Gradientenmikrofone höherer Ordnung
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- Bastian Waltz
- vor 6 Jahren
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Transkript
1 Gradientenmikrofone höherer Ordnung Franz Zotter Gastvorlesung ITA RWTH Aachen Elektroakustik / akustische Messtechnik
2 Ausblick - frequenzunabhängige akustische Gradientenbildung begrenzt - akustischen Lösungen (Patente) existieren, Klangeigenschaften? - Übersicht elektronische Gradientenbildung von Druckmikrofonen - Frequenzunabhängige Richtwirkung in eine Richtung + Entwurf - mit variabler Ausrichtung - akustische Überprüfung durch Messung - offene Fragestellungen Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 2
3 Verbreitete Mikrofontechnologie (vgl. Technische Akustik, Lerch, Sessler,?) Druckdifferenz zwischen vor- und hinter einer Membran Druckempfänger Kugelcharakteristik + Gradientenwandler mit Laufzeitglied o/m Luftwiderstandsglied Achter -Charakteristik Hyperniere Superniere Nieren -Charakteristik Akustische Einstellung über Dimensionierung Laufzeitglied und Luftwiderstand Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter, ITA, RWTH-Aachen, Jan
4 Kombination von Richtwirkungen erster Ordnung Erlaubt freie Ausrichtung und Bündelungseinstellung Schöps, Doppel-MS Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 4
5 Räumlich kombinierte Richtwirkungen erster Ordnung Kombination 4 untersch. ausgerichteter Nierenmikrofone p vx vz vy Triple MS? Soundfield Microphone Zotter, Pomberger, 200/20 Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 5
6 Der kleine Unterschied Differenz zweier Druckempfängersignale ebene Welle Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 6
7 Der kleine Unterschied Differenz zweier Druckempfängersignale ebene Welle Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 7
8 Der kleine Unterschied Differenz zweier Druckempfängersignale - + ebene Welle Vereinfachungen: Warum heißt das Gradient : Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 8
9 Der kleine Unterschied Differenz zweier Druckempfängersignale - + ebene Welle Warum heißt das Gradient : Frequenzunabhängige Empfindlichkeit nach Filterung Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 9
10 Elektronisch gebildete Gradienten aller Ordnungen höhere Differenzen zwischen Druckempfängersignalen am l-ten Mikrofon Gradient n-ter Ordnung (Ziel) frequenzabhängig Olson 946, JASA. Elko Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 0
11 Elektronisch gebildete Gradienten aller Ordnungen höhere Differenzen zwischen Druckempfängersignalen am l-ten Mikrofon frequenzunabhängige Richtmuster Olson 946, JASA. Elko Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter
12 Elektronisch gebildete Gradienten aller Ordnungen höhere Differenzen zwischen Druckempfängersignalen am l-ten Mikrofon frequenzunabhängige Richtmuster (unpraktisch?) Olson 946, JASA. Elko Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 2
13 Elektronisch gebildete Gradienten aller Ordnungen höhere Differenzen zwischen Druckempfängersignalen am l-ten Mikrofon Frequenzunabhängige Richtmuster (unpraktisch?) Olson 946, JASA. Elko Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 3
14 Polynome! Wer kennt sich gut mit Polynomen und Potenzen aus? Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 4
15 Polynome! Wer kennt sich gut mit Polynomen aus? Jerome Daniel, 200. Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 5
16 Eine Niere für jede Ordnung, in Ordnung? Nierenrichtwirkung: maximal flache Nullstelle bei 80! (Butterworth) Matrix - bastelt: aus: Formung Jerome Daniel, 200. Niere n-ter Ordnung Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 6
17 Die Nebenkeulen des verschobenen Tschebyscheffs Richtwirkung: konstante Nebenkeulenhöhe -0! (Tschebyscheff) Matrix Formung Elko, 2004; Koretz, Rafaely, Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 7
18 Die Nebenkeulen des verschobenen Tschebyscheffs Richtwirkung: konstante Nebenkeulenhöhe -5! (Tschebyscheff) Matrix Formung Elko, 2004; Koretz, Rafaely, Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 8
19 Die Nebenkeulen des verschobenen Tschebyscheffs Richtwirkung: konstante Nebenkeulenhöhe -20! (Tschebyscheff) Matrix Formung Elko, 2004; Koretz, Rafaely, Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 9
20 Die Nebenkeulen des verschobenen Tschebyscheffs Richtwirkung: konstante Nebenkeulenhöhe -30! (Tschebyscheff) Matrix Formung Elko, 2004; Koretz, Rafaely, Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 20
21 Optimaler Richtfaktor Definition: Vergleich der quadrierten mittleren Richtungsempfindlichkeit mit jener eines richtungsunempfindlichen Mikrofons Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 2
22 Optimaler Richtfaktor Definition: Vergleich der quadrierten mittleren Richtungsempfindlichkeit mit jener eines richtungsunempfindlichen Mikrofons Maximaler Richtfaktor: Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 22
23 Optimaler Richtfaktor Definition: Vergleich der quadrierten mittleren Richtungsempfindlichkeit mit jener eines richtungsunempfindlichen Mikrofons Maximaler Richtfaktor: Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 23
24 Optimaler Richtfaktor Definition: Vergleich der quadrierten mittleren Richtungsempfindlichkeit mit jener eines richtungsunempfindlichen Mikrofons Maximaler Richtfaktor: Legendre-Polynome orthogonal Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 24
25 Optimaler Richtfaktor Definition: Vergleich der quadrierten mittleren Richtungsempfindlichkeit mit jener eines richtungsunempfindlichen Mikrofons Maximaler Richtfaktor: Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 25
26 Gib Diffusschall keine Chance! Hyperniere: Richtwirkung mit maximalem Richtfaktor Matrix - bastelt: aus: Formung Hyperniere n-ter Ordnung störend: Bündelung nach hinten Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 26
27 Balancieren zwischen vorne und hinten Definition: Schwerpunkt der quadrierten Richtungsempfindlichkeit auf der Zielrichtung maximaler Schwerpunkt: Jerome Daniel, 200 (re-vektor); + eigene Approximation Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 27
28 Supernieren sind super in jeder Ordnung! Superniere: maximaler Vorne-Hinten-Schwerpunkt Matrix - bastelt: aus: Formung Superniere n-ter Ordnung Jerome Daniel, 200. Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 28
29 Akustische Gradientenempfänger höherer Ordnung Patente Allen 2005 Miles 2005 Sessler/West 973 Killion 2006 Bartlett/Zuniga 996 Olson 949 Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 29
30 Freies Ausrichten der Richtungsempfindlichkeit? günstig verteilte Mikrofone auf schallharter Kugel Richtungsvektor Ausrichtung Formung andere Filter als zuvor (Beugung der Kugel) Meyer, Elko, 200- Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 30
31 Higher order microphone arrays Meyer, Elko Rafaely&Park, Petersen, Hald, Moller-Juhl, B&K, Takashima, Nakagawa, Williams, 0db, 2008 Li, Duraiswami, O Donavan, Grassi, visisonics, Jin, v.schaik, Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 3
32 Günstige Abtastung der Kugel Spherical t-designs Literatur über t-designs: Hardin+Sloan The Improved Snub-Cube Wenn alle gemeinsam ein t-design bilden: kann Integral über alle Richtungen durch Summe über ersetzt werden. Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 6/3 32
33 Flexibler als rotationssymmetrisch: Additionstheorem für Kugelflächenfunktionen Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 33
34 Allgemein Pressure Gradient -.Order acustical electronical H Vgl. Meyer, Elko, 200- Vortrag Pomberger/Zotter, 200 Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 34
35 Allgemein ± H - (vereinfacht) Vgl. Meyer, Elko, 200- Vortrag Pomberger/Zotter, 200 Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 35
36 Allgemein H 0 - H - M H - H n - Holographic filters: Vgl. Meyer, Elko, 200- Vortrag Pomberger/Zotter, 200 Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 36
37 In der Praxis ist die Theorie eine andere Messung Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 37
38 Messung Zentrierung Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 38
39 In der Praxis ist die Theorie eine andere Differenzen hoher Ordnung bei tiefen Frequenzen - = 0.0- = 0.0 -Verstärkung um 40dB? (ICSA 20, Baumgartner et al) Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 39
40 Kugelförmige Arrays IRCAM ITA/RWTH IEM/KUG CNMAT Princeton / PLOrk OUTLINE Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 40
41 Abstrahlungsanalyse & -synthese (4/5) Abstrahlungswiedergabe mit Kugellautsprecheranordnungen (Ursprung: Dr Franz Zotter, IEM) Zotter, 200 Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 4
42 Messung Kugellautsprecher (MATLAB GUI) Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 42
43 Abstrahlungsanalyse & -synthese (5/5) Kombination aus Kugelmikrofon- und Kugellautsprecheranordnung im Raum Zotter, Pomberger, 2009 Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 43
44 Offene Fragen Wie ist es möglich, ausreichend kleine Anordnungen zu bauen, um hohe Frequenzen fehlerfrei abzubilden, gleichzeitig ausreiched SNR bei tiefen Frequenzen (Filterverstärkungen!) zu erhalten, Gleichzeitig eine möglichst konstante Richtwirkung zu bekommen? - Kurz gesagt: Wie bekommen wir möglichst große Bandbreite? Dennoch: Genauigkeitsvorteil gegenüber rein akustischer Lösung. Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 44
45 Vielen Dank! Gradientenmikrofone höherer Ordnung, Franz Zotter 45
Elektronik Prof. Dr.-Ing. Heinz Schmidt-Walter
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