JP2001045592A

JP2001045592A - 雑音キャンセル式マイクロホンアレイ

Info

Publication number: JP2001045592A
Application number: JP2000197129A
Authority: JP
Inventors: Alexander Goldin; アレグザンダー・ゴールディン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2001-02-16
Also published as: EP1065909A2

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロホンが受ける音響干渉を抑制する方
法及び装置を提供する。【解決手段】音響干渉に関連する音源（５４）からの
音の識別性を高める方法は、複数の音センサ（５２）を
所定位置に設け、前記音響干渉及び音源に応答して前記
複数の音センサからのそれぞれの信号を受信することを
含む。複数のスペクトル帯域のそれぞれにおける前記複
数の信号のそれぞれの特性が決定され、前記特性が分析
されて前記音源と関連する前記信号の一部を識別して強
めるスペクトル利得関数（１３２）が計算される。１つ
あるいはそれ以上の前記複数の音センサからの前記信号
が処理されて結合マスタ信号が生成され、前記音響干渉
による前記スペクトル利得関数に関連して前記音源と関
連する前記信号の一部が強められた出力信号を生成する
ように前記スペクトル利得関数が前記マスタ信号に適用
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、マイクロ
ホンの分野に関し、さらに詳しく言えば、マイクロホン
の雑音のキャンセルおよび信号の強化に関する。

【０００２】

【従来の技術】雑音、エコーおよび他の干渉によって、
従来のマイクロホンで記録した信号の知覚品質が著しく
劣化することがある。さらに、雑音で汚染された信号が
圧縮用音声エンコーダに送られると、エンコーダは雑音
と信号を区別することができないため、圧縮解除された
信号の品質がさらに落ちることがある。例えば、スピー
カホン、ハンズフリー通信手段またはテレビ会議システ
ムなどのマイクロホンで拾った音響エコーは、接続部か
ら離れた場所ではかなり不快の原因となることがある。
エコーがかかる場合、全二重通信時の唯一の解決方法
は、音響エコーキャンセル方法を用いることである。チ
ュー（Ｃｈｕ）の米国特許第５，３０５，３０７号公報
およびダットヴェイラー（Ｄｕｔｔｗｅｉｌｅｒ）の米
国特許第５，５６６，１６７号公報には、音響エコーキ
ャンセル方法が記載されており、これらの内容全体を参
照により本願明細書に引用するものとする。

【０００３】しかしながら、エコーキャンセル機能の効
果を完全に発揮できるのは、ディジタルドメインの場合
のみであり、コンピュータを使用したメモリによる高コ
スト化につながる。実際の音響環境では、音響エコーの
キャンセルを良好に行うことさえ非常に困難である。ま
た、低価格の小型ラウドスピーカを用いる場合、人為的
に導入されることもあり、ラウドスピーカの特性である
非線形性により、この問題がさらに複雑になる。音声認
識ソフトウェアを用いる場合、さらなる干渉（例えば、
主要な話者以外の人の声やその他の音源）が深刻な問題
になることがあり、このような干渉を受けないようにす
る必要がある。

【０００４】関心の音を他の音の中から拾うかまたは何
らかの手段で抽出する獲得装置または技術が必要とされ
ている。または、このような装置または技術は、獲得し
た信号の干渉（雑音、エコー、他の話者など）を抑える
ことによって、信号対雑音比（以下、ＳＮ比）（ＳＮ
Ｒ）を高めるものであると言える。これらの目的を達成
するために、関心の音は、望ましくない干渉と何らかの
物理的な相違がなければならない。現在の最新技術で
は、異なる物理的性質に基づいて３つのアプローチをと
ることで、ＳＮ比を高めている。これらのアプローチは
別々に用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。

【０００５】第１のアプローチは、信号と雑音間の統計
特性の相違を利用するものである。Ｇｒａｕｐｅ等の米
国特許第４，１８５，１６８号公報およびＥａｔｗｅｌ
ｌ等の米国特許第５，７６８，４７３号公報では、この
方法が用いられており、その内容全体を参照により本願
明細書に引用するものとする。雑音は、信号と比較する
と安定した「ほぼ静止状態の」特性をもつものであると
仮定される。ここで用いた「ほぼ静止状態の」という用
語は、雑音のスペクトルが信号のスペクトルに対して比
較的ゆっくりと変化することを意味する。このような違
いから、異なる周波数帯にある雑音のパワーレベルを推
定することができる。同時に、これと同じ周波数帯にあ
る信号の短時間パワーレベルがモニタされる。次いで、
出力信号の１以上の周波数帯が、現在のＳＮ比により抑
えられるか、または高められる。

【０００６】１つの帯域しか用いられない場合、このア
プローチは雑音ゲートへと縮小され、アナログドメイン
で一般的に行われる。これについては、Ｘｉｅの米国特
許第５，８３８，２６９号公報に記載されており、その
内容全体を本願明細書に引用するものとする。このアプ
ローチの明らかな欠点は、スペクトル特性が信号のもの
に似た変化をする過渡雑音または雑音を取り除くことが
できない点である。したがって、エコー、残響および音
声干渉を排除するためには実用的でない。また、雑音レ
ベルが高く、ある周波数帯でのＳＮ比が単一のものに近
い場合、このアプローチは信号をゆがめてしまうことが
ある。

【０００７】図１は、雑音キャンセル式マイクロホンを
用いたＳＮ比を高めるための第２のアプローチを示すも
のである。この図には、音響雑音キャンセル式マイクロ
ホン２０および電子雑音キャンセル式マイクロホン３０
が示されている。雑音キャンセル式マイクロホンには２
つの開口部があり、１つは音源の近く（前方）にあり、
もう１つは音源から離れた個所（後方）にある。雑音キ
ャンセル式マイクロホンは、これらの開口部を別々に設
けることにより生じる純圧力差を利用する。音響雑音キ
ャンセル式マイクロホンでは、純圧力差により１枚の振
動板２２が変位し、この変位が出力信号に反映される。
電子雑音キャンセル式マイクロホンでは、２つの束にし
たマイクロホン３２および３４が使用され、圧力差が電
子計算される。

【０００８】雑音キャンセル式マイクロホンは、雑音が
両開口部にほぼ同一に影響することから、雑音により発
生した純圧力差は事実上ゼロであるという仮定に基づい
て動作する。逆に言えば、信号はゼロでない純圧力差を
発生する。前方から後方へと伝わる音波では、音波に沿
った位相差と音圧（振幅）差の両方により純圧力差は影
響される。ほぼ球形の音波を発生する音源では、音圧
は、音源までの距離に反比例する。したがって、マイク
ロホンの感度は、開口部の間隔の関数となり、感度を上
げるためには、この間隔を比較的広げる必要がある。一
方、間隔が広くなればなるほど、マイクロホンが動作す
る周波数域での位相差も大きくなる。位相の制限によ
り、開口部間の間隔は通常１５ｍｍより狭いものに制限
される。このような狭い間隔では、音源がマイクロホン
に近接している場合、すなわちマイクロホンと音源との
距離が約３ｃｍよりも狭い場合にしか十分な音圧差が得
られないことになる。したがって、雑音キャンセル式マ
イクロホンの使用は、主に、ヘッドセットまたは話者の
口に非常に近い位置に設けられるかまたは保持された他
の装置に制限される。

【０００９】雑音および干渉信号を処理するための第３
のアプローチは、超指向性マイクロホンを用いることか
らなる。このようなマイクロホンは、関心の音源を遮る
方向の軸周りの比較的狭い範囲の角度から入る音を受け
取り、増幅しようとする。また、超指向性マイクロホン
は、音響的または電子的のいずれかで形成されてもよ
い。後者の場合のマイクロホンは、一般に「マイクロホ
ンアレイ」と呼ばれる。

【００１０】図２は、マイクロホンアレイ３８およびプ
ロセッサ４２を備えたマイクロホンアレイシステム３６
の略図である。アレイ３８は、軸に沿って設けられた２
以上の個々の音圧センサ４０からなる。個々のセンサ
は、無指向性、すなわち入力信号の方向に関係なく実質
的に固定された利得を有するか、または単一指向性、す
なわち利得が入力信号の方向の関数であるもののいずれ
かであってよい。プロセッサ４２は、個々のセンサから
の入力信号を組み合わせて、関心の方向にある音と他の
方向からの音を区別する出力信号を発生する。このよう
な区別を達成するために、プロセッサは、入力信号の線
形の組み合わせとして出力信号を計算する。また、プロ
セッサ４２が個々のセンサ４０間の位相差をより良く高
めるように、入力信号がフィルタがけされる場合もあ
る。このような位相差は、個々のセンサの空間的間隔
と、関心の音源と干渉音との間の角度間隔によって生じ
る。

【００１１】マイクロホンアレイシステムには、実行す
る処理の種類に応じて、固定されるかまたは適応される
ものがある。固定形のマイクロホンアレイシステムで
は、マイクロホンと関連する個々のフィルタが固定さ
れ、個々のセンサで獲得した信号に左右されない。フィ
ルタは、アレイが関心の方向から信号を受け、関心の方
向以外からの方向からの信号をすべて減衰するものが選
択される。適応形のアレイシステムでは、フィルタはア
レイ動作中に自動的に適応されるため、さまざまな特定
の状況を良好に処理できる。

【００１２】ブッターワース−ハイネマン（Ｂｕｔｔｅ
ｒｗｏｒｔｈ−Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ）により出版された
イアンアール．シンクレア（ＩａｎＲ．Ｓｉｎ
ｃｌａｉｒ）（Ｅｄ）によるオーディオ・ハイファイハ
ンドブック（ＡｕｄｉｏａｎｄＨｉ−ＦｉＨａｎ
ｄｂｏｏｋ）（第２版、１９９５年）および内容全体を
参照により本願明細書に引用するものとするマラッシュ
（Ｍａｒａｓｈ）の米国特許第５，８２５，８９８号公
報には、超指向性マイクロホンが記載されている。これ
らのマイクロホンは、マイクロホンアレイと音源もしく
は干渉源との間の距離がアレイ自体の寸法よりも実質的
に大きいものであるとする場合の遠距離仮定のもとで動
作する。この場合、マイクロホンに近づく音響波は、平
面波であると見なしてよい。この距離は通常、１００ｃ
ｍよりも実質的に大きいものでなければならない。

【００１３】したがって、超指向性マイクロホンを使用
すると、主に２つの制限が生じてくる。第１に、この使
用が、マイクロホンアレイと音源との間の距離が比較的
大きい状況に限られてくる。第２に、マイクロホンアレ
イは、関心の音源と、近くかまたは離れた位置に存在す
るが、同じ方向にある音源とを区別することができな
い。例えば、狭い部屋や残響室で超指向性マイクロホン
を用いても、多数の壁反射とこれらの部屋での音の拡散
特性により、ＳＮ比が一般に著しく高められることがな
い。

【００１４】したがって、雑音キャンセルに対する従来
のアプローチでは、マイクロホンと音源との距離（約３
〜１００ｃｍの距離）の中間域にある音源の雑音キャン
セル特性を有するか、またはすべての種類の音響干渉を
処理できるマイクロホンシステムまたは装置を提供でき
ない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、マイ
クロホンが受けた音響干渉を抑圧するために改良を施し
た方法および装置を提供することである。

【００１６】本発明のいくつかの態様の目的は、距離
（３〜１００ｃｍ）の中間域で雑音キャンセル特性を有
するマイクロホン装置を提供することである。

【００１７】本発明のいくつかの態様のさらなる目的
は、干渉信号の特性に関わらずＳＮ比を高める信号処理
マイクロホン装置および方法を提供することである。

【００１８】本発明のいくつかの態様のさらなる目的
は、所与の角度または距離範囲の外側にある信号を区別
することが可能な方法および装置を提供することであ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の好適な実施形態
において、マイクロホンアレイ装置は、間隔をとって離
した位置にある２以上の音圧センサのセットと、アナロ
グまたはディジタルのいずれかのものでよい信号プロセ
ッサを備える。プロセッサは、マスタ信号発生器、周波
数帯スプリッタのセット、利得制御器および信号結合器
とを備える。マスタ信号発生器は、１以上の圧力センサ
からの入力信号を結合して、当業者に既知の方法を用い
て、固定または適応ビームパターンを有するマスタ信号
を発生する。各センサからの信号は、スプリッタにより
異なる所定の周波数帯に分割し、次いで、分割した帯域
の信号は利得制御器に供給されて、異なる周波数帯のそ
れぞれのプリセットまたは適応利得関数を発生する。マ
スタ信号は、同じ所定の周波数帯に分割される。利得制
御器で発生した利得関数がマスタ信号帯に適用され、次
いで、出力信号が結合器によりこの帯域から再度形成さ
れる。

【００２０】利得制御器により発生した利得関数は、瞬
時電力および／または個々のセンサおよび、任意に、マ
スタ信号とは異なる周波数帯内にある位相差を用いる。
利得関数をマスタ信号に適用することによって、異なる
方向および距離からくる信号間をアレイが区別すること
ができるようになる。さらに詳しく言うと、約３〜１０
０ｃｍの範囲内の音源からの信号を区別することがで
き、この範囲外の音源とをはっきりと区別する。また、
入力信号の全スペクトル成分に従って利得を修正するこ
とにより、個々の周波数帯の相関関係が考慮されてもよ
い。例えば、電力は、使用前に平滑化されてもよいし、
全出力利得は、あるしきい値を超えた個々の利得関数の
数に基づいて修正されてもよい。

【００２１】したがって、本発明の好適な実施形態にお
いて、音源から受けた音と音響干渉から受けた音とを高
度に区別するための方法であって、所定の位置にある複
数の音センサを提供するステップと、干渉と音源に応答
する複数の音センサからのそれぞれの信号を受信するス
テップと、複数のスペクトル帯域のそれぞれにある複数
の信号のそれぞれの特性を決定するステップと、音源と
関連する信号の一部を高度に区別するスペクトル利得関
数を計算するために、上記決定した特性を分析するステ
ップと、組み合わせたマスタ信号を発生するために、１
以上の複数のセンサからの信号を処理するステップと、
音源と関連する信号の一部が音響干渉による信号に対し
て高められた出力信号を発生するために、スペクトル利
得関数をマスタ信号に適用するステップとを含む方法が
提供される。

【００２２】スペクトル利得関数を適用するステップ
は、決定される特性に対して複数の帯域に対応する複数
のスペクトル帯域にマスタ信号を分割するステップと、
利得因子を各帯域に適用するステップとを含むことが好
ましい。

【００２３】決定した特性を分析するステップは、音セ
ンサから受信した信号の電力差に応答する利得関数を決
定するステップを含むことが好ましい。

【００２４】この代わりとして、決定した特性を分析す
るステップは、音センサから受信した信号の位相差に応
答する利得関数を決定するステップを含む。

【００２５】マスタ信号を発生させるために１以上の信
号を処理するステップは、少なくとも１つの周波数帯に
おいて１以上の信号のそれぞれのスペクトル成分を合計
するステップを含むことが好ましい。

【００２６】この代わりとして、マスタ信号を発生させ
るために１以上の信号を処理するステップは、好適な方
向からくる音のマスタ信号に対する寄与を高めるよう
に、相対位相に応答する信号を結合するステップを含
む。

【００２７】それぞれの信号を受信するステップは、高
速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いるステップを含み、ス
ペクトル利得関数を適用するステップは、逆ＦＦＴを用
いるステップを含むことが好ましい。

【００２８】決定した特性を分析するステップは、音源
が検出される感度領域内の領域を選択するステップを含
むことが好ましい。

【００２９】感度領域は、複数の音源から３〜１００ｃ
ｍの範囲の距離を含むことが好ましい。

【００３０】複数のセンサは、少なくとも１つの全指向
性センサを含むことが好ましい。

【００３１】この代わりとして、複数のセンサは、少な
くとも１つの単一指向性センサを含む。

【００３２】利得関数を計算するステップは、単一指向
性センサの利得関数に応答する関数を計算するステップ
を含むことが好ましい。

【００３３】さらに、本発明の好適な実施形態におい
て、ある位置にある供給源から受けた音と音響干渉から
受けた音とを高度に区別するための方法であって、所定
の位置にある音センサのアレイを提供するステップと、
干渉と供給源からの音に応答する音センサアレイからの
それぞれの信号を受信するステップと、音センサアレイ
の位置からの供給源の位置の距離を含む選択された範囲
の距離内から受けた音の１以上の特性を識別するために
信号を分析するステップと、識別した特性に応答する利
得関数を決定するステップと、選択した範囲の距離内か
ら受けた音に対応する信号の一部がこの範囲外からの音
に対して高められた出力信号を発生するために、利得関
数を受信した信号に適用するステップとを含む方法が提
供される。

【００３４】利得関数を決定するステップは、音センサ
から受けた信号の電力差に応答する利得関数を決定する
ステップを含むことが好ましい。

【００３５】利得関数を決定するステップは、音センサ
から受けた信号の位相差に応答する利得関数を決定する
ステップを含むことが好ましい。

【００３６】信号を分析するステップは、複数のスペク
トル帯域の各々の信号のそれぞれの特性を決定するステ
ップを含むことが好ましい。

【００３７】この代わりとして、利得関数を決定するス
テップは、少なくとも１つのスペクトル帯域を用いる利
得関数を決定するステップと、この関数を他の帯域に適
用するステップとを含む。

【００３８】信号を分析するステップは、高速フーリエ
変換（ＦＦＴ）を用いるステップとを含み、利得関数を
適用するステップは、出力信号を発生させるために逆Ｆ
ＦＴを用いるステップを含むことが好ましい。

【００３９】センサアレイは、少なくとも１つの全指向
性センサを含むことが好ましい。

【００４０】この代わりとして、センサアレイは、少な
くとも１つの単一指向性センサを含む。

【００４１】利得関数を決定するステップは、単一指向
性センサの利得関数に応答する関数を計算するステップ
を含むことが好ましい。

【００４２】さらに、本発明の好適な実施形態におい
て、音源から受けた音と音響干渉から受けた音とを高度
に区別するための装置であって、干渉と音源に応答する
それぞれの複数の信号を発生する複数の音センサと、そ
れぞれの複数の信号を複数のスペクトル帯域に分割する
複数のスプリッタと、少なくとも１つの複数の信号に応
答するマスタ信号を発生するマスタ信号発生器と、信号
に応答する音源と関連する信号の一部を高度に区別する
スペクトル利得関数を計算する利得制御器と、音源と関
連する信号の一部が音響干渉による信号に対して高めら
れる出力信号を発生するように、スペクトル利得関数を
マスタ信号に適用する信号結合器とを含む装置が提供さ
れる。

【００４３】マスタ信号発生器は、複数のスプリッタが
信号を分割する複数の帯域に応答する複数のスペクトル
帯域にマスタ信号を分割するスプリッタを含むことが好
ましい。

【００４４】利得制御器は、音センサから受けた信号の
電力差に応答する利得制御を計算することが好ましい。

【００４５】この代わりとして、利得制御器は、音セン
サから受けた信号の位相差に応答する利得関数を計算す
る。

【００４６】複数の音センサは、少なくとも１つの全指
向性センサを含むことが好ましい。

【００４７】この代わりとして、複数の音センサは、少
なくとも１つの単一指向性センサを備える。

【００４８】利得制御器は、単一指向性センサの利得関
数に応答するスペクトル利得関数を計算することが好ま
しい。

【００４９】さらに、本発明の好適な実施形態におい
て、ある位置にある供給源から受けた音と音響干渉から
受けた音とを高度に区別するための装置であって、干渉
と音源に応答するそれぞれの複数の信号を発生し、所定
位置にある音センサアレイと、音センサアレイの位置か
らの供給源の位置の距離を含む選択した範囲の距離内か
ら受けた音の１以上の特性を識別するために信号を分析
し、識別した特性に応答する利得関数を決定する利得制
御器と、選択した範囲の距離内から受けた音に対応する
信号の一部がこの範囲外からの音に対して高められる出
力信号を発生するように、利得関数を受信した信号に適
用する信号結合器とを含む装置が提供される。

【００５０】上記装置は、センサから受信した信号を複
数のスペクトル帯域にそれぞれ分割する複数のスプリッ
タを含むことが好ましい。

【００５１】上記装置は、少なくとも１つの複数の信号
に応答するマスタ信号を発生し、このマスタ信号に信号
結合器が利得関数を適用するマスタ信号発生器を含むこ
とが好ましい。

【００５２】音センサアレイは、少なくとも１つの全指
向性センサを含むことが好ましい。

【００５３】この代わりとして、音センサアレイは、少
なくとも１つの単一指向性センサを含むことが好まし
い。

【００５４】利得制御器は、単一指向性センサの利得関
数に応答する利得関数を計算することが好ましい。

【００５５】本発明は、図面とともに、以下の本発明の
実施形態の詳細な説明からより完全に理解されるであろ
う。

【００５６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好ましい実施形態
によるマイクロホンアレイシステム４８の概略ブロック
図である図３を参照する。システム４８は、音圧センサ
５２のアレイ５０と、センサからの信号にある雑音ある
いは他の干渉の影響を減らすためにセンサから受信され
た信号を処理するプロセッサ６０とを備えている。好ま
しくは、音圧力センサ５２はほぼ同じ特性を有し、可聴
音声周波数の全帯域にわたって作動する全指向性マイク
ロホンである。代わりに音圧センサ５２は単一指向性マ
イクロホンでもよい。

【００５７】最も好ましくは、センサ５２間の距離は、
複数の周波数を放出する関心の音源５４から個別のセン
サによって発生された信号が位相および出力によって区
別可能であるように選択されると同時に、センサが通常
同じサウンドフィールドにあることができる、すなわち
同じ音源によって比較しうるように影響を及ぼすことが
できる。位相情報が使用される場合、センサ５２間の距
離も、受信周波数の範囲の空間エイリアシングを防止す
るのに十分小さくなければならない。最も好ましくは、
音源５４は、アレイ５０の中心から約３〜１００ｃｍの
中間距離範囲内の位置にある。

【００５８】センサ５２が単一指向性である場合、セン
サ５２は音源５４の方へほぼ同じ方向に向けられている
ことが好ましい。代わりにセンサの中の１つ、好ましく
は音源５４から最も遠いセンサは、とりわけ、音源の方
向から得られる音と反対方向から得られる音との区別を
改良するために順に反対方向に向けられてもよい。

【００５９】図４は、本発明の好ましい実施形態による
プロセッサ６０の動作を示す概略ブロック図である。プ
ロセッサ６０は、電子設計の方法、適切であれば当該技
術で既知のソフトウェアプログラミングの方法によっ
て、アナログ、ディジタルあるいはハイブリッドアナロ
グ−ディジタル形式で実現されてもよい。プロセッサ６
０は、マスタ信号発生器６２と、１組のスプリッタ６４
と、利得制御器６６と、利得減少器６８と、結合器７０
と、マスタ信号スプリッタ７２とを備えている。好まし
くは、プロセッサ６０がディジタル形式で実行される場
合、プロセッサ６０は、複数のアナログ／ディジタル変
換器７４と、ディジタル／アナログ変換器７６とを備え
ている。変換器７４は、センサ５２からの信号をディジ
タル化し、それぞれのディジタル化信号をスプリッタ６
４およびマスタ信号発生器６２に転送する。ディジタル
／アナログ変換器７６は、アナログ信号として結合器７
０から信号を出力する。代わりに、プロセッサ６０がア
ナログ形式あるいはハイブリッドアナログ−ディジタル
形式で実行される場合、センサ５２からの信号は、スプ
リッタ６４およびマスタ信号発生器６２に直接転送さ
れ、結合器７０はアナログ出力を直接に発生する。

【００６０】各スプリッタ６４は、それぞれのセンサ５
２から信号を受信し、フィルタを使用して信号を周波数
帯域を分割し、分割信号を利得制御器６６に転送する。
アナログあるいはハイブリッドで実施する場合には、ス
プリッタ６４はアナログフィルタのセットとして実施さ
れる。好ましくは、各フィルタは、約１／３のオクター
ブをカバーし、このセットは可聴範囲の音をカバーする
のに十分である。ディジタルで実施する場合には、スプ
リッタ６４は、個別信号毎に実行された半ウィンドウ重
なり（half-window overlap）を有する一連のウィンド
ウＦＦＴ変換として実行されるのが好ましい。当該技術
で既知であるようなハンニングウィンドウ（Hanning wi
ndows）がこの目的のために使用されるのが好ましい。
ＦＦＴから生じる複素係数のシーケンスは個別周波数帯
域信号を示す。

【００６１】マスタ信号発生器６２は、各センサ５２か
ら全帯域信号を受信し、１つの出力マスタ信号を発生す
る。マスタ発生器６２は、関心の音源が個別のセンサか
らの信号と比較されて強化され、当該技術で既知の任意
の適当なビーム形成方式を使用するように出力マスタ信
号を発生するのが好ましい。例えば、Ａｌｅｘａｎｄｅ
ｒＧｏｌｄｉｎ著のＮｕｍｅｒｉｃａｌＯｐｔｉｍ
ｉｚａｔｉｏｎＯｆＮｏｎ−ａｄａｐｔｉｖｅＭｉ
ｃｒｏｐｈｏｎｅＡｒｒａｙｓ"（Ｐｒｏｃ．ＩＥ
ＥＥＩｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎＡｃｏｕｓｔｉｃ
ｓ，ＳｐｅｅｃｈａｎｄＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅ
ｓｓｉｎｇ（１９９７），ｐａｇｅｓ５０７−５１０）
において、著者は、いかに強められた信号が個別センサ
からのフィルタリングされた信号の和として発生されて
もよいかを示している。フィルタは、数値最適化手順中
アレイ設計段に固定され、選択される。最適化の目的
は、良好な指向性に強められた信号の最少オフアクシス
周波数調子（off-axis frequency coloration）を提供
することにある。または、発生器６２はセンサ５２の中
の１つ、好ましくは関心の音源の方へ向けられたセンサ
からの信号を、それを変えないで使用してもよい。

【００６２】発生器６２からの出力信号は、利得制御器
６６に出力されるマスタ信号セットを発生するようにマ
スタ信号スプリッタ７２によって周波数帯域に分割され
る。好ましくは、マスタスプリッタ７２が、スプリッタ
６４の各々とほぼ同じように構成され、機能を果たす。

【００６３】制御器６６は、マスタ信号および個別セン
サ５２からの信号のパラメータの関数により各特定の周
波数帯域の利得を設定することによって作動する。一般
化利得関数は下記の式によって示される。

【００６４】ここで、Ｇ_ｉ（ｔ）は瞬時ｔの帯域ｉに対する利得であ
り、ｋは信号が分割される帯域の数であり、ｍはアレイ
５０のセンサの数であり、Ｐ_ｊ ^Ｍ（ｔ）、ｊ＝
１，．．，ｋはマスタ信号の瞬時パラメータであり、Ｐ
_ｊ ^ｎ（ｔ）、ｊ＝１，．．，ｋは、第ｎ番目のセンサか
らの信号の瞬時パラメータである。一般的には、このパ
ラメータは、所与の周波数帯域の信号のそれぞれの振
幅、パワー、あるいは位相を示している。

【００６５】利得制御器６６は、入力信号の短期出力お
よび位相情報に応じて周波数帯域の各々に対する利得を
発生する。（特定の利得関数は、図６、図７および図８
を参照して下記に詳述され、それによって利得制御器６
６は、特定の帯域の信号がアレイ５０の前の「感度領
域」の内外から得られるかどうかによりスプリッタ６４
およびスプリッタ７２によって発生された異なる帯域の
利得を割り当てる。一般に、感度領域の外側に発生する
信号が抑圧される。）各利得は、各帯域をそのそれぞれ
の利得と掛ける利得減少器６８のそれぞれのマスタ信号
帯域に直接印加される。次に、別個の出力データ信号は
結合され、結合器７０の１つの出力信号を形成する。ア
ナログあるいはハイブリッド実行に関しては、結合器７
０はアナログミキサである。ディジタル実行に関して
は、結合器７０は単なるディジタルミキサである。ＦＦ
Ｔがスプリッタ６４および７２に使用される場合、逆Ｆ
ＦＴは結合器７０で使用される。代わりに結合器７０
は、当該技術で既知のようなより複雑な構造を有しても
よい。

【００６６】図５は、本発明の他の好ましい実施形態に
よるプロセッサ８０の動作を示す概略ブロック図であ
る。後述される違いとは別に、プロセッサ８０は、プロ
セッサ６０とほぼ同様に作動し、それによって、プロセ
ッサ６０および８０で同じ番号を有する構成要素はほぼ
同様に構成され、機能する。センサ５２からの信号は対
応するスプリッタ６４に転送される。プロセッサ８０が
アナログ実施形態あるいはハイブリッド実施形態として
構成される場合、転送は直接行われる。プロセッサ８０
がディジタル実施形態である場合、転送はＡ／Ｄ変換器
７４を介する。それぞれの信号を周波数帯域に分割した
後、各スプリッタはその分割された信号を利得制御器６
６およびマスタ信号発生器６２に転送する。発生器６２
は、当該技術で既知の帯域毎の加算あるいは他の処理を
使用して分割信号を結合し、スプリッタ６４の信号に対
応する周波数帯域のマスタ信号セットを発生する。次
に、マスタ信号セットは、利得制御器６６および利得減
少器６８に直接転送されるので、プロセッサ６０のマス
タスプリッタ７２は必要ない。プロセッサ８０の動作の
残りは、実質的にプロセッサ６０を参照して前述される
ような動作である。

【００６７】図６は、本発明の好ましい実施形態に適用
可能なマイクロホンアレイ９０の配置を示す概略図であ
る。この図は、対応する利得関数を計算するために式
（１）のパラメータとして瞬時音響出力を使用する方法
を示す。アレイ９０は軸９６上にあり、距離２Ｄだけに
離れた２つの全指向性音センサ９２を備えている。音源
９４は、アレイ９０の中心から距離Ｌにあり、軸９６に
対し角度θをなしている。音源９４とセンサ９２との間
の距離Ｌ_１、Ｌ_２は、下記によって示される。

【００６８】

【００６９】音源９４とセンサ９２を結ぶ線が軸９６と
なす角度θ_１およびθ_２は、下記によって示される。

【００７０】

【００７１】ほぼ球面波を放射する音源に適用される逆
二乗法則によれば、信号の瞬時出力は音源への距離の二
乗に反比例する。したがって、センサ９２に関しては、
センサにおいて振幅Ａ_２およびＡ_１をそれぞれ有する２
つの出力Ｐ_２およびＰ_１の比ｒは下記によって示され
る。

【００７２】

【００７３】有限Ｌ＞Ｄの場合：−９０°＜θ＜９０°
の場合、すなわち、音源がアレイの前方にある場合はｒ
＜１、θ＝±９０°の場合、すなわち、音源がアレイを
横断する場合はｒ＝１、９０°＜θ＜２７０°の場合、
すなわち音源がアレイの後ろにある場合はｒ＞１距離Ｌ
がＤに比較して大きい場合、全ての角度θに対してｒは
１に近づく。

【００７４】したがって、下記の不等式は、ここで感度領域と呼ばれる空間の領域を規定する。
ここで、ｒ_Ｃは「臨界比」である。

【００７５】図７は、本発明の好ましい実施形態による
アレイ９０に対する感度領域を示すグラフ（Ｌ，θ）プ
ロットである。このプロットは、Ｄ＝４０ｍｍの場合の
図６に示されたアレイ９０に対する幾何学的形状を使用
して計算される。アレイ９０は、５００ｍｍの半径の円
１０２の中心にある。外部線１００は、ｒ＜ｒ_Ｃ（ここ
で、ｒ_Ｃ＝０．７）によって規定された感度領域１０４
を囲む。中間線１１０は、ｒ＜０．６によって規定され
た感度領域１０６を囲み、内部線１２０は、ｒ＜０．４
によって規定された感度領域１０８を囲む。（線１０
０、１１０および１２０は、ｒ_Ｃのそれぞれの値に対す
るＬに対する式（３）を解くことによって生成され
る。）例えば、センサ９２に対する音響出力比（ｒ＝Ｐ
_２／Ｐ_１）が０．６５であった場合、音を発生する音源
は領域１０４内にあり、領域１０６および１０８の外部
にある。したがって、アレイ９０によって受信された音
の特定の周波数帯域に対してｒ＜ｒ_Ｃであるとすると、
音源はこの領域内にあると考えられるので、特定の帯域
に対する利得Ｇは理論的には１に設定されるべきであ
る。ｒ＞ｒ_Ｃである場合、音源はこの領域外にあると仮
定されるので、利得Ｇは理論的には０に設定されるべき
である。

【００７６】図８は、本発明の好ましい実施形態による
ｒ_Ｃ＝０．６の場合の理論および実際の利得関数を示す
グラフである。グラフの線１３０は、図７を参照して前
述されたモデルに適合する理論利得ステップ関数
｛（ｒ，Ｇ）｜Ｇ＝１，ｒ＜０．６；Ｇ＝０，ｒ＞０．
６｝に相当する。しかしながら、好ましくは、ステップ
関数は、曲線１３２によって示されるように通常連続す
る遷移領域１３４を有するように修正される。

【００７７】図４および図５に戻ると、利得制御器６６
は、特定の周波数帯域の瞬時出力の比ｒを計算する。好
ましくは、制御器６６は、各帯域の利得を設定するため
に図８の線１３２によって示される形の利得関数を利用
する。この利得は、利得減少器６８のマスタ信号の各帯
域に適用され、発生された信号は前述のように結合器７
０で結合され、出力信号を発生する。

【００７８】本発明の他の好ましい実施形態では、各セ
ンサ９２（図６）は、式Ｇ＝Ｔ（θ）の利得関数を有す
る単方向性圧力センサであり、ここでθはセンサにおけ
る信号の入射角である。単方向性センサを使用すること
は、干渉および信号の両方がある場合、エネルギー比に
悪影響を及ぼすかもしれない干渉を最初に減衰すること
によって決定をより容易にする。これは出力信号の質を
著しく改良できる。次に、式（３）は下記のようにな
る。

【００７９】角度θ_１、θ_２は式（２）により計算される。当業者に
明らかなように、式（５）は式（１）に対応する利得関
数を発生するために使用できる。

【００８０】図６、図７および図８を参照して前述され
た例は２つのセンサを使用しているが、本例で具体化さ
れた方法は、同様の計算がアレイ９０の３つあるいはそ
れ以上のセンサに対して実行できるので、式（１）に対
応するそれぞれの利得関数を発生するように簡単な方法
で一般化できる。サウンドフィールドのランダム変動が
閉じられた環境で生じる場合、３つあるいはそれ以上の
センサに対して発生された利得関数は通常より安定して
いる。さらに、３つあるいはそれ以上のセンサによって
発生されたマスタ信号は、２つのセンサによって発生さ
れるマスタ信号と較べて通常強められる。たとえば隣接
センサからの信号出力間の平均比あるいは最大比は利得
関数を計算するために使用されてもよい。センサの数を
増加させることは、マスタ信号を発生するために使用さ
れる固定アレイの指向性を改善するのに既知である。

【００８１】図６、図７および図８を参照して説明され
た例は、式（１）の利得関数を決定するパラメータとし
て瞬時音圧を使用している。その代わりあるいはそれに
加えて、利得関数を決定するために帯域信号間の瞬時位
相差も使用されてもよい。この種の好ましい実施形態で
は、式（４）の臨界比に対応する特定の帯域に対する特
定の角度セクタ内部の発生源からの位相差の最大許容値
が計算される。図８を参照して説明された利得関数と同
様な利得関数は、パラメータとして位相差を使用するこ
とによって発生され、出力信号を発生するように利得制
御器６６によって印加される。通常、実際の位相差が最
大許容値よりも大きい場合、所与の帯域の利得は減少さ
れる。

【００８２】さらに、本発明は前述の特定の利得関数に
限定されず、音声出力、位相および／あるいは他のパラ
メータに基づいた他の利得関数も、マイクロホンからの
その距離範囲によって音源を区別する目的のためにマイ
クロホンシステムで使用されてもよいことが理解され
る。

【００８３】前述の好ましい実施形態が例を挙げて示さ
れ、本発明の全範囲が特許請求の範囲によってだけ限定
されることがさらに理解される。

【図面の簡単な説明】

【図１】当業者に既知のものである音響雑音キャンセル
式マイクロホンおよび電子雑音キャンセル式マイクロホ
ンを示す図である。

【図２】当業者に既知のものであるマクロホンアレイと
プロセッサを備えたマイクロホンアレイシステムの略図
である。

【図３】本発明の好適な実施形態によるもので、マイク
ロホンアレイシステムの略図的ブロック図である。

【図４】本発明の好適な実施形態によるもので、図３の
システムでのプロセッサの動作を示す略図的ブロック図
である。

【図５】本発明の好適な実施形態によるもので、図３の
システムの代替プロセッサの動作を示す略図的ブロック
図である。

【図６】本発明の好適な実施形態によるもので、アレイ
の利得関数を計算するための方法を説明するマイクロホ
ンアレイの略図的レイアウトである。

【図７】本発明の好適な実施形態によるもので、図６の
アレイの音響感度を示すグラフプロット図である。

【図８】本発明の好適な実施形態によるもので、図６の
アレイの理論上および実際の利得関数を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

５２音センサ５４音源６２マスタ信号発生器６４、７２スプリッタ６６利得制御器７０信号結合器１３２スペクトル利得関数

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響干渉に関連する音源からの音の識別
性を高める方法であって、複数の音センサを所定位置に
設け、音響干渉及び音源に応答して前記複数の音センサ
からのそれぞれの信号を受信し、複数のスペクトル帯域
のそれぞれにおける前記信号のそれぞれの特性を決定
し、前記決定された特性を分析して前記音源と関連する
前記信号の一部を識別して強めるスペクトル利得関数を
計算し、１つあるいはそれ以上の前記複数の音センサか
らの前記信号を処理して結合マスタ信号を生成し、前記
音響干渉による前記スペクトル利得関数に関連して前記
音源と関連する前記信号の一部が強められた出力信号を
生成するように前記スペクトル利得関数を前記マスタ信
号に適用することを特徴とする方法。
【請求項２】前記スペクトル利得関数を適用すること
は、前記マスタ信号を前記特性が決定された複数の帯域
に対応する複数のスペクトル帯域に分割することと、利
得係数を各帯域に適用することから成ることを特徴とす
る請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記決定された特性を分析することは、
前記音センサからの信号のパワー差に応じて利得関数を
決定することから成ることを特徴とする請求項２又は３
に記載の方法。
【請求項４】前記決定された特性を分析することは、
前記音センサからの信号の位相差に応じて利得関数を決
定することから成ることを特徴とする請求項１〜３のい
ずれか１項に記載の方法。
【請求項５】前記１つあるいはそれ以上の信号を処理
して前記マスタ信号を生成することは、少なくとも１つ
の周波数帯域において、前記１つあるいはそれ以上の信
号のスペクトル成分を合計することから成ることを特徴
とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】前記１つあるいはそれ以上の信号を処理
して前記マスタ信号を生成することは、好適な方向から
来る音の前記マスタ信号への寄与を高めるように相対的
な位相に応じて前記信号を結合することから成ることを
特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】前記それぞれの信号を受信することは、
高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いることから成り、前
記スペクトル利得関数を適用することは、逆ＦＦＴを用
いることから成ることを特徴とする請求項１〜６のいず
れか１項に記載の方法。
【請求項８】前記決定された特性を分析することは、
前記音源が検出される感度領域を選択することから成る
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の
方法。
【請求項９】前記感度領域は、前記複数の音センサか
ら３〜１００ｃｍの範囲の距離から成ることを特徴とす
る請求項８に記載の方法。
【請求項１０】前記複数の音センサは、少なくとも１
つの全指向性センサから成ることを特徴とする請求項１
〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】前記複数の音センサは、少なくとも１
つの単一指向性センサから成ることを特徴とする請求項
１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】前記利得関数を計算することは、単一
指向性センサの利得関数に応じて前記利得関数を計算す
ることから成ることを特徴とする請求項１１に記載の方
法。
【請求項１３】音響干渉に関連する所定位置の音源か
らの音の識別性を高める方法であって、複数の音センサ
のアレイを所定位置に設け、前記音響干渉及び音源から
の音に応答して前記音センサのアレイからのそれぞれの
信号を受信し、前記信号を分析して前記アレイの位置か
らの前記音源の位置の距離を含む距離の選択された範囲
内から受信した音の１つあるいはそれ以上の特性を確認
し、前記確認された特性に応じて利得関数を計算し、前
記範囲の外側からの音に関連して、前記選択された範囲
内から受信した信号に対応する信号の一部が強められた
出力信号を生成するように前記利得関数を前記受信した
信号に適用することを特徴とする方法。
【請求項１４】前記利得関数を決定することは、前記
音センサから受信した信号のパワー差に応じて利得関数
を決定することから成ることを特徴とする請求項１３に
記載の方法。
【請求項１５】前記利得関数を決定することは、前記
音センサから受信した信号の位相差に応じて利得関数を
決定することから成ることを特徴とする請求項１３又は
１４に記載の方法。
【請求項１６】前記信号を分析することは、複数のス
ペクトル帯域のそれぞれにおいて前記信号の特性をそれ
ぞれ決定することから成ることを特徴とする請求項１３
〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】前記利得関数を決定することは、少な
くとも１つのスペクトル帯域を用いた利得関数を決定す
ることと、前記利得関数を他の帯域に適用することから
成ることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】前記信号を分析することは、高速フー
リエ変換（ＦＦＴ）を用いることから成り、前記利得関
数を適用することは、前記出力信号を生成するために逆
ＦＦＴを用いることから成ることを特徴とする請求項１
３〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】前記音センサのアレイは、少なくとも
１つの全指向性センサから成ることを特徴とする請求項
１３〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】前記音センサのアレイは、少なくとも
１つの単一指向性センサから成ることを特徴とする請求
項１３〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】前記利得関数を決定することは、単一
指向性センサの利得関数に応じて前記利得関数を計算す
ることから成ることを特徴とする請求項２０に記載の方
法。
【請求項２２】音響干渉に関連する音源からの音の識
別性を高める装置であって、前記音響干渉及び前記音源
に応じてそれぞれ複数の信号を生成する複数の音センサ
と、前記複数の信号のそれぞれを複数のスペクトル帯域
に分割する複数のスプリッタと、前記複数の信号のうち
の少なくとも１つに応じてマスタ信号を生成するマスタ
信号発生器と、前記信号に応じて前記音源と関連する前
記信号の一部を区別して強めるスペクトル利得関数を計
算する利得制御器と、前記音響干渉による前記スペクト
ル利得関数に関連して前記音源と関連する前記信号の一
部が強められた出力信号を生成するように前記スペクト
ル利得関数を前記マスタ信号に適用する信号結合器（７
０）とから成ることを特徴とする装置。
【請求項２３】前記マスタ信号発生器は、前記マスタ
信号を、前記複数のスプリッタが前記信号を分割する前
記複数の帯域に対応して、複数のスペクトル帯域に分割
するスプリッタ（７２）から成ることを特徴とする請求
項２２に記載の装置。
【請求項２４】前記利得制御器は、前記音センサから
受信した信号のパワー差に応じて前記利得関数を計算す
ることを特徴とする請求項２２又は２３に記載の装置。
【請求項２５】前記利得制御器は、前記音センサから
受信した信号の位相差に応じて前記利得関数を計算する
ことを特徴とする請求項２２〜２４のいずれか１項に記
載の装置。
【請求項２６】前記複数の音センサは、少なくとも１
つのセンサから成ることを特徴とする請求項２２〜２５
のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】前記複数の音センサは、少なくとも１
つの単一指向性センサから成ることを特徴とする請求項
２２〜２６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】前記利得制御器は、単一指向性センサ
の利得関数に応じて前記スペクトル利得関数を計算する
ことを特徴とする請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】音響干渉に関連する所定位置の音源か
らの音の識別性を強める装置であって、前記音響干渉及
び前記音源に応じてそれぞれ複数の信号を生成する、所
定位置の音センサのアレイと、前記信号を分析して前記
アレイの位置からの前記音源の位置の距離を含む距離の
選択された範囲内から受信した音の１つあるいはそれ以
上の特性を確認し、かつ前記確認された特性に応じて利
得関数を決定する利得制御器と、前記範囲の外側からの
音に関連して、前記選択された範囲内から受信した音に
対応する前記信号の一部が強められた出力信号を生成す
るように前記利得関数を前記受信した信号に適用する信
号結合器とから成ることを特徴とする装置。
【請求項３０】前記音センサからの前記信号をそれぞ
れ複数のスペクトル帯域に分割する複数のスプリッタを
備えたことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】前記信号結合器が前記利得関数を適用
し、前記複数の信号のうちの少なくとも１つに応じてマ
スタ信号を生成するマスタ信号発生器（６２）を備えた
ことを特徴とする請求項２９又は３０に記載の装置。
【請求項３２】前記音センサのアレイは、少なくとも
１つの全指向性センサから成ることを特徴とする請求項
２９〜３１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３３】前記音センサのアレイは、少なくとも
１つの単一指向性センサから成ることを特徴とする請求
項２９〜３２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３４】前記利得制御器は、単一指向性センサ
の利得関数に応じて前記利得関数を計算することを特徴
とする請求項３３に記載の装置。