ES2212680T3 - Conjunto de microfonos con alta directividad. - Google Patents

Abstract

Un conjunto de micrófonos que comprende múltiples micrófonos (M4--M4+) dispuestos en un elemento alargado o caja (10), en cuyo conjunto de micrófonos los micrófonos individuales (M4--M4+) están dispuestos por parejas y los micrófonos individuales de cada pareja están colocados a uno y otro lado de un eje perpendicular al conjunto de micrófonos, sumándose las señales procedentes de los micrófonos (M4--M4+) para formar la señal de salida del conjunto de micrófonos, caracterizado porque los micrófonos situados a cada lado del eje están colocados mutuamente a unas distancias que no son iguales, es decir, no son equidistantes, porque entre cada micrófono (M4-- M4+) y un enlace sumador (S) está acoplado un filtro de paso bajo (F1+, F2+, F3+, F4+, F1-, F2-, F3-, F4-), porque los micrófonos correspondientes a una misma pareja están conectados a los filtros de paso bajo con la misma frecuencia de corte, porque la frecuencia de corte de los filtros de paso bajo es diferente para cada pareja de micrófonos, porque la frecuencia de corte mas baja es para la pareja de micrófonos (M4--M4+) que se encuentra mas alejada del eje y va siendo mayor cuanto mas cerca del eje se encuentre la pareja micrófonos, y porque el conjunto de micrófonos está dispuesto de tal modo que las distancias entre los micrófonos (M4--M4+) y las frecuencias de corte de los filtros de paso bajo están mutuamente relacionadas.

Description

Conjunto de micrófonos con alta directividad.

La invención se refiere a un conjunto de micrófonos compuesto por múltiples micrófonos dispuestos en un elemento o caja alargada. Los micrófonos individuales del conjunto de micrófonos están dispuestos por parejas, estando situados los micrófonos individuales de cada pareja a uno y otro lado de un eje perpendicular al conjunto de micrófonos, y sumándose las señales emitidas por los micrófonos para elaborar una señal de salida del conjunto de micrófonos.

Los conjuntos de micrófonos de este tipo, que utilizan una suma directa de las señales procedentes de un número finito de micrófonos, presentan una directividad que depende de la frecuencia. Genéricamente, la directividad depende de la longitud efectiva del conjunto y de la longitud de onda acústica correspondiente a la frecuencia. Por lo tanto, a bajas frecuencias (es decir, a frecuencias cuya longitud de onda L sea muy superior a la longitud del conjunto) sólo se consigue un grado mínimo de directividad, y esta va aumentando progresivamente con la frecuencia hasta alcanzarse un grado de directividad muy elevado a longitudes de onda muy inferiores a la longitud del conjunto.

La menor longitud de onda a la cual el conjunto de micrófonos puede proporcionar un cierto grado de directividad depende de la longitud total del conjunto, y la mayor frecuencia a la cual la característica direccional no tiene unos lóbulos laterales significativos depende de la distancia entre los micrófonos dentro del conjunto.

La longitud del conjunto y la distancia entre los micrófonos (y por consiguiente la cantidad de micrófonos) depende pues, dentro de ciertos límites, de la gama de frecuencias a la cual se desea tener una determinada directividad.

Estos conjuntos de micrófonos configurados para obtener una buena directividad se utilizan, por ejemplo, en el campo de las conferencias y reuniones, en las cuales se instala un micrófono para detectar el sonido procedente de uno o posiblemente varios oradores, pero no de las personas situadas en otra parte de la sala y que posiblemente utilizarán otros micrófonos. Estos conjuntos de micrófonos se utilizan además en el campo de las tele conferencias, vídeo conferencias y similares, en las cuales también es deseable detectar los sonidos de la persona que está hablando sin que se recojan los ruidos perturbadores de otras personas o el ruido de fondo en general.

Existe una utilización especial relacionada con los ordenadores personales y similares, en la cual se pretende que el conjunto de micrófonos pueda colocarse en las cercanías de la pantalla, por ejemplo encima de la misma, de manera que las palabras del usuario de la pantalla sean detectadas por el micrófono.

Es importante para estas aplicaciones que el conjunto de micrófonos sea de tamaño reducido, para que pueda ser fácilmente colocado en una posición adecuada, y que tenga un precio razonable, lo cual significa, entre otras cosas, que tiene que ser de configuración relativamente simple y no contener elementos demasiado numerosos o complejos.

Se conocen conjuntos de micrófonos del tipo definido en la introducción, por ejemplo, por la publicación de Patente Estadounidense nº 4.311.874, en la cual se utiliza en cada conjunto un número relativamente elevado de micrófonos para obtener el grado de directividad deseado. Los micrófonos de este conjunto están dispuestos de un modo tal que las distancias entre los micrófonos no son iguales, es decir, no son equidistantes.

También se conocen conjuntos de micrófonos en los cuales los micrófonos están colocados a distancias variables, y cuyos micrófonos están conectados a distintos tipos de filtros. Esto se conoce, por ejemplo, por la publicación DE nº 36 33 991, en la cual se utilizan filtros pasa banda con bandas de frecuencia adyacentes.

El objeto de la invención consiste en proporcionar un conjunto de micrófonos que con una longitud relativamente reducida, un número de micrófonos relativamente pequeño y unos medios relativamente simples, presente un alto grado de directividad.

Esto se consigue con un conjunto de micrófonos configurado según se describe en la reivindicación 1. Filtrando las señales de los micrófonos de manera que estos, dependiendo de su distancia al plano central, no se activen con las frecuencias altas, se consigue que la longitud efectiva del conjunto sea proporcional a la longitud de onda, dentro de una cierta gama de frecuencias, de manera que la directividad permanezca constante dentro de esa gama de frecuencias. Además, se consigue que mediante una elección adecuada de las posiciones precisas de los micrófonos, y una correspondiente elección adecuada de las características de los filtros, pueda determinarse la directividad en función de la frecuencia dentro de una margen amplio, a la vez que se mantiene la cantidad de micrófonos en un nivel adecuadamente bajo.

Con una realización adecuada como la descrita en la reivindicación 2, se consigue que el conjunto de micrófonos tenga una directividad constante, es decir, independiente de la frecuencia, hasta una frecuencia máxima f_{0}, mediante el uso de una cantidad mínima de micrófonos y con una determinada longitud del conjunto. La directividad constante se obtiene a partir de la frecuencia f_{0} y llega hasta la frecuencia f_{0}/3. Además se consigue que la directividad sea la máxima posible dentro de una gama de frecuencias comprendidas entre f_{0}/3 y f_{0}/10. Utilizando micrófonos unidireccionales, por ejemplo con un gradiente unidireccional de primer orden, se consigue además que el lóbulo principal del conjunto de micrófonos corresponda únicamente a un lado del conjunto.

Con una realización especialmente adecuada, como la descrita en la reivindicación 3, se consigue un conjunto de micrófonos que mantiene una directividad elevada y constante dentro del margen comprendido entre 5000 Hz y aproximadamente 1650 Hz, y que además tiene el mayor grado posible de directividad entre este valor y aproximadamente 500 Hz, es decir, en la zona en la cual se encuentra la mayor parte de la gama de frecuencias del habla humana.

Con otra realización, como la descrita en las reivindicaciones 6 y 7, se consigue además la ventaja de que el usuario puede saber inmediatamente si la persona afectada se encuentra situada dentro de la zona del lóbulo principal, lo cual es muy importante cuando se utilizan conjuntos de micrófonos con una alto grado de directividad.

A continuación se describirá la invención con mayor detalle, haciendo referencia a los dibujos, en los cuales:

La Figura 1a muestra un diagrama de bloques que ilustra la configuración del conjunto de micrófonos según la invención,

La Figura 1b muestra un correspondiente diagrama de bloques con una configuración alternativa del conjunto de micrófonos según la invención,

La Figura 2 muestra la disposición de los micrófonos individuales en el conjunto de micrófonos dentro de un sistema espacial coordinado,

La Figura 3 muestra una característica direccional para un conjunto de micrófonos según la invención, cuya característica direccional está representada en el plano horizontal para las frecuencias comprendidas entre f_{0}/3 y f_{0},

La Figura 4 muestra una característica direccional correspondiente a la que se muestra en la Figura 3, pero para la frecuencia f_{0}/10,

La Figura 5 muestra una característica direccional para un conjunto de micrófonos según la invención, cuya característica direccional está representada en el plano vertical central del conjunto de micrófonos, y

La Figura 6 muestra una sección de una caja para el conjunto de micrófonos según la invención, en la cual está incluido un indicador visual para la indicación del lóbulo principal del conjunto.

Un conjunto de micrófonos, de dirección definida, según la invención, consiste en un elemento o caja alargada en la que están instalados de modo lineal, es decir, en una fila, una serie de transductores microfónicos que a partir de ahora se denominarán micrófonos. Estos micrófonos pueden estar instalados en la caja de manera que reciban el sonido desde todos los lados, pero en la realización que se describe con detalle a continuación, por ejemplo cuando se hace uso micrófonos direccionales con un gradiente de primer orden, los micrófonos reciben el sonido únicamente desde el frente del conjunto de micrófonos. La configuración del conjunto de micrófonos direccionales se ilustra mediante el diagrama de bloques que se muestra en la Figura 1a. En él aparecen varios micrófonos M_{4-}-M_{4+}, dispuestos en una fila, de manera que la pareja de micrófonos M_{1-},M_{1+} queda situada en el centro, a uno y otro lado de un plano central o de un eje perpendicular al conjunto de micrófonos, y las restantes parejas M_{2-},M_{2+}, M_{3-},M_{3+}, M_{4-},M_{4+}, están correspondientemente situadas con un micrófono a cada lado del plano central y a una distancia creciente desde dicho plano. La señal eléctrica procedente de cada micrófono está acoplada a su propio filtro independiente F_{4-}-F_{4+}, cada uno de los cuales tiene su propia función de transferencia H_{4-}(f)-H_{4+}(f). Cada uno de los filtros está configurado como filtro de paso bajo analógico de tercer orden, con corrección de fase mediante un filtro de todo paso de segundo orden, y las señales que salen de los filtros se llevan a un enlace sumador S que elabora la señal de salida final del conjunto de micrófonos.

Los filtros de paso bajo F_{4-}-F_{4+} se configuran de manera que sean idénticos por parejas y se correspondan con las parejas de los micrófonos asociados. Por consiguiente, las frecuencias de corte f_{c4-}-f_{c4+} también están emparejadas, y se ajustan de manera que sean decrecientes en función de la posición Y de la pareja de micrófonos con respecto al plano central.

En la Figura 1b se muestra un modo alternativo de construir el circuito de micrófonos. En este caso se utiliza simetría en el conjunto de micrófonos, es decir, el filtro F_{1+} se corresponde con el filtro F_{1-}, el filtro F_{2+} se corresponde con el filtro F_{2-}, y así sucesivamente. El circuito de la Figura 1b tiene la misma función que el circuito de la Figura 1a, pero puede ejecutarse con menos componentes, ya que al insertar los cuatro enlaces sumatorios S_{1}-S_{4} se ahorran cuatro filtros.

En la Figura 2 se muestran los micrófonos individuales M_{4-}-M_{4+}del conjunto de micrófonos situados en un sistema de coordenadas tridimensionales en ángulo recto, estando colocados los ocho micrófonos en el eje Y. Los micrófonos individuales de cada pareja están colocados a uno y otro lado del plano X-Z, y este plano forma un plano de simetría para el conjunto de micrófonos.

Mediante simulaciones y experimentos de prueba, en los cuales se varió la distancia Y entre los micrófonos y el plano central del conjunto, así como la frecuencia de corte f_{c} de los filtros, se descubrió una relación entre estos parámetros, y con el uso de esta relación se consigue una directividad elevada y constante, sin lóbulos laterales
significativos, sobre una amplia gama de frecuencias. Además, con estas pruebas se ha comprobado que se consigue el máximo nivel posible de directividad sobre una gama de frecuencias aún mayor.

En la siguiente Tabla 1 aparecen los valores aproximados que se hallaron para las posiciones Y de los micrófonos, y los correspondientes valores aproximados para las frecuencias f_{c} de los filtros. Los valores de las frecuencias están normalizados con respecto a una frecuencia de referencia f_{o}, que es el valor máximo para la banda de frecuencias en la que se produce el lóbulo principal. Similarmente, los valores de las posiciones están normalizados con respecto a la longitud de onda L_{o} de una onda sonora con la frecuencia de referencia f_{o} y al aire libre. En la realización del ejemplo, el valor utilizado para la conversión entre la frecuencia y la longitud de onda de las ondas sonoras es c = 342 m/s, que es la velocidad del sonido en el aire. Con los valores mostrados se consigue que el conjunto de micrófonos tenga una directividad constante, es decir, independiente de la frecuencia, hasta una frecuencia máxima f_{o}, con un número mínimo de micrófonos y con un conjunto de una longitud determinada. La directividad constante se obtiene entre la frecuencia f_{o} y la frecuencia f_{o}/3. Además, se consigue que la directividad sea lo mas elevada posible dentro de una gama de frecuencias comprendidas entre f_{o}/3 y f_{o}/10.

TABLA 1

Micrófono	Posición Y/L_{0}	Frecuencia de corte f_{c}/f_{o}
M_{1+}	0,33	1,1
M_{1-}	-0,33	1,1
M_{2+}	1,03	0,8
M_{2-}	-1,03	0,8
M_{3+}	1,85	0,45
M_{3-}	-1,85	0,45
M_{4+}	2,89	0,04
M_{4-}	-2,89	0,04

Los valores de la frecuencia de corte de los filtros que figuran en la Tabla 1 pueden obtenerse, por ejemplo, con unos filtros cuyas características de frecuencia, representadas por la magnitud y la fase en función de la frecuencia, sean las que aparecen en la siguiente Tabla 2. Esta tabla describe la respuesta de los filtros a las frecuencias comprendidas entre f_{o}/10 y 2f_{o} en forma de magnitud (dB) y fase (grados).

TABLA 2

1

Con una realización ejemplar configurada con la frecuencia límite superior f_{0} de 5000 Hz, y por lo tanto configurada según se muestra en la Tabla 3, se obtiene un conjunto de micrófonos con una directividad elevada y constante en la gama comprendida entre 5000 Hz y aproximadamente 1670 Hz, y además con el mas alto grado posible de directividad entre este último valor y aproximadamente 500 Hz, es decir, la zona en la que se encuentra una gran parte del margen de frecuencias del habla humana.

Estos filtros pueden ejecutarse directamente mediante un filtro de paso bajo de tercer orden y un filtro de todo paso de segundo orden. Desde el punto de vista técnico, el circuito puede realizarse de muchas formas diferentes que los expertos en la técnica podrán deducir en base a la información suministrada.

TABLA 3

Micrófono	Posición Y	Frecuencia de corte f_{c}
M_{1+}	22,3	5500
M_{1-}	-22,3	5500
M_{2+}	70,3	4000
M_{2-}	-70,3	4000
M_{3+}	126	2300
M_{3-}	-126	2300
M_{4+}	198	200
M_{4-}	-198	200

La Tabla 1 muestra las características de frecuencia para los filtros correspondientes a las frecuencias de corte que aparecen en la Tabla 3, cuyas características de frecuencia están representadas por la magnitud y la fase en función de la frecuencia.

TABLA 4

2

Con el conjunto de micrófonos así configurado, se consigue una característica de directividad en el plano horizontal, es decir, el plano X-Y que aparece en la Figura 2, similar a la representada en la Figura 3 para las frecuencias comprendidas entre f_{o} y f_{o}/3. En ella se aprecia que el lóbulo principal en este plano cubre un ángulo comprendido entre -15 grados y +15 grados.

La Figura 4 muestra una característica de directividad en el plano horizontal correspondiente a la frecuencia f_{o}/10, y si se toma en consideración la longitud de onda del conjunto (a f_{o}/10 la longitud total del conjunto es igual a sólo 0,58 veces la longitud de onda), se apreciará que incluso a esta baja frecuencia se obtiene un elevado grado de directividad en el conjunto.

En la Figura 5 se muestra la característica de directividad en el plano vertical, es decir, el plano X-Z que aparece en la Figura 2, para todas las frecuencias, y en ella se apreciará que en este plano el lóbulo principal cubre un ángulo comprendido entre –65 grados y +65 grados. Todas las características que se muestran corresponden a los ángulos para una sensibilidad de -3dB con respecto a la sensibilidad en la dirección del eje X.

Con el fin de ilustrar una función de indicación visual, en la Figura 6 se muestra una sección de una caja 10 para un conjunto de micrófonos según la invención. La sección está tomada por un plano vertical, por ejemplo el plano central, es decir el plano X-Z. En el frente de la caja 10 se provee una fuente luminosa 11, preferiblemente puntiforme, que puede consistir, por ejemplo, en un diodo luminiscente. El frente de la caja 10 está provisto de una abertura 12 por la cual pueda salir la luz de la fuente luminosa. Los bordes de la abertura 12 están configurados de tal modo que la fuente luminosa pueda ser vista desde una zona comprendida dentro de un cierto ángulo, correspondiendo dicha zona a la zona angular del lóbulo principal del conjunto de micrófonos.

En la Figura 6 se muestra la zona angular 14 en el plano vertical, y se ilustra un primer ojo 15 que se encuentra dentro de la zona de indicación, y un segundo ojo 16 que se encuentra fuera de la zona de indicación. Normalmente, la distancia entre el ojo de un usuario y su boca, cuyo sonido debe ser detectado por el conjunto de micrófonos, es insignificante en comparación con la distancia entre el conjunto de micrófonos y el usuario, por lo que puede asumirse que cuando el usuario puede ver la fuente luminosa 11 a través de la abertura 12, las palabras del usuario serán detectadas por el conjunto de micrófonos. Es obvio que la abertura 12 puede estar configurada en toda su longitud de tal modo que la totalidad de la zona espacial angular del lóbulo principal quede indicada de la misma manera.

Claims (7)

1. Un conjunto de micrófonos que comprende múltiples micrófonos (M_{4-}-M_{4+}) dispuestos en un elemento alargado o caja (10), en cuyo conjunto de micrófonos los micrófonos individuales (M_{4-}-M_{4+}) están dispuestos por parejas y los micrófonos individuales de cada pareja están colocados a uno y otro lado de un eje perpendicular al conjunto de micrófonos, sumándose las señales procedentes de los micrófonos (M_{4-}-M_{4+}) para formar la señal de salida del conjunto de micrófonos, caracterizado porque los micrófonos situados a cada lado del eje están colocados mutuamente a unas distancias que no son iguales, es decir, no son equidistantes, porque entre cada micrófono (M_{4-}-M_{4+}) y un enlace sumador (S) está acoplado un filtro de paso bajo (F_{1+}, F_{2+}, F_{3+}, F_{4+}, F_{1-}, F_{2-}, F_{3-}, F_{4-}), porque los micrófonos correspondientes a una misma pareja están conectados a los filtros de paso bajo con la misma frecuencia de corte, porque la frecuencia de corte de los filtros de paso bajo es diferente para cada pareja de micrófonos, porque la frecuencia de corte mas baja es para la pareja de micrófonos (M_{4-}-M_{4+}) que se encuentra mas alejada del eje y va siendo mayor cuanto mas cerca del eje se encuentre la pareja micrófonos, y porque el conjunto de micrófonos está dispuesto de tal modo que las distancias entre los micrófonos (M_{4-}-M_{4+}) y las frecuencias de corte de los filtros de paso bajo están mutuamente relacionadas.

2. Un conjunto de micrófonos según la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto de micrófonos consta de ocho micrófonos (M_{1-}-M_{4-}, M_{1+}-M_{4+}), porque el conjunto de micrófonos tiene una directividad constante hasta una frecuencia superior f_{0}, y porque la distancia Y entre el eje del conjunto de micrófonos y uno de los micrófonos de una pareja de micrófonos es:

Y_{1+} = 0,33L_{0}, Y_{1-} = 0,33L_{0}, Y_{2+} = 1,03L_{0}, Y_{2-} = 1,03L_{0}, Y_{3+} = 1,85L_{0}, Y_{3-} = 1,85L_{0}, Y_{4+} = 2,89L_{0}, Y_{4-} = 2,89L_{0},

y la frecuencia de corte f_{c} de los filtros de paso bajo asociados a cada pareja de micrófonos es:

f_{c1+} = 1,1f_{0}, f_{c1-} = 1,1f_{0}, f_{c2+} = 0,8f_{0}, f_{c2-} = 0,8f_{0}, f_{c3+} = 0,45f_{0}, f_{c3-} = 0,45f_{0}, f_{c4+} = 0,04f_{0}, f_{c4-} = 0,04f_{0},

siendo L_{0} la longitud de onda para la frecuencia superior f_{0} hasta la cual la directividad es constante.

3. Un conjunto de micrófonos según la reivindicación 2, caracterizado porque la frecuencia superior f_{0} es de 5000 Hz, correspondiente a una longitud de onda L_{0} de 68,4 mm, y porque la distancia Y entre el eje del conjunto de micrófonos y un micrófono de una pareja de micrófonos es:

Y_{1+} = 22,3 mm, Y_{1-} = -22,3 mm, Y_{2+} = 70,3 mm, Y_{2-} = -70,3 mm, Y_{3+} = 126 mm, Y_{3-} = -126 mm, Y_{4+} = 198 mm, Y_{4-} = -198 mm,

en donde la frecuencia de corte f_{c}de los filtros de paso bajo asociados a cada pareja de micrófonos es:

f_{c1+} = 5500 Hz, f_{c1-} = 5500 Hz, f_{c2+} = 4000 Hz, f_{c2-} = 4000 Hz, f_{c3+} = 2300 Hz, f_{c3-} = 2300 Hz, f_{c4+} = 200 Hz, f_{c4-} = 200 Hz,

4. Un conjunto de micrófonos según la reivindicación 2, caracterizado porque los filtros de paso bajo son filtros de paso bajo de tercer orden y de fase corregida con filtros de todo paso de segundo orden mediante de electrónica analógica.

5. Un conjunto de micrófonos según la reivindicación 1, caracterizado porque los micrófonos del conjunto de micrófonos son todos del mismo tipo.

6. Un conjunto de micrófonos según la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto de micrófonos está montado en una caja alargada (10) de tal modo que los micrófonos están encarados hacia un lado de esta caja (10), y en este lado de la caja se monta un indicador que puede indicar al usuario si este se encuentra en la zona del lóbulo principal del conjunto de micrófonos.

7. Un conjunto de micrófonos según la reivindicación 6, caracterizado porque el indicador es una fuente luminosa (11) que está montada en un rebaje o una abertura (12) de la caja de manera que el contorno del rebaje o la apertura (12) de la caja forma con respecto al conjunto de micrófonos unos ángulos que se corresponden con el lóbulo principal del conjunto de micrófonos.