DE3020247A1

DE3020247A1 - Verfahren und anordnung zur umwandlung von schallwellen in digitale elektrische signale mit hilfe von elektroakustischen wandlern

Info

Publication number: DE3020247A1
Application number: DE19803020247
Authority: DE
Inventors: Karl Otto Dipl.-Ing. 7630 Lahr Bäder
Original assignee: FRANZ VERTRIEBSGESELLSCHAFT MBH
Current assignee: FRANZ VERTRIEBSGESELLSCHAFT MBH
Priority date: 1980-05-28
Filing date: 1980-05-28
Publication date: 1981-12-03
Also published as: GB2077074A; US4370523A; DE3020247C2

Description

Verfahren und Anordnung zur Umwandlung von Schallwellen in digitale elektrische Signale mit Hilfe von elektroakustischen Wandlern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Schallwellen in digitale elektrische Signale mit Hilfe von elektroakustischen Wandlern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung hierfür nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Aus der DE-PS 19 10 156 ist ein Geber zur Umwandlung von Druckwellen in digitale elektrische Signale bekannt, bei dem eine Anordnung von mehreren Sensoren durch einen Abtastgenerator in geeigneter Sequenz aktiviert werden. Die Sensorausgänge werden einer Codiermatrix zugeführt, die binär codierte Signale abgibt. Ferner ist es aus der CH-PS 431 622 zur Umwandlung von Schallwellen in digitale Signale bekannt, eine Kombination aus einem Mikrofon und einem A/D -Wandler zu verwenden. Bei diesen beiden bekannten Einrichtungen erhält man als Ausgangssignal ein PCM-Signal (Puls-Code-Modulation).

- Ψ-

Demgegenüber gibt es noch andere digitale Signaleformen, z. B. ein Differenz-Puls-Code-Modulationssignal (DPCM-Signal). Dieses gibt in Form eines 1-bit-Signals den Unterschied zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Signalabschnitten an. Zur Erzeugung eines DPCM-Signals benötigt man einen A/D-Wandler, der als Speichervorrichtung ausgebildet ist, um einen Signalabschnitt immer solange zu speichern, bis der nächste abgetastet werden kann. Es kann dann der erste Signalabschnitt gelöscht werden bzw. mit dem Inhalt des folgenden Signalabschnitts überschrieben werden. Hierzu ist eine hohe elektrische Präzision sowie die Verwendung eines Taktsignals, das die Speicherein - und Speicherauslesung steuert, erforderlich.

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Bei der Umwandlung von DPCM-Signalen in PCM-Signale, beispielsweise mit Hilfe eines Zählers, tritt theoretisch keine Qualitätsverschlechterung ein, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:

^fDPCM ^{= f}PCM ■ ⁿ

Hierbei bedeuten η die Anzahl der bits pro Digitalwort beim PCM-Verfahren,.

f -

PCM die Abtastfrequenz beim PCM-Verfahren und °*^ie Abtastfrequenz beim DPCM-Verfahren.

Bei der heute üblichen Technik von 16 bits pro Wort und bei einer Abtastf requenz f p_C von 40 kHz muß daher die DPCM-Abtastrate mindestens 640.000 bit/s betragen. Die erforderliche Bandbreite für den erwähnten Takt muß wegen der notwendigen Präzision der Schreib- und Lesevorgänge xii den Speicher noch wesentlich höher sein.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der man zur Erzeugung eines DPCM-Signals keinen A/D-Wandler benötigt.

Diese Aufgabe wird bei der Erfindung verfahrensmäßig durch die im Kennzeichen u s Anspruchs 1 und anordnungsmäßig durch die im Kennzeichen des Anspruchs 5 angegebenen Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.

Bei der Erfindung können,z. B. in einem Mikrofongehäuse, zwei identische Schall-Wandler in einem genau · bestimmten Abstand voneinander angeordnet sein. Da die Ausöreitungsg'ese^winäigkeit von Schall in Luft bekannt ist, läßt sich durch den räumlichen Abstand zwischen den beiden Wandlern ein zeitlicher Abstand definieren, der zur Ermittlung der Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalabschnitten verwendet wird. Diese Diffe-

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renz kann kontinuierlich gemessen werden und ist z.B. positiv, solange die Intensität des Schaltsignals zunimmt und negativ, wenn die Kurve ihren Höhepunkt überschritten hat. Da der Abstand der beiden Wandler zueinaner frequenzbestimmend ist, benötigt man kein Taktsignal. Auch können die sonst erforderlichen Speicherelemente entfallen, da eine kontinuier ■ liehe Messung der Differenz, wie schon erwähnt, möglich ist.

Als elektroakustische Wandler können Drucksensoren, Membranen öder andere geeignete Teile verwendet werden.

Durch ein zumindest halbseitig geöffnetes Gehäuse wird ein Schalleinfall von hinten verhindert und die Anordnung eines akustischen Sumpfes, entgegengesetzt zur Gehäuse öffnung, verhindert den Einfall von Reflektionen aus der Gegenrichtung.

Die Spannungen der beiden elektroakustischen Wandler werden ggf. über Verstärker einem Komparator zugeführt, an dessen Ausgang direkt ein DPCM-Signal entsteht, das angibt, ob bei der Schallwelle die Amplitude oder Schnelle, die die erste Ableitung der Amplitude nach der Zeit ist, zu- oder abnimmt. An den Ausgang des Komparators läßt sich ein Digitalgerät mit einer Abtastrate anschließen, die dem Kehrwert der Zeit in Sekunden entspricht, welche die Schallwelle benötigt, um vom, in Fortschreitungsrichtung des Schalls gesehen, ersten Wandler zum zweiten Wandler zu gelangen. Es lassen sich dabei Schallsignale auswerten, die direkt von vorne einfallen. Es ergibt sich in diesem Fall eine Hyper cardioid-Charakteristik. Diese verändert sich, wenn die Abtastrate geringfügig geändert wird. Insofern ist es noch möglich, eine Fernsteuerung der Richtcharakteristik durch Änderung der Abtastrate im Digitalgerät, welches beispielsweise ein digitales Mischpult sein kann, zu erzielen.

Anhand der beiliegenden Figuren, die ein Ausführungsbeispiel zeigen, soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen:

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Fig. 1 ein Mikrofon mit den beiden Wandlern;

Fig. 2 Größendarstellüngen, welche die Entstehung des DPCM-

Signals sowie dessen Abtastung erläutern;

Fig. 3 eine Anordnung zur Umwandlung des DPCM-Signals in ein

PCM-Signal und

Fig. 4 eine Anordnung zur Umwandlung des PCM-Signals in ein

Analogsignal.

In der Fig. 1 ist ein Mikrofon mit einem Gehäuse 3 dargestellt, in welchem in einem bestimmten Abstand voneinander zwei elektroakustische Wandler la und Ib angeordnet sind. Das Gehäuse ist einseitig geöffnet, so daß von hier Schallwellen auf die elektroakustischen Wandler la und Ib auftreffen können. An der geschlossenen Seite des Gehäuses 3 befindet sich,in entgegengesetzter Richtung zur Öffnung des Gehäuses, ein elektroakustischer Sumpf 2, durch den Reflektionen an der Gehäuseinnenseite verhindert werden sollen.

Die beiden elektroakustischen Wandler la und Ib sind ggf. über Verstärker 4a und 4b an einen Komparator 5 angeschlossen. Der Komparator 5 kann al.' integrierter Analogverstärker mit Gegentakteingang ausgebildet sein. Die zu vergleichenden Signale werden dem invertierenden bzw. nicht invertierenden Eingang zugeführt und der Verstärker wird ohne Gegenkopplung betrieben. In Abhängigkeit davon, welcher der beiden Eingänge überwiegt, springt der Ausgang zwischen den Werten der maximalen positiven bzw. negativen Versorgungsspannung entsprechend hin und her.

In der Fig. 2 sind schematisch die beiden Ausgangssignale der elektroakustischen Wandler la und Ib für eine einfallende Schallwelle darge-

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stellt. Der zeitliche Abstand zwischen diesen beiden Ausgangs Signalen ist bestimmt durch den räumlichen Abstand der beiden elektroakustischen Wandler im Gehäuse." Je nachdem, ob die Differenz zwischen den beiden Ausgangssignalen negativ oder positiv ist, ergibt sich am Ausgang des Komparators 5 ein entsprechendes DPCM-Signal, das ebenfalls in der Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Ein geeigneter Komparator ist z.B. ein Verstärker vom Typ LM 311, da dieser einen geringen Offsetfehler am Eingang aufweist.

Die Umwandlung vom DPCM-Signal läßt sich z. B. mit einem in der Fig. 3 dargestellten 16 bit-Zähler 6 durchführen. Das ankommende DPCM-Signal wird mit Hilfe eines Taktgebers 7 mit einer bestimmten Abtastrate, die schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, abgetastet. Wenn die Abtastrate genau dem Kehrwert derjenigen Zeit entspricht, die die Schallwelle zwischen den beiden Wandlern benötigt, ergibt sich eine derartige Richtcharakteristik des in der Fig. 1 dargestellten Mikrofons, daß Schaltsignale, die direkt von vorn ankommen, ausgewertet werden. Wie schon erwähnt, läßt sich durch Änderung der Abtastrate eine Fernsteuerung der Richtcharakteristik erzielen. Der 16 bit-Zähler zählt immer dann einen Schritt aufwärts, wenn das DPCM-Signal eine Eins enthält und einen Schritt abwärts, wenn dieses Signal eine Hill enthält. Da dieser Zähler 65536 mögliche Ausgangskonfigurationen hat, läßt sich die notwendige Feinstufigkeit für das Ausgangssignal aufgrund der hohen bit-Frequenz im DPCM-Signal erzielen. Der Zähler 6 besitzt 16 parallele Ausgänge, die das PCM-Signäl mit 16 bits pro Wort liefern.

Dieses PCM-Signal wird mit Hilfe der in der Fig. 4 dargestellten Anordnung in ein Analogsignal umgewandelt. Hierzu werden durch das Digitalsignal direkt 16 verschiedene Strompfade angesteuert, die sich zueinander wie 1:2:4... : 32768 verhalten. Hierzu sind entsprechend bemessene Widerstände R, 2R, 4R... 32768 R in parallelen Strompfaden, die an eine Gleichstromquelle 8 angeschlossen sind, vorgesehen. Die Strom-

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pfade sind außerdem über elektronische Schalter Sl, S2, S4 ... S32768, welche von den Zählerausgängen direkt angesteuert werden, mit einem Addierer verbunden, dessen Ausgang das gewünschte Analogsignal liefert. Auf diese Weise gewinnt man pro Abtastwert eine direkte Einstellung eines anlogen Signals durch das Digital signal.

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Claims

LIEDb, NÖTH^iEiTLEÄ.^:

Patentanwälte
8000 München 22 · Steinsdorfstraße 21 - 22 · Telefon 089 / 22 94 41

Franz Vertriebsges. mbH Postfach 1520, 7630 Lahr 1

Verfahren und Anordnung zur Umwandlung von Schallwellen in digitale elektrische Signale mit Hilfe von elektroakustischen Wandlern

Patentansprüche:

Verfahren zur Umwandlung von Schallwellen in digitale elektrisehe Signale mit Hilfe von elektroakustischen Wandlern, die in Abhängigkeit von empfangenen Sehallwellen elektrische Signale abgeben, die dann in ein impulsförmig codiertes Signal übersetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

- die schallwellen fortlaufend von zwei in Einfalls richtung des Schalls einen Abstand voneinander aufweisenden Wandlern gleichzeitig ermittelt werden und

jeweils aus dem Vergleich zweier elektrischer Signale, die jeweils zwei gleichzeitig ermittelten Schallwellen entsprechen, ein Differenz-Puls-Code-Modulationssignal (DPCM-Signal) in. Form eines 1-bit-Signals gebildet wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Differenz-Puls-Code-Modulationssignal angezeigt wird, ob die Amplitude bzw. Schnelle der Schallwellen zu-oder abnimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzsignal mit einer Abtastrate abgetastet wird, die dem Kehrwert der Zeit in Sekunden entspricht, welche die Schallwelle benötigt, um vom, in Fortschreitungsrichtung des Schalls gesehen, ersten Wandler zum zweiten Wandler zu gelangen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Änderung der Abtastrate die Richtcharakteristik eines Mikrophons geändert wird, in welchem die beiden Wandler verwendet we rden.
5. Anordnung zur Umwandlung von Schallwellen in digitale elektrische Signale mit Hilfe von elektroakustischen Wandlern, die in Abhängigkeit von empfangenen Schallwellen elektrische Signale abgeben, die dann in ein impulsförmig codiertes Signal übersetzt werden, mit einem Gehäuse, in welchem elektroakustisch^ Wandler angeordnet sind, an die eine Äuswerteschaltung für die von den Wandlern gelieferten elektrischen Signale angeschlossen ist, geeignet zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß

im Gehäuse (3) im Abstand voneinander zwei Wandler (la und Ib) angeordnet sind, deren elektrische Ausgangsklemmen an einen Komparator (5) angeschlossen sind.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Komparators (5) ein Digitalgerät mit einer Abtastrate angeschlossen ist, die dem Kehrwert der Zeit in Sekunden entspricht, welche die Schallwelle benötigt, um vom, in Fortschreitungsrich-

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L. ft

tung des Schalls gesehen, ersten Wandler (la) zum zweiten Wandler (Ib) zu gelangen.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich

net, daß das Gehäuse (3) halbseitig geöffnet ist und im Gehäuse auf der bezüglich der Wandler (la, Ib) entgegengesetzt liegenden Seite der Öffnung ein akustischer Sumpf (2) vorgesehen ist.

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