.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die erwähnte Funktion eine Differenz aus einer gegebenenfalls einstellbaren Konstanten und dem saturierten Produkt umfasst, wobei bevorzugterweise der Wert der Konstanten mindestens genähert gleich dem Saturierungswert gewählt wird.

Im weiteren wird bevorzugterweise der erwähnte Quotient aus den Amplitudenwerten der Ausgangssignale ermittelt, ohne Berücksichtigung ihrer Phasenlage.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird der erwähnte Quotient im Rahmen folgender Funktion eingesetzt: worin bedeuten

S:

Ausgangssignal der Mikrophonanordnung

A:

Ein vorgegebener oder vorgebbarer Signalwert

|C_N|:

Amplitudenwert des Ausgangssignals einer ersten Submikrophonanordnung, deren Übertragungscharakteristik bei einem Einfallswinkel maximale Verstärkung aufweist, wo auch die zu bildende Charakteristik maximale Verstärkung aufweisen soll

|c_Z|:

Amplitudenwert des Ausgangssignal der zweiten Submikrophonanordnung

satB:

Saturierung des Quotienten auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren maximalen Signalwert B

α:

Vorgebbarer oder vorgegebener Faktor.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, insbesondere im Rahmen des Einsatzes der erfindungsgemässen Verfahrens für Hörgeräte, werden die Übertragungscharakteristiken der Submikrophonanordnungen so gewählt, dass sie jeweils maximale Signalverstärkungen aufweisen für aus im wesentlichen inversen Richtungen einfallende akustische Signale.

Eine erfindungsgemässe Mikrophonanordnung eingangs genannter Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Verarbeitungseinheit eine gewichtete Quotientenbildungseinheit umfasst mit einem Nenner-Eingang, einem Zähler-Eingang sowie einem Gewichtungseingang, wobei Zähler- und Nenner-Eingänge mit je einem der Eingänge der Verarbeitungseinheit wirkverbunden sind, wobei weiter die gewichtete Quotientenbildungseinheit ein auf einen maximalen und/oder einen minimalen Wert saturiertes Ausgangssignal an ihrem Ausgang erzeugt, welcher Ausgang mit dem Ausgang der Verarbeitungseinheit wirkverbunden ist.

Bevorzugte Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen Mikrophonanordnung sind in den Ansprüchen 10 bis 18 spezifiziert.

Das erfindungsgemässe Verfahren sowie die erfindungsgemässe Mikrophonanordnung eignen sich insbesondere für den Einsatz an Hörgeräten.

Obwohl es durchaus möglich ist, das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Mikrophonanordnung mittels Signalverarbeitung im Zeitbereich zu realisieren, wird in einer bevorzugten Ausführungsform die Signalverarbeitung im Frequenzbereich vorgenommen, unter Einsatz von Zeitbereich/Frequenzbereich-Wandlern bzw. Frequenzbereich/Zeitbereich-Wandlern.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1a und b

beispielsweise, die Übertragungscharakteristiken von zwei (a und b) erfindungsgemäss eingesetzten Submikrophonanordnungen;

Fig. 2

über der Winkelachse ϕ gemäss den Fig. 1a bzw. 1b, in dB die Bildung einer Quotientenfunktion Q aus den Charakteristika gemäss den Fig. 1a und 1b sowie der Saturierung dieser Quotientenfunktion auf den maximalen Wert 0 dB;

Fig. 3

ausgehend von der anhand von Fig. 2 erläuterten saturierten Quotientenfunktion, dieselbe saturierte Quotientenfunktion in linearer Verstärkungs-Skalierung und die Bildung einer Funktion F aus der Differenz besagter saturierter Quotientenfunktion bezüglich eines Festwertes;

Fig. 4

in Darstellung analog zu den Fig. 1a und 1b, schattiert, eine erfindungsgemäss realisierte Übertragungscharakteristik;

Fig. 5

in Darstellung analog zu Fig. 4, eine weitere erfindungsgemäss realisierte Übertragungscharakteristik, und

Fig. 6

in Form eines vereinfachten Signalfluss/Funktionsblockdiagrammes, die Realisation einer erfindungsgemässen Mikrophonanordnung.

Anhand der Figuren 1 bis 3 soll das erfindungsgemässe Vorgehen ohne Anspruch auf wissenschaftliche Exaktheit anhand von einfachen Übertragungscharakteristiken dargestellt werden, entsprechend je Kardoiden erster Ordnung. Anhand dieses übersichtlichen und einfachen Vorgehens werden dem Fachmann die Anleitungen gegeben, wie erfindungsgemäss auch ausgehend von komplexeren Übertragungsfunktionen eine erwünschte Übertragungscharakteristik realisiert werden kann.

Eine erste Submikrophonanordnung weise bezüglich ihrer Übertragungs- bzw. Verstärkungscharakteristik bezüglich auf sie einfallender akustischer Signale aus der Richtung ϕ die in Fig. 1a zweidimensional dargestellte, dreidimensionale Übertragungscharakteristik auf. In Fig. 1b ist, in Darstellung analog zu Fig. 1a, die Übertragungscharakteristik einer zweiten Submikrophonanordnung dargestellt, welche bezüglich der Achse π/2;3π/2 spiegelbildlich zur Übertragungscharakteristik der ersten Submikrophonanordnung sei. Die Übertragungscharakteristik gemäss Fig. 1a sei mit c_N, diejenige gemäss 1b mit c_Z bezeichnet.

In Fig. 2 ist über der Winkelachse ϕ gemäss den Fig. 1a und 1b der Betrag der Übertragungscharakteristiken c_N bzw. c_Z qualitativ und in dB dargestellt.

Bei auf die beiden Submikrophonanordnungen eintreffenden akustischen Einheitssignalen entsprechen die in den Fig. 1a und 1b dargestellten Übertragungscharakteristiken gleichzeitig den jeweiligen Signalwerten ausgangsseitig der betrachteten Submikrophonanordnungen.

Erfindungsgemäss wird nun aus diesen beiden Ausgangssignalwerten, welche ebenfalls mit c_N bzw. c_Z bezeichnet seinen, ein Quotient gebildet, beispielsweise$$\text{Q =}\frac{{\text{|c}}_{\text{Z}}\text{|}}{{\text{|c}}_{\text{N}}\text{|}}\text{.}$$

Es ergibt sich bei dieser Quotientenbildung die in Fig. 2 strichpunktiert qualitativ dargestellte Funktion Q mit einer Polstelle bei ϕ = π. Bei realer Quotientenbildung wird der bei der Nullstelle der Nennerfunktion |c_N| resultierende Pol ohnehin abgefangen, d.h. die Quotientenfunktion Q wird saturiert. Bevorzugterweise wird die Quotientenfunktion auf einem vorgegebenen oder vorgebbaren Wert B saturiert, gemäss Fig. 1 vorzugsweise auf dem Wert "eins", bei Maximalwert der Übertragungsfunktionen gemäss den Figuren 1a, b von "eins".

Geht man nun davon aus, dass die Nennerübertragungscharakteristik, im vorliegenden Fall c_N, diejenige sei, welche für das zu erzielende Übertragungscharakteristik-Resultat die dominante sei, d.h. eine Übertragungscharakteristik sei, die in einem Winkelbereich eine hohe Signalverstärkung aufweist, in welchem auch die zu realisierende Wunschcharakteristik hohe Signalverstärkung aufweisen soll, so ist bereits jetzt der Vorteil der erfindungsgemässen Quotientenbildung ersichtlich. Von dieser für das anzustrebende Resultat dominanten Übertragungscharakteristik ergibt sich im Nullstellen-Winkelbereich eine Polstelle des Quotienten. Der Nullstellen-Winkelbereich der dominanten Übertragungscharakteristik bzw. diejenigen Winkelbereiche mit verringerter Signalverstärkung werden aber diejenigen sein, die zum Erhalt der Wunsch-Charakteristik zu verändern, d.h. zu "verbessern" sind. Gerade dort besteht nun die Möglichkeit, einfach einzugreifen, nämlich durch Saturierung auf einen vorgebbaren bzw. vorgegebenen konstanten Wert der Quotientenfunktion.

Aus Übersichtsgründen ist nun in Fig. 3 mit linearer Verstärkungsskalierung die auf "1" saturierte Quotientenfunktion Q_sat1 eingetragen. Daraus ist nun weiterhin ersichtlich, dass in den nicht saturierten Winkelbereichen, vorliegendenfalls zwischen 0 und π/2 sowie zwischen 3π/2 und 2π, die saturierte Quotientenfunktion Q_sat1 den Verlauf einer gerichteten Übertragungscharakteristik aufweist. Soll nun für die erwünschte zu realisierende Übertragungscharakteristik ausgesprochene Richtcharakteristik erzielt werden, so wird der erfindungsgemäss auf den vorgegebenen Saturierungswert, am beschriebenen Beispiel "eins" gesetzte Bereich der Quotientenfunktion dazu ausgenützt, dort, d.h. in diesem Winkelbereich, eine definierte minimale Verstärkung der erwünschten Übertragungscharakteristik zu erzielen. Am vorgestellten Beispiel wird dies dadurch erreicht, dass die saturierte Quotientenfunktion von einem vorgegebenen bzw. vorgebbaren Festwert A, beispielsweise und vorzugsweise im vorgestellten Beispiel mit dem Wert "eins" subtrahiert wird. Es ergibt sich die in Fig. 3 wiederum ausgezogen dargestellte Funktion$${\text{F = A - Q}}_{\text{satB}}$$ bzw. als Spezialfall und bevorzugter Fall, die Funktion$${\text{F = 1 - Q}}_{\text{saT1}}\text{.}$$

Daraus ist ersichtlich, dass eine Übertragungsfunktion erzielt wurde, F, welche ausschliesslich im Winkelbereich$$\text{0 ≤ ϕ ≤}\frac{\text{π}}{\text{2}}\text{und}\frac{\text{3π}}{\text{2}}\text{< ϕ ≤ 2 π}$$ eine nicht verschwindende Signalverstärkung aufweist.

Bezüglich des erfindungsgemässen Vorgehens kann nun folgendes ausgeführt werden:

• Grundsätzlich wird die zu realisierende Übertragungscharakteristik ausgangsseitig der erfindungsgemässen Mikrophonanordnung als Funktion des auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren Maximalwert saturierten Quotienten der Ausgangssignale zweier Submikrophonanordnungen mit unterschiedlicher Übertragungscharakteristik realisiert.
  Dabei wird bevorzugt, und wie noch gezeigt werden wird, die Quotientenfunktion Q, als Faktor, mit einem weiteren fest vorgegebenen oder einstellbaren Gewichtungsfaktor multipliziert, bevor am resultierenden Produkt die Saturierung erfolgt. In dem anhand der Figuren 1 bis 3 vorgestellten Beispiel ist der erwähnte Gewichtungsfaktor 1.
  Im weiteren kann es durchaus vorteilhaft sein, die Saturierung am Produkt aus dem erwähnten Faktor und dem Quotienten, mindestens auch, bei Erreichen vorgegebener Minimalwerte vorzunehmen.
  • •• Die Quotientenbildung kann dabei direkt durch Quotientenbildung der Signalamplitudenwerte, ohne Phasenberücksichtigung erfolgen.
  • •• Obwohl gegebenenfalls das saturierte Produkt in Form einer anderen Funktion eingesetzt werden kann, generell also als F = F[(α · Q)_staB], wird weitaus bevorzugt für die Realisierung einer gerichteten Charakteristik das erwähnte saturierte Produkt von einem vorgegebenen bzw. vorgebbaren Festwert subtrahiert.

Wie noch gezeigt werden wird, ergibt sich auf höchst einfache Art und Weise durch Variation des erwähnten Festwertes und/oder des multiplikativen Faktors α des saturierten Produktes die Möglichkeit, die angestrebte Richtcharakteristik zu variieren.

• Als Submikrophonanordnungen können grundsätzlich alle bekannten Mikrophone und deren Kombinationen eingesetzt werden, die, wie gefordert in Einsatzposition und wie gefordert bezüglich Einfallsrichtung ϕ auftreffender akustischer Signale, unterschiedliche Übertragungscharakteristiken aufweisen.
  • •• Insbesondere für die Realisation gerichteter Charakteristiken werden bevorzugterweise Submikrophonanordnungen eingesetzt, deren Übertragungscharakteristiken identisch, aber bezüglich Einfallsrichtung akustischer Signale invers gerichtet sind.
  • •• Die Realisation derartiger Mikrophonanordnungen kann insbesondere nach dem bekannten "delay and add"-Prinzip erfolgen.
    Die eben genannten, invers wirkenden Mikrophonanordnungen können insbesondere auch bei dieser Realisationsform mit zwei Mikrophonen realisiert werden, deren Ausgänge, wie noch gezeigt werden wird, zur Bildung der beiden Submikrophonanordnungen jeweils zeitverzögert und entsprechend addiert werden.
• Es versteht sich von selbst, dass durch Weiterbildung des erfindungsgemässen Vorgehens mit drei und mehr Submikrophonanordnungen höchst komplexe Übertragungsfunktionen und Übertragungsfunktions-Kombinationen realisierbar werden.

zusammengefasst wird nochmals die erfindungsgemäss bevorzugt eingesetzte Übertragungsfunktion wiedergegeben, nämlich:

In Fig. 4 ist die Übertragungsfunktion dargestellt, welche aus invers gerichteten, identischen Kardoid-Übertragungscharakteristiken Ca erfindungsgemäss gebildet wurde, entsprechend der Übertragungsfunktion

In Fig. 5 ist die resultierende Übertragungscharakteristik dargestellt, wenn gilt:

In Fig. 6 ist anhand eines vereinfachten Signalfluss/Funktionsblockdiagrammes eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitende Mikrophonanordnung beispielsweise dargestellt, insbesondere auch für den Einsatz an einem Hörgerät.

Gemäss Fig. 6 ist an der erfindungsgemässen Mikrophonanordnung eingangsseitig eine Anordnung 1 mit mindestens zwei Submikrophonanordnungen 1a und 1b vorgesehen. An ihren Ausgängen A_1a bzw. A_1b erscheinen Ausgangssignale in Funktion der Richtung ϕ auf die eingangsseitigen Mikrophone auftreffender akustischer Signale. Wie in Fig. 6 dargestellt, können die beiden Submikrophonanordnungen durchaus mittels eines einzigen Paares von Mikrophonen realisiert werden, deren Ausgänge nach der Technik "delay and add" miteinander verkoppelt sind. Wesentlich ist, dass an den Ausgängen A_1a und A_1b grundsätzlich Signale mit unterschiedlichen Übertragungscharakteristiken bezüglich der Richtung ϕ eintreffender akustischer Signale erzeugt werden.

vorzugsweise sind die Ausgänge A_1a und A_1b auf Zeitbereich/Frequenbereich-Wandlereinheiten FFT 3a bzw. 3b geführt, sofern, wie bevorzugt, die nachfolgende Signalverarbeitung im Frequenzbereich erfolgen soll. Es sind die erwähnten Ausgänge mit Eingängen E_5a bzw. E_5b von Betragsbildungseinheiten 5a und 5b wirkverbunden. Die Ausgänge der erwähnten Betragsbildungseinheiten sind, wie dargestellt, auf die Nenner- und Zählereingänge N und Z einer Divisionseinheit 7 geführt. Über eine Gewichtungseinheit 9 mit an einem Steuereingang S₉ vorgebbaren Gewichtungsfaktor α multipliziert, ist der Ausgang A₇ mit dem einen Eingang E_11a einer Subtraktionseinheit 11 wirkverbunden.

Wie in Fig. 6 gestrichelt umrandet, bilden Divisionseinheit 7 und Gewichtungseinheit 9 eine gewichtete Quotientenbildungseinheit 10. Der beispielsweise in Fig. 6 dargestellte an der Gewichtungseinheit 9 einstellbare Faktor α kann beliebig von 0 unterschiedliche Werte einnehmen.

Wie weiter in Fig. 6 schematisiert dargestellt, wird das Signal am Ausgang A₉ der gewichteten Quotientenbildungseinheit 10 einer Saturierungseinheit 12 zugeführt, deren Ausgang erst dem Eingang E_11a zugeführt wird. An der Saturierungseinheit 12, welche selbstverständlich integral mit der gewichteten Quotientenbildungseinheit 10 vereint sein kann, wird das Ausgangssignal der gewichteten Quotientenbildungseinheit 10 nach unten (im Block 12 von Fig. 6 gestrichelt angedeutet) und/oder nach oben auf einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert B - wie schematisch dargestellt am Eingang sat_B eingestellt - saturiert. Dies dabei bevorzugterweise mindestens auch auf einen Maximalwert. An der Subtraktionseinheit 11 wird das dort anstehende Signal von einem am zweiten Eingang E_11b eingestellten oder einstellbaren Festwert A subtrahiert. Der Ausgang A₁₁ der Subtraktionseinheit 11 ist mit dem einen Eingang E_13a einer Multiplikationseinheit 13 wirkverbunden, mit deren zweitem Eingang E_13b das Ausgangssignal derjenigen Submikrophonanordnung 1a wirkverbunden ist, die auch mit dem Nennereingang N der Divisionseinheit 7 wirkverbunden ist. Gegebenenfalls zur Änderung des anhand der Fig. 1 bis 3 erläuterten Saturierungswinkelbereiches kann, wie bei 15 gestrichelt dargestellt, das Nennersignal, gegebenenfalls auch das Zählersignal, dem Eingang N bzw. dem Eingang Z der Divisionseingang 7 zugeführt, noch gewichtet werden.

Ausgangsseits der Multiplikationseinheit 13 erscheint das Ausgangssignal S_out der erfindungsgemässen Mikrophonanordnung. Es weist die erwünschte Übertragungscharakteristik auf in Funktion des räumlichen Winkels ϕ, mit welchem akustische Signale auf die eingangsseitige Mikrophonanordnung 1 auftreffen.

Wie bereits erwähnt wurde, werden bevorzugterweise für die Übertragungscharakteristiken der Submikrophonanordnungen 1a und 1b identische, zueinander richtungsinvers wirkende Charakteristiken gewählt. Durch Einstellung des Gewichtungsfaktors α, des Saturierungswertes B, des Fixwertes A, gegebenenfalls weiterer Gewichtungsfaktoren wie β, wird die gewünschte Übertragungscharakteristik am Ausgangssignal S_out eingestellt.

Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Mikrophonanordnung eignen sich ausgezeichnet für den Einsatz an Hörgeräten, insbesondere auch aufgrund des geringen Signalverarbeitungsaufwandes und der, wie anhand der Fig. 3 und 4 gezeigt wurde, ausgeprägten Möglichkeit, die Signalübertragung aus unerwünschten Einfallsrichtungen, wie von hinten bezüglich eines getragenen Hörgerätes, zu unterdrücken. Für Hörgeräte werden bevorzugt anstelle von Submikrophonanordnungen mit Cardoid-Charakteristiken Ca eher solche mit Hypercardoid-Charakteristiken H_ca (Fig. 5) eingesetzt.