DE2936082A1 - Richtempfangssystem mit vorbestimmtem richtungsansprechen - Google Patents
Richtempfangssystem mit vorbestimmtem richtungsansprechenInfo
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- H04R2410/07—Mechanical or electrical reduction of wind noise generated by wind passing a microphone
Description
Patentanwälte Dipl.-Ing, Curt Wallach
Dipl.-ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach
Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp
D-8000 München 2 Kaufingerstraße 8 Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d
Q^ Datum: 6. September 19/9
Unser Zeichen: lö /20 - K/Ap
Anmelder: Polaroid Corporation
549 Technology Square
Cambridge, Mass. 02139
USA
Cambridge, Mass. 02139
USA
Bezeichnung: Richtempfangssystem mit vorbestimmtem
Richtungsansprechen
030012/0843
-y-
Richtempfangssystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein Richtempfangssystem für den Empfang von sich im Raum fortpflanzender Vorgänge, wie
akustische oder elektromagnetische Wellen, unter Bevorzugung oder Unterdrückung des Empfangs aus einer vorgegebenen
Richtung.
Amateurfilmer, die mit üblichen Aufnahmegeräten Bildtonfilme
herstellen, sind mit dem Problem der Unterdrückung des Kamerageräusches bei der Tonfilmaufnahme vertraut. Wird das Kamerageräusch
bei der Aufnahme nicht hinreichend unterdrückt, so überdeckt es bei der Tonfilmwiedergabe die Schallereignisse,
deren Aufzeichnung bei der Tonfilmaufnahme beabsichtigt
war.
Eine Lösung dieses Problems besteht darin, das Mikrophon von der Kamera getrennt anzuordnen, doch benötigt dann der Filmer
einen Gehilfen für die koordinierte Tonaufnahme, was in vielen Fällen unerwünscht ist. Damit eine einzige Person gleichzeitige
Bild- und Tonaufnahmen vornehmen kann, ist es üblich, das Mikrophon an einem Ausleger der Kamera so zu befestigen,
dass es ausserhalb des Gesichtsfeldes der Kamera in jene Richtung gehalten wird, in welcher die Bildaufnahme erfolgt.
Zur Aufzeichnung stereophoner Schallereignisse werden bekanntlich zwei voneinander getrennte Mikrophone benutzt. Für
die monaurale Aufzeichnung wird ein relativ billiges Mikrophon mit kardioidenförmiger Richtcharakteristik benutzt, das
an der Kamera befestigt und so orientiert bzw. ausgerichtet ist, dass die Nullstelle der Kardioide der Kamera zugekehrt
ist. Hierdurch werden also die stereophonen bzw. monauralen Schallereignisse aufgenommen, die eine gefilmte Szene be-
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gleiten. Leider ist aber das Frequenzspektrum des von einer
laufenden Kamera erzeugten Geräusches so breit, dass dabei auch ein erheblicher Anteil dieses Geräusches aufgezeichnet
wird. Die Erfahrung hat gezeigt, dass das Geräuschspektrum zahlreicher Kameras sich von relativ niedrigen Frequenzen
von etwa 100 Hz bis zu etwa 6000 Hz erstreckt, mit einer Spitze bei ungefähr 2000 Hz, also im Bereich maximaler Gehörempfindlichkeit.
Während ein übliches, relativ billiges Kardioide-Mikrophon häufig zur Unterdrückung niederfrequenten
Schalles von der Kamera ausreicht, ist seine räumliche Richtcharakteristik innerhalb des relativ breiten Frequenzspektrums
des Geräusches, das mit üblichen mechanischen Kameraantrieben verknüpft ist, nicht frequenzunabhängig. Infolgedessen
überlagert das Geräusch der laufenden Kamera das bei Aufnahme einer Szene aufgezeichnete Schallereignis. Da das
Mikrophon der Kamera meist weit näher liegt als die jeweils aufgenommene Schallquelle, ergibt sich oft, dass dabei das
Kamerageräusch überwiegt.
Es mag nun zwar möglich sein, ein Spezialmikrophon zu entwickeln, welches das von einer Kamera kommende Geräusch innerhalb
eines relativ weiten Frequenzbandes unterdrückt, doch wäre ein solches Mikrophon vermutlich sehr kostspielig und
gegen mechanische Beschädigung empfindlich.
Die vorliegende Erfindung zielt deshalb darauf ab, ein neues und verbessertes Empfangssystem mit einer Richtcharakteristik
zu schaffen, deren Signalmuster im wesentlichen durch die Signalbehandlung und nicht durch mechanische Einzelheiten der
Empfangselemente bestimmt wird. Hierdurch kann monauraler wie auch stereophoner Empfang mit präziser Richtcharakteristik
durchgeführt werden.
Die Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
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2lJ3b082
Die Signalbehandlungseinrichtung enthält einen Integrationskanal, der die Differenz zwischen den Ausgangssignalen eines
Paares der Empfangselemente integriert. Wahlweise kann die Signalbehandlungseinrichtung einen Summenkanal enthalten,
der die Ausgangssignale eines gleichen oder verschiedenen Paares von Empfangselementen addiert, sowie eine Kombinationseinrichtung
zur Vereinigung der Ausgangssignale der beiden Kanäle, also des Integrationssignals und des Summensignals.
Für einen akustischen oder elektromagnetischen Vorgang vorgegebener
Frequenz, der bei der Anordnung von Empfangselementen einfällt, werden das Summensignal und das integrierte Signal
in Phase sein und sich zeitlich entsprechend der zeitlichen Aenderung des einfallenden Vorganges ändern. Folglich können
die Beträge der Signale für diese Frequenz und für einen wählbaren Einfallswinkel durch entsprechende Wahl der für
jedes dieser Signale aufgewendeten Verstärkung der der gegenseitigen
Abstände der Empfangselemente der Anordnung bzw. der Gruppe einander angeglichen werden. Insbesondere können
die relativen Verstärkungen der Signale so gewählt werden, dass sich nach der Addition für einfallende Vorgänge niedriger
Frequenz (d.h. Frequenzen, die nahe dem Wert Null liegen), welche einen vorgegebenen Einfallswinkel mit der Achse
der Gruppe von Empfangselementen einschliessen, die Resultierende dem Wert Null nähert. Ferner kann der Abstand zwischen
Paaren von Empfangselementen so gewählt werden, dass die Amplituden der verstärkungsgeregelten Signale auch für eine
beliebige vorgegebene Frequenz des aus der vorgegebenen Richtung bezüglich der Gruppe einfallenden Vorganges einander
angeglichen werden.
Ein Paar von Empfangselementen mit Rundum-Charakteristik erzeugt eine Richtcharakteristik in Form einer Acht, wenn
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das Ausgangssignal des Integrationskanals betrachtet wird. Bei Betrachtung des Ausgangssignals der Kombinationseinrichtung
stellt das Paar der genannten Empfangselemente eine sehr präzise Richtcharakteristik dar. In jedem Fall wird die Richtung
der Hauptachse der Charakteristik mit der Verbindungslinie der beiden Empfangselemente übereinstimmen.
Wenn alternativ zu dieser Anordnung das Paar der Empfangselemente ein Verhalten mit Richtcharakteristik od. dgl. besitzt
und die Empfangselemente in der Gruppe so angeordnet sind, dass die Hauptachse ihres Verhaltens rechtwinklig zur Achse
der Gruppe bzw. der Anordnung liegt, dann ergibt sich ein Verhalten mit Richtcharakteristik, deren Hauptachse um 45
gedreht ist zur Hauptachse der einzelnen Empfangselemente. Dies ist jedoch nur der Fall bei Betrachtung des Ausgangssignals
des Integrationskanals. Die Richtung, in der die Hauptachse des zusammengesetzten Verhaltens gedreht ist,
hängt von der Richtung ab, in der das Subtraktionsverfahren stattfindet.
Die räumliche Positionierung der beiden Empfangselemente und die Orientierung ihrer individuellen Richtcharakteristika
relativ zu ihrer räumlichen Orientierung gestattet, dass die Empfangselemente mit geringem räumlichen Abstand zueinander
aufgestellt werden können und eine sehr genaue Richtcharakteristik bzw. zwei um einen Winkel versetzte Richtcharakteristika
aufweisen können. Diese Anpassungsfähigkeit des Richtenipfangssystem
erlaubt seine Anwendung besonders bei der Herstellung von Bildtonfilmen. Durch die besondere Ausgestaltung
der Signalbehandlungseinrichtung arbeitet die Gruppe der Empfangselemente als ein monaurales Mikrophon mit kardioidaler
Richtcharakteristik. Die Unterdrückung der für das Kamerageräusch wesentlichen Frequenzen erfolgt in der kardioiden
Achse. Ausserdem ist die Signalbehandlungseinrichtung
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auch dafür eingerichtet, dass die Anordnung der Empfangselemente als ein stereophones Mikrophon mit einstellbarer Trennung
der beiden Kanäle arbeiten kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Tonfilmsystem mit einer
Bildaufnahmekamera und einem zugehörigen Tonaufzeichnungsgerät,
das eine lineare Gruppe von Elementarmikrophonen enthalt, die ausserhalb des Gesichtsfeldes der Kamera angeordnet
und fest mit dieser verbunden sind. Die Gruppe der Mikrophone ist so angeordnet, dass sie nach unten und nach vorne
bezüglich der Kamera auskragen. Die Signalbehandlungseinrichtung der bereits geschilderten Art kombiniert die Ausgangssignale
der Elementarmikrophone derart, dass die Schallereignisse, die von der zu filmenden bzw. aufzunehmenden Szene
herrühren, bevorzugt behandelt und das von der laufenden Kamera ausgehende Geräusch unterdrückt werden. Die Elementarmikrophone
können monaural oder stereophon verwendet, was von ihrer räumlichen Anordnung und von der Signalbehandlungseinrichtung
abhängig ist. Das Geräusch mit niedriger Frequenz, das die Kamera erzeugt, wird unterdrückt. Dies erfolgt besonders
in dem Bereich grösster Gehörempfindlichkeit.
Das monaurale bzw. stereophone Empfangssystem gemäss der vorliegenden
Erfindung verwendet einfache und billige Mikrophone, die eng zueinander angeordnet sind, da die gewählten Richtcharakteristika
bezüglich Unterdrückung und Bevorzugung der Schallereignisse, durch die Signalbehandlungseinrichtuncj und
durch die räumliche Anordnung der Mikrophone beeinflusst wird.
Zur Unterdrückung des Kamerageräusches bei der monauralen oder stereophonen Aufnahme werden die tiefen Frequenzen des
integrierten Signals unterdrückt, so dass ein gefiltertes integriertes Signal entsteht. Ausserdem werden die höheren
Frequenzen des Ausgangssignals mindestens eines der Empfangs-
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elemente unterdrückt, so dass ein gefiltertes Ausgangssignal entsteht. Wenn das gefilterte integrierte Signal dem gefilterten
Ausgangssignal hinzuaddiert wird, werden die tieferen Frequenzen des resultierenden Signals im wesentlichen
nicht verarbeitet, während die höheren Frequenzen verarbeitet werden, so dass die gewünschten Richtcharakteristika
für diese Frequenzen sich ergeben. Als Folge hiervon sind die Windgeräusche, die im resultierenden Signal vorhanden
sind, nicht grosser als in einem bekannten Aufnahmesystem, wobei die Signale mit höherer Frequenz direkt auf genominen
werden. Die Informationssignale mit geringer Frequenz werden auch aus Richtungen aufgenommen, die anders liegen als die
bevorzugte Richtung, wobei die Reduktion des Kamerageräusches beim Aufwickeln des Filmes grosser ist als deren Verlustausgleich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Tonbildkamera, die mit einem erfindungsgemässen monauralen Richtempfangssystem
ausgestattet ist, das für niedrige Tonfrequenzen in zwei orthogonalen Ebenen kardioiden
Charakteristika aufweist;
Fig. 2 den Frequenzgang des Kamerageräusches einer Filmkamera;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer linearen Gruppe von Empfangselementen bei Einfall einer ebenen Welle
willkürlicher Frequenz unter einem willkürlichen Einfallswinkel;
Fig. 4 ein Blockdiagramm des Empfangssystems gemäss der Erfindung,
an dem die angewendete Signalbehandlung erläutert wird;
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Fig. 5 die polare Richtcharakteristik des erfindungsgemässen
Empfangssystems für einen bestimmten Wert der relativen Verstärkung von Summensignal und integriertem
Signal bei niedriger Frequenz;
Fig. 6 ein für den Empfang in Richtung der linearen Gruppe geltendes Diagramm des Amplitudenverlaufes des Summensignals
und des integrierten Signals für das System nach Fig. 4, das auch den Verlauf der Amplitudendifferenz
von Summensignal und integriertem Signal wiedergibt, u.zw. für zwei ausgewählte Fälle, nämlich
für die Fälle, dass der Abstand zwischen dem Paar von Mikrophonelementen, deren Ausgangssignale
subtrahiert werden, gleich gross bzw. zweimal so gross ist wie der Abstand zwischen dem Paar von
Mikrophonelementen, deren Ausgangssignale addiert werden;
Fig. 7 ein der Fig. 6 ähnliches Diagramm, nur dass der Abstand zwischen den Mikrophonelementen so gewählt ist,
dass die Amplitudendifferenz von Summensignal und integriertem Signal für eine ausgewählte, von Null
verschiedene Frequenz verschwindet;
Fig. 8 ein der Fig. 7 ähnliches Diagramm für den Amplitudenverlauf
von Summensignal und integriertem Signal bei einem Einfallswinkel von ungefähr 30°;
Fig. 9 ein der Fig. 8 ähnliches Diagramm bei einem Einfallswinkel von ungefähr 6 0°;
Fig. 10 ein Blockschema der Signalbehandlungseinrichtung, die zur erfindungsgemässen Signalbehandlung dient, u.zw.
für eine Gruppe mit zwei Mikrophonelementen.
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- yr- ■ · -
Fig. 11 A-F eine stereophonische Empfangsanordnung dreieckförmig
aufgestellter Mikrophone mit Rundum-Charakteristik;
Fig. 12 in Seitenansicht eine Kamera und von dieser abgewandte kardioide Empfangselemente;
Fig. 13 A-B zwei Mikrophone mit mechanischer Subtraktion;
Fig. 14 A-D kardioidale Mikrophone und eine elektrische
Schaltung als stereophoner Empfänger mit ausgeprägter Richtcharakteristik;
Fig. 15 A-B zwei Mikrophone mit Rundum-Charakteristik, deren Ausgangssignale zu stereophonem Empfang verarbeitet
werden;
Fig. 16 A-C zwei kardioidale Mikrophone und eine elektrische Schaltung als stereophoner Empfänger;
Fig. 17 eine Mikrophongruppe mit mechanischer Addition und Subtraktion ihrer Eingangssignale;
Fig. 18 ein Ausführungsbeispiel der Signalbehandlungseinrichtung zur Beseitigung des Kamerageräusches
für die Mikrophonanordnung der Figuren 11 A oder 14 A;
Fig. 19 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Signalbehandlungseinrichtung
zur Beseitigung des Kamerageräusches für die Mikrophonanordnung der Fig. 11 F;
Fig. 20 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Signalbehandlungseinrichtung
zur Beseitigung des Kamerageräusches für die Mikrophonanordnung der Figuren 15 A und 16 A.
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In Fig. 1 ist ein erfindungsgemässes Tonfilmsystem 10 dargestellt,
das aus einer Bildkamera 11 und einem zugehörigen Tonaufzeichnungssystem 12 besteht. Dieses System 12 ist mit
einer linearen Gruppe von (nicht einzeln dargestellten Mikrophonelementen ausgestattet, die nachfolgend insbesamt als
"Mikrophon" bezeichnet wird und mit dem Bezugszeichen 13 versehen ist. Das Mikrophon 13 wird von einem Ausleger 14 in
fester Lage bezüglich der Kamera 11 gehalten. Mit der Kamera ist über ein Kaber 16 eine Signalbehandlungseinrichtung 15
verbunden. Die Kamera 11 hat ein übliches Gehäuse 17, das den Film, den (nicht dargestellten) Filmantrieb und das Aufnahmeobjektiv
18 enthält, welches ein Bild der aufzunehmenden Szene auf dem innerhalb des Kameragehäuses befindlichen Film
erzeugt.
Mit der optischen Achse Z des Objektivs 18 der Kamera ist ein Bildsucher 19 eingefluchtet, in dem der Filmer die aufzunehmende
Szene sieht. Ueberdies ist die Kamera mit einem Griff 20 ausgestattet, der es dem Filmer ermöglicht, mit einer
Hand die Kamera zu halten und sie durch Drücken des Auslösers 21 mit einem Finger dieser Hand zu betätigen, so dass
die andere Hand zum Abstützen der Kamera frei bleibt.
Die lineare Gruppe von Mikrophonelementen, welche das Mikrophon 13 bilden, ist längs der mit X bezeichneten Achse ausgerichtet,
die unter einem spitzen Winkel (z.B. von 20 ) zur optischen Achse Z nach unten geneigt ist und mit der Z-Achse
und dem Griff 20 in einer gemeinsamen Ebene liegt. Das Mikrophon 13 wird vom Ausleger 14 gegenüber der Kamera nach vorne
und unten versetzt gehalten und befindet sich ausserhalb des Gesichtsfeldes des Objektivs 18.
Bei Inbetriebnahme der Kamera hält der Filmer den Griff 20 in einer Hand und stützt die Kamera mit der anderen Hand ab,
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wobei er die zu filmende Szene durch den Bildsucher 19 betrachtet.
Durch Drücken des Auslösers 21 werden die Kamera und das Mikrophon eingeschaltet, wodurch die im Gesichtsfeld
des Bildsuchers befindliche Szene gefilmt wird und von dieser Szene kommende Schallereignisse synchron aufgezeichnet
werden. Bei der dargestellten Orientierung des Auslegers 14 nimmt das Mikrophon 13 eine Lage ein, in der es den von der
gefilmten Szene kommenden Schall empfangen kann. Wie später noch genauer erläutert wird, hat das Mikrophon 13 eine
kardioidenförmige Systemcharakteristik (die mit der Eigencharakteristik
jedes Mikrophonelementes zu multiplizieren ist). Die räumliche Richtcharakteristik als Funktion der
Frequenz wird durch die Signalbehandlungseinrichtung 15 festgelegt. Im wesentlichen unterdrückt das Mikrophon 13 den
Schall, der innerhalb eines vorgegebenen Sperrkegels einfällt, in dem die Kamera 11 liegt, wie dies in Fig. 1 durch
die strichpunktierten Linien 22 angedeutet ist. Die Winkellage der X-Achse bezüglich der Z-Achse und der Abstand des
Mikrophons von der Kamera sind Parameterwerte, die vom Oeffnungswinkel des Sperrkegels abhängen, dessen Spitze mit
dem Mikrophon 13 zusammenfällt. Der Oeffnungswinkel des Sperrkegels hängt seinerseits von der Arbeitsweise der
Signalbehandlungseinrichtung 15 ab und ist innerhalb weiter Grenzen zwecks Anpassung an eine vorgegebene Kamera veränderbar.
Fig. 1 zeigt die Richtcharakteristiken 23, 24 des Mikrophons in zwei orthogonalen Ebenen, die sich längs der X-Achse
schneiden. Diese Richtcharakteristiken sind bezüglich der X-Achse symmetrisch; sie geben qualitativ den typischen Verlauf
der Empfindlichkeit des Mikrophons 13 innerhalb des interessierenden Frequenzbandes an.
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Fig. 2 zeigt qualitativ den Frequenzverlauf des Geräuschspektrums einer typischen Filmkamera. Es wurde gefunden, dass
dieses Geräusch beim Betrieb der Kamera sehr niedrige Frequenzkomponenten enthält und bei etwa 2000 Hz ein deutliches
Maximum hat, das im Bereich der maximalen Empfindlichkeit des menschlichen Ohres liegt. Die höheren Frequenzen sind im
Frequenzspektrum schwächer vertreten und verschwinden bei etwa 6000 Hz ganz. Durch die Arbeitsweise der Signalbehandlungseinrichtung
15 kann die Richtcharakteristik des Mikrophons 13 so eingeregelt werden, dass das Mikrophon hauptsächlich
jene Geräusche unterdrückt, die von der Kamera ausgehen und innerhalb eines relativ weiten Frequenzbandes liegen,
einschliesslich bei Frequenzen von etwa 2000 Hz.
Um zu erläutern, auf welche Weise die erfindungsgemässe
Signalbehandlungseinrichtung die Richtcharakteristik des Mikrophons 13 beeinflusst, wird auf Fig. 3 verwiesen, welche
das Zusammenwirken zwischen einer ebenen Schallwelle 30 und einer linearen Gruppe von Mikrophonelementen Ml bis M4 darstellt,
die insgesamt das Mikrophon 13 bilden. Die Mikrophonelemente sind in gleichen gegenseitigen Abständen längs der
X-Achse dargestellt, um die folgende Analyse zu vereinfachen, doch brauchen ihre Abstände theoretisch nicht gleich zu sein.
Die Elemente M2 und M3 des mittleren Paares haben einen gegenseitigen Abstand d-^ und die Elemente Ml und M4 des
äusseren Paares einen gegenseitigen Abstand d2- Zur Vereinfachung
der Analyse sei angenommen, dass der Abstand zwischen den Elementen Ml und M2 gleich gross ist wie der Abstand
zwischen den Elementen M3 und M4. Die sinusförmige ebene Schallwelle 30 habe die Frequenz ω und falle in Richtung der
Λ - Achse ein, die mit der positiven X-Achse einen Winkel α einschliesst und diese im Punkt 31 in der Mitte zwischen den
Elementen M2 und M3 schneidet. Da sich die ebene Welle als Funktion der Zeit ändert, gilt die Darstellung nach Fig. 3
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nur für einen bestimmten Zeitpunkt. Der Amplitudenverlauf der Welle in diesem Zeitpunkt längs der X-Achse ist durch
eine strichpunktierte Linie 32 angegeben, welche die Schnittlinie der Welle mit einer die Y-Achse enthaltenden Ebene
durch die X-Achse darstellt, die senkrecht zu der von den Achsen Λ und X definierten Ebene liegt. Die Y-Achse verläuft
durch den Punkt 31. Die Amplitude der Welle 32 in einem beliebigen Zeitpunkt bezüglich eines Punktes auf der X-Achse
ist ein Mass für die jeweilige Schallamplitude in diesem Punkt.
Der Abstand zwischen einander entsprechenden Punkten auf der ebenen Welle, gemessen längs der Λ-Achse, ist mit dem Abstand
zwischen diesen Punkten, gemessen längs der X-Achse, durch den Faktor cos α verknüpft, wobei α der Einfallswinkel der
ebenen Welle ist. Bezeichnet man die Wellenlänge der Welle 30 längs der Λ-Achse mit A0, dann steht die Wellenlänge χ
längs der Welle in der Ebene 33, welche durch die Achsen X und Y definiert ist, mit A0 in der Beziehung:
(.1) A4,= T = xo cos α
worin V die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der ebenen Welle und f = OJ /2W ist. Die Schallgeschwindigkeit
beträgt bei 20° C und Meeresniveau 3^ m/s.
Die Periodendauer T der ebenen Welle ist gegeben durch (2) T = -γ^ = γ2. cos α
Aus Gleichung (2) ist erkennbar, daß die Zeit f., welche
der Punkt 3^ auf der Welle 30* dessen Projektion auf
die X-Achse mit dem Punkt 31 in der Mitte zwischen den
Elementen M2 und M3 zusammenfällt, zur Bewegung zum
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Punkt 35 hin benötigt, dessen Projektion auf die X-Achse
den Abstand d.-i/o vom Punkt 31 hat und dem Ort entspricht,
in dem sich das Element M3 befindet, wie folgt angegeben
werden kann:
τ·' d1
(3) 1 = 2V cos α
(3) 1 = 2V cos α
Die Zeit, die der Punkt 3^ auf der ebenen Welle benötigt,
um das Element ΓΊ4- zu erreichen, beträgt analog:
~ d2
W ^2 = ZV cos α
W ^2 = ZV cos α
Unter Berücksichtigung der Gleichungen (3) und (4) ist
erkennbar, daß auf Grund einer angenommen analytischen Form der Welle im Punkt 31 analytische Ausdrücke für die
Welle in den vier Orten der Mikrophonelemente abgeleitet werden können, die von den Phasendifferenzen bezüglich
der angenommenen Wellenform abhängen. Es sei nun angenommen, daß die Welle im Punkt 31 die Form sin(6ü t- Ί? )
habe; dann ist die Welle in den Orten der vier Elemente wie folgt gegeben:
(5A) bei M1 : sin üü (t - Zq + V^)
(5B) bei M2: sin ω (t - fQ + T^)
(5C) bei M3: sin ω (t - Tq - ZT1)
bei M4: sin ω(t - t^ - ~2) ,
worin L die Zeit bedeutet, welche die Welle benötigt, um längs der-A--Achse eine Viertelwellenlänge zu wandern
(so daß die folgenden Ausdrücke entweder als cos- oder sin- Funktionen der Einheitsamplitude dargestellt werden
können). Da jede zusammengesetzte Welle in eine Fourier-
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Reihe mit sin- oder cos-Gliedern zerlegt werden kann, ist
die nachfolgende Analyse allgemein anwendbar, obwohl sich die Gleichungen auf eine einzelne Sinuswelle mit
der Kreisfrequenz CO beziehen.
Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, welche die einzelnen Teile der Signalbehandlungseinrichtung 15 darstellt.
Jedes der Elemente ΓΊ1 und M4 ist auf einfallende, zeitlich
veränderliche Wellen empfindlich, wie beispielsweise auf eine Schallwelle, und erzeugt ein entsprechendes
zeitlich veränderliches Ausgangssignal, das entsprechend dem in Fig. 4 dargestellten Blockschema behandelt wird.
Insbesondere enthält diese Behandlungseinrichtung außer den Mikrophonelementen einen Summenkanal mit einer
Addierstufe 40, welche die Ausgangssignale des inneren Paares von Mikrophonelementen M2 und M3 addiert, und
einen Integrierkanal mit einer Subtrahierstufe 41, welche die Differenz der Ausgangssignale des äußeren
Paares von Mikrophonelementen M1 und M4 bildet. Das von der Subtrahierstufe 41 gebildete Differenzsignal wird
in einer Integrierstufe 42 integriert, deren Ausgangssignal nachfolgend als integriertes Signal bezeichnet
wird. Ferner enthält die Signalbehandlungseinrichtung 15 eine Kombinationseinrichtung 43, in welcher die Ausgangssignale
des Summenkanals und des Integrierkanals kombiniert werden. Insbesondere umfaßt diese Kombinationseinrichtung
in jedem der Kanäle einen Verstärkungsregler, durch welchen die Verstärkung des einen Kanals
bezüglich des anderen festgelegt werden kann, um so ein verstärkungsgeregeltes integriertes Signal zu erhalten,
das im Ausgang des Verstärkers 44 erscheint, der den Verstärkungsgrad B hat, sowie ein verstärkungsgeregeltes
Summensignal, das im Ausgang des Verstärkers 45 mit dem
Verstärkungsgrad A erscheint. Die Kombinationseinrichtung 43 enthält auch eine Addierstufe 46 für diese beiden
verstärkungsgeregelten Signale. Ie Ausgang 47 der
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Addierstufe 46 erscheint das fertigbehandelte Ausgangssignal
des Mikrophons 13·
Wenn die Eingangssignale der Mikrophonelemente M1 bis M4 den Gleichungen (5) entsprechen, so hat das im Ausgang
der Addierstufe A-O erscheinende Summensignal S die Form
(6) S = [2 cos 00 TT1J sin cJ (t - T0)
während das Differenzsignal D, das im Ausgang der Subtrahierstufe 41 erscheint, durch
(7) D = Γ-2 sinOJT2J cos 6J (t - ^0)
dargestellt wird, worin das Minuszeichen eine Phasenumkehr gegenüber dem Summensignal bedeutet.
Die Integration des Differenzsignals D in der Integrierstufe
42 ergibt das integrierte Signal I wie folgt:
Γ 2 sin60T0 1
(8) I= [ u ^J sinoJ(t-ro)
Nach Verstärkung des Summensignals und des integrierten Signals in den Verstärkern 45 bzw. 44 haben die beiden
resultierenden verstärkungsgeregelten Signale, wie ersichtlich, gleiche Phase, so daß eine arithmetische
Amplitudenaddition dieser Signale erfolgen kann. Die Amplitude des verstärkungsgeregelten Suinmensignals
A(cJ, α) ist gegeben durch:
di
(9) A(u), α) = 2A cos (<*>
-^y cos α)
während der Betrag des verstärkungsgeregelten integrier-
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ten Signals B(ϋύ, α) gegeben ist durch:
dp sin (.τπΓ^ cos
(10) B(O), α) = 2B (·*£ cos α)
cos α
Damit ergibt sich das Ausgangssignal Δ(ίθ, a) der
Addierstufe 4-6 mit:
(11) Δ(ω , α) = A(CJ, α) - Β(ο<->, α) ,
woraus folgt:
Γ ^ uüd^ dp
(12) Δ(ύ^,α) = B 2-Ö cos -· cos α - 2 (^- cos α)»
(β do
sin (■■ ' cos α)
• ■
• ■
UJ dp
■ COS a
Das Minuszeichen beruht hiebei auf der Inversion in der Subtrahierstufe 41.
Aus Gleichung (12) ist erkennbar, daß das Ausgangssignal der Addierstufe 4-6 bei beliebiger Frequenz und
beliebigem Einfallswinkel der Welle bei der Gruppe von
Mikrophonelementen auf Null gebracht und damit die einfallende Welle vollständig unterdrückt werden kann,
indem die relative Verstärkung A/B dEr verstärkungsgeregelten
Signale und die Abstände d,. und dp zwischen
den Mikrophonelementen entsprechend gewählt werden. Für Wellen niedriger Frequenz, für welche ^J gegen Null
strebt, reduziert sich die Gleichung (12) auf
Γ δ dp
(12A) Δ(0, α) = 2B 4 - öV cos α
(12A) Δ(0, α) = 2B 4 - öV cos α
Aus Gleichung (12A) ist ersichtlich, daß das Ausgangssignal
der Addierstufe 4-6 Null wird, wenn der Klammerausdruck in dieser Gleichung den Wert Null annimmt. Für
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einen vorgegebenen Einfallswinkel α läßt sich daher
die relative Verstärkung A/B der verstärkungsgeregelten Signale, welche zu einer vollständigen Unterdrückung
der niedrigen Frequenzen führt, wie folgt angeben:
(12B) I » -^- cos α
Setzt man die relative Verstärkung aus Gleichung (12B) in die Gleichung (12) ein, so erhält man folgenden allgemeinen
Ausdruck für das Ausgangssignal der Addierstufe 46, das zu einer Unterdrückung von Wellen niedriger
Frequenz führt, welche bei der Gruppe von Mikrophonelementen unter einem Winkel α einfallen:
dp Γ uJd.
(13) Δ(£Ο, α) = 2B (^rr) cos α cos ( cos α) —
sin (■ - cos α) - cos α
cos α)
Zur Unterdrückung oder Sperrung niederfrequenten Schalls, der bei-der Gruppe von Mikrophonelementen unter α =0
einfällt, reduziert sich die Gleichung (13) auf
dp
(13A) Δ(0, α) = 2B ^y ( 1 - cos a)
Aus Gleichung (13A) ist erkennbar, daß die Richtcharakteristik des Mikrophonsystems für niedrige Frequenzen
die Form einer Karcioide hat, deren Symmetrieachse längs der Achse der Elementengruppe, d.h. längs der X-Achse
verläuft, wobei diese Kardioidenforn ausschließlich auf der beschriebenen Behandlung der Signale von den einzel
nen Elementen der Gruppe beruht.
Die Empfindlichkeit des Mikrophons bei höheren Frequenzen ergibt sich für in Richtung der Gruppe einfallende
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Signale, also für α = O, aus Gleichling (13).
do
, O) = 2B (φ j cos
, O) = 2B (φ j cos
2V
Der Abstand d^ der Mikrophonelemente, von denen das Summensignal
abgeleitet wird, kann nun se gewählt werden, daß eine Unterdrückung einer einfallenden Welle mit beliebiger
Frequenz LO und einem Einfallswinkel α. erfolgt.
Dieser Wert d. wird erhalten, indem man den Klammerausdruck
in Gleichung (13B) gleich Null setzt und sodann nach d^ auflöst. Auf diese Weise ergibt sich
üJd,
Pv sin(
di = ' arc cos
1 uü cos α.
Lud
2-
Für oc. = ao = 0, was besagt, daß eine Unterdrückung
von Wellen erfolgen soll, die längs der X-Achse aus positiver Richtung bei der linearen Gruppe einfallen,
reduziert sich die Gleichung (14-) wie folgt:
PV
(14-A) d.» = — arc cos
(14-A) d.» = — arc cos
Fig. 5 entspricht nun in Diagrammforis der Gleichung
(I3A) und stellt somit die Richtcharakteristik der
Gruppe von Mikrophonelementen für niederfrequente Wellen als Funktion ihres Einfallswinkels dar, wenn
die Ausgangssignale der einzelnen Elemente gemäß Fig. 4-behandelt werden. Es ist erkennbar, daß eine lineare
Gruppe von allseitig empfangenen Mikrophonelementen auf diese Weise in ein Mikrophonsystem umgewandelt
wird, das eine kardioidförmige Richtcharakteristik aufweist, u.zw. ausschließlich infolge der Signalbehandlung,
die in der Behandlungseinrichtung 15 erfolgt.
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Wenn die einzelnen Elemente selbst bereits eine kardioidenfönnige Elemtencharakteristik haben, dann
ergibt sich durch die zusätzliche erfindungsgemäße Signalbehandlung für das gesamte Mikrophon eine
Kardioidencharakteristik höherer Ordnung.
Die Empfindlichkeit einer Gruppe von Mikrophonelementen auf in Richtung der Guppe, d.h. unter α = ο einfallende
Wellen höherer Frequenz ist in Fig. 6 dargestellt, die auf Gleichung (13B) beruht. Die Kurve 50 stellt
c-od'i
den Verlauf von cos (- ) in Abhängigkeit vom Para-
den Verlauf von cos (- ) in Abhängigkeit vom Para-
ujdp.
meter ( ) fur &λ = dp dar und gilt für das verstärkungsgeregelte
Summensignal im Ausgang des Verstärkers 45; die Kurve 51 stellt den Verlauf des Ausdruckes
„A^f^ 2\ in Abhängigkeit vom Parameter
SlnA—^"—)
U2
(—7JT7—) dar und gilt für das verstärkungsgeregelte integrierte Signal im Ausgang des Verstärkers 43. Es ist zu beachten, daß für d^ = dp die Elemente M1 und M2 mit den Elementen M3 bzw. M4 zusammenfallen, wobei sich ein Mikrophonsystem mit nur zwei statt mit vier Elementen ergibt. Ein solches Mikrophonsystem unterdrückt niedrige Frequenzen gut, doch nimmt seine Fähigkeit zur Unterdrückung höherfrequenter Wellen mit zunehmender Frequenz merklich ab, wie die Kurve erkennen läßt, welche die Differenz zwischen den Kurven 50 und 51 darstellt und somit der für das Ausgangssignal der Addierstufe 47 geltenden Gleichung (13) entspricht.
(—7JT7—) dar und gilt für das verstärkungsgeregelte integrierte Signal im Ausgang des Verstärkers 43. Es ist zu beachten, daß für d^ = dp die Elemente M1 und M2 mit den Elementen M3 bzw. M4 zusammenfallen, wobei sich ein Mikrophonsystem mit nur zwei statt mit vier Elementen ergibt. Ein solches Mikrophonsystem unterdrückt niedrige Frequenzen gut, doch nimmt seine Fähigkeit zur Unterdrückung höherfrequenter Wellen mit zunehmender Frequenz merklich ab, wie die Kurve erkennen läßt, welche die Differenz zwischen den Kurven 50 und 51 darstellt und somit der für das Ausgangssignal der Addierstufe 47 geltenden Gleichung (13) entspricht.
Für d- = dp/p haben die Elemente M1 bis M4 gleiche
gegenseitige Abstände, woraus folgt, daß das Mikrophon vier Elemente aufweist. Die Kurve 53 stellt die Funktion
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cos( ) für diesen Fall dar, und man erkennt, daß die
Kurve 53 ziemlich ähnlich der Kurve 51 verläuft. Die Differenz zwischen den Kurven 51 und 53 wird durch die
Kurve 54 dargestellt. Es ist daraus erkennbar, daß die
Anwendung von vier Elementen mit d. = d-/p eine erheblich
verbesserte Nullstelle in der Charakteristik, verglichen mit einem Mikrophon mit nur zwei Elementen,
ergibt.
Der Frequenzskala in Fig. 6 liegt der Wert dp = 254 cm
(= 1 Zoll) zugrunde, für welchen die beiden Kurven 51
OJ dp
und 53 bei = 13,548 Hz Nullstellen haben. Eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Unterdrückung von Wellen, deren Einfallsrichtung mit der Gruppe eingefluchtet ist und die im Frequenzband bis 6.000 Hz liegen, welches das Störfrequenzband der Kamera darstellt, ist durch geeignete Wahl des Verhältnisses von d,. zu dp möglich. Gegenwärtig wird d. vorzugsweise so gewählt, daß die Amplitude des verstärkungsgeregelten Summensignals (h.h. die Frequenz der cos-Kurve) gleich der des verstärkungsgeregelten integrierten Signals (d.h. der sin-Kurve) bei einer Frequenz von etwa 59 % des verstärkungsgeregelten integrierten Signals ist. Für dp = 2,54 cm ergibt sich diese Gleichheit bei 8.000 Hz, und aus Gleichung (14A) folgt d^ = 1,40 cm (= 0,55 Zoll).
und 53 bei = 13,548 Hz Nullstellen haben. Eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Unterdrückung von Wellen, deren Einfallsrichtung mit der Gruppe eingefluchtet ist und die im Frequenzband bis 6.000 Hz liegen, welches das Störfrequenzband der Kamera darstellt, ist durch geeignete Wahl des Verhältnisses von d,. zu dp möglich. Gegenwärtig wird d. vorzugsweise so gewählt, daß die Amplitude des verstärkungsgeregelten Summensignals (h.h. die Frequenz der cos-Kurve) gleich der des verstärkungsgeregelten integrierten Signals (d.h. der sin-Kurve) bei einer Frequenz von etwa 59 % des verstärkungsgeregelten integrierten Signals ist. Für dp = 2,54 cm ergibt sich diese Gleichheit bei 8.000 Hz, und aus Gleichung (14A) folgt d^ = 1,40 cm (= 0,55 Zoll).
Die Kurve 60 in Fig. 7 stellt das verstärkungsgeregelte Summensignal unter diesen Bedingungen dar, und die
Kurve 61 zeigt das verstärkungsgeregelte integrierte Signal; diese Signale sind bei 8.000 Hz gleich stark.
Bei niedrigeren Frequenzen ist die Unterdrückung außerordentlich gut, was an der Kurve 62 erkennbar ist,
welche die Differenz zwischen den Kurven 60 und 61 angibt und dem Ausgangssignal 47 der Addierstufe 46 entspricht.
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Die in Fig. 7 gezeigten Kurven gelten für Eingangswellen, die in Richtung der linearen Gruppe einfallen, die Fig. 8
und 9 für Eingangswellen unter den Einfallswinkeln 30 bzw. 60 . In Fig. 8 stellt insbesondere die Kurve 63 das verstärkungsgeregelte
Summensignal und die Kurve 64 das verstärkungsgeregelte integrierte Signal für α = 30° dar. Die
Kurve 65 gibt die Differenz zwischen den Kurven 63 und 64 an. In Fig. 9 stellt die Kurve 66 das verstärkungsgeregelte
Summensignal und die Kurve 67 das verstärkungsgeregelte integrierte Signal für α = 60 dar. Die Kurve 68 gibt wieder
die Differenz zwischen den Kurven 66 und 67 an. Es ist ersichtlich, dass sich für d·^ = 2,54 cm und d2 = 1,40 cm eine
extrem gute Unterdrückung bei α = 0° und bei α = 30° (entsprechend
einem Sperrkegel mit einem Spitzenwinkel von 60°) ergibt·
Wenn bei dieser Anordnung das Mikrophon Ml, das am Ende der Szene der Gruppe sich befindet, subtrahiert wird vom Mikrophon
M4, das in der Nähe der Kamera vorgesehen ist, dann folgt eine Unterdrückung der Schallbearbeitung in einer
Richtung vom ersten (M4) zum zweiten (Ml) Mikrophon. Dies bedeutet eine nicht invertierende Integration. Bei einer
invertierenden Integration wird die Richtung des Musters bzw. der Sperrsektoren umgekehrt. Wie noch später im Zusammenhang
mit der Fig. 15 A näher diskutiert, kann die Anordnung gleichzeitig zwei Verhaltensmuster bzw. Sektoren erzeugen, die in
entgegengesetzten Richtungen liegen.
Andere Charakteristiken mit Sperrsektoren können durch geeignete Wahl der relativen Verstärkung im Summenkanal und im
Integrierkanal und des relativen Abstandes zwischen den Paaren von Summen- und Differenzelementen erhalten werden. Ferner
sind auch analytische Lösungen möglich, wenn die Abstände der einzelnen Elemente nicht gleichmässig sind.
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In der vorstehenden Beschreibung wird auf Schallwellen und auf Mikrophone Bezug genommen, doch ist klar, dass die Erfindung
auch im Zusammenhang mit anderen Wellen anwendbar ist, auf welche einzelne Empfängerelemente unter Erzeugung
eines Ausgangssignals ansprechen. Beispielsweise kommen als weitere Anwendungsgebiete der Erfindung Rundfunkwellen und
Empfangsantennen in Betracht.
Fig. 10 ist ein schematisches Schaltungsbild einer Behandlungseinrichtung
gemäss der Erfindung, die zur Erzielung einer gewünschten Sperrcharakteristik dient. Die Einrichtung
15A enthält vier Mikrophonelemente Ml bis M4, wobei jedem
dieser Elemente ein Vorverstärker 70 zugeordnet ist. Die vorverstärkten Ausgangssignale der Elemente M2 und M3 werden
in einer Analog-Addierstufe 71 addiert, um das Summensignal S zu bilden. Die vorverstärkten Signale der Elemente Ml und
M4 werden subtrahiert und in einem Norton-Differenzintegrator 72 integriert, in dessen Ausgang sich das integrierte
Signal I ergibt. Das Summensignal S und das integrierte Signal I werden in einer Analog-Addierstufe 73 addiert und
ergeben das Ausgangssignal Δ.
Die Erfindung, die bis jetzt beschrieben wurde, betrifft eine lineare Gruppe.bzw. Anordnung von Mikrophonen sowie eine
Signalbearbeitungseinrichtung, die die Ausgangssignale dieser Mikrophone bearbeitet, so dass ein zusammengesetztes Mikrophon
mit kardioidaler Richtcharakteristik entsteht, dessen Hauptachse zu der Szene, die fotografiert werden soll bzw.
wird, gerichtet ist. Wie die Fig. 5 zeigt, ist das kardioida-Ie Muster bzw. Verhalten durch die Addition der Ausgangssignale
des Integrationskanals und des Summenkanals gemäss Fig. 4 gegeben. Wie bereits erwähnt, sind die Phasen der
Signale in diesen beiden Kanälen gleich, da es sich um eine Ueberlagerung handelt. Bei Betrachtung zweier Mikrophone mit
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Rundum-Charakteristik (z.B. d^ = d2) liegt die Verbindungslinie
der Mikrophone auf der X-Achse der Fig. 5. Die Integration der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden
Mikrophone erzeugt die Achterfigur 7 6 der Fig 5. Die beiden Mikrophone mit Rundum-Charakteristik arbeiten als
Mikrophone mit Richtcharakteristik sobald das Ausgangssignal des Integrationskanals als solches betrachtet wird. Die
Hauptachse der Achterfigur würde mit der Linie X-X übereinstimmen bei Verbindung der beiden Mikrophone mit Rundum-Charakteristik.
Andererseits würden die beiden Mikrophone mit Rundum-Charakteristik
als ein Empfänger mit Rundum-Charakteristik arbeiten, wenn der Ausgang des Summenkanals als solcher betrachtet
würde. Im letzten Fall entsteht das sphärische Verhalten 78 der Mikrophone, wie es in Fig. 5 gezeichnet ist. Bei Addition
der Achterfigur 76 mit dem kreisförmigen Verhalten 78 ergibt sich das kardioidale Verhalten 80, sofern das integrierte
Signal und das Summensignal richtig eingestellt sind.
Die bisher beschriebene Mikrophon-Anordnung und die Verarbeitung ihrer Signale ergibt ein kardioidales Verhalten entlang
der Hauptachse der Anordnung bzw. Gruppe, wobei die Null-Richtung dieses Verhaltens in der Kamerarichtung liegt. Ein
solches Verhalten ergibt sich durch die Summierung der Ausgangssignale der beiden Mikrophone mittels des Addierers 40
der Fig. 4 sowie durch die Subtraktion und anschliessende Integration durch die Stromkreise 41, 42 der Fig. 4 und durch
die Kombination der Ausgangssignale des Summenkanals und des Integrationskanals durch den Stromkreis 46 der Fig. 4. Als
Kombinationseinrichtung kann bei besonderen Anordnungen anstelle des Addierers auch ein Subtrahierer oder sogar ein
Addierer und Subtrahierer Verwendung finden. Eine solche Subtraktion der summierten und integrierten Ausgangssignale
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-X-
dreht die Richtung entlang der Anordnungsachse des Verhaltens. Dies wird in einigen stereophonischen Anordnungen, wie
es später im Zusammenhang mit den Figuren 15 und 16 noch näher beschrieben wird, verwendet.
Da das Ausgangssignal des integrierten Stromkreises allein eine achterförmige Richtcharakteristik ergibt und zwei unter
einem bestimmten Winkel zueinander versetzte Mikrophonanordnungen für Stereo ebenfalls eine achterförmige Richtcharakteristik
bzw. zwei kardioide Charakteristiken ergeben, liegt jede Charakteristik in Richtung der eigenen Anordnung. Dies
wird anhand der Fig. 11 näher beschrieben.
Kardioide Mikrophone können auch benutzt werden um besonders gute Stereocharakteristiken zu erhalten. Dies kann entweder
in bekannter Weise mittels kardioidischer Charakteristik oder, wie bereits mehrmals beschrieben, durch die Verarbeitung
von Signalen bewerkstelligt werden, die von Mikrophonen mit Rundum-Charakteristik stammen. Bei der Verwendung kardioider
Mikrophone müssen diese in zwei Anordnungen bzw. Gruppen mit einem bestimmten Winkel untereinander an der Kamera vorgesehen
werden, wobei ihre Signale so verarbeitet werden, wie es später im Zusammenhang mit der Fig. 14 beschrieben
wird. Oder aber die Mikrophone müssen in einer einzigen Gruppe bzw. Anordnung, die quer zur Kamera liegt, angeordnet
sein, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist. Im letzten Fall sind das summierte und das integrierte Signal zu addieren, so
dass ein stereophoner Empfang erzeugt wird.
Durch Manipulation der Mikrophone mit der entsprechenden Signalbearbeitungseinrichtung können diese als Stereo-Empfänger
mit einer vorgewählten Trennung zwischen den Kanälen verwendet werden. Gemäss Fig. HA besteht die Vorrichtung
100 aus einer ersten Gruppe bzw. Anordnung mit den beiden
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Mikrophonen M(I) und M(II), die die Achse A-A definieren,
und aus einer zweiten Gruppe bzw. Anordnung mit den Mikrophonen M(II) und M(III), die die Achse B-B definieren. Die beiden Achsen schneiden sich unter einem Winkel, der zwischen 60 und 90 liegt. Das Mikrophon M(II) ist für beide Gruppen bzw. Anordnungen das gemeinsame Mikrophon. In der Fig. HF ist die Vorrichtung 100'gezeigt, deren Mikrophone ebenfalls Achsen A-A und B-B haben, die sich unter dem gleichen Winkel wie in der Fig. HA schneiden, aber im Gegensatz hierzu kein gemeinsames Mikrophon für beide Gruppen bzw. Anordnungen
hat.
und aus einer zweiten Gruppe bzw. Anordnung mit den Mikrophonen M(II) und M(III), die die Achse B-B definieren. Die beiden Achsen schneiden sich unter einem Winkel, der zwischen 60 und 90 liegt. Das Mikrophon M(II) ist für beide Gruppen bzw. Anordnungen das gemeinsame Mikrophon. In der Fig. HF ist die Vorrichtung 100'gezeigt, deren Mikrophone ebenfalls Achsen A-A und B-B haben, die sich unter dem gleichen Winkel wie in der Fig. HA schneiden, aber im Gegensatz hierzu kein gemeinsames Mikrophon für beide Gruppen bzw. Anordnungen
hat.
Die Signalbehandlungseinrichtung 101 der Fig. HB wird mit
der in Fig. HA gezeigten Vorrichtung 100 verwendet. Die Einrichtung
101 enthält eine Subtrahierstufe 102, in der die
Differenz zwischen den Ausgangssignalen der ersten Gruppe der Mikrophone M(I) und M(II) gebildet wird. Das Differenzsignal gelangt von der Subtrahierstufe 102 in den Integrator 103, der seinerseits ein Ausgangssignal erzeugt, das der ersten Gruppe zugeordnet ist. Die Mikrophone M(II) und M(III) der zweiten Anordnung bzw. Gruppe geben ihre Ausgangssignale auf gleiche elektronische Schaltungsstufen, so dass ein integriertes Signal erzeugt wird, das der zweiten Gruppe zugeordnet ist. Da bei dieser Signalbehandlungseinrichtung die Ausgangssignale des einen Kanals spiegelbildlich gleich zu den Ausgangssignalen des anderen Kanals sind, wird im folgenden nur der eine Kanal näher beschrieben.
Differenz zwischen den Ausgangssignalen der ersten Gruppe der Mikrophone M(I) und M(II) gebildet wird. Das Differenzsignal gelangt von der Subtrahierstufe 102 in den Integrator 103, der seinerseits ein Ausgangssignal erzeugt, das der ersten Gruppe zugeordnet ist. Die Mikrophone M(II) und M(III) der zweiten Anordnung bzw. Gruppe geben ihre Ausgangssignale auf gleiche elektronische Schaltungsstufen, so dass ein integriertes Signal erzeugt wird, das der zweiten Gruppe zugeordnet ist. Da bei dieser Signalbehandlungseinrichtung die Ausgangssignale des einen Kanals spiegelbildlich gleich zu den Ausgangssignalen des anderen Kanals sind, wird im folgenden nur der eine Kanal näher beschrieben.
Bei Mikrophonen mit Rundum-Charakteristik ist die Form der Richtcharakteristik des ersten Paars der Mikrophone ohne
Signalbearbeitung der Kreis 84 der Fig. HC und bei Signalbearbeitung, d.h. bei Ableitung des integrierten Signals
liegt die Richtcharakteristik in der Achse A-A der ersten
Gruppe. Nach der Signalbehandlung mit Subtraktion und Inte-
Signalbearbeitung der Kreis 84 der Fig. HC und bei Signalbearbeitung, d.h. bei Ableitung des integrierten Signals
liegt die Richtcharakteristik in der Achse A-A der ersten
Gruppe. Nach der Signalbehandlung mit Subtraktion und Inte-
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gration ergibt sich eine Richtcharakteristik in der Achterform 104. Die Form der Richtcharakteristik der zweiten Gruppe
der Mikrophone ist ohne Signalbearbeitung der Kreis 86 und mit Signalbearbeitung, d.h. Ableitung des integrierten Signals
eine Achterform in Richtung der Achse B-B der Fig. HD. Wie in Fig. HB gezeigt, ergibt das Integral des ersten
Paars der Mikrophone die Information des rechten Kanals in einem Stereosystem und das integrierte Signal des zweiten
Paars der Mikrophone eine Information des linken Kanals.
Bei Verwendung dieses Aufnahmesystems in einer Tonfilmkamera
für Stereoaufnahmen wird das Kamerageräusch in jedem der beiden Kanäle infolge der achterförmigen Richtcharakteristik
aufgenommen. Das aufgenommene Kamerageräusch kann dadurch verringert bzw. eliminiert werden, indem eine zusätzliche
Signalbehandlung mit der in Fig. HE dargestellten Schaltung 101' durchgeführt wird. Sie enthält gegenüber der vorhin besprochenen
Schaltungsanordnung der Fig. HB noch zusätzliche Additionsstufen 105 und 105'. Die Additionsstufe 105 addiert
die Ausgangssignale der Mikrophone M(I) und M(II) zu einem Summensignal, das dem integrierten Signal hinzugefügt wird.
Das Ausgangssignal der Addierstufe 105 stellt ein erstes zusätzlich bearbeitetes Signal dar, das der ersten Gruppe
bzw. Anordnung der Mikrophone zugeordnet ist. Die gleiche zusätzliche Signalbehandlung erfolgt mit den Ausgangssignalen
des Paares der Mikrophone der zweiten Gruppe im Addierer 105'. Das Ausgangssignal dieses Addierers 105' stellt das zweite
zusätzlich bearbeitete Signal der zweiten Gruppe dar.
Die Signalbearbeitung durch die Schaltung 101' der Fig. HE
ergibt bei entsprechender Verstärkung des Summensignals und des Integrationssignals eine kardioide Richtcharakteristik
für jedes Paar der Mikrophone. Die Richtcharakteristik des ersten Paars ist in Fig. HC mit 96 bezeichnet. Ihre Hauptachse
liegt in der Achse A-A der ersten Gruppe. Die Charak-
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teristik der zweiten Gruppe ist in Fig. HD mit 98 bezeichnet.
Mit der Anordnung der Mikrophongruppen gemäss Figuren HA
oder HF und bei Verwendung der Schaltung 101' der Fig. HE
kann stereophone Aufnahmetechnik durchgeführt werden. Vorzugsweise
schneiden die Achsen der beiden Mikrophongruppen bzw. Anordnungen sich unter einem Winkel von z.B. 90°. Hierdurch
wird eine saubere Trennung zwischen dem linken und dem rechten Kanal bei gleichzeitig gutem Empfang von der Vorderseite
gewährleistet. Bei der Verwendung der geschriebenen Mikrophone mit Rundum-Charakteristik werden die Mikrophone
an einem Ausleger 106 der Kamera 107 gemäss Fig. 12 angeordnet. Sie "schauen" etwas nach unten und nach vorne. Sie
bilden mit der optischen Achse Z der Kamera 107 einen Winkel von ungefähr 20° bis 30°.
Bei der Verwendung von Mikrophonen mit Richtcharakteristik, wie sie in der Fig. 14A dargestellt sind, liegen die Hauptachsen
der individuellen Richtcharakteristika auf dem Vektor 108, der mit dem Ausleger 106 der Kamera 107 übereinstimmt.
Wie bereits früher schon darauf hingewiesen, bedeutet der Ausdruck "Mikrophone mit Richtcharakteristik" auch eine
Anordnung von Mikrophonen, die eine Rundum-Charakteristik haben, wobei deren Ausgangssignale so behandelt werden, wie
es im Zusammenhang mit der Fig. 4 erläutert wurde, so dass nach der Signalbehandlung eine Richtcharakteristik entstanden
ist. In der Anordnung der Fig. 14A kann jedes Mikrophon m durch eine Mikrophongruppe bzw. -anordnung ersetzt werden,
deren Achse mit dem Vektor 108 fluchtet.
Die Verwendung von Mikrophonen mit Richtcharakteristik in dreieckförmiger Anordnung erhöht die Richtungsabhängigkeit
der beiden Mikrophone, wie es in den Figuren 14C und 14D dar-
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gestellt ist. In der Fig. 14A definieren die kardioiden Mikrophone m(I) und m(II) eine erste Gruppe mit der Achse A-A
und die Mikrophone m(II) und m(III) eine zweite Achse B-B. Die Hauptachse 108 der kardioiden Richtcharakteristik eines
jeden Mikrophons ist von der Achse der betreffenden Mikrophongruppe gedreht. Bei Verwendung dieser gesamten Anordnung
für stereophonische Aufnahmen mit einer Filmkamera beträgt der Winkel zwischen den beiden Gruppen 90° und der Winkel
zwischen der Achse A-A zur optischen Achse Z der Kamera 4 5°. Die Hauptachse der kardioiden Richtcharakteristik der Mikrophone
hat zur Achse ihrer Gruppe einen Winkel von 4 5° und liegt parallel zur Kameraachse. Die Achsen der Mikrophone
m(I) und m(II) sind in einem Winkel von 45° zu der Gruppenachse A-A angeordnet. Die Achse der Mikrophone m(III) und
m(II) liegen ebenfalls im Winkel von 45° zur Achse B-B.
Die Signalbearbeitungseinrichtung 110 der Fig. 14B, die im wesentlichen mit derjenigen der Fig. 11B ist, bewirkt eine
Richtcharakteristik des ersten Paares der Mikrophone m(I) und m (II) oder zumindest eine resultierende Keule in Richtung
der Gruppenachse A-A, die ca. 4 5 zur Kameraachse und zur Hauptachse 108 der Richtcharakteristik der beiden Mikrophone
liegt. Die Signalbehandlungseinrichtung 110 enthält eine Subtraktionsstufe 102, die die Ausgangssignale der beiden
Mikrophone m(I) und m(II) voneinander subtrahiert und ein Differenzsignal erzeugt, das im Integrator 103 integriert
wird zu einem ersten integrierten Signal. Die Richtcharakteristik der ersten Mikrophongruppe, die auf dem ersten integrierten
Signal des Integrators 103 basiert, hat nun eine keulenförmige Hauptcharakteristik 112 und eine um 45 versetzte
keulenförmige Nebencharakteristik 111, wie dies in Fig. 14C gezeigt ist. Die Ausgangssignale der Mikrophone m(II)
und m(III) werden in ähnlicher Weise über die Stufen 102' und 103' behandelt, so dass sich am Ausgang des Integrators 103'
ein zweites integriertes Signal ergibt. Die Charakteristik
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der zweiten Mikrophongruppe, die auf diesem zweiten integrierten Signal basiert, liegt auf der Achse B-B, wie es in
Fig. 14D dargestellt ist. Beim Schneiden der Achsen der gesamten Anordnung 109 unter einem Winkel von 90 liegen die
Hauptachsen der Richtcharakteristika gemäss Figuren 14C und 14D ebenfalls um 90° zueinander.
Die Nebenkeule 111 hat ungefähr die Hälfte der Amplitude der Hauptkeule 112. Die Anwesenheit dieser Nebenkeule bringt aus
dem linken Kanal etwas Information in den rechten Kanal, was unter Umständen nicht wünschenswert ist. Daher ist gemäss
Figuren 15A oder 16A eine Anordnung geschaffen worden, die die Trennung zwischen den Kanälen verbessert und auch die
Anzahl der verlangten Mikrophone reduziert.
Gemäss Fig. 16A, auf die zuerst Bezug genommen werden soll, enthält die gesamte Anordnung 113 eine einzelne Gruppe eines
Paares von Mikrophonen m(I) und m(II) mit Richtcharakteristik. Diese beiden Mikrophone definieren eine Gruppenachse A-A.
Die Hauptachse 108 der Charakteristik jedes der Mikrophone ist zu der aufzunehmenden Szene gerichtet, liegt parallel
zur optischen Achse Z der Kamera und im rechten Winkel zu der bereits erwähnten Achse A-A. Die Signalbehandlungseinrichtung
114 der Fig. 16C, die mit der Mikrophon-Anordnung der Fig. 16A zusammenarbeitet, enthält eine Subtraktionsstufe
102, die die Ausgangssignale jedes der Mikrophone subtrahiert und ein Differenzsignal bildet. Das Differenzsignal
wird im Integrator 103 zu einem integrierten Signal verarbeitet. Die Ausgangssignale der beiden Mikrophone gelangen
auch zur Additionsstufe 105, die ein Summensignal bildet und es parallel an eine weitere Additionsstufe 116 und weiteren
Subtraktionsstufe 117 gibt. Das integrierte Signal des Intetrators
103 gelangt ebenfalls auf die Stufen 116 und 117. Die weitere Additionsstufe 116 erzeugt ein erstes behandeltes
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Signal, das der Summe des integrierten Signals und der Summe der Ausgangssignale der beiden Mikrophone entspricht. Die
weitere Subtraktionsstufe 117 erzeugt ein zweites Ausgangssignal, das der Differenz des integrierten Signals und der
Summe der Ausgangssignale der beiden Mikrophone entspricht.
Die Richtcharakteristik des Paares der Mikrophone, die auf dem ersten verarbeiteten Signal basiert, liegt gemäss Fig.
16B auf der Achse E-E, die 45° zur Mikrophonachse 108 und zur Gruppenachse A-A gedreht ist. Die Richtcharakteristik,
die auf dem zweiten verarbeiteten Signal basiert, liegt auf der zweiten Achse F-F, die um 90 zur Achse E-E versetzt
ist.
Die Form der Richtcharakteristik der Fig. 16B ist ungefähr kreisförmig, obwohl ihre Form in Richtung der Achsen E-E und
F-F gelängt ist. Die Form und die Längung dieser Charakteristik hängt von der Verstärkung zwischen dem integrierten
Signal des Integrators 103 und dem Summensignal der Addierstufe 105 der Fig. 16C ab. Der Grad der Trennung zwischen den
beiden Kanälen erfolgt durch entsprechende Einstellung der Verstärkungen zwischen dem Integrationssignal und dem Summenkanal.
Eine Steuerung der Verstärkung kann entweder in der Addierstufe oder anschliessend oder kurz vor dem Verzweigungspunkt
120 vorgesehen werden. Eine zweite Steuerung der Verstärkung kann im Integrator oder anschliessend kurz vor dem Verzweigungspunkt
122 vorgesehen sein. Durch diese Steuerung der Verstärkung wird die Form der Charakteristik geändert und
auch ihre Hauptachse weitergedreht als in der Fig. 16B gezeigt ist. Während im Zusammenhang mit den Figuren 11 und
die Trennung des linken und des rechten Kanals durch den Schnittwinkel der beiden Mikrophonanordnungen bzw. -gruppen
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bestimmt ist, wird bei der Anordnung gemäss Figuren 16A, 16B, 16C die Trennung durch die Steuerung der Verstärkung bewirkt.
Insbesondere wird die Trennung dadurch verbessert, dass die Verstärkung des Summensignals aus der Addierstufe 105 verkleinert
wird gegenüber der Verstärkung des Integrationssignals aus dem Integrator 103 in Fig. 16C.
Individuelle Verstärkungssteuerung kann in jedem der doppelten Ausgänge der Additionsstufe 105 und des Integrators 103
vorgenommen werden.
In der Fig. 15A sind die Mikrophone mit Richtcharakteristik durch solche Mikrophone mit Rundum-Charakteristik ersetzt.
In diesem Fall ergeben sich bei einer Signalbehandlung durch die Schaltungsanordnung der Fig. 16C entgegengesetzt gerichtete
Kardioiden, wie Fig. 15B zeigt. In der Fig. 15A enthält die Gruppe 118 ein Paar Mikrophone M(I) und M(II) mit Rundum-Charakteristik.
Diese Mikrophone liegen in der Achse A-A. Bei der Verwendung dieser Mikrophongruppe mit einer Kamera
ist die Achse A-A in ähnlicher Weise orientiert wie in der Fig. 16A, d.h. rechtwinklig zur optischen Achse Z der Kamera.
Die Signalbehandlung erfolgt, wie bereits erwähnt, durch die Schaltungsanordnung der Fig. 16C. Die auf die beiden verarbeiteten
Signale der Schaltungsanordnung basierende Richtcharakteristika haben gemäss Fig. 15B eine kardioide Form,
deren Hauptachsen mit der Gruppenachse A-A fluchtet, jedoch um 180° zueinander versetzt sind.
Während verschiedene Mikrophontypen mit Rundum-Charakteristik oder mit kardioider Charakteristik im Handel erhältlich sind,
ist das in der Fig. 13A gezeigte Mikrophon 120 besonders geeignet, eine Anordnung bzw. Gruppe zu bilden, die ähnlich
derjenigen der Fig. 11F ist. Bevor seine Anwendung in der Gruppe besprochen wird, soll seine Konstruktion näher erklärt
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werden. Das Mikrophon 120 besteht im wesentlichen aus einem zylinderförmigen Gehäuse 121, an dessen Enden die Oeffnungen
122 und 123 vorgesehen sind. Im Gehäuse selbst ist eine Membrane 124 befestigt. Da der Schall durch die beiden Oeffnungen
122, 123 sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtung auf die Membrane t124 gelangen kann, erfolgt an
dieser Membrane eine mechanische Subtraktion der Schallwellen. Daher sind zwei voneinander getrennte Mikrophone oder
eine Subtraktionsstufe nicht erforderlich. Zum Beispiel kann
ein Paar der Mikrophone 120 in der Anordnung 102' der Fig. 13B Verwendung finden. Die Ausgangssignale bei jedem Mikrophon
120 gelangen an einen Integrator 103. Die integrierten Signale dieser Integratoren sind gleich den Signalen, die
aus der Schaltungsanordnung der Fig. HB gelangen. Ein besonderer, elektrischer Subtraktionsvorgang wird hierbei nicht
benötigt.
Die Fig. 17 zeigt eine Anordnung bzw. Gruppe 124 der beiden Mikrophone 126 und 128. Durch die besondere Konstruktion erfolgt
die Addition und Subtraktion der Eingangssignale auf mechanischem Wege. Beim Mikrophon 126 handelt es sich um ein
bekanntes Druckmikrophon, das zwei Empfangsglieder bzw. Eingänge 130 und 132 besitzt. Diese sind in der Achse A-A
angeordnet. Das Mikrophon 128, das in ähnlicher Weise aufgebaut ist wie dasjenige der Fig. 13A, enthält Empfangsglieder
bzw. Eingänge 134 und 136, die ebenfalls auf der Achse A-A liegen aber ausserhalb der Eingänge 130, 132 des zuerstgenannten Mikrophons 126.
Nicht dargestellte mechanische Glieder halten die Mikrophone 126 und 128 in der dargestellten Anordnung. Die Eingänge 130,
132 des Mikrophons 126 arbeiten nun in gleicher Weise wie die Mikrophone M2 und M3 mit der Addierstufe 40 der Fig. 4. Die
Eingänge 134, 136 des Mikrophons 128 der Fig. 17 arbeiten wie
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die Mikrophone Ml, M2 mit der Subtraktionsstufe 41 der Fig.
4. Die Einstellung des Abstandes der Mikrophone, wie sie im Zusammenhang mit den Figuren 1-10 diskutiert worden sind,
gelten für die Abstände der Eingänge 132 bis 136 in gleicher Weise.
Bei Integration des Ausgangssignales des Mikrophons 128 und bei seiner Hinzufügung zum Ausgangssignal des anderen Mikrophons
126 ergibt sich eine Charakteristik, die bereits im Zusammenhang mit den Figuren 1-10 beschrieben wurde. Wird
das Ausgangssignal des Additions-Mikrophons 126 auf die Verstärkungssteuerung 45 der Fig. 4 gegeben und wird das Ausgangssignal
des Subtraktions-Mikrophons 128 auf die Integrationsstufe 42 der Fig. 4 gegeben, so ergibt sich ein resultierendes
Signal aus der Addierstufe 46, das eine kardioide Charakteristik darstellt.
Es ist auch wünschenswert, dass die Differenz der Schallübertragungszeit
von den Eingängen zur Membrane in den Mikrophonen 126, 128 klein sein sollte. Sie sollte kleiner als 20% der
Uebertragungszeit zwischen den entsprechenden Eingängen, wie z.B. 132 und 136, sein. Diese Differenz der Uebertragungszeit
kann dadurch verkleinert werden, dass der Abstand zwischen dem Eingang und der Membrane in beiden Mikrophonen gleichgemacht
wird oder dass ein akustischer Verzögerer verwendet wird. Zusätzlich kann eine elektronische Zeitverzögerung im
Ausgang eines Mikrophons untergebracht werden.
In einem Stereosystem, bestehend aus drei Mikrophonen (gemäss
Fig. HB mit Rundum-Charakteristik-Mikrophonen oder gemäss
Fig. 13B mit Kardioid-Charakteristik-Mikrophonen), stellt das Windgeräusch ein Problem dar. Es ist oft wünschenswert,
einen Stromkreis zur Eliminierung dieses Geräusches zu verwenden. Der Wind erzeugt an jedem der Mikrophone durch plötz-
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- yr -
liehe und beziehungslose Druckänderungen Reaktionen, die
durch eine Subtraktion bei der Signalbehandlung nicht eliminiert werden können. Ausserdem bewirkt die Integration in
jedem Kanal eines Stereosystems Amplitudenänderungen, die invers zur entsprechenden Frequenz liegen. Dies bedeutet,
dass die Amplitude der Schallwellen mit niedriger Frequenz hervorgehoben bzw. betont wird.
Man stellt fest, dass das Windgeräusch unterhalb 2000 Hz liegt. Das Windgeräusch vermindert daher die zur Aufnahme
gelangende Nutzinformation. Mit der vorliegenden Erfindung soll diese Wirkung des Windgeräusches durch Unterdrückung
der Tiefenfrequenzen des integrierten Signals verkleinert bzw. eliminiert werden. Das hieraus sich ergebende gefilterte
integrierte Signal enthält im wesentlichen nur die Information mit den höheren Frequenzen. Die höheren Frequenzen werden
im Ausgang mindestens eines der in einer Gruppe angeordneten Mikrophone unterdrückt. Hierdurch ergibt sich ein
gefiltertes Ausgangssignal, das das Windgeräusch und die Information mit der tieferen Frequenz enthält. Anschliessend
werden die beiden gefilterten Signale zu einem resultierenden Signal zusammengesetzt. Die tiefen Frequenzen im linken
und rechten Kanal sind so vom gleichen Mikrophon abgeleitet und stellen monaurale Schallereignisse in jedem Kanal dar.
Diese Schallereignisse sind nicht verstärkt, wie es sonst der Fall sein würde bei Differenzen der integrierten Signale mit
tiefer Frequenz. Die Charakteristik der Signale der tiefen Frequenz ist vermindert. Die höheren Frequenzen in den beiden
Kanälen sind gut voneinander getrennt und zwar mit Rücksicht auf die Richtcharakteristika, die durch die Integration der
Differenzsignale sich ergeben.
Windgeräusche, die während der stereophonen Aufnahmezeit sich ergeben können, werden auf diese Art und Weise eliminiert
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bzw. verkleinert. Wenn die Grenzfrequenz des Hochpassfilters
für das integrierte Signal und der Tiefpassfilter für das individuelle Mikrophon in der Grössenordnung von ungefähr
1 kHz liegt, ergibt sich folgende Verbesserung: oberhalb 1 kHz befähigen die Amplitudendifferenzen das menschliche
Ohr zur Richtungsabhängigen Unterscheidung der Schallereignisse} bei unterhalb 1 kHz dominieren die Phasendifferenzen
(Zeitverzögerung) die richtungsabhängige Unterscheidung. In einer kleinen Anordnung von Mikrophonen ist der Abstand
zwischen den einzelnen Mikrophonen viele Male kleiner als die Wellenlänge der Information mit der tiefen Frequenz.
Daher entsteht auch Geräusch, so dass die Mikrophonanordnung nicht so effektiv für die Richtungsinformation ist wie bei
der Information mit höhreren Frequenzen als 1 kHz. Deshalb rührt der relativ kleine Verlust der Richtungsinformation
von dem oben beschriebenen Prozess her.
Die Schaltungsanordnung, die die Wirkung des Windgeräusches in einem Stereosystem reduziert bzw. eliminiert, ist in den
Figuren 18, 19 und 20 dargestellt. Die Mikrophone m(I), m(II) und m(III) der Fig. 18 sind so angeordnet wie es in den Figuren
11A bzw. 14A dargestellt ist. Die drei Mikrophone sind in Form eines Dreiecks angeordnet, dessen Scheitelpunkt der
Szene zugewandt ist, die fotografiert werden soll. Ferner liegen sie so zur Kameraachse wie die Fig. 12 zeigt. Die
Signalbehandlungseinrichtung 120 der Fig. 18 hat einen linken Kanal 121 und einen rechten Kanal 122 zur Verarbeitung der
Ausgangssignale. Jeder Kanal enthält eine Subtraktionsstufe
123 zur Erzeugung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen eines benachbarten Paares der Mikrophone. Ausserdem enthält
jeder Kanal einen Integrator 124, der das Differenzsignal
integriert. Das integrierte Signal gelangt auf einen Hochpassfilter 125, dessen Grenzfrequenz im Bereich von 400 Hz
bis 2000 Hz liegt. Dieser Hochpassfilter erzeugt das gefil-
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terte integrierte Signal, das an die Additionsstufe 126 gelegt wird, zu der auch das Ausgangssignal des vordersten
Mikrophons m(II) nach seinem Durchgang durch den Tiefpassfilter 127 gelegt wird. Die tiefen Frequenzen des integrierten
Signals werden in jedem Kanal 121 und 122 unterdrückt. Die im wesentlichen gleichen Beträge der tiefen Frequenzen
der Schallereignisse, die durch das Mikrophon m(II) aufgenommen wurden, gelangen über den linken und den rechten Kanal.
Die Schallereignisse mit tiefen Frequenzen sind monaural, während die Schallereignisse mit hohen Frequenzen stereophon
aufgenommen werden.
Vorzugsweise ist die Grenzfrequenz der Filter 125 und 127
gleich. Sie kann entweder im Bereich von 400 Hz bis 2000 Hz liegen. Die Grenzfrequenz ist auch abhängig vom Filtertyp.
Je steiler die Kennlinie dieser Filter desto höher liegt die Grenzfrequenz im angegebenen Bereich. Zum Beispiel hat ein
doppelpoliger Filter eine Grenzfrequenz von 600 Hz.
Zur Reduzierung des Windgeräusches können die Mikrophonanordnung der Fig. 11F und die Signalbehandlungseinrichtung 130
der Fig. 19 Verwendung finden. Die Behandlungseinrichtung der Fig. 19 ist ähnlich derjenigen der Fig. 18 und zwar in dem
Sinne, dass die Subtraktionsstufe 131 im linken Kanal 132 ein Differenzsignal erzeugt, das die Ausgangssignale der beiden
Mikrophone m(I) und m(II) subtrahiert. Das Differenzsignal gelangt auf den Integrator 133, der ein integriertes Signal
erzeugt, das auf den Hochpassfilter 134 gegeben wird, der ein gefiltertes Integrationssignal erzeugt. Im rechten Kanal
135 erfolgt eine entsprechende Signalbehandlung der Ausgangssignale der Mikrophone m(III) und m(IV).
Die Ausgangssignale eines oder mehrerer der Mikrophone gelangen auf den Tiefpassfilter 136, der ein gefiltertes Ausgangs-
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signal erzeugt, das über die Additionsstufe 137 ein linkes Ausgangssignal und über die Additionsstufe 138 ein rechtes
Ausgangssignal ergibt. Wie bereits im Zusammenhang mit der Schaltungsanordnung 120 gesagt, ist die Beziehung zwischen
den Grenzfrequenzen des Tiefpass- und des Hochpassfilters gleich.
Eine Signalbehandlungseinrichtung zur Reduzierung bzw. Eliminierung
des Windgeräusches für die Mikrophonanordnungen der Figuren 15A oder 16A ist in der Fig. 20 dargestellt.
Die Bearbeitungseinrichtung 140 enthält eine Subtraktionsstufe 141, die die Ausgangssignale der Mikrophone m(I) und
m(II) subtrahiert und ein Differenzsignal erzeugt, das im
nachfolgenden Integrator 142 zu einem integrierten Differenzsignal verarbeitet wird. Das Ausgangssignal der Mikrophone
m(I) und m(II) gelangt ferner in die Additionsstufe 145 und wird in der nachfolgenden Additionsstufe 146 mit dem integrierten
Differenzsignal aus dem Integrator 142 vereinigt. Im Zusammenhang mit dieser zusätzlichen Additionsstufe 146
erzeugt die Subtraktionsstufe 147 einen linken Informationskanal und einen rechten Informationskanal, deren Signale auf
die Hochpassfilter 148 bzw. 149 gegeben werden. Jeder Kanal erzeugt somit ein gefiltertes Integrationssignal. Die Additionsstufe
145 gibt ihre Signale über einen Tiefpassfilter 150 auf weitere Additionsstufen 151 und 153. Der Ausgang des
Tiefpassfilters 150 wird in den beiden Additionsstufen zu den gefilterten Integrationssignalen der Kanäle addiert.
Dies ergibt einen monauralen Eingang mit tiefer Frequenz.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Filtern mit einem Hochpassfilter
nur nachdem die linke und rechte Kanalinformation bestimmt worden ist in Anwendung gebracht werden soll, um
dadurch Störungen zu vermeiden, die durch das Kombinieren separat gefilterter Richtinformation entstehen können. Daher
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ist es ersichtlich, dass die oben beschriebenen Anordnungen Mittel enthalten, die Ausgänge einer Vielzahl von Mikrophonen
zur Erzeugung separater Kanäle mit Richtinformation kombinieren, die die Signale eines jeden Kanals integrieren, die die
tiefen Frequenzen von jedem Kanal filtern und die anschliessend mit jedem Kanal die tiefe Frequenz mindestens eines
Mikrophons kombinieren.
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Claims (27)
- PATENTANSPRUECHE,' 1.) Richtempfangssystem für den Empfang von sich im Raum fortpflanzender Vorgänge, wie akustische oder elektromagnetische Wellen, unter Bevorzugung oder Unterdrückung des Empfangs aus einer vorgegebenen Richtung, gekennzeichnet durch die Anordnung folgender Bauteile:- eine Mehrzahl von Empfangselementen, von denen jedes auf einen einfallenden, zeitlich veränderlichen Vorgang anspricht und ein entsprechendes, zeitlich veränderliches Ausgangssignal erzeugt;- eine Signalbehandlungseinrichtung, in der die Ausgangssignale der Empfangselemente zu einem bestimmten Muster der Vorgänge verarbeitet werden, und die einen Subtraktionskreis enthält zur Subtraktion der Ausgangssignale von zwei Empfangselementen und zur Erzeugung eines Differenzsignals, und die ferner einen Integrationskanal enthält zur Integration des Differenzsignals.
- 2. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalbehandlungseinrichtung einen Summenkanal enthält, in dem die Ausgangssignale von zwei Empfangselementen zu einem Summensignal addiert werden, und ferner eine Kombinationseinrichtung zur Kombination der Ausgangssignale des Summenkanals und des Integrationskanals.
- 3. Empfangssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombinationseinrichtung einen Addierer enthält, der die Ausgangssignale des Summenkanals und des Integrationskanals addiert.030012/0843
- 4. Empfangssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombinationseinrichtung einen Subtrahierer enthält, der die Ausgangssignale des Summenkanals und des Integrationskanals subtrahiert.
- 5. Empfangssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombinationseinrichtung einen weiteren Addierer für die Addition der Ausgangssignale des Summenkanals und des Integrationskanals enthält.
- 6. Empfangssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombinationseinrichtung einen Verstärkungsregler enthält, der eine Aenderung der Verstärkung zumindest in einem Kanal bezüglich der Verstärkung im anderen Kanal ermöglicht.
- 7. Empfangssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vier Empfangselemente vorgesehen sind, wobei jene Elemente, deren Ausgangssignale im Summenkanal addiert werden, zwischen den Elementen liegen, deren Ausgangssignale zur Bildung des Differenzsignals subtrahiert werden.
- 8. Empfangssystem nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombinationseinrichtung Verstärkungsregler sowohl für das integrierte Signal als auch für das Summensignal und Addierer enthält, die die beiden Verstärkungsgeregelten Signale addieren.
- 9. Empfangssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Verstärkungsgrad der verstärkungsgeregelten Signale so gewählt ist, dass das Ausgangssignal der Kombinationseinrichtung sich der Null nähert bei030012/0843einem mit tiefen Frequenzen und unter einem bestimmten Seitenwinkel zur Reihe der Empfangselemente einfallenden Vorgang.
- 10. Empfangssystem nach den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangselemente mit seitlichem Abstand in einer Reihe angeordnet sind.
- 11. Empfangssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangselemente als Mikrophone ausgebildet sind, die zur Schallquelle so ausgerichtet sind, dass der Schall unterdrückt wird.
- 12. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Empfangselemente vorgesehen sind, deren Ausgangssignale zu einem Summensignal oder zu einem Differenzsignal verarbeitet werden.
- 13. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalbehandlungseinrichtung die Ausgangssignale der Empfangselemente im Sinne der Bildung einer kardioidenförmigen Richtcharakteristik verarbeitet und hierzu folgende Bauteile enthält:- einen Summenkanal zur Addition der Ausgangssignale von zwei Empfangselementen,- ein Mittel zum Subtrahieren der Ausgangssignale von zwei Empfangselementen und somit zur Bildung eines Differenzsignals,- einen Integrationskanal zur Integration des Differenzsignals,- eine Kombinationseinrichtung zum Kombinieren der beiden Kanäle.030012/0843
- 14. Tonfilm- oder Tonbildkamera, deren Objektiv ein vorgegebenes Gesichtsfeld hat und die während ihres Betriebs ein Geräusch innerhalb eines gegebenen Frequenzbereichs erzeugt, wobei ein eine Mikrophongruppe enthaltendes Empfangssystem nach einem der Ansprüche 1-13 der Kamera zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrophongruppe so ausserhalb des Gesichtsfeldes der Kamera angeordnet ist, dass das Kamerageräusch unter einem bestimmten Winkel auf die Mikrophongruppe trifft, und dass der Abstand zwischen den Mikrophonen und die Kombination ihrer Ausgangssignale zur Unterdrückung des Kamerageräusches im Tonaufzeichnungssignal gewählt sind.
- 15. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangselemente in einer ersten Reihe angeordnet sind, von denen zwei Empfangselemente ihre Ausgangssignale auf die Signalbehandlungseinrichtung geben, deren Signaldifferenz zu einem ersten integrierten Signal verarbeitet wird.
- 16. Empfangssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Reihe von Empfangselementen angeordnet ist, von denen zwei Empfangselemente ihre Ausgangssignale auf die Signalbehandlungseinrichtung geben, deren Signaldifferenz zu einem zweiten integrierten Signal verarbeitet wird.
- 17. Empfangssystem nach Ansprüchen 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalbehandlungseinrichtung folgende Bauteile enthält:- Addierer für die Addition der Ausgangssignale der Empfangselemente der ersten und der zweiten Reihe zur030012/0843^936082Erzeugung eines ersten und zweiten Summensignals,- ein Additionskreis für die Addition des ersten Summensignals mit dem ersten integrierten Signal und des zweiten Summensignals mit dem zweiten integrierten Signal, wobei ein erstes integriertes und ein zweites integriertes Signal vorliegen und die beiden erhaltenen Muster kardioidförmige Richtcharakteristika der beiden Reihen der Empfangselemente darstellen.
- 18. Empfangssystem nach den Ansprüchen 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Reihen der Empfangselemente parallel zueinander angeordnet sind.
- 19. Empfangssystem nach den Ansprüchen 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Reihen der Empfangselementc sich schneiden, in deren Schnittpunkt ein gemeinsames Empfangselement angeordnet ist.
- 20. Empfangssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Reihen der Empfangselemente in einem bestimmten Winkel zueinander ausgerichtet sind.
- 21. Empfangssystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Reihen der Empfangselemente rechtwinklig zueinander angeordnet sind, wobei die Hauptachse der Richtcharakteristik jedes Empfangselementes einen Winkel von 4 5° zur Reihenachse aufweist.
- 22. Empfangssystem nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch folgende Bauteile der Signalbehandlungseinrichtung:- eine Summierstufe für das Summieren der Ausgangssignale eines ersten Paares von Mikrophonen, die ein Summen-030012/0843signal erzeugt,- eine Additionsstufe zum Addieren des Summensignals mit dem ersten integrierten Signal, die ein erstes verarbeitetes Signal erzeugt,- eine Subtraktionsstufe zum Subtrahieren des Suminensignals vom ersten verarbeiteten Signal, die ein zweites verarbeitetes Signal erzeugt,so dass die erste Achse der auf dem ersten verarbeiteten Signal basierenden Richtcharakteristik der Empfangselemente 45 zur ersten Empfangselementenachse liegt und die zweite Achse der auf dem zweiten verarbeiteten Signal basierenden Richtcharakter;
Richtcharakteristik liegt.basierenden Richtcharakteristik 90 zur ersten Achse der - 23. Empfangssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Anordnung:a) eine Gruppe von Empfangselementen, die in Abhängigkeit der akustischen Wellen Ausgangssignale erzeugt;b) eine Schaltung der Signalbehandlungseinrichtung, «die den Empfangselementen bestimmte Richtungsabhängige Merkmale für die Unterdrückung und Bevorzugung des Empfangs aus einer vorbestimmten Richtung zuteilt, wobei die Schaltung folgende Bauteile enthält:1) eine Integrationsstufe, die die Differenz der Ausgangssignale von zwei Empfangselementen integriert und ein integriertes Signal erzeugt,2) einen Hochpass-Filter, der die unteren Frequenzen des integrierten Signals unterdrückt und ein gefiltertes Integrationssignal erzeugt,3) einen Tiefpass-Filter, der die höheren Frequenzen des Ausgangssignals mindestens eines Empfangsele-030012/0843— *7mentes unterdrückt und ein gefiltertes Ausgangssignal erzeugt,4) eine Additionsstufe, in der das gefilterte Integrationssignal zum gefilterten Ausgangssignal addiert wird.
- 24. Empfangssystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter eine Grenzfrequenz aufweisen, die im Bereich von 400 Hz bis 2000 Hz liegt.
- 25. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung drei Empfangselemente enthält, die dreieckförmig vorgesehen sind.
- 26. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung vier Empfangselemente enthält, von denen zwei im Scheitelpunkt des Dreiecks vorgesehen sind.
- 27. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anorndung zwei Empfangselemente enthält, die in eine senkrecht zur Quelle der Wellen liegenden Reihe vorgesehen sind.030012/0843
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