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EP1453348A1 - Selbstkalibrierung von Arraymikrofonen - Google Patents

Selbstkalibrierung von Arraymikrofonen Download PDF

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Publication number
EP1453348A1
EP1453348A1 EP03450050A EP03450050A EP1453348A1 EP 1453348 A1 EP1453348 A1 EP 1453348A1 EP 03450050 A EP03450050 A EP 03450050A EP 03450050 A EP03450050 A EP 03450050A EP 1453348 A1 EP1453348 A1 EP 1453348A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
microphones
test
signal
loudspeaker
microphone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03450050A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Dr. Opitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AKG Acoustics GmbH
Original Assignee
AKG Acoustics GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AKG Acoustics GmbH filed Critical AKG Acoustics GmbH
Priority to EP03450050A priority Critical patent/EP1453348A1/de
Priority to EP04450034A priority patent/EP1453349A3/de
Priority to JP2004044899A priority patent/JP4181066B2/ja
Priority to US10/786,494 priority patent/US20040165735A1/en
Publication of EP1453348A1 publication Critical patent/EP1453348A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R29/00—Monitoring arrangements; Testing arrangements
    • H04R29/004—Monitoring arrangements; Testing arrangements for microphones
    • H04R29/005—Microphone arrays
    • H04R29/006—Microphone matching
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/40—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers
    • H04R1/406—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/005—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for combining the signals of two or more microphones

Definitions

  • the invention relates to array microphones.
  • Array microphones are used in environments such as Cars, lectern, stage or the like used to sound sources and speakers, in short Signal to selectively record and suppress ambient noise.
  • car Array microphones used on the one hand as a hands-free microphone for calls and on the other hand in systems such as Navigation systems using voice recognition to be served.
  • Array microphones consist of an arrangement of individual microphones that are used for signaling purposes are interconnected. In principle, the arrangement of the microphones distinguish between one, two and three-dimensional array microphones become. In a one-dimensional arrangement, the microphones are positioned along a line, e.g. a straight line or an arc. When using microphones with the orientation of the individual microphones is insignificant, since they only act as pressure receivers and therefore not directional in the room. Using The orientation of the individual microphones of gradient microphones is essential: the Overall directional characteristic and thus the entire bundling of the array microphone is created by combining the directional characteristics of the individual microphones together with the Application of the algorithm described below with which the microphone signals processed together.
  • the signal connection of the individual microphones can be on the analog or digital level.
  • the following is the implementation in the digital area to be viewed as.
  • the individual microphone signals are processed using analog-to-digital converters digitized and fed to a signal processing unit.
  • a suitable algorithm keyword "beamforming" applied to the microphone signals.
  • this algorithm the degree of concentration of the microphone is increased and lateral sound sources are suppressed.
  • filter coefficient sets that are used for the arrangement, type, Sensitivity and characteristics of the microphones used, the acoustic environment and the locations of the sound sources are characteristic.
  • different properties of the individual microphones can be taken into account, such as those caused by production variations, aging effects etc. become.
  • a frequently used filter structure is in the literature under "Filter and Sum Beamformer "(see e.g. [1], page 159) Microphone signals after analog-digital conversion with suitable FIR filters (finite Filter impulse response filters) and then added.
  • An embodiment with 4th Microphones are shown in Fig. 1 reflecting the prior art:
  • FIR filters FIR 1 to FIR 4 shown contain filter coefficient sets which correspond to frequency-dependent amplitude and phase differences. After filtering, the signals are added (filter and sum beamformer). Due to the aforementioned differences in amplitude and phase, sound waves that come from specific directions of incidence are amplified by constructive superimposition and sound waves from other sound incidence directions are weakened by destructive superimposition.
  • the FIR filters FIR 1 to FIR 4 can be thought of as so-called all-pass filters, which all have the same frequency-independent delay.
  • the checking of individual microphones in the array is currently carried out in such a way that during installation or in the event of service, the current consumption of the individual microphones is checked. The value the current consumption is checked to determine whether it is between two predetermined Limits come to lie. This allows you to check the basic functionality of the Detect single microphones. No more is happening.
  • the first problem concerns the failure of a single microphone. That can be the degree of bundling of the entire array microphone and reduce the directional characteristic in unintentionally change.
  • the user notices a deterioration from that Array microphone-controlled function without being able to localize the exact cause e.g. the speech recognizer suddenly works badly, when calling the speaker poorly understood.
  • these deteriorations can have various causes that are not have to hang together with the array microphone.
  • the GSM transmission link used be disturbed while talking on the phone. It is therefore for fault diagnosis essential to know whether at least the array microphone is fully functional as a subsystem is.
  • the current consumption of the microphone can only be in the laboratory or in the event of service.
  • the second problem is rather insidious: by scattering the properties of the Individual microphones in the course of production or different aging processes or different responses to changing environmental conditions the directional and frequency characteristics of the individual microphones differ greatly differ. This allows the above-mentioned algorithms for signal processing no longer work in the desired way.
  • the array microphone for example in a Vehicle cabin
  • the acoustic conditions compared to the laboratory at the Development changed because of reflections, diffractions and interferences Multiple sound paths occur. This allows the directional characteristic of the array microphone disadvantageously changed and the degree of bundling can be reduced.
  • the aim of the invention is to eliminate these problems, or at least theirs To significantly reduce effects without having to remove the array microphone or complicated and therefore expensive retrofitting is necessary.
  • this goal is achieved in that at least one loudspeaker in the Detection range of the array microphone is provided, which is an acoustic test signal emits, and that the signals of the individual microphones from a signal processor (DSP) evaluated and their consistency in relation to the desired signal character and the wanted signal consistency can be checked.
  • DSP signal processor
  • the loudspeaker can either be permanently installed or part of a portable one Test device, the signal processor can be that of the array microphone or also Part of the test fixture. If multiple speakers are provided, next to the Control of the individual microphones and control of the beamforming are particularly accurate possible.
  • Fig. 2 shows an embodiment with 4 microphones 1 to 4.
  • the distances of the Microphones 1-4 are the same in this embodiment.
  • the speaker 5 is from acoustically recorded on all microphones, i.e. a signal that the speaker 5 emits recorded by all microphones.
  • the microphones 1 to 4 can be used as pressure receivers as well as a gradient receiver.
  • FIG. 3 Another exemplary embodiment is shown in FIG. 3. This is in principle the same as in FIG. 2 constructed, but all acoustic transducers are in a common housing 6 accommodated. This housing can also contain electronic components, A / D and D / A converter. Of the microphones 1-4, only the spoken openings are to see.
  • the device according to the invention can be constructed be, the inventive method using the speaker and the signal processor is carried out, for example, as an acoustic self-test of the array microphone, can be as follows:
  • a calibration speaker 5 - is placed in, on or near the array microphone. preferably a small loudspeaker based on the dynamic principle - mounted, the acoustic Connects to the individual microphones 1-4 of the array in the sense that the Speaker signal can be recorded by any of the microphones.
  • the optimal one There is space for the positioning of the (individual) calibration speaker in the middle of the Microphone arrangement where the sum of all paths calibration speaker microphone Minimum results.
  • other speaker positions are also conceivable, e.g. on the edge of the array or somewhat removed, as in the illustrated embodiments.
  • the Calibration speaker 5 is connected to an amplifier.
  • the calibration speaker is checked. there it is determined whether its electrical impedance is within predetermined limits. Only when this condition is met does the acoustic self-test of the microphones began.
  • This speaker impedance check can be done by Loudspeaker signal is applied directly to one of the A / D converters (analog-digital converter).
  • Fig. 4 shows an embodiment for measuring the speaker impedance Loudspeaker is operated in parallel with the input impedance of the A / D converter. should that Ratio of the speaker impedance to the input impedance of the A / D converter too far deviate from the value 1, there can be an additional series resistor in front of the loudspeaker be switched.
  • the loudspeaker impedance is measured using a technique known to the technician Method for measuring complex impedances. For example, a Constant current source placed on the speaker and the voltage on the Speaker terminals measured.
  • a method is described below as a preferred exemplary embodiment.
  • the associated circuit diagram is shown in Fig. 4a.
  • a signal is sent to the power amplifier 2 via the D / A converter 6.
  • This power amplifier has a defined output impedance R a .
  • the amplified signal goes to the loudspeaker 8 with the impedance R LS and further to the input of the A / D converter 9, which has a defined input impedance R i .
  • R a and R LS form a voltage divider.
  • the voltage is measured on the A / D converter and compared with a reference measurement in which a known reference impedance is used instead of the loudspeaker as the impedance.
  • the data of the reference measurement are determined only once and recorded in a non-volatile data memory (eg in a ROM).
  • the unknown loudspeaker impedance R LS can be determined from the two voltage values determined in this way.
  • a measurement without loudspeaker can also be used as the reference measurement, ie the reference impedance is infinite ohms.
  • the microphone signals can be evaluated in various ways.
  • suitable Measurement signals can be sinusoidal signals, stochastic noise signals or periodic ones Noise signals such as Maximum sequence noise can be used. Some procedures are to be described as examples:
  • Method 1 In the simplest case, some sinusoidal signals with different frequencies spent in a row. The levels on the individual microphones will turn up checked their coherence, i.e. whether the measured voltages within preselected There are limits. The results are used to determine whether the microphone is functional or not.
  • the loudspeaker sends a periodic noise signal, e.g. Maximum follow-noise out.
  • a periodic noise signal e.g. Maximum follow-noise out.
  • DFT Discrete Fourier Transformation
  • the measured Amplitude transfer functions are checked whether they are within preselected Tolerance ranges lie. These amplitude transfer functions are a measure of that Microphone sensitivity. The comparison can be made with a reference measurement Change in microphone sensitivity, e.g. caused by aging or Determine environmental influences.
  • the method according to the invention has, apart from the possibility of detection a whole series of previously undetectable defects still have the advantage that the Measurement can be carried out while the microphone is in operation.
  • a successful display can, for example, be an automatic display "Microphone OK".
  • the type of adaptation of the filter coefficients can take place, for example, in that the age-related change in microphone sensitivity determined according to the above procedure is taken into account when calculating the filter coefficient sets. Thereby changes in the microphone properties, especially the sensitivity frequency curve compensated.
  • the process is shown in the block diagram in Fig. 5. shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Arraymikrofon mit mehreren Einzelmikrofonen (1 - 4) wobei ein Lautsprecher (5) im Erfassungsbereich jedes der Mikrofone angeordnet ist und eine elektronische Schaltung vorgesehen ist, die den Lautsprecher (5) so beaufschlagt, dass er ein vorbestimmtes akustisches Testsignal abstrahlt, und dass die von jedem der Mikrofone als Antwort auf den Empfang des Testsignals kommenden Testantwortsignale auswertet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft Arraymikrofone. Arraymikrofone werden in Umgebungen wie PKW, Rednerpult, Bühne od. dgl. eingesetzt, um Schallquellen und Sprecher, kurz das Signal, gezielt aufzunehmen und Umgebungslärm zu unterdrücken. Im PKW werden Arraymikrofone einerseits als Freisprechmikrofon bei Telefonaten verwendet und andererseits bei Systemen, wie z.B. Navigationssystemen, die mittels Spracherkennung bedient werden.
Arraymikrofone bestehen aus einer Anordnung von Einzelmikrofonen, die signaltechnisch miteinander verbunden sind. Bei der Anordnung der Mikrofone kann grundsätzlich zwischen ein-, zwei- und dreidimensional angeordneten Arraymikrofonen unterschieden werden. Bei eindimensionaler Anordnung werden die Mikrofone entlang einer Linie, z.B. einer Geraden oder einem Kreisbogen angeordnet. Bei Verwendung von Mikrofonen mit kugelförmiger Richtcharakteristik ist die Orientierung der Einzelmikrofone unwesentlich, da sie nur als Druckempfänger und daher im Raum ungerichtet wirken. Bei Verwendung von Gradientenmikrofonen ist die Ausrichtung der Einzelmikrofone wesentlich: Die Gesamt-Richtcharakteristik und damit die gesamte Bündelung des Arraymikrofons entsteht durch die Kombination der Richtcharakteristiken der Einzelmikrofone zusammen mit der Anwendung des weiter unten beschriebenen Algorithmus, mit dem die Mikrofonsignale gemeinsam verarbeitet werden.
Man unterscheidet zwei Arten von eindimensionalen Arraymikrofonen: Broadside Arraymikrofone und Endfire Arraymikrofone. Sie unterscheiden sich in der Richtung der bevorzugten Schalleinfallsrichtung relativ zur Anordnung der Mikrofone: Bei Endfire Arraymikrofonen ist die bevorzugte Schalleinfallsrichtung in Längsrichtung der Mikrofone, d.h. für Schalleinfallsrichtungen mit  = 0 Grad. Bei Broadside Arraymikrofonen ist die bevorzugte Schalleinfallsrichtung  = 90 Grad. Die gegenseitigen Abstände der Mikrofone können konstant oder voneinander verschieden sein. Im zweiten Fall werden für verschiedene Frequenzbereiche unterschiedliche Gruppen von Mikrofonen für das Beamforming verwendet, wie in [1] beschrieben.
Die signaltechnische Verbindung der Einzelmikrofone kann auf der analogen oder der digitalen Ebene erfolgen. Im Folgenden soll die Implementierung im Digitalbereich betrachtet werden. Die einzelnen Mikrofonsignale werden mittels Analog-Digital-Konvertern digitalisiert und einer Signalverarbeitungseinheit zugeführt. Mittels der Signalverarbeitungseinheit wird ein geeigneter Algorithmus (Stichwort "Beamforming") auf die Mikrofonsignale angewendet. Mit Hilfe dieses Algorithmus wird der Bündelungsgrad des Mikrofons erhöht und seitliche Schallquellen werden unterdrückt. Einen guten Überblick über Arraymikrofone findet man in [1] und in der dort zitierten Literatur.
Bestandteil des Algorithmus sind Filterkoeffizientensätze, die für die Anordnung, Art, Empfindlichkeit und Charakteristik der verwendeten Mikrofone, die akustische Umgebung und die Orte der Schallquellen charakteristisch sind. In diesen Filterkoeffizientensätzen können unterschiedliche Eigenschaften der einzelnen Mikrofone berücksichtigt werden, wie sie beispielsweise durch Fertigungsstreuungen, Alterungseffekte etc. hervorgerufen werden. Eine häufig verwendete Filterstruktur ist in der Literatur unter "Filter and Sum Beamformer" bekannt (siehe z.B. [1], Seite 159). Dabei werden die einzelnen Mikrofonsignale nach der Analog-Digital-Konversion mit geeigneten FIR-Filtern (Finite Impulse Response Filtern) gefiltert und danach addiert. Ein Ausführungsbeispiel mit 4 Mikrofonen zeigt die den Stand der Technik wiederspiegelnde Fig. 1.:
In Fig. 1 wird ein einfaches lineares Mikrofonarray mit gleichen Abständen d zwischen den einzelnen Mikrofonen gezeigt. Der Schalleinfallswinkel  ist auf die Längsachse des Mikrofonarrays bezogen. Die einfallende Schallwelle trifft mit unterschiedlichen Laufzeiten auf die einzelnen Mikrofone des Arrays auf. Die Laufzeitunterschiede entsprechen den Wegunterschieden d*cos(). Die in Fig.1. gezeigten FIR-Filter FIR1 bis FIR4 enthalten Filterkoeffizientensätze, die frequenzabhängigen Amplituden- und Phasenunterschieden entsprechen. Nach der Filterung werden die Signale addiert (Filter and Sum Beamformer). Durch die erwähnten Amplituden- und Phasenunterschiede werden Schallwellen, die aus bestimmten Einfallsrichtungen kommen, durch konstruktive Überlagerung verstärkt und Schallwellen aus anderen Schalleinfallsrichtungen durch destruktive Überlagerung abgeschwächt. Als allereinfachsten Spezialfall kann man sich die FIR-Filter FIR1 bis FIR4 als sogenannte Allpassfilter vorstellen, welche alle die gleiche frequenzunabhängige Verzögerung aufweisen. In diesem Fall werden Schallwellen mit Einfallswinkel  = 90 Grad verstärkt und Schallwellen aus anderen Einfallsrichtungen abgeschwächt, d.h. man hat ein sogenanntes Broadside Array vorliegen.
Die oben erwähnten Filterkoeffizientensätze werden in vielen Anwendungen für eine fix vorgegebene Standardsituation berechnet und im Betrieb des Arraymikrofons als konstante Größen verwendet.
Die Überprüfung einzelner Mikrofone im Array erfolgt derzeit derart, dass beim Einbau oder im Servicefall die Stromaufnahme der einzelnen Mikrofone überprüft wird. Der Wert der Stromaufnahme wird dahingehend überprüft, ob er zwischen zwei vorgegebenen Grenzwerten zu liegen kommt. Damit kann man die prinzipielle Funktionstüchtigkeit der Einzelmikrofone feststellen. Mehr geschieht nicht.
Dabei treten, insbesondere, aber nicht ausschließlich im PKW verschiedene Probleme auf:
Das erste Problem betrifft den Ausfall eines Einzelmikrofons. Das kann den Bündelungsgrad des gesamten Arraymikrofons sehr stark verringern und die Richtcharakteristik in ungewollter Weise verändern. Der Benutzer merkt eine Verschlechterung der durch das Arraymikrofon angesteuerten Funktion ohne die genaue Ursache lokalisieren zu können, z.B. der Spracherkenner funktioniert plötzlich nur mehr schlecht, beim Telefonieren wird der Sprecher nur schlecht verstanden.
Diese Verschlechterungen können im Allgemeinen verschiedene Ursachen haben, die nicht mit dem Arraymikrofon zusammen hängen müssen. So kann z.B. die verwendete GSM-Übertragungsstrecke beim Telefonieren gestört sein. Für eine Fehlerdiagnose ist es daher wesentlich zu wissen, ob wenigstens das Arraymikrofon als Teilsystem voll funktionsfähig ist. Nach dem Stand der Technik kann die Stromaufnahme des Mikrofons nur im Labor bzw. im Servicefall festgestellt werden.
Das zweite Problem ist eher schleichender Natur: Durch Streuungen der Eigenschaften der Einzelmikrofone im Zuge der Herstellung bzw. unterschiedlich verlaufende Alterungsprozesse oder unterschiedliche Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen können die Richt- und Frequenzcharakteristiken der Einzelmikrofone stark voneinander abweichen. Dadurch können die oben erwähnten Algorithmen für die Signalbearbeitung nicht mehr in der gewünschten Art wirken.
Darüber hinaus werden durch den Einbau des Arraymikrofons, beispielsweise in eine Fahrzeugkabine, die akustischen Verhältnisse im Vergleich zum Labor bei der Entwicklung, geändert, da Reflexionen, Beugungen und Interferenzen durch Mehrfachschallwege auftreten. Dadurch kann die Richtcharakteristik des Arraymikrofons in nachteiliger Weise verändert und der Bündelungsgrad verringert werden.
Ähnliche Veränderungen der Mikrofoncharakteristik treten auf, wenn sich die Anzahl und Verteilung der Personen im Fahrzeug ändern, wenn ein Schiebedach oder Fenster geöffnet oder geschlossen wird, etc.
Die Erfindung hat das Ziel, diese Probleme zu beseitigen, zumindest aber ihre Auswirkungen deutlich zu verkleinern, ohne dass ein Ausbau des Arraymikrofons oder eine komplizierte und damit teure Umrüstung notwendig ist.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, dass zumindest ein Lautsprecher im Erfassungsbereich des Arraymikrofons vorgesehen ist, der ein akustisches Testsignal abgibt, und dass die Signale der Einzelmikrofone von einem Signalprozessor (DSP) ausgewertet und auf ihre Stimmigkeit in Bezug auf den gewollten Signalcharakter und die gewollte Signalstimmigkeit überprüft werden.
Der Lautsprecher kann dabei entweder fix eingebaut sein, oder Teil einer transportablen Prüfvorrichtung sein, der Signalprozessor kann der des Arraymikrofons sein oder ebenfalls Teil der Prüfvorrichtung. Wenn mehrere Lautsprecher vorgesehen sind, ist neben der Kontrolle der Einzelmikrofone auch eine Kontrolle des Beamforming besonders genau möglich.
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung an Hand eines Beispieles näher erläutert. Dabei zeigt
  • die Fig. 1 eine Prinzipskizze der Anordnung und Signalverbindung gemäß dem Stand der Technik,
  • die Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit vier Mikrofonen,
  • die Fig. 3 eine Variante der Ausführungsform der Fig. 2,
  • die Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel zur Messung der Lautsprecherimpedanz,
  • die Fig. 4a ein Schaltschema für ein Verfahren und
  • die Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrensablaufes.
    • Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit 4 Mikrofonen 1 bis 4. Die Abstände der Mikrofone 1 - 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel gleich. Der Lautsprecher 5 wird von allen Mikrofonen akustisch erfasst, d.h. ein Signal, das der Lautsprecher 5 aussendet wird von allen Mikrofonen aufgenommen. Die Mikrofone 1 bis 4 können sowohl als Druckempfänger als auch als Gradientenempfänger ausgeführt sein.
    Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 3. Dieses ist im Prinzip wie in Fig. 2 aufgebaut, jedoch sind alle akustischen Wandler in einem gemeinsamen Gehäuse 6 untergebracht. In diesem Gehäuse können auch elektronischen Komponenten, A/D- und D/A-Wandler untergebracht sein. Von den Mikrofonen 1-4 sind nur die Einsprachöffnungen zu sehen.
    Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann, wie im Folgenden näher erläutert, aufgebaut sein, das erfindungsgemäße Verfahren, das mit Hilfe des Lautsprechers und des Signalprozessors beispielsweise als akustischer Selbsttest des Arraymikrofons durchgeführt wird, kann folgendermaßen ablaufen:
    Es wird im, am oder in der Nähe von dem Arraymikrofon ein Kalibrierlautsprecher 5 - bevorzugt ein Kleinlautsprecher nach dynamischem Prinzip - montiert, der eine akustische Verbindung zu den Einzelmikrofonen 1-4 des Arrays in dem Sinne besitzt, dass das Lautsprechersignal von jedem der Mikrofone aufgenommen werden kann. Der optimale Platz für die Positionierung des (einzelnen) Kalibrierlautsprechers ist in der Mitte der Mikrofonanordnung, wo die Summe aller Wege Kalibrierlautsprecher-Mikrofon ein Minimum ergibt. Jedoch sind auch andere Lautsprecherpositionen denkbar, z.B. am Rand des Arrays oder etwas davon entfernt, wie in den dargestellten Ausführungsbeispielen. Der Kalibrierlautsprecher 5 ist mit einem Verstärker verbunden.
    Das Ziel des Selbsttests ist insbesondere die Überprüfung einer oder mehrerer der im Folgenden angeführten Parameter der einzelnen Mikrofone:
    • Das Mikrofon ist eingeschaltet,
    • Das Mikrofon hat die richtige Polung,
    • Das Mikrofon hat die gewünschte Empfindlichkeit,
    • Das Mikrofon weist den gewünschten Frequenzverlauf der Empfindlichkeit auf,
    • Das Mikrofon weist keine zu großen Verzerrungen auf und
    • Die Richtwirkung der Mikrofone
    Vor Beginn des akustischen Selbsttests wird der Kalibrierlautsprecher überprüft. Dabei wird festgestellt, ob seine elektrische Impedanz innerhalb vorgegebener Grenzwerte liegt. Erst wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird mit dem akustischen Selbsttest der Mikrofone begonnen. Diese Überprüfung der Lautsprecherimpedanz kann dadurch erfolgen, dass das Lautsprechersignal direkt an einen der A/D-Wandler (Analog-Digitalwandler) gelegt wird. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Messung der Lautsprecherimpedanz wobei der Lautsprecher parallel zur Eingangsimpedanz des A/D-Wandlers betrieben wird. Sollte das Verhältnis der Lautsprecherimpedanz zur Eingangsimpedanz des A/D-Wandlers zu weit vom Wert 1 abweichen, so kann ein zusätzlicher Vorwiderstand vor den Lautsprecher geschaltet werden.
    Die Messung der Lautsprecherimpedanz erfolgt nach einem, dem Techniker bekannten Verfahren zur Messung komplexer Impedanzen. Dabei wird beispielsweise eine Konstantstromquelle an den Lautsprecher gelegt und die Spannung an den Lautsprecherklemmen gemessen.
    Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird im Folgenden ein Verfahren beschrieben. Das zugehörige Schaltschema ist in Fig. 4a gezeigt. Dabei wird über den D/A-Wandler 6 ein Signal zum Leistungsverstärker 2 gesendet. Dieser Leistungsverstärker hat eine definierte Ausgangsimpedanz Ra. Das verstärkte Signal gelangt zum Lautsprecher 8 mit der Impedanz RLS und weiter zum Eingang des A/D-Wandlers 9, welcher eine definierte Eingangsimpedanz Ri besitzt. Ra und RLS bilden einen Spannungsteiler. Die Spannung wird am A/D-Wandler gemessen und mit einer Referenzmessung verglichen, bei der als Impedanz eine bekannte Referenzimpedanz an Stelle des Lautsprechers verwendet wird. Die Daten der Referenzmessung werden nur einmal ermittelt und in einem nichtflüchtigen Datenspeicher (z.B. in einem ROM) vermerkt. Aus den beiden so ermittelten Spannungswerten kann die unbekannte Lautsprecherimpedanz RLS ermittelt werden. Als Referenzmessung kann auch eine Messung ohne Lautsprecher verwendet werden, d.h. die Referenzimpedanz ist unendlich Ohm.
    Die Auswertung der Mikrofonsignale kann auf verschiedene Weise erfolgen. Als geeignete Messsignale können Sinussignale, stochastische Rauschsignale oder periodische Rauschsignale wie z.B. Maximalfolgenrauschen verwendet werden. Einige Verfahren sollen beispielhaft beschrieben werden:
    Verfahren 1) Im einfachsten Fall werden einige Sinussignale mit verschiedenen Frequenzen hintereinander ausgegeben. Die Pegel an den einzelnen Mikrofonen werden auf ihre Stimmigkeit überprüft, d.h. ob die gemessenen Spannungen innerhalb vorgewählter Grenzen liegen. Aus den Ergebnissen wird abgeleitet, ob das Mikrofon funktionsfähig ist oder nicht.
    Verfahren 2) Der Lautsprecher sendet ein periodisches Rauschsignal, z.B. Maximalfolgenrauschen, aus. Durch die Mittelung der Signalantworten der einzelnen Mikrofone wird das Signal-Rauschverhältnis verbessert. Aus den gemittelten Mikrofonsignalantworten können durch Anwendung der sogenannten Diskreten Fourier Transformation (DFT) die Impulsantworten des jeweiligen Systems Lautsprecher-Mikrofon berechnet werden. Dieses Verfahren ist analog dem aus der Literatur ([2]: Vorländer, M.: Anwendungen der Maximalfolgentechnik in der Akustik. Fortschritte der Akustik - DAGA 94, S. 83-102) bekannten Verfahren zur Messung von Lautsprechern und Mikrofonen. Die derart gemessenen Impulsantworten Lautsprecher-Mikrofon werden überprüft, ob ihr Maximum innerhalb vorgewählter Laufzeiten zu liegen kommt. Die gemessenen Amplitudenübertragungsfunktionen werden überprüft, ob diese innerhalb vorgewählter Toleranzbereiche liegen. Diese Amplitudenübertragungsfunktionen sind ein Maß für die Mikrofonempfindlichkeit. Durch Vergleich mit einer Referenzmessung lässt sich die Änderung der Mikrofonempfindlichkeit, z.B. hervorgerufen durch Alterung oder Umwelteinflüsse feststellen.
    Der Selbsttest wird beispielsweise durch ein Steuersignal zur Signalverarbeitungseinheit ausgelöst. Von dieser wird ein Messsignal zum Verstärker und weiter zum Kalibrierlautsprecher gesendet. Dieses Messsignal wird von den einzelnen Mikrofonen aufgezeichnet und danach von einer Auswerteeinheit ausgewertet. Aus den aufgezeichneten Messsignalen können die oben angeführten Mikrofonparameter entnommen werden.
    • Eine Ausführungsvariante der akustischen Selbstkalibrierung besteht darin, das Messsignal unhörbar für die Personen in der Nähe, z.B. für die PKW-Insassen auszusenden. Das Messsignal wird dabei im Audiobereich mit geringem Pegel ausgesendet. Durch Mittelung der aufgezeichneten Mikrofonsignale im Zeitbereich kann auch bei Signal-Rauschverhältnissen < 0 dB gemessen werden, ähnlich wie dies bei raumakustischen Messungen, z.B. in voll besetzten Konzertsälen, während der Vorstellung erfolgt. Erst durch die Mittelung der Signalantworten werden die korrelierten Signalanteile verstärkt und die nichtkorrelierten Hintergrundgeräusche eliminiert.
    • Eine weitere Ausführungsvariante besteht darin, mehrere Kalibrierlautsprecher zu verwenden. Dadurch können die oben genannten Mikrofonparameter genauer gemessen und zusätzlich Informationen über die Richtwirkung der Mikrofone erhalten werden.
    • Ein andere Ausführungsvariante der akustischen Selbstkalibrierung besteht darin, dass die Überprüfung der Arrays im Ultraschallbereich erfolgt, d.h. in einem für den Benutzer unhörbaren Frequenzbereich erfolgt. Die verwendeten akustischen Wandler müssen zu diesem Zweck zumindest in einem Teilfrequenzbereich, der über 20kHz liegt, genügend hohe Übertragungsfaktoren aufweisen.
    Auswertung der festgestellten Fehler
    Die aus den Auswerteverfahren ermittelten eventuell festgestellten Fehler werden bevorzugt auf eine oder mehrere der folgenden Arten weiterverarbeitet:
    • Der Fehler wird im Fehlermanagementsystem des Fahrzeuges gespeichert. Beim nächsten Besuch einer Fachwerkstätte kann das defekte Mikrofonmodul getauscht werden.
    • Der Fehler kann im Fahrzeug angezeigt werden beispielsweise in einer Systemkonsole, in einer Kontrollleuchte, in einem Pop-Up-Menü auf dem Bildschirm des Fahrzeugcomputers etc.
    • Der Fehler kann im Fahrzeug akustisch gemeldet werden durch Ausgabe einer geeigneten Warnung über die Autolautsprecher oder den Kalbrierlautsprecher des Arraymikrofons.
    Das erfindungsgemäße Verfahren weist, abgesehen von der Möglichkeit der Erkennung einer ganzen Reihe bisher nicht festzustellender Mängel noch den Vorteil auf, dass die Messung bei laufendem Betrieb des Mikrofons durchgeführt werden kann. Nach erfolgreich abgelaufener Überprüfung kann beispielsweise eine automatische Anzeige "Mikrofon OK" erfolgen.
    Darüber hinaus ist es auch möglich, dem zweiten oben genannten Problemkreis beizukommen: Es wird dazu der akustische Selbsttest genauso durchgeführt wie oben beschrieben. Dann werden die Ergebnisse der aufgezeichneten Mikrofonsignale dazu verwendet, die oben erwähnten Koeffizienten neu zu berechnen und zu implementieren.
    Die Art der Adaptierung der Filterkoeffizienten kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die nach obigem Verfahren bestimmte, altersbedingte Änderung der Mikrofonempfindlichkeit bei der Berechnung der Filterkoeffizientensätze berücksichtigt wird. Dadurch werden Änderungen der Mikrofoneigenschaften, insbesondere des Empfindlichkeitsfrequenzverlaufes kompensiert. Das Verfahren ist im Blockschaltbild in Fig.5. gezeigt.
    Die Durchführung dieser Adaption ist dem Fachmann auf dem Gebiete der Elektroakustik in Kenntnis der Erfindung ohne Probleme möglich. Bevorzugt wird, dass Selbsttest, Neuberechnung und Implementierung in regelmäßigen Zeitabständen durchgeführt werden. Das ermöglicht auch eine Verbesserung der Mikrofonbündelung, denn damit kann auf wechselnde Umgebungsbedingungen reagiert werden, wie z.B.: auf das Öffnen oder Schließen von Fenstern, das Zusteigen oder Aussteigen von Personen, die Änderung der Mikrofoneigenschaften als Folge von Änderungen der Umgebungsparameter wie Lufttemperatur, Luftdruck oder Luftfeuchtigkeit, direkte Sonnenbestrahlung eines Teils des Arraymikrofons mit daraus resultierender unterschiedlicher Erwärmung der Einzelmikrofone, etc.
    Literatur:
  • [1] M. Brandstein, D. Wards (Eds), Microphone Arrays, Springer Verlag, 2001
  • [2] Vorländer, M.: Anwendungen der Maximalfolgentechnik in der Akustik. Fortschritte der Akustik - DAGA 94, S. 83-102.

    • Claims (6)

    1. Arraymikrofon mit mehreren Einzelmikrofonen (1 - 4), dadurch gekennzeichnet, dass ein Lautsprecher (5) im Erfassungsbereich jedes der Mikrofone angeordnet ist und dass eine elektronische Schaltung vorgesehen ist, die den Lautsprecher (5) so beaufschlagt, dass er ein vorbestimmtes akustisches Testsignal abstrahlt, und dass die von jedem der Mikrofone als Antwort auf den Empfang des Testsignals kommenden Testantwortsignale auswertet.
    2. Verfahren zum Prüfen von Arraymikrofonen, die aus mehreren Einzelmikrofonen (1 - 4) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein gemeinsamer Lautsprecher (5) im Erfassungsbereich jedes Einzelmikrofons vorgesehen ist, der mit einer Prüfelektronik verbunden ist, mit der auch jedes Einzelmikrofon verbunden ist, dass die Prüfelektronik über den Lautsprecher ein vorbestimmtes akustisches Testsignal abgibt, dass die Prüfelektronik die daraufhin von jedem Einzelmikrofon kommenden Testantwortsignale auswertet und mit Signalmodellen vergleicht, die in der Prüfelektronik oder extern gespeichert sind, und die ordnungsgemäß funktionierenden Einzelmikrofonen entsprechen, und dass die Prüfelektronik in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches eine entsprechende Mitteilung anzeigt und/oder speichert.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfelektronik vor Abgabe des akustischen Testsignals eine Überprüfung des Lautsprechers (5) durchführt, wobei das Lautsprechersignal direkt an einen der A/D-Wandler gelegt wird und der Lautsprecher parallel zur Eingangsimpedanz des A/D-Wandlers betrieben wird und wobei der Lautsprecher einen Spannungsteiler zusammen mit dem Ausgangswiderstand des den Lautsprecher betreibenden Leistungsverstärkers bildet, das am A/D-Wandler anliegende Signal aufgezeichnet und ausgewertet wird, indem dieses Signal mit einem Referenzsignal verglichen wird das aus der Messung mit einer Referenzimpedanz anstelle der Lautsprecherimpedanz stammt.
    4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Lautsprecherimpedanz zur Eingangsimpedanz des A/D-Wandlers überprüft wird und, wenn es zu weit vom Wert 1 abweicht, durch einen zusätzlichen Vorwiderstand, der vor den Lautsprecher geschaltet wird, angepaßt wird.
    5. Verfahren zum automatischen Kalibrieren von Arraymikrofonen, die aus mehreren Einzelmikrofonen (1 - 4) bestehen, wobei die Mikrofonsignale mittels Analog-Digital-Konvertern digitalisiert und einer Signalverarbeitungseinheit zugeführt werden, die mittels eines geeigneten Algorithmus, der auf die Mikrofonsignale angewendet wird, den Bündelungsgrad des Arraymikrofons erhöht und seitliche Schallquellen unterdrückt, wobei Filterkoeffizientensätze, die für die Anordnung, Art, Empfindlichkeit und Charakteristik der verwendeten Mikrofone, die akustische Umgebung und die Orte der Schallquellen charakteristisch sind, Bestandteil des Algorithmus sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lautsprecher (5) im Erfassungsbereich jedes Einzelmikrofons vorgesehen ist, der mit einer Prüfelektronik verbunden ist, mit der auch jedes Einzelmikrofon verbunden ist, dass die Prüfelektronik über den Lautsprecher (5) ein vorbestimmtes akustisches Testsignal abgibt, dass die Prüfelektronik die daraufhin von jedem Einzelmikrofon (1 - 4) kommenden Testsignalantworten auswertet und mit Signalmodellen vergleicht, die in der Prüfelektronik oder extern gespeichert sind, und die ordnungsgemäß funktionierenden Einzelmikrofonen entsprechen, und dass die Prüfelektronik in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches eine Änderung des Wertes einzelner oder aller Filterkoeffizienten des Filterkoeffizientensatzes vornimmt und den Test erneut durchführt, bis die Testsignalantworten im Bereich der Signalmodelle liegen.
    6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Durchführen einer vorbestimmten Anzahl von Testwiederholungen der Test abgebrochen wird und eine Fehlermeldung angezeigt und/oder gespeichert wird.
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