专利名称：定向麦克风组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及定向麦克风，尤其是支承一个或更多的麦克风元件的结构。
在许多应用中都要用到具有方向性的麦克风。实现方向性的一种已知技术是使用一个一阶梯度(FOG)麦克风元件，这种麦克风元件包括一个封装在一腔内具有前后表面的活动振膜，腔体的两面都有开口，因此可以让声压与振膜的前后表面相互作用。通过这一相互作用，便产生了与振膜相对表面上的声压差成比例的电信号。如果波前同时抵达振膜的前后表面，那么从这些方向上传来的声音将被忽略，因为在这种情况下，振膜两面的瞬时声压是相同的，所以声压差是零。而从其他方向上发出的声音，由于在通过两相对表面间的有效路径长度“d”时产生了延迟，所以到达振膜一个表面的时刻要先于到达另一表面的时刻。这一延迟产生了方向性，但它也影响了频响特性，因为路径长度“d”与每一不同频率点处与波长的不同成份有关。
National/Panasonic公司的一种已知的麦克风设备是WM-46AAD201型麦克风设备，它提供了一种心形极化响应特性。FOG麦克风元件被封装在一个刚性、由两部分组成的塑料外壳内，在FOG麦克风的每一侧包括有让声波进入外壳的开口。塑料外壳和FOG麦克风之间用胶水或其他粘合材料封合，这样FOG麦克风的每一边都只受进入外壳内相应开口的声波的影响。不幸的是，由于使用了粘合材料，就需要固化时间的附加步骤，使构造这样一个设备很费工。而且，如果使用不当，产生泄漏，将改变它的声向特性。
Knowles Electronics公司技术公报TB-21所载《EB定向听取辅助麦克风应用要点》一文中的图2示出了一种较好的定向麦克风组件，其使用管道把麦克风元件耦合到期望的拾音点。遗憾的是，在声音输入设备中，没有提供支持这种组件的结构装置。而且管道也不易于密封于设备表面。
最近已提出了一种使用双外壳设备的定向麦克风组件，其不需要使用粘合材料来支持该构件(参阅美国专利5,226,076号，1993年7月6日授权)。尽管该现有的麦克风组件在某些应用中令人满意，但它也有一些限制。例如，当距离“d”大于麦克风元件的宽度时，该已有麦克风的方向图和频率响应都会发生变化，这在一些应用中是不期望发生的。
所以，有必要提供一种麦克风元件的外壳，其构造相对简单、以便于制造和安装。
由隔音弹性材料构成的单外壳用于麦克风元件便可构成一个定向麦克风组件。此麦克风元件包括一个振膜，振膜根据加在其相对的表面上的声压的作用而运动，产生一个与声压差成比例的电信号。此单外壳包括一个第一传声通道和一个第二传声通道。第一传声通道将声压从单外壳的第一瑞口传到振膜的一个表面，第二传声通道将第二声压从第二端口传到振膜的另一表面。
在该发明的一个示例性实施方案中，所述单外壳包括以下各部分具有包括用于把声音能量耦合到声音通道的端口的小单“罩”，用于容纳麦克风元件的内室，和一个通到内室的位于罩表面的预定开口。麦克风元件通过预定开口插入内室，开口的尺寸做成围住插入的麦克风元件，这样声能就不会由开口泄出或泄入内室。端口间的距离非常短所以不会改变所得的麦克风组件的方向图和频率响应。
在本发明的另一个示例性的实施方案中，单外壳是用聚丙烯和乙烯丙烯二烯单体铸成的，聚丙烯是一种橡胶状弹性材料。它在麦克风元件的周边形成了完美密蔽，使一个通道中的声压不会漏入另外一个通道。此外，这种橡胶状材料还构成与其中的声音输入设备表面的密封。
本发明的特征在于定向麦克风组件可以方便地嵌入声音输入设备的外表面或固定在其后，所述声音输入设备在其一个或多个表面上具有多个通道开口。
图1是示出本发明的一个单罩设置的前透视图。
图2是本发明使用的单罩设置的后透视图。
图3是本发明使用的单罩设置的顶剖视图。
图4是本发明用到的单罩设置的侧剖视图。
图5是本发明用到的单罩设置的前剖视图。
图6示出了使用本发明的实施例的一个电话手机。
图7示出了使用本发明的实施例的一台个人机。
概论压强麦克风单端口麦克风可以在其输入声口传感瞬时声压并产生一个与声压幅度相应的输出电压信号，这种麦克风被称作“压强麦克风”。声孔使声音，即声能进入麦克风组件，与振膜的一个侧相互作用产生电压。振膜的另一面在封闭区域中，该区域的体积影响着振膜的声顺。压强麦克风对于来自任何方向的声音的响应是一样的，所以它的响应方向图是全向的。
一阶梯度 麦克风梯度麦克风是指那些通过测量麦克风元件的一个或多个振动膜相对侧的压差来实现定向极化响应特性的麦克风。一个一阶梯度(FOG)麦克风通常包括位于麦克风元件振膜的相对侧的两个输入声口。声口间相隔有效距离“d”它代表声波在绕着FOG行进中从一个声口到另一声口必须穿越的距离。振膜的运动在麦克风元件的输出端被转换成电压。FOG麦克风的输出电压幅值是麦克风元件振膜相对侧的瞬时声压差的函数。回想一下在华氏70度的空气中声音的速度大约是每秒1128英尺，所以f＝2250Hz的声音信号的波长大约为六英寸。这样一来，即使小的间距也可以在声口间造成相当大的相差，因此FOG麦克风具有双向极化响应方向性。实际上，极化响应方向图基本上与频率无关，这将在下面的等式(2)中看到。注意，输出电压的极性决定于运动声波波前首先撞出的是振膜的哪一个侧。还应注意的是FOG麦克风对某些特定方向来的声音没有响应，即为零。本发明正是利用了这一特性。
通到FOG麦克风元件振膜相对侧的声口间的空间距离可以改变。在远场，压强梯度△P与“d”具有下述关系Δpocsin(12kdcosθ)----(1)]]>这里k=2πfc]]>θ＝入射波前相对于麦克风主轴的极化方向
c＝波速当kd值很小时，等式(1)可以简化为Δpoc12cosθ---(2)]]>FOG麦克风的灵敏度或频响由等于(1)限定，对于等式(2)，方向θ＝0°。可知频响和方向图可以通过改变梯度麦克风自身而进行改变。例如，可以在FOG麦克风的一个声口引入声阻抗Ra。该阻抗可改变麦克风组件的方向图和频响。更一般地，与工作在远场的FOG麦克风有关方向图D(θ)，在kd＜1时，具有如下关系D(θ)[1+Bcosθ1+B]----(3)]]>其中B=d/cRaCa;Ca=Vpc2.]]>在等式(3)中，P是空气密度，V是振膜后面声域的体积，Ca是振膜与Ra之间的声顺(与容抗相似)。由等式(3)可知，当B等于1时，便可得到一个心形方向图，其中B等于1就是让时间常数RaCa等于声波走过距离“d”所用的时间。一种适合与本发明一起使用的FOG麦克风元件是由Primo Microphone公司生产的EM1 18型。麦克风组件的方向图的另一常见形状超心形。当调节d，Ra和V使B等于3的平方根时便可获得这一超心形(super cardioid)方向图。此外，当B的值增加到3时，便可得到一个特心形(hypercardioid)方向图。每一选定的麦克风配置都有它自己的一组特性，如(i)零点的位置(度)(ii)距离因子即，指明当是压强麦克风到声源的距离的多少倍时，方向性麦克风具有相同的信号与随机入射噪声比。(iii)前后响应比。等等。
最佳实施例图1是显示FOG麦克风元件的小型单外壳100的前透视图，它有效地限制了麦克风阻件的声口101与102的间距“d”，并将其中包含的FOG麦克风元件限制到相当短的距离。事实上，我们希望距离“d”等于插入单外壳100内室的麦克风元件的宽度，如下述所示。这一矩形罩结构是用硬化(硫化)橡胶或其他适宜的弹性材料模压而成的，它代替了上面提到的现有的麦克风组件中用的隔板。单外壳是用隔音材料制成它不能象空气一样有效地传递声压。如上面所指出的，一种合适的商用材料便是具有聚丙烯的。
外壳100上包括能使声压分别通过传声通道103和104进入设有麦克风元件201内室的端口101和102(参见图2-5)。麦克风元件201有一对导线(未显示)由自封闭的孔105引出单外壳100。单外壳100是弹性材料做成的，而且它的尺寸做成与麦克风元件密封，固此一个通道的声压不会由麦克风元件漏入另一通道。其优点在于，通过使用弹性外壳材料，省去了粘合以获得密封的需要。
图3是弹性单外壳组件100的顶部剖视图，示出了它与FOG麦克风元件201(图2)，端口101与102，通道103与104，孔105，开口200(图2)，以及内室300的内部连接关系。注意内室300的尺寸做成可容纳并支撑麦克风元件201，这样与麦克风元件201周围形成密封，使声能便不会从通道103，104中的一个漏入另一个中。此外，还应注意到的是开口200的尺寸要比麦克风元件201的截面尺寸小，这样当麦克风元件201插入内室300时，可沿麦克风元件与开口形成密封，使声能不会由开口200泄入或泄出内室300了。
图4是已将麦克风元件201插入内室300后弹性单外壳100的侧面剖视图。请注意开口200与麦克风元件201的尺寸关系从而产生的期望的声能密封。由弹性单外壳100产生的密封效应也示于麦克风元件201和通道103与104周围。
图5是在本发明中使用的单罩设置的前剖视图。显示的是麦克风元件201与通道103，104以及弹性单外壳100内部开口200间的尺寸关系。
注意在图3～5中所示的尺寸大约是本发明的麦克风组件的一个实施例的五倍。
应用本发明可以安装于任何使用定向麦克风的声音输入设备上。声输入设备，如电话手机、扬声器话筒、个人机等都是典型的例子。
图6显示了本发明在电话手机600中的一个应用。如图所示电话手机600包括一个扬声器601，包括一个麦克风元件以形成定向麦克风设置的单外壳组件100，设置在电话手机600的一个表面。电话手机600可以是标准手机、无绳电话、蜂窝式电话等设备。
图7所示为一实现本发明的一个实施例的扬声器话筒的个人计算机。具体地说，如图所示，个人计算机700，带有扬声器701，和包括麦克风元件以构成定向麦克风设置的单外壳组件100，它被放置于个人计算机700的表面。这种设置也可用于免提电话操作。尽管为说明目的，示出了一桌面个人计算机，但显然本发明的实施例还可以置于其他相似或不相似的设备中，例如膝上型个人计算机。
此外，应该注意到的是，由于声音通道103和104的长度都相当短，所以对例如，心形或双极定向麦克风组件的方向图和频响都没有什么影响。
尽管已示出了本发明的一个特定实施例，但很明显，在本发明范围内仍有可能修改。这些修改包括，但不限于使用其他弹性材料制作外壳，用非模压方式制作的壳体，以及使用非矩形或不位于同一平面上的开口。此外，除使用单一的FOG麦克风元件外，也可使用两个电互连的压强麦克风元件、这也是在本发明的范围内。
权利要求
1.用于构成定向麦克风的配置包括用于容纳麦克风元件的弹性单外壳，该麦克风元件包括一个振膜，其响应振膜两相对侧的声压差产生与声压差成比例的电信号，该弹性单外壳包括(i)将声压由外壳的第一端口传送到振膜一个面的第一传声通道；(ii)将声压由外壳的第二端口传送到振膜另一面的第二传声通道；(iii)与第一和第二声道相通用于容纳所述麦克风元件的内室；(iv)一个位于所述弹性单外壳表面的开口，用于把麦克风元件插入上述内室，所述开口的尺寸定为使得当将所述麦克风元件插入中心室时，弹性单外壳沿麦克风元件周围密封。
2.根据权利要求1的组件，其中弹性单外壳支撑麦克风元件并沿麦克风元件的外围构成连续密封，这样一个通道中的声压便不会进入另一通道。
3.根据权利要求2的组件，其中弹性单外壳乙烯丙烯二烯单体和聚丙烯组成。
4.根据权利要求2的组件，其中将FOG麦克风元件插入所述内室中以构成定向麦克风组件。
5.根据权利要求4的组件还与具有一外表面的声输入设备相组合，定向麦克风组件嵌入或直接位于声输入设备的所述外表面后面并构成密封；从而构成具有外形小和改进的麦克风灵敏度和方向性的声输入设备。
6.根据权利要求5的组件，其中声音输入设备包括一个电话手机。
7.根据权利要求5的组件，其中声音输入设备包括一个电话会议单元。
8.根据权利要求5的组件，其中声输入设备包括一个个人计算机。
9.根据权利要求5的组件，还包括其中装有扬声器的电话设备，以便实现免提功能，包括构成所述定向麦克风配置的所述FOG麦克风元件的所述弹性单外壳沿外表面安装。
全文摘要
一个由隔音弹性材料制成的单外壳被用于一个麦克风元件以构成一个定向麦克风组件。麦克风元件有一振膜，它在加到其相对表面的声压作用下运动并产生一个与声压差成比例的电信号。该单外壳包括第一传声通道和第二传声通道，第一传声通道将声压由单外壳的第一端口传到振膜的一个表面，第二传声通道将声压由单外壳的第二端口传到振膜的另一表面。在一个实施例中，单外壳由一个表面开有把声能耦合到传声通道中去的小单罩，一个放置麦克风元件的内室和一个通到内室的开在罩表面的预定开口。
文档编号H04M1/04GK1140387SQ96108348
公开日1997年1月15日 申请日期1996年6月25日 优先权日1995年6月30日
发明者杰弗里·菲利普·麦卡蒂 申请人:美国电报电话Ipm公司