CN110999317A - 杂音去除装置以及杂音去除方法 - Google Patents

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Abstract

具有：传声器阵列(3)，其具有对声音信号进行观测的多个传声器(2)；以及杂音去除处理部(5)，其从由多个传声器(2)观测到的声音信号去除杂音而取得目标声音，多个传声器(2)中的彼此相邻的两个传声器(2)具有如下配置关系，即，在包含该两个传声器(2)、产生目标声音的目标声源(A)、产生杂音的杂音源(B)的平面(12)中，连接目标声源(A)和第一线段(10)的中点(11)的第二线段(14)、连接杂音源(B)和第一线段(10)的中点(11)的第三线段(15)所成的角θ的平分线与连接两个传声器(2)的第一线段(10)的垂直平分线(13)是一致的。

Description

杂音去除装置以及杂音去除方法
技术领域
本发明涉及从由多个声源传来的声音去除目标声音以外的杂音的技术。
背景技术
杂音去除技术是通过使用传声器等音频传感器而从录制下来的声音数据去除杂音，从而容易听取作为目标的声音(以下，记载为目标声音)的技术。根据该技术，例如，可以使由于从空调等设备产生的噪音而难以听到的声音变得清晰，或者可以在多个讲话者同时发言时仅提取目标讲话者的发言。
另外，杂音去除技术还能够提高声音识别系统等中的针对杂音的健壮性。另外，例如在对设备的动作音是否包含异常声音进行自动检测的设备监视系统中，杂音去除技术还能够用于防止由周围的噪音导致的检测精度的劣化。
作为从声音数据中去除杂音的方法，存在如下方法，即，由多个音频传感器构成音频传感器阵列，对从各音频传感器得到的观测信号进行由软件执行的信号处理，形成对于目标声源的指向性。在该方法中，具有如下优点，即，能够在利用无指向性传声器等廉价的音频传感器的同时形成陡峭的指向性，能够抑制硬件的成本。另外，能够通过软件动态地使所形成的指向性变化，即使在声源移动的情况下也能够从声音数据去除杂音。
就通过多个音频传感器去除杂音的方法而言，已知杂音去除性能根据构成音频传感器阵列的音频传感器的配置方法而发生变化。例如，在专利文献1中公开了如下多波束音频系统，该多波束音频系统使用了以与在车辆设置的座位中的任意两个座位对应的方式将音频传感器阵列配置于规定的位置的技术。这里，规定的位置位于在任意两个座位之间的特定位置处与任意两个座位方向垂直的方向的线上。
专利文献1：日本特表2013-546247号公报
发明内容
在上述专利文献1记载的多波束音频系统中，考虑了用于得到高杂音去除性能的音频传感器阵列与多个声源的位置关系。但是，即使将音频传感器阵列与多个声源的位置关系设为专利文献1所记载的关系，根据构成该音频传感器阵列的各音频传感器与多个声源的位置关系，有时也会由于输出信号的失真而导致杂音去除性能降低。在专利文献1中，没有公开为了得到高杂音去除性能，应该如何设定构成音频传感器阵列的各音频传感器与多个声源的位置关系，在现有的杂音去除装置中，依然存在由于输出信号的失真而导致杂音去除性能降低的情况。
本发明就是为了解决上述那样的课题而提出的，其目的在于，在具有音频传感器阵列的杂音去除装置中，对输出信号的失真进行抑制，使杂音去除性能提高。
本发明涉及的杂音去除装置具有：音频传感器阵列，其具有对声音信号进行观测的多个音频传感器；以及杂音去除处理部，其从由多个音频传感器观测到的声音信号去除杂音而取得目标声音，多个音频传感器中的彼此相邻的两个所述音频传感器具有如下配置关系，即，在包含该两个音频传感器、产生所述目标声音的目标声源、产生所述杂音的杂音源的平面中，连接所述目标声源和第一线段的中点的第二线段、连接所述杂音源和所述第一线段的中点的第三线段所成的角的平分线与所述第一线段的垂直平分线是一致的，该第一线段是连接所述两个音频传感器的线段。
发明的效果
根据本发明，能够在对输出信号的失真进行抑制的位置配置音频传感器和声源，能够使杂音去除性能提高。
附图说明
图1是表示实施方式1中的杂音去除装置的结构的图。
图2是表示实施方式1中的杂音去除装置的传声器的配置例的图。
图3是表示由实施方式1中的杂音去除装置的传声器对观测的声音的到来方向与时间差的关系的图。
图4是在以实施方式1中的杂音去除装置的传声器阵列为中心的圆周上描绘了声音的到来方向的图。
图5A、图5B及图5C是表示由实施方式1中的杂音去除装置的传声器对观测的声音的到来方向的观测值的直方图。
图6是实施方式1中的杂音去除装置的杂音去除处理部的结构图。
图7A及图7B是表示实施方式1中的杂音去除装置的杂音去除处理部的硬件结构例的图。
图8是表示实施方式1中的杂音去除装置的动作的流程图。
图9是表示实施方式2中的杂音去除装置的结构的图。
图10是表示实施方式2中的杂音去除装置的动作的流程图。
图11是表示实施方式3中的杂音去除装置的结构的图。
图12是表示实施方式4中的杂音去除装置的动作的流程图。
图13A、图13B及图13C是表示实施方式4中的杂音去除装置的传声器与目标声源及杂音源的位置关系的图。
具体实施方式
下面，为了更详细地说明本发明，基于附图对用于实施本发明的方式进行说明。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1中的杂音去除装置1的结构的图。
在本实施方式中，作为音频传感器的具体例，使用传声器进行说明，将音频传感器对设为传声器对、将音频传感器阵列设为传声器阵列进行说明。但是，本发明中的音频传感器并不限定于传声器，例如也可以是超声波传感器。
杂音去除装置1由包含大于或等于2个传声器2(传声器2a、2b、2c、2d、2e、…)的传声器阵列3、AD变换器4、杂音去除处理部5构成。由杂音去除装置1的传声器2观测到的声音的信号(观测信号)被输入至AD变换器4。AD变换器4将输入进来的观测信号变换为数字信号，输出至杂音去除处理部5。杂音去除处理部5从被变换为数字信号的观测信号去除杂音的信号。杂音去除处理部5将去除了杂音的信号后的观测信号作为输出信号，输出至与杂音去除装置1连接的扬声器6。
接着，对传声器2的结构进行说明。
在图1的例子中，示出了多个传声器2a、2b、2c、2d、2e、…(在概括表示多个传声器的情况下，记载为传声器2)。将多个传声器2中的彼此相邻的两个传声器2a、2b的组设为传声器对21。传声器对21由多个传声器2中的至少一组彼此相邻的传声器2形成即可。与产生目标声音的目标声源A和产生杂音的杂音源B的位置对应地决定至少一组传声器对21的配置位置。此外，假设为目标声源A、杂音源B、传声器对21的位置关系是已知的而进行以下说明。此外，除了构成传声器对21的传声器2a、2b之外的其他传声器2c、2d、2e、…的配置位置能够任意地设定。
一边参照图2，一边对在杂音去除装置1的杂音去除处理部5使用1组传声器对21实施杂音去除的情况下，杂音去除性能成为最大值的传声器2a、传声器2b、目标声源A、杂音源B的位置关系进行说明。
图2是表示本发明的实施方式1中的杂音去除装置1的传声器2的配置例的图。
将连接构成传声器对21的传声器2a和传声器2b的线段设为第一线段10。更具体而言，例如，将连接传声器2a和传声器2b各自的中心的线段设为第一线段10。将第一线段10的中点设为中点11。此外，传声器2a的中心、传声器2b的中心不需要是严格的中心。
另外，将包含传声器2a、传声器2b、目标声源A和杂音源B的平面设为平面12。更具体而言，例如，将包含传声器2a和传声器2b各自的中心、针对目标声源A任意设定的点(以下，记载为目标声源A的设定点)、针对杂音源B任意设定的点(以下，记载为杂音源B的设定点)的平面设为平面12。
在该平面12中，连接目标声源A和中点11的第二线段14、连接杂音源B和中点11的第三线段15所成的角θ的平分线与第一线段10的垂直平分线13是一致的。更具体而言，例如，与连接目标声源A的设定点和中点11的第二线段14、连接杂音源B的设定点和中点11的第三线段15所成的角θ的平分线一致。
垂直平分线13和第二线段14所成的角θ1表示以垂直平分线13为基准，由目标声源A产生的目标声音到达传声器对21的方向。以下，将该角θ1设为目标声音到来方向θ1。
另外，垂直平分线13和第三线段15所成的角θ2表示以垂直平分线13为基准，由杂音源B产生的杂音到达传声器对21的方向。以下，将该角θ2设为杂音到来方向θ2。在图2中示出目标声音到来方向θ1和杂音到来方向θ2成为相同值的角度的情况。
杂音去除处理部5的杂音去除性能成为最大值的传声器2a及传声器2b的配置为，传声器2a、传声器2b、目标声源A、杂音源B都处于相同的平面12上，另外，目标声音到来方向θ1和杂音到来方向θ2相同的情况。
此外，在图2中示出第二线段14和第三线段15的长度相等，中点11、目标声源A的设定点、杂音源B的设定点各自处于等腰三角形的顶点的情况。但是，不限于图2所示的例子，第二线段14和第三线段15的长度也可以不同。即，从中点11至目标声源A的设定点为止的距离也可以与从中点11至杂音源B的设定点为止的距离不同。
接着，参照图3及图4，对由传声器对21观测的声音的到来方向与时间差的关系进行说明。
图3是表示由本发明的实施方式1中的杂音去除装置1的传声器对21观测的声音的到来方向与时间差的关系的图。
在图3中，在表示时间差的纵轴等间隔地记载刻度线，在该刻度线中的与时间差的值对应的声音的到来方向上标记出点。如图3所示，该点的位置处的到来方向是不等间隔的。这里，声音的到来方向是指目标声音到来方向θ1和杂音到来方向θ2。以下，用弧度法表示角度的值。
图4是在以本发明的实施方式1中的杂音去除装置1的传声器阵列3为中心的圆周上，描绘了图3所示的声音的到来方向的图。
如图4所示，在声音的到来方向为0或±π附近，点的分布变密，在声音的到来方向为±π/2附近，点的分布变疏。例如，在由于杂音的影响而使观测到的声音信号的时间差从图3中的实际的时间差偏离1刻度量的情况下，相对于图4中的与实际的声音的到来方向对应的点，将与该点相邻的两侧的点中的某一个计算作为声音的到来方向的观测值。
在该情况下，在图4中，在点分布密集的0或±π方向的范围中，即使时间差产生偏离，声音的到来方向的观测值也不会大幅变化。另一方面，在图4中，在点的分布稀疏的±π/2方向的范围中，声音的到来方向的观测值会由于少许的时间差的偏离而大幅变动。即，在产生某一定的时间差的偏离的状况下，在声源的位置接近0或±π方向时，声音的到来方向的观测值中仅产生小的误差(观测值的波动小)，但在声源的位置接近±π/2方向时，声音的到来方向的观测值中产生大的误差(观测值的波动大)。这意味着由传声器对21观测的声音的到来方向的观测值的直方图的形状依赖于实际的声音的到来方向存在于哪个范围。
图5是表示由本发明的实施方式1中的杂音去除装置1的传声器对21观测的声音的到来方向的观测值的直方图。
图5A至5C示出在传声器对21相对于目标声源A及杂音源B朝向相对地确定好的方向的情况下，由传声器对21对从目标声源A及杂音源B到来的声波进行观测的声音的到来方向的观测值的分布(不确定性)。
图5A示出传声器对21朝向目标声源A的方向的情况，即，目标声音到来方向θ1＝0的情况。
在图5A的情况下，由于目标声音到来方向θ1为0，因此到来的目标声音的到来方向的观测值的直方图如图5A的分布Ca所示，成为陡峭的分布。
另一方面，由于杂音到来方向θ2与0相比位于-π/2方向(参照图4)，因此到来的杂音的到来方向的观测值的直方图如图5A的分布Cb所示，成为平缓的分布。
在区域Cc中，到来的目标声音的到来方向的观测值的直方图分布Ca与到来的杂音的到来方向的观测值的直方图分布Cb重叠。区域Cc的面积与由杂音去除装置1输出的输出信号所包含的失真的量成正比。
图5B示出传声器对21朝向目标声源A和杂音源B的中间的方向的情况，即，目标声音到来方向θ1＝杂音到来方向θ2的情况。
由于目标声音到来方向θ1和杂音到来方向θ2相同，因此到来的目标声音的到来方向的观测值的直方图、到来的杂音的到来方向的观测值的直方图成为相同形状的分布Da、Db。在区域Dc中，到来的目标声音的到来方向的观测值的直方图的分布Da与到来的杂音的到来方向的观测值的直方图的分布Db重叠。
图5C示出传声器对21朝向杂音源B的方向的情况，即，杂音到来方向θ2＝0的情况。
在图5C的情况下，由于目标声音到来方向θ1与0相比位于π/2方向(参见图4)，因此到来的目标声音的到来方向的观测值的直方图如图5C的分布Ea所示，成为平缓的分布。
另一方面，由于杂音到来方向θ2是0，因此到来的杂音的到来方向的观测值的直方图如图5C的分布Eb所示，成为陡峭的分布。
在区域Ec中，到来的目标声音的到来方向的观测值的直方图的分布Ea与到来的杂音的到来方向的观测值的直方图的分布Eb重叠。
如果对图5A至图5C所示的三个区域Cc、Dc、Ec的面积进行比较，则图5B所示的区域Dc的面积最小。即，如图5B所示，在将传声器对21配置为朝向目标声源A和杂音源B的中间的方向的情况下，由杂音去除装置1输出的输出信号所包含的失真最小。
此外，详细而言，将传声器对21配置为朝向目标声源A和杂音源B的中间的方向的情况是指，在图2所示的平面12中，连接目标声源A和中点11的第二线段14、连接杂音源B和中点11的第三线段15所成的角θ的平分线与第一线段10的垂直平分线13一致的情况。
此外，在图5B中示出了目标声音到来方向θ1和杂音到来方向θ2为相同值的情况，但目标声音到来方向θ1和杂音到来方向θ2不需要是严格的相同值，允许若干角度变化。
如上所述，在平面12中，通过将构成传声器对21的传声器2a、2b配置为使垂直平分线13与角θ的平分线一致，能够使杂音去除装置1的杂音去除性能最大化，其中，该垂直平分线13是将相邻的传声器2a、2b的中心连接的线段的垂直平分线，该角θ是连接目标声源A和中点11的第二线段14与连接杂音源B和中点11的第三线段15所成的角。
例如，在通过搭载于车辆的传声器2观测驾驶员的声音的情况下，传声器对21以如下方式配置。首先，假设成为目标声源A的驾驶员的落座位置是已知的，成为杂音源B的车辆的发动机声音的发生源的位置是已知的，杂音去除装置1去除车辆的发动机声音。传声器对21配置为，在包含彼此相邻的传声器2a、2b、目标声源A、杂音源B的平面12中，连接目标声源A和第一线段10的中点11的第二线段14、连接杂音源B和第一线段10的中点11的第三线段15所成的角θ的平分线与连接相邻的传声器2a、2b的第一线段10的垂直平分线13是一致的。由此，杂音去除装置1能够使输出信号的失真最小化，并且使杂音去除性能最大，去除车辆的发动机声音。
在上述中，例示出在观测驾驶员的声音时，杂音去除装置1将车辆的发动机声音作为杂音而去除的情况。替代地，杂音去除装置1也可以设为如下结构，即，将落坐在副驾驶座的同乘者的声音作为杂音而去除，或者将从搭载于车辆的扬声器输出的声音作为杂音而去除。
另外，杂音去除装置1不限于车载，也能够适用于设备的监视系统等。在该情况下，杂音去除装置1取得监视对象设备的动作音作为目标声音，将其他设备的动作音作为杂音而去除，能够仅将监视对象设备的动作音提供给监视处理。
接着，返回图1的结构的说明，对杂音去除处理部5进行说明。
杂音去除处理部5将从由传声器2输入的观测信号去除了杂音的输出信号输出至扬声器6。通常，在使用传声器阵列3而去除杂音的情况下，杂音去除处理部5基于从多个传声器2得到的观测信号的时间差，针对各个时间-频率成分对声音的到来方向进行观测。接着，杂音去除处理部5对观测信号施加滤波，该滤波是从观测到的声音的观测信号去除构成从除了目标方向之外的方向到来的声音的时间-频率成分。
图6是本发明的实施方式1中的杂音去除装置1的杂音去除处理部5的结构图。
杂音去除处理部5具有DFT(Discrete Fourier Transform)部51、52、频带选择部53、乘法部54、及IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)部55。这里，使用图6所示的结构进行说明，但杂音去除处理部5的结构不限于图6所示的结构，也可以应用其他结构。
另外，为了简化说明，以下以传声器阵列3由2个传声器2构成的情况为例进行说明。向使传声器2的数量大于或等于三个的结构进行扩展是容易的，由大于或等于三个传声器2构成的情况也包含在本发明中。设为是由传声器2a及传声器2b构成传声器阵列3，由该2个传声器2a、2b构成传声器对21。
DFT部51、52对从AD变换器4输入的时域的观测信号实施短时离散傅立叶变换，得到频域的观测信号频谱X1(ω，τ)、X2(ω，τ)。DFT部51、52将得到的频域的观测信号频谱X1(ω，τ)、X2(ω，τ)输出至频带选择部53。这里，ω表示离散频率，τ表示短时帧。频带选择部53基于从DFT部51、52输入的观测信号频谱X1(ω，τ)、X2(ω，τ)针对各个离散频率对声音的到来方向θ(ω，τ)进行计算。频带选择部53基于计算出的各个离散频率的声音的到来方向θ(ω，τ)，生成仅将从目标声音的方向到来的声音的时间-频率成分残留下来的滤波b(ω，τ)。
乘法部54向传声器2a的观测信号频谱X1(ω，τ)乘以生成的滤波b(ω，τ)，生成去除了杂音的输出信号频谱Y(ω，τ)。乘法部54将生成的输出信号频谱Y(ω，τ)输出至IDFT部55。IDFT部55通过离散逆傅立叶变换将从乘法部54输入的输出信号频谱Y(ω，τ)变换为时域的输出信号y(t)而输出至扬声器6。
接着，对杂音去除处理部5的硬件结构例进行说明。
图7A及图7B是表示本发明的实施方式1中的杂音去除装置1的杂音去除处理部5的硬件结构例的图。
杂音去除装置1的杂音去除处理部5中的DFT部51、52、频带选择部53、乘法部54及IDFT部55的各功能由处理电路实现。即，杂音去除装置1的杂音去除处理部5具有用于实现上述各功能的处理电路。该处理电路可以如图7A所示是专用的硬件即处理电路1a，也可以如图7B所示是执行在存储器1c储存的程序的处理器1b。
如图7A所示，在杂音去除处理部5的DFT部51、52、频带选择部53、乘法部54及IDFT部55是专用的硬件的情况下，处理电路1a例如是单一电路、复合电路、编程化的处理器、并行编程化的处理器、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-programmable Gate Array)、或它们的组合。杂音去除处理部5的DFT部51、52、频带选择部53、乘法部54及IDFT部55各结构部的功能可以各自由处理电路实现，也可以将各结构部的功能汇总地由一个处理电路实现。
如图7B所示，在杂音去除处理部5的DFT部51、52、频带选择部53、乘法部54及IDFT部55为处理器1b的情况下，各结构部的功能通过软件、固件、或软件和固件的组合来实现。软件或固件被记述为程序，储存于存储器1c。处理器1b通过读出、执行存储于存储器1c的程序，从而实现杂音去除处理部5的DFT部51、52、频带选择部53、乘法部54及IDFT部55各功能。即，杂音去除处理部5的DFT部51、52、频带选择部53、乘法部54及IDFT部55具有存储器1c，该存储器1c用于储存在由处理器1b执行时从结果上来看使后述的图8所示的各步骤得以执行的程序。另外，这些程序也可以说是使计算机执行杂音去除处理部5的DFT部51、52、频带选择部53、乘法部54及IDFT部55的流程或方法的程序。
这里，处理器1b是指例如CPU(Central Processing Unit)、处理装置、运算装置、处理器、微处理器、微型计算机、或DSP(Digital Signal Processor)等。
存储器1c例如可以是RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、闪存、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(Electrically EPROM)等非易失性或易失性的半导体存储器，也可以是硬盘、软盘等磁盘，还可以是迷你盘、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disc)等光盘。
此外，杂音去除处理部5的DFT部51、52、频带选择部53、乘法部54及IDFT部55各功能也可以由专用的硬件实现一部分，由软件或固件实现一部分。这样，杂音去除处理部5中的处理电路1a能够通过硬件、软件、固件、或它们的组合，实现上述各功能。
接着，参照图8的流程图对杂音去除装置1的动作进行说明。
图8是表示本发明的实施方式1中的杂音去除装置1的动作的流程图。
以进行图8所示的动作为前提，在图2所示的平面12中，将传声器对21配置为连接目标声源A和中点11的第二线段14、连接杂音源B和中点11的第三线段15所成的角θ的平分线与第一线段10的垂直平分线13是一致的。
由构成传声器对21的传声器2a、2b收录的声音被AD变换器4变换为数字信号，作为时域的观测信号各自输入至DFT部51、52(步骤ST1)。DFT部51、52以固定时间(例如，0.1秒)将在步骤ST1中输入的观测信号积蓄于缓冲器等(步骤ST2)。将DFT部51、52在时间t从传声器2a、2b得到的时域的观测信号各自表示为x1(t)、x2(t)。DFT部51、52对在步骤ST2中积蓄的观测信号x1(t)、x2(t)实施短时离散傅立叶变换，得到频域的观测信号频谱X1(ω，τ)、X2(ω，τ)(步骤ST3)。DFT部51、52将在步骤ST3中得到的频域的观测信号频谱输出至频带选择部53。
频带选择部53基于从DFT部51、52输入的频域的观测信号频谱X1(ω，τ)、X2(ω，τ)，针对各个离散频率对声音的到来方向进行计算(步骤ST4)。如果声源存在于充分远离传声器阵列3的位置，则如下式(1)所示，能够基于频域的观测信号谱X1(ω，τ)、X2(ω，τ)的相位差来计算声音的到来方向θ(ω，τ)。
Figure BDA0002380136820000121
在式(1)中，c表示声速，d表示传声器间的距离，arg表示复数的偏角。
另外，如图2所示，通过式(1)计算的声音的到来方向θ(ω，τ)成为将第一线段10的垂直平分线13的方向设为0时的角度(弧度法)，其中，该第一线段10是连接构成传声器对21的传声器2a、2b的线段。
频带选择部53基于在步骤ST4中计算出的各个离散频率的声音的到来方向θ(ω，τ)，生成如下式(2)所示的仅将从目标声音的方向到来的声音的时间-频率成分残留下来的滤波b(ω，τ)(步骤ST5)。频带选择部53将生成的滤波输出至乘法部54。
Figure BDA0002380136820000122
在式(2)中，Θ是目标声音的到来方向的集合。式(2)生成如下滤波，即，作为系数向从所期望的方向到来的声音的时间-频率成分乘以1，向除此之外的声音的成分乘以0。通过该滤波，仅提取观测信号所包含的目标声音的时间-频率成分。
乘法部54将在步骤ST3中变换出的传声器2a的观测信号频谱X1(ω，τ)乘以在步骤ST5中产生的滤波b(ω，τ)，生成去除了杂音的输出信号频谱Y(ω，τ)(步骤ST6)。乘法部54将生成的输出信号频谱Y(ω，τ)输出至IDFT部55。
此外，在步骤ST6的处理中，以向传声器2a的观测信号频谱X1(ω，τ)乘以滤波b(ω，τ)的情况为例进行了说明，但也可以向传声器2b的观测信号频谱X2(ω，τ)乘以滤波b(ω，τ)，还可以构成为向任意的传声器2的观测信号频谱乘以滤波b(ω，τ)。
IDFT部55通过离散逆傅立叶变换将在步骤ST6中生成的输出信号频谱Y(ω，τ)变换为时域的输出信号y(t)(步骤ST7)。IDFT部55将在步骤ST7中变换出的输出信号y(t)输出至扬声器6(步骤ST8)。之后，流程图返回到步骤ST1的处理，重复上述的处理。
通过上述处理，从扬声器6输出去除了杂音、抑制了失真的声音。此外，虽然以扬声器6为例进行了说明，但IDFT部55的输出目标也可以是耳机、存储器、硬盘等。在输出目标是存储器、硬盘等存储介质的情况下，在该存储介质保存去除了杂音的声音的数字数据。
在传声器阵列3由大于或等于三个传声器2构成的情况下，频带选择部53例如也可以利用由多个传声器对21观测到的声音的到来方向的平均值来生成滤波。由此，能够进行更高精度的杂音去除。
如上所述，根据本实施方式1，将杂音去除装置1构成为具有：传声器阵列3，其具有对声音信号进行观测的多个传声器2；以及杂音去除处理部5，其从由多个传声器2观测到的声音信号去除杂音而取得目标声音，多个传声器2中的彼此相邻的两个传声器2具有如下配置关系，即，在包含该两个传声器2、产生目标声音的目标声源A、产生杂音的杂音源B的平面12中，连接目标声源A和第一线段10的中点11的第二线段14、连接杂音源B和第一线段10的中点11的第三线段15所成的角θ的平分线与连接两个传声器2的第一线段10的垂直平分线13是一致的。因此，实施方式1的杂音去除装置1能够抑制输出信号的失真，能够实现高的杂音去除性能。由此，目标声音的清晰度提高。
实施方式2.
在该实施方式2中，说明具有进行回音消除处理的结构的杂音去除装置。
图9是表示本发明的实施方式2中的杂音去除装置1A的结构的图。
杂音去除装置1A构成为向图1所示的实施方式1的杂音去除装置1追加了回音消除部8。以下，对与实施方式1中的杂音去除装置1的结构要素相同或相当的部分标注与实施方式1中使用过的标号相同的标号，省略或简化说明。
如图9所示，向杂音去除装置1A除了扬声器6之外还连接有播放装置7。播放装置7进行如下处理，即，例如在免提通话系统中，对通话对方的声音(以下，记载为通话声音)进行接收，通过播放扬声器101对接收到的通话声音进行播放。如果由播放扬声器101对通话声音进行播放，则播放出的通话声音混入到讲话者102的通话用传声器(传声器阵列3)中，讲话者声音如回音那样被反复播放而从扬声器6输出。回音消除部8进行用于避免讲话者声音如回音那样被重复播放这一状况的处理。
在杂音去除装置1A中，多个传声器2对从播放扬声器101输出的通话声音、讲话者102的发言声音进行观测。另外，杂音去除装置1A进行与实施方式1相同的处理，从观测信号将由播放扬声器101输出的通话声音作为杂音去除，得到目标声音即讲话者102的发言声音的输出信号。而且，杂音去除装置1A基于播放装置7的参照信号，对发言声音的输出信号进行回音消除的处理。
构成传声器阵列3的至少一组传声器对21是以实施方式1的图2所示的位置关系配置的。即，构成传声器对21的传声器2a、2b被配置为，在包含传声器2a、2b、目标声源A、杂音源B的平面12中，连接目标声源A和第一线段10的中点11的第二线段14、连接杂音源B和中点11的第三线段15所成的角θ的平分线与第一线段10的垂直平分线13是一致的。
杂音去除处理部5与实施方式1同样地，从由传声器2输入的观测信号去除由杂音源B即播放扬声器101输出的杂音(回音成分)。杂音去除处理部5将去除了杂音的输出信号输出至回音消除部8。在由杂音去除处理部5进行的杂音的去除中，通常由于混响或其他干扰因素，难以完全去除回音成分。因此，在回音消除部8中，从杂音去除处理部5的输出信号去除残留回音成分。
回音消除部8基于播放装置7的参照信号从由杂音去除处理部5输入的输出信号去除残留回音成分。作为回音消除部8基于播放装置7的参照信号去除残留回音成分的方法，已知LMS算法、及仿射投影算法。回音消除部8将去除了残留回音成分的输出信号输出至扬声器6。由此，从扬声器6输出去除了残留回音成分的讲话者102的输出信号。
在回音消除部8去除残留回音成分前，通过杂音去除处理部5从由以图2所示的位置关系配置的传声器对21输出的讲话者102的观测信号去除杂音，能够提高回音消除部8中的残留回音成分的去除性能。由此，在从扬声器6输出的输出信号中，目标声音即讲话者102的声音的清晰度提高。
接着，对杂音去除装置1A的动作进行说明。
图10是表示本发明实施方式2中的杂音去除装置1A的动作的流程图。
以下，对与实施方式1中的杂音去除装置1相同的步骤标注与图8所示的标号相同的标号，省略或简化说明。
在步骤ST7中，如果IDFT部55通过离散逆傅立叶变换将输出信号频谱Y(ω，τ)变换为时域的输出信号y(t)，则IDFT部55将变换后的输出信号y(t)输出至回音消除部8。回音消除部8基于播放装置7的参照信号从在步骤ST7中变换出的输出信号y(t)去除残留回音成分，生成输出信号z(t)(步骤ST11)。回音消除部8将在步骤ST11中生成的输出信号z(t)输出至扬声器6(步骤ST12)。之后，流程图返回到步骤ST1的处理，重复上述的处理。
如上所述，根据本实施方式2，将杂音去除装置1A构成为传声器2具有回音消除部8，该回音消除部8对讲话者的通话声音的声音信号进行观测，从由杂音去除处理部5取得的目标声音去除通话声音的残留回音成分。因此，实施方式2的杂音去除装置1A能够提高回音成分的去除性能，提高目标声音即讲话者的声音的清晰度。
实施方式3.
在本实施方式3中，对具有进行异常声音检测处理的结构的杂音去除装置进行说明。
图11是表示本发明的实施方式3中的杂音去除装置1B的结构的图。
杂音去除装置1B构成为向图1所示的实施方式1的杂音去除装置1追加了异常声音检测部9。以下，对与实施方式1中的杂音去除装置1的结构要素相同或相当的部分标注与实施方式1中使用过的标号相同的标号，省略或简化说明。
如图11所示，就杂音去除装置1B而言，多个传声器2对从监视对象设备103输出的动作音、由杂音源B产生的杂音进行观测。另外，杂音去除装置1B进行与实施方式1相同的处理，从观测信号去除杂音，得到目标声音即监视对象设备103的动作音的输出信号。而且，杂音去除装置1B进行从监视对象设备103的动作音检测异常声音的处理。实施方式3的杂音去除装置1B例如能够应用于始终对设备的动作音进行监视，对与该设备的不良情况或故障相伴的异常声音进行检测的设备监视系统等。
构成传声器阵列3的至少一组传声器对21被配置为实施方式1的图2所示的位置关系。即，构成传声器对21的传声器2a、2b被配置为，在包含传声器2a、2b、目标声源A、杂音源B的平面12中，连接目标声源A和第一线段10的中点11的第二线段14、连接杂音源B和中点11的第三线段15所成的角θ的平分线与第一线段10的垂直平分线13是一致的。
杂音去除处理部5与实施方式1相同地，将从由传声器2输入的观测信号去除了杂音的信号去除，得到目标声音即监视对象设备103的动作音的声音信号。杂音去除处理部5将去除了杂音的监视对象设备103的动作音的声音信号作为输出信号输出至异常声音检测部9。
异常声音检测部9从由杂音去除处理部5输入的输出信号，对由监视对象设备103产生的异常声音进行检测。异常声音检测部9对异常声音进行检测的处理例如能够应用参考文献1或参考文献2所记载的检测方法。异常声音检测部9输出表示是否检测出异常声音的检测结果。
·参考文献1
日本特开2010-271073号公报
·参考文献2
日本特开2008-76246号公报
在异常声音检测部9进行检测异常声音的处理前，通过杂音去除处理部5从由以图2所示的位置关系配置的传声器对21输出的监视对象设备103的动作音的声音信号去除杂音，能够提高在多种多样的环境中对由监视对象设备103产生的异常声音进行检测的精度。
接着，对杂音去除装置1B的动作进行说明。
图12是表示本发明的实施方式3中的杂音去除装置1B的动作的流程图。
以下，对与实施方式1中的杂音去除装置1相同的步骤标注与图8所示的标号相同的标号，省略或简化说明。
在步骤ST7中，IDFT部55如果通过离散逆傅立叶变换将输出信号频谱Y(ω，τ)变换为时域的输出信号y(t)，则将该输出信号y(t)输出至异常声音检测部9。异常声音检测部9将在步骤ST7中变换出的输出信号y(t)的频率与预先设定的阈值进行比较而进行是否是异常声音的判定(步骤ST21)。异常声音检测部9将是否是异常声音的判定结果作为检测结果输出至设备控制装置(未图示)等(步骤ST22)。之后，流程图返回到步骤ST1的处理，重复上述的处理。
此外，上述步骤ST21的异常声音检测部9的处理是一个例子，也可以应用其他异常声音检测处理。
如上所述，根据本实施方式3，将杂音去除装置1B构成为具有异常声音检测部9，该异常声音检测部9通过传声器2对监视对象设备103的动作音的声音信号进行观测，参照由杂音去除处理部5取得的目标声音，对由监视对象设备103产生的异常声音进行检测。因此，实施方式3的杂音去除装置1B能够提高在多种多样的环境中异常声音的检测精度。
另外，在异常声音检测部9检测出异常声音的情况下，例如能够进行使监视对象设备103自动停止的控制，进行通过警报或邮件等向操作者通知监视对象设备103的不良情况的控制。由此，能够防止监视对象设备103在不稳定的工作状态下长时间运转。
实施方式4.
在本实施方式4中，对在目标声源和杂音源的存在范围可以移动的状况下，用于高精度地去除杂音的传声器2的配置进行说明。
图13是表示本发明的实施方式4中的杂音去除装置1的传声器2、目标声源A和杂音源B1、B2的位置关系的图。图13A是表示目标声源A和杂音源B1、B2可能存在的范围与传声器阵列3的位置关系的图。图13B是表示构成传声器阵列3的三个传声器2a、2b、2c的位置关系的图。图13C是表示传声器2a、2b、2c、目标声源A、杂音源B1、B2的位置关系的图。
如图13A所示，以传声器阵列3为中心，形成目标声源A可能存在的范围(以下，记载为目标声源方向范围)F、杂音源B1、B2可能存在的范围(以下，记载为杂音源方向范围)G1、G2。目标声源方向范围F和杂音源方向范围G1之间的边界由穿过传声器阵列3的中心的边界面H1表示。目标声源方向范围F和杂音源方向范围G2之间的边界由穿过传声器阵列3的中心的边界面H2表示。在目标声源方向范围F的范围内也可以存在多个目标声源A。相同地，在杂音源方向范围G1的范围内也可以存在多个杂音源B1，在杂音源方向范围G2的范围内也可以存在多个杂音源B2。
接着，一边参照图13B，一边对构成传声器阵列3的各传声器2的配置进行说明。构成传声器阵列3的三个传声器2位于平面I上。另外，将平面I与边界面H1的交线设为边界线H3，将平面I与边界面H2的交线设为边界线H4。在平面I中，三个传声器2中的位于中央的传声器2a(第一音频传感器)配置于边界线H3和边界线H4所成的角θ4的平分线J上。位于传声器2a相邻处的传声器2b(第二音频传感器)配置于边界线H3上。位于传声器2a的另一相邻处的传声器2c(第三音频传感器)配置于边界线H4上。
将边界线H3和边界线H4相交的交点K、传声器2a的中心、传声器2b的中心连接而形成的三角形成为将交点K和传声器2a的中心连接的线段的长度、将交点K和传声器2b的中心连接的线段的长度相等的等腰三角形。
相同地，将交点K、传声器2a的中心、传声器2c的中心连接而形成的三角形成为将交点K和传声器2a的中心连接的线段的长度、将交点K和传声器2c的中心连接的线段的长度相等的等腰三角形。
另外，如图13C所示，在目标声源A位于平分线J上，杂音源B1位于边界线H3上的情况下，目标声源A、杂音源B1、及传声器2a、2b满足实施方式1所示的关系。
如图13C所示，将连接传声器2a、传声器2b的第一线段10的中点设为中点11。在通过传声器2a、传声器2b、目标声源A、杂音源B1的平面12中，连接目标声源A和中点11的第二线段14、连接杂音源B1和中点11的第三线段15所成的角θ5的平分线与将第一线段10垂直地平分的垂直平分线13是一致的。
另外，如图13C所示，将连接传声器2a的中心、传声器2c的中心的第一线段10的中点设为中点11。在包含传声器2a、传声器2c、目标声源A和杂音源B2的平面12中，连接目标声源A和中点11的第二线段14、连接杂音源B2和中点11的第三线段15所成的角θ6的平分线与第一线段10的垂直平分线13是一致的。
此外，传声器阵列3与目标声源A之间的距离、或者传声器阵列3与杂音源B1、B2之间的距离，与各传声器2a、2b、2c之间的距离相比充分长。另外，对传声器阵列3由如上所述配置的三个传声器2构成进行了说明，但也可以是至少包含如上所述配置的三个传声器2的结构。
对于由具有如上所述配置的传声器2的传声器阵列3观测到的声音的观测信号，与实施方式1相同地由AD变换器4变换为数字信号，由杂音去除处理部5去除杂音而得到输出信号。另外，也可以设为如下结构，即，应用实施方式2的结构，针对由杂音去除处理部5去除杂音而得到的输出信号，由回音消除部8去除残留回音成分。另外，也可以设为如下结构，即，应用实施方式3的结构，针对由杂音去除处理部5去除杂音得到的输出信号，由异常声音检测部9进行异常声音的检测处理。
如上所述，根据本实施方式4，将杂音去除装置构成为，具有：传声器阵列3，其具有对声音信号进行观测的大于或等于三个传声器2；以及杂音去除处理部5，其从由传声器2观测到的声音信号，去除杂音而取得目标声音，在两条边界线H3、H4所成的角的平分线J上配置传声器2中的传声器2a，该边界线H3、H4表示在相邻的三个传声器2所在的平面I中产生目标声音的目标声源可能存在的范围即目标声源方向范围F、与产生杂音的杂音源B1、B2可能存在的范围即杂音源方向范围G1、G2的边界，在两条边界线H3、H4线上分别配置传声器2b、2c，在目标声源A位于两条边界线H3、H4所成的角θ4的平分线上，杂音源B1、B2分别位于两条边界线H3、H4上的情况下，传声器2a、2b、2c具有如下配置关系，即，在包含彼此相邻的两个传声器2、目标声源A、杂音源B的平面12中，连接目标声源A和第一线段10的中点11的第二线段14、连接杂音源B和第一线段10的中点11的第三线段15所成的角θ5、θ6的平分线与连接两个传声器的第一线段10的垂直平分线13是一致的。
因此，实施方式4的杂音去除装置在目标声音的清晰化最为困难的状况下，换言之，在杂音源位于杂音源最接近目标声源的位置即目标声源方向范围和杂音源方向范围的边界线上的情况下，能够使杂音去除性能最大化。因此，根据实施方式4的杂音去除装置，只要杂音源在杂音源方向范围内，则无论存在于哪个位置，都能够实现稳定的杂音去除性能。
就实施方式4所示的具有由三个传声器2构成的传声器阵列3的杂音去除装置而言，设想的是应用于例如枪式传声器、或会议系统等。
除上述之外，本发明在其发明的范围内，能够进行各实施方式的自由组合、各实施方式的任意的结构要素的变形、或各实施方式的任意的结构要素的省略。
工业实用性
本发明涉及的杂音去除装置能够适用于针对除了从所期望的方向到来的声音之外还包含周围的杂音等的声音，从中将该杂音等分离的设备。
标号的说明
1、1A、1B杂音去除装置，2、2a、2b、2c、2d、2e、2f传声器，3传声器阵列，4 AD变换器，5杂音去除处理部，8回音消除部，9异常声音检测部，21传声器对，51、52 DFT部，53频带选择部，54乘法部、55 IDFT部。

Claims (5)

1.一种杂音去除装置，其具有：
音频传感器阵列，其具有对声音信号进行观测的多个音频传感器；以及
杂音去除处理部，其从由所述多个音频传感器观测到的声音信号去除杂音而取得目标声音，
所述多个音频传感器中的彼此相邻的两个所述音频传感器具有如下配置关系，即，在包含该两个音频传感器、产生所述目标声音的目标声源、产生所述杂音的杂音源的平面中，连接所述目标声源和第一线段的中点的第二线段、连接所述杂音源和所述第一线段的中点的第三线段所成的角的平分线与所述第一线段的垂直平分线是一致的，该第一线段是连接所述两个音频传感器的线段。
2.根据权利要求1所述的杂音去除装置，其特征在于，
所述音频传感器对讲话者的通话声音的声音信号进行观测，
该杂音去除装置具有回音消除部，该回音消除部从由所述杂音去除处理部取得的所述目标声音去除所述通话声音的残留回音成分。
3.根据权利要求1所述的杂音去除装置，其特征在于，
所述音频传感器对监视对象设备的动作音的声音信号进行观测，
该杂音去除装置具有异常声音检测部，该异常声音检测部参照由所述杂音去除处理部取得的所述目标声音，对由所述监视对象设备产生的异常声音进行检测。
4.一种杂音去除装置，其具有：
音频传感器阵列，其具有对声音信号进行观测的大于或等于三个音频传感器；以及
杂音去除处理部，其从由所述音频传感器观测到的声音信号去除杂音而取得目标声音，
对于所述音频传感器中的相邻的三个所述音频传感器中的第一音频传感器、第二音频传感器及第三音频传感器，在表示目标声源方向范围与杂音源方向范围的边界的两条边界线所成的角的平分线上配置所述第一音频传感器，在所述两条边界线上分别配置所述第二音频传感器及所述第三音频传感器，其中，所述目标声源方向范围是在所述第一音频传感器、所述第二音频传感器及所述第三音频传感器所在的平面中产生所述目标声音的目标声源可能存在的范围，所述杂音源方向范围是产生所述杂音的杂音源可能存在的范围，
在所述目标声源位于所述两条边界线所成的角的平分线上，所述杂音源分别位于所述两条边界线上的情况下，
所述第一音频传感器、所述第二音频传感器及所述第三音频传感器具有如下配置关系，即，在包含彼此相邻的两个音频传感器、所述目标声源、所述杂音源的平面中，连接所述目标声源和第一线段的中点的第二线段、连接所述杂音源和所述第一线段的中点的第三线段所成的角的平分线与所述第一线段的垂直平分线是一致的，该第一线段是连接所述两个音频传感器的线段。
5.一种杂音去除方法，其具有下述步骤：
在包含构成音频传感器阵列的彼此相邻的两个音频传感器、产生目标声音的目标声源、和产生杂音的杂音源的平面中，以如下配置关系配置所述两个音频传感器，即，连接所述目标声源和第一线段的中点的第二线段、连接所述杂音源和所述第一线段的中点的第三线段所成的角的平分线与所述第一线段的垂直平分线是一致的，该第一线段是连接所述两个音频传感器的线段；
由所述两个音频传感器对声音信号进行观测；以及
由杂音去除处理部从所述观测的声音信号去除所述杂音而取得所述目标声音。
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