[0001] Die Erfindung betrifft ein im Patentanspruch 1 angegebenes Verfahren zur Unterdrückung
von Mikrofonrauschen und ein im Patentanspruch 7 angegebenes zugehöriges Mikrofonsystem.
[0002] Bei Akustiksystemen und insbesondere bei Hörgeräten ist es vorteilhaft, mehrere Mikrofonsignale
zu kombinieren und räumlich und spektral so zu filtern, dass das Ausgangssignal möglichst
geringe Störanteile enthält. Störungen werden dabei einerseits als Signale definiert,
die aus unerwünschten Richtungen, beispielsweise außerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs
um die 0°-Richtung einfallen und andererseits als Mikrofonrauschen, das beim Ausbilden
der Richtwirkung vor allem in tieffrequenten Bereichen verstärkt wird. Insbesondere
besteht das Problem, dass das Mikrofonrauschen steigt, wenn die Richtwirkung eines
Richtmikrofons erhöht wird.
[0003] In der
DE 10 2004 052 912 A1 werden ein Akustiksystem und ein Verfahren angegeben, die Störleistungen bei Richtmikrofonen
so weit wie möglich unterdrücken. Dazu werden die Mikrofonsignale mehrerer Mikrofone
in Abhängigkeit mindestens eines Parameters adaptiv gefiltert. Die Richtwirkung des
hierbei erhaltenen Richtmikrofons wird durch Verändern des mindestens einen Parameters
derart eingestellt, dass die Summe von Störleistungen einschließlich Mikrofonrauschen
reduziert bzw. minimal ist. So wird je nach Rauschverteilung zwischen einem direktionalen
Betrieb und einem omnidirektionalen Betrieb umgeblendet.
[0004] Das in der
DE 10 2004 062 912 A1 beschriebene Verfahren führt zu einer Minimierung der Summenleistung aus Mikrofonrauschen
und Umgebungsrauschen. Das Restrauschen besteht hälftig aus Rest-Umgebungsrauschen
und Rest-Mikrofonrauschen. Im mathematischen Sinne ist die Gesamtstörung minimal,
allerdings nicht für den subjektiven Klangeindruck eines Nutzers des Akustiksystems.
Durch sich schnell ändernde Signalanteile und breite Teilbandsignale ist für den Nutzer
immer wieder störendes Mikrofonrauschen wahrnehmbar. Besonders instationäre Störer,
wie Sprache, verursachen ein kurzzeitiges Umblenden in den direktionalen Betrieb.
Ist der Störer dann wieder nicht aktiv, erfolgt ein verzögertes Umblenden auf den
omnidirektionalen Betrieb, so dass kurzzeitig Rauschfahnen hörbar sind.
[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung diese Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung und
ein dazugehöriges Verfahren anzugeben, welche wahrnehmbares Mikrofonrauschen verhindern.
[0006] Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem Verfahren zum Betrieb eines
Mikrofonsystems des unabhängigen Patentanspruchs 1 und dem Mikrofonsystem des unabhängigen
Patentanspruchs 7 gelöst.
[0007] Die Erfindung gibt ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrofonsystems mit mindestens
zwei omnidirektionalen, Mikrofonsignale abgebenden Mikrofonen an, wobei die Mikrofone
zur Bildung einer Richtwirkung elektrisch miteinander verschaltet sind. Das Verfahren
umfasst folgende Schritte:
- adaptives Filtern der mindestens zwei Mikrofonsignale mit mindestens einem Adaptionsparameter,
- Einstellen der Richtwirkung durch Verändern des mindestens einen Adaptionsparameters
derart, dass die Summe von Störleistungen minimiert wird, und
- Begrenzen des Wertebereichs des mindestens einen Adaptionsparameters, wobei die Grenzen
aus einem Vergleich des Rauschteppichs des Umgebungsrauschens mit einer Mikrofonrauschzahl
ermittelt werden.
Dies bietet den Vorteil, dass der Adaptionsbereich eines adaptiven differentiellen
Richtmikrofons abhängig vom stationären Anteil des Hintergrundrauschens ist, wodurch
die Richtwirkung immer so gewählt wird, dass das durch die Richtwirkung entstehende,
instationäre Mikrofonrauschen fast immer durch den stationären Anteil des Hintergrundrauschens
maskiert wird. Damit wird situationsangepasst ein ruhiger Klangeindruck ohne Rauschartefakte
bei gleichzeitig maximal möglicher Richtwirkung erzielt.
[0008] In einer Weiterbildung kann das Verfahren für mehrere Frequenzteilbänder getrennt
ausgeführt werden. Dies bietet eine verbesserte Richtwirkung bei gleichzeitiger Rauschfahnenunterdrückung.
[0009] In einer weiteren Ausführungsform kann der Rauschteppich mit Hilfe von Wiener-Filtern
oder nicht linearen Leistungsschätzern ermittelt werden. Vorteilhaft daran ist eine
einfache und robuste Rauschleistungsbestimmung.
[0010] Des Weiteren kann der Wert der Mikrofonrauschzahl mikrofonabhängig vorgegeben werden,
wobei ein Datenblattwert des Mikrofonrauschens der Mikrofone und mindestens ein Abstand
der Mikrofone zueinander berücksichtigt werden. Vorteilhaft daran ist die Verwendung
von mikrofonspezifischen Parametern.
[0011] In einer Weiterbildung können die Störleistungen durch Richtwirkung verstärktes Mikrofonrauschen
und Leistungen von unerwünschten Signalquellen umfassen.
[0012] In vorteilhafter Weise kann der Wertebereich so gewählt werden, dass das durch die
Richtwirkung verstärkte Mikrofonrauschen durch den stationären Anteil des Hintergrundrauschens
maskiert wird.
[0013] Die Erfindung gibt auch ein Mikrofonsystem mit mindestens zwei omnidirektionalen,
Mikrofonsignale abgebenden Mikrofonen an, wobei die Mikrofone zur Bildung einer Richtwirkung
elektrisch miteinander verschaltet sind. Das Mikrofonsystem umfasst mindestens eine
Filtereinheit mit mindestens einem Adaptionsparameter zum adaptiven Filtern der mindestens
zwei Mikrofonsignale zur Erzielung der Richtwirkung und eine Steuereinheit, mit der
der mindestens eine Adaptionsparameter derart veränderbar ist, dass die Summe von
Störleistungen reduziert wird. Der Wertebereich des mindestens einen Adaptionsparameters
wird begrenzt, wobei durch die Steuereinheit die Grenzen aus einem Vergleich des Rauschteppichs
des Umgebungsrauschens mit einer Mikrofonrauschzahl ermittelt werden.
[0014] In einer Weiterbildung kann die mindestens eine Filtereinheit für mehrere Frequenzteilbänder
getrennte Filter aufweisen, so dass die Veränderung des mindestens einen Adaptionsparameters
in mehreren Frequenzteilbändern getrennt ausführbar ist.
[0015] In einer weiteren Ausführungsform kann der Rauschteppich mit Hilfe von Wiener-Filtern
oder nicht linearen Leistungsschätzern in der Steuereinheit ermittelt werden.
[0016] Vorteilhaft kann der Wert der Mikrofonrauschzahl in der Steuereinheit mikrofonabhängig
vorgegeben werden, wobei ein Datenblattwert des Mikrofonrauschens der Mikrofone und
mindestens ein Abstand der Mikrofone zueinander berücksichtigt werden.
[0017] Des Weiteren können die Störleistungen durch Richtwirkung verstärktes Mikrofonrauschen
und Leistungen von unerwünschten Signalquellen umfassen.
[0018] In einer Weiterbildung kann durch die Steuereinheit der Wertebereich so gewählt werden,
dass der stationäre Anteil des Hintergrundrauschens das durch die Richtwirkung verstärkte
Mikrofonrauschen maskiert.
[0019] Die Erfindung beansprucht auch ein Hörgerät mit einem erfindungsgemäßen Mikrofonsystem
zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dies bietet den Vorteil, dass Hörgerätenutzer
das resultierende Mikrofonrauschen perzeptiv nicht mehr wahrnehmen.
[0020] Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen
eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
[0021] Es zeigen:
- Figur 1:
- ein Prinzipschaltbild eines Mikrofonsystems erster Ordnung,
- Figur 2:
- ein Diagramm zur Optimierung des Adaptionsparameters,
- Figur 3:
- einen Verlauf des Rauschteppichs und des Mikrofonrauschens in Abhängigkeit der Frequenz
und
- Figur 4:
- einen Verlauf des Grenzwerts des Adaptionsparameters in Abhängigkeit der Frequenz.
[0022] Figur 1 zeigt ein Differentialmikrofon erster Ordnung. Zwei Mikrofone 1, 2 nehmen
ein zeitabhängiges Schallsignal s(t) auf. Zu den idealen Mikrofonsignalen mischt sich
jeweils ein Mikrofonrauschsignal n
1(t) bzw. n
2(t). Die jeweiligen Summensignale werden mit einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert
und liefern so die digitalen, rauschbehafteten Mikrofonsignale x
1(k) und x
2(k).
[0023] Bekannt zur Erzielung einer Richtwirkung, aber in Figur 1 nicht dargestellt, ist
es, die beiden Mikrofonsignale x
1(k) und x
2(k) kreuzweise zu subtrahieren. Dabei werden die Signale in den entsprechenden Pfaden
mit Zeitgliedern verzögert und ein Differenzsignal wird mit einem Adaptionsparameter
a multipliziert. Die resultierenden Signale werden addiert und zur Entzerrung in Nutzsignalrichtung
einem Equalizer 5 mit einer Übertragungsfunktion

zugeführt. Die Entzerrung liefert ein Monoausgangssignal y(k).
[0024] Das Differentialmikrofon erster Ordnung lässt sich aber auch wie in Figur 1 dargestellt
durch zwei FIR-Filtereinheiten 3, 4 mit den Übertragungsfunktionen 1+az
-1 und -a-z
-1 realisieren. Die Filterkoeffizienten können dabei nicht frei gewählt werden, sondern
hängen von dem Adaptionsparameter a ab. Durch diese Abhängigkeit, die sich durch Umrechnung
der Filterung aus dem differentiellen Mikrofon ergibt, ist sichergestellt, dass das
Ausgangssignal nach der Richtmikrofonverarbeitung das Signal aus der 0°-Richtung (Nutzsignalrichtung)
unverändert enthält, unabhängig von der Wahl des Parameters a. Zur Optimierung des
Adaptionsparameters a wird dieser an die jeweilige akustische Situation angepasst.
Bei a=-1 ist keine Richtwirkung vorhanden, das Mikrofonsystem besitzt omnidirektionalen
Charakter, bei a=0 wird der Schall aus der Richtung 180° gedämpft und bei größer werdendem
a wandern die Notches (= Richtungen stärkster Dämpfung) im Richtdiagramm nach vorne.
Der Wert des Adaptionsparameter a wird von einem Ausgang einer Steuereinheit 6 den
Filtereinheiten 3, 4 zugeführt.
[0025] Mit größerer Richtwirkung, das heißt mit zunehmendem a, steigt aber auch das Mikrofonrauschen
an. Wünschenswert ist es aber, dass die gesamte Störleistung eines Richtmikrofons
so gering wie möglich ist. Deshalb ist einerseits die Richtwirkung des Richtmikrofons
so einzustellen, dass der Schall einer Störquelle so gut wie möglich unterdrückt wird
und andererseits das Mikrofonrauschen möglichst gering zu halten. In Figur 2 ist zum
besseren Verständnis die Leistung des Störsignals ST und das Mikrofonrauschen MR über
dem Adaptionsparameter a qualitativ aufgetragen. Ein Summensignal SUM aus den beiden
Signalen ST und MR stellt die Gesamtstörleistung für das Richtmikrofon dar. Durch
bekannte Verfahren, wie beispielsweise in
DE 10 2004 052 912 A1 offenbart, gelingt es, das Minimum der Summenkurve SUM zu finden und den entsprechenden
Parameterwert a
min für die adaptiven Filter 3, 4 einzusetzen.
[0026] Die Adaption des Richtmikrofons an eine konkrete Störquelle bzw. die Optimierung
des Parameters a kann beispielsweise durch eine Gradientenmethode vergleichbar dem
LMS-Verfahren (least mean squares) erfolgen. Es sind aber auch andere Ausführungsvarianten
denkbar. Bei der Gradientenmethode ist die Adaptionsbedingung sehr einfach. Sie kann
durch Minimierung der mittleren Ausgangssignalleistung des Richtmikrofons ermittelt
werden. Dazu wird wie in Figur 1 dargestellt das Ausgangssignal y(k) der Steuereinheit
6 zugeführt.
[0027] Zur Adaption des Richtmikrofons ist die Minimierung der mittleren Ausgangssignalleistung
nur deshalb möglich, weil durch die spezielle Wahl der Filterkoeffizienten in Abhängigkeit
des Parameters a sichergestellt ist, dass das Nutzsignal aus der 0°-Richtung nicht
verändert wird. Die Minimierung der Gesamtleistung (= Nutzsignal + Störung) ist somit
äquivalent zur Minimierung der Leistung der Störung. Die Störung setzt sich dabei
aus zwei Komponenten zusammen: Mikrofonrauschen und Störungen von Signalquellen, die
aus unerwünschten Richtungen einfallen. Eine Dämpfung von richtungsabhängigen Signalquellen
kann durch die Wahl des Parameters a>0 erreicht werden. Durch die Begrenzung auf einen
Maximalwert, zum Beispiel a=2, legt man den Bereich in der 0°-Richtung fest - in diesem
Fall +/- 60° -, in dem einfallende Signalquellen nicht oder nur gering gedämpft werden.
Erlaubt man dem adaptiven Verfahren zusätzlich, den Parameter a auch kleiner als 0
zu wählen, wird zwar die Richtwirkung verringert, aber damit auch die Leistung des
Mikrofonrauschens abgesenkt. Bei a=-1 tritt keine Richtwirkung mehr auf und das Mikrofonsystem
der Mikrofone 1, 2 wirkt ausschließlich omnidirektional.
[0028] Durch die Adaption des Parameters a in einzelnen Frequenzbändern erreicht das Verfahren,
dass die Summe der Störleistungen, d.h. von Mikrofonrauschen und von Signalquellen
aus unerwünschten Richtungen, in jedem Frequenzband minimiert wird.
[0029] Nachteilig an dieser Adaption ist, dass infolge einer endlichen Verarbeitungszeit
bei sich rasch verändernden Störsignalen, beispielsweise Sprache aus unerwünschter
Richtung, der Adaptionsparameter a nicht so rasch nachgeregelt werden kann, um unerwünschtes
Mikrofonrauschen zu unterdrücken. Dadurch wird für einen Nutzer kurzzeitig Mikrofonrauschen
als sogenannte Rauschfahnen störend hörbar. Hier setzt die Erfindung an. Um den Preis
einer verminderten Richtwirkung wird das Mikrofonrauschen unterdrückt, indem der Bereich,
den der Adaptionsparameter a einnehmen kann, abhängig vom Umgebungsrauschen begrenzt
wird. Dadurch gelingt es, die störenden Rauschfahnen durch Umgebungsrauschen zu maskieren.
Die Begrenzung des Adaptionsparameters a ist in Figur 2 durch a
zul verdeutlicht.
[0030] Mit Hilfe der Darstellungen der Figuren 3 und 4 wird die Erfindung näher erläutert.
Gemäß Figur 3 wird erfindungsgemäß zunächst ein stationärer Rauschteppich NF des Umgebungsrauschens
in 48 Signalteilbändern bestimmt. Dieses ist als Balkendiagramm mit der Signalleistung
P in dB eingezeichnet. Zur Bestimmung des Umgebungsrauschens NF werden wie in Figur
1 dargestellt die Mikrofonsignale x
1(k) und x
2(k) Eingängen der Steuereinheit 6 zugeführt. Aus Datenblattwerten der Mikrofone 1,2
und dem Abstand der beiden Mikrofone 1, 2 zueinander wird ein theoretischer Wert des
Mikrofonrauschens MN, auch als Mikrofonrauschzahl bezeichnet, in Abhängigkeit der
Frequenz f ermittelt.
[0031] In einem weiteren Schritt wird nun der Bereich der Adaption des Parameters a in Abhängigkeit
der Frequenz f nach oben so beschränkt, dass es für die Adaption nicht mehr möglich
ist, die Richtmikrofoneinstellung so zu wählen, dass das resultierende Mikrofonrauschen
über dem gemessenen Rauschteppich NF liegt, d.h. perzeptiv vom Nutzer wahrgenommen
werden kann. In Figur 4 ist der Grenzwert A des Adaptionsparameters a in Abhängigkeit
von den 48 Signalteilbängern in Form von vertikalen Balken dargestellt. Für die untere
Begrenzung gilt immer a=-1. Aus den Figuren 3 und 4 ist ersichtlich, dass für kleinere
Differenzen aus Umgebungsrauschen NF und Mikrofonrauschen MN der obere Grenzwert A
des Adaptionsparameters a kleiner wird.
[0032] Der erfinderische Schritt liegt darin, den Rauschteppich NF für die Aktivierung des
Richtmikrofonmodus in den einzelnen Bändern zu nutzen und nicht den Gesamtsignalpegel
oder den Störsignalpegel. Damit ist sichergestellt, dass kurzzeitige instationäre
Störer nicht zu einem Umblenden in den Richtmikrofonmodus und damit zu wahrnehmbarem
Mikrofonrauschen, u.a. durch Rauschfahnen, führen. Zur Berechnung des Rauschteppichs
NF in den einzelnen Bändern können Verfahren genutzt werden, die aus der Wiener-Filter
basierten, einkanaligen Geräuschreduktion bekannt sind, oder nicht lineare Leistungsschätzer,
die ansteigenden Pegelwerten langsamer folgen als abfallenden.
[0033] Ein analoger Aufbau und ein analoges Verfahren werden für Richtmikrofone höherer
Ordnungen angewandt. Bevorzugte Anwendung findet das Mikrofonsystem und das zugehörige
Verfahren bei Hörgeräten.
Bezugszeichenliste
[0034]
- 1, 2
- Mikrofon
- 3, 4
- Filtereinheit
- 5
- Equalizer
- 6
- Steuereinheit
- a
- Adaptionsparameter
- amin
- minimaler Adaptionsparameter a
- azul
- zulässiger Adaptionsparameter a
- A
- Grenzwert des Adaptionsparameters a
- f
- Frequenz
- MR
- Mikrofonrauschen
- MN
- Mikrofonrauschzahl
- n1(t), n2(t)
- Mikrofonrauschsignal
- NF
- Geräuschteppich
- P
- Störleistung
- SUM
- Summengeräusch
- ST
- Störgeräusch
- x1(k), x2(k)
- Mikrofonsignal
- y(k)
- Ausgangssignal
1. Verfahren zum Betrieb eines Mikrofonsystems mit mindestens zwei omnidirektionalen,
Mikrofonsignale abgebenden Mikrofonen (1, 2), wobei die Mikrofone zur Bildung einer
Richtwirkung elektrisch miteinander verschaltet sind, durch:
- adaptives Filtern der mindestens zwei Mikrofonsignale mit mindestens einem Adaptionsparameter
(a) und
- Einstellen der Richtwirkung durch Verändern des mindestens einen Adaptionsparameters
(a) derart, dass die Summe (SUM) von Störleistungen (ST, MR) minimiert wird,
gekennzeichnet durch:
- Begrenzen des Wertebereichs des mindestens einen Adaptionsparameters (a), wobei
die Grenzen (A) aus einem Vergleich des Rauschteppichs (NF) des Umgebungsrauschens
mit einer Mikrofonrauschzahl (MN) ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass es für mehrere Frequenzteilbänder getrennt ausgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rauschteppich (NF) mit Hilfe von Wiener-Filtern oder nicht linearen Leistungsschätzern
ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wert der Mikrofonrauschzahl (MN) mikrofonabhängig vorgegeben wird, wobei ein
Datenblattwert des Mikrofonrauschens der Mikrofone (1, 2) und mindestens ein Abstand
der Mikrofone (1, 2) zueinander berücksichtigt werden.
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Störleistungen (SUM) durch Richtwirkung verstärktes Mikrofonrauschen (MR) und
Leistungen von unerwünschten Signalquellen (ST) umfassen.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wertebereich (A) so gewählt wird, dass das durch die Richtwirkung verstärkte
Mikrofonrauschen (MR) durch den stationären Anteil des Hintergrundrauschens (NF) maskiert
wird.
7. Mikrofonsystem umfassend
- mindestens zwei omnidirektionale, Mikrofonsignale abgebende Mikrofone (1, 2), wobei
die Mikrofone (1, 2) zur Bildung einer Richtwirkung elektrisch miteinander verschaltet
sind,
- mindestens eine Filtereinheit (3, 4) mit mindestens einem Adaptionsparameter (a)
zum adaptiven Filtern der mindestens zwei Mikrofonsignale zur Erzielung der Richtwirkung
und
- eine Steuereinheit (6), mit der der mindestens eine Adaptionsparameter (a) derart
veränderbar ist, dass die Summe (SUM) von Störleistungen reduziert wird,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Wertebereichs des mindestens einen Adaptionsparameters (a) begrenzbar ist, wobei
durch die Steuereinheit (6) die Grenzen (A) aus einem Vergleich des Rauschteppichs
(NF) des Umgebungsrauschens mit einer Mikrofonrauschzahl (MN) ermittelbar sind.
8. Mikrofonsystem nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens eine Filtereinheit (3, 4) für mehrere Frequenzteilbänder getrennte
Filter aufweist, so dass die Veränderung des mindestens einen Adaptionsparameters
(a) in mehreren Frequenzteilbändern getrennt ausführbar ist.
9. Mikrofonsystem nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rauschteppich (NF) mit Hilfe von Wiener-Filtern oder nicht linearen Leistungsschätzern
in der Steuereinheit ermittelbar ist.
10. Mikrofonsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wert der Mikrofonrauschzahl (MN) mikrofonabhängig vorgebbar ist, wobei ein Datenblattwert
des Mikrofonrauschens der Mikrofone (1, 2) und mindestens ein Abstand der Mikrofone
(1, 2) zueinander berücksichtigt werden.
11. Mikrofonsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Störleistungen (SUM) durch Richtwirkung verstärktes Mikrofonrauschen (MR) und
Leistungen von unerwünschten Signalquellen (ST) umfassen.
12. Mikrofonsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch die Steuereinheit (6) der Wertebereich (A) so wählbar ist, dass der stationäre
Anteil des Hintergrundrauschens (NF) das durch die Richtwirkung verstärkte Mikrofonrauschen
(MR) maskiert.
13. Hörgerät mit einem Mikrofonsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 12 zum Ausführen
des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.