JP2002530964A

JP2002530964A - 指向性の高いマイクロホンアレイ

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Publication number: JP2002530964A
Application number: JP2000583295A
Authority: JP
Inventors: ルング，マルティン
Original assignee: GN Netcom AS
Current assignee: GN Audio AS
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2002-09-17
Also published as: CN1155292C; US6526147B1; KR100595475B1; NO20012043D0; AU753058B2; CN1325605A; ES2212680T3; DK1133895T3; HK1038675A1; NO20012043L; EP1133895A1; KR20010100991A; DE69913732T2; CA2350549A1; DE69913732D1; ATE256958T1; WO2000030402A1; HK1038675B; EP1133895B1; AU1151000A

Abstract

(57)【要約】指向性の高いマイクロホンアレイは、細長いハウジング（１０）に配置された複数のマイクロホンを含む。個々のマイクロホンは対にして配置され、各対の個々のマイクロホンはマイクロホンアレイの中央線の両側に設けられる。マイクロホンからの信号を合計してマイクロホンアレイからの出力信号を形成する。中央線の各側のマイクロホンは距離が異なるように配置され、各マイクロホン（Ｍ_4-−Ｍ₄₊）および合計リンク（Ｓ）の間には、低域フィルタ（Ｆ₁₊，Ｆ₂₊，Ｆ₃₊，Ｆ₄₊，Ｆ_1-，Ｆ_2-，Ｆ_3-，Ｆ_4-）が結合される。１つの対に関連するマイクロホンは同じ遮断周波数の低域フィルタに接続され、低域フィルタの遮断周波数はマイクロホンの対ごとに異なり、遮断周波数は、中央線から最も遠いマイクロホンの対（Ｍ_4-，Ｍ₄₊）に対しては最低であり、マイクロホン対が中央線に近くなるにつれて遮断周波数は高くなる。このマイクロホンアレイは、マイクロホン間の距離および低域フィルタの遮断周波数が互いに調整されるように、配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、細長い素子またはハウジングに配置された複数のマイクロホンを含
むマイクロホンアレイに関する。このマイクロホンアレイ内の個々のマイクロホ
ンは対にして配置され、各対の個々のマイクロホンはマイクロホンアレイの中央
線の両側に設けられ、これらマイクロホンからの信号を合計することでマイクロ
ホンアレイの出力信号が形成される。

【０００２】この種のマイクロホンアレイは、有限個のマイクロホンからの信号の直和を用
い、周波数に依存する指向性を示す。一般に、この指向性は、アレイの実効長お
よび関連の周波数の音波の波長に依存する。したがって、周波数が低ければ（す
なわち波長Ｌがアレイの長さよりもはるかに長いような周波数の場合）小さな指
向性しか得られない。この指向性は、アレイの長さよりもはるかに波長が短い場
合の非常に高い指向性に達するまで、周波数とともに増大する。

【０００３】マイクロホンアレイがある程度の指向性をもたらすことができる最短波長は、
アレイ全体の長さに依存する。指向特性に多大な副ローブが伴わない最高周波数
は、アレイ内のマイクロホン間の距離に依存する。

【０００４】このように、アレイの長さおよびマイクロホン間の距離（またマイクロホンの
数）は、ある限度内で所与の指向性が所望される周波数レンジに依存する。

【０００５】良好な指向性を得ることを目的として構成されたこのようなマイクロホンアレ
イは、例として会議や集会との関連で用いられる。この場合、マイクロホンは、
一人または場合によっては複数の話し手からの音声は検知するが部屋の別の場所
にいておそらくは他のマイクロホンを使用する話し手からの音声は検知しないよ
うに、位置付けられる。さらに、このようなマイクロホンアレイは、電子会議や
テレビ会議などでも用いられ、ここでも同様に、話している人物からの音声は検
出するが他の人々からの騒音または一般のバックグラウンドノイズはピックアッ
プしないことが望ましい。

【０００６】特別な用途としては、パーソナルコンピュータなどとの関連で使用されるであ
ろう。この場合、マイクロホンアレイを画面の近傍たとえば上に設ければ画面の
ユーザからの音声をマイクロホンで検知できると考えられる。

【０００７】マイクロホンアレイのサイズが小さい場合には、マイクロホンアレイを適切な
位置に簡単に配置できかつアレイが低価格であることが重要である。これは特に
、アレイには数が多すぎかつ複雑すぎる構成要素がなくその構造が比較的単純で
あることの必要性を意味する。

【０００８】導入部で定義付けられたような種類のマイクロホンアレイは、たとえば、米国
特許第４，３１１，８７４号から既知であり、ここでは各マイクロホンアレイに
おいて比較的多くのマイクロホンを用いて所望の程度の指向性を得ている。この
アレイのマイクロホンは、マイクロホン間の距離が等しくならないようにすなわ
ち等距離にならないように配置されている。

【０００９】加えて、マイクロホン間の距離を変えて配置し、マイクロホンを種類の異なる
フィルタに接続したマイクロホンアレイが既知である。これはたとえば、デンマ
ーク特許第３６３３９９１号から既知であり、ここでは隣接する周波数帯域
の帯域フィルタを用いている。

【００１０】本発明の目的は、比較的短く、マイクロホンが比較的少数であり、かつ比較的
単純な手段を備え、高度の指向性を示すことができる、マイクロホンアレイを提
供することである。

【００１１】この目的は、請求項１に開示のようにマイクロホンアレイを構成することによ
り達成される。マイクロホン信号のフィルタ処理によって、マイクロホンが、中
央面までの距離に応じ、より高い周波数に対しアクティブにならないようにする
。こうすれば、ある周波数レンジではアレイの実効長が波長に比例し、関連する
周波数レンジにわたって指向性を一定に保つことができる。さらに、マイクロホ
ンの正確な位置を適切に選択しこれに対応してフィルタ特性を適切に選択するこ
とにより、指向性を広範囲にわたる周波数に応じて定めることができると同時に
、マイクロホンの数を適切な低レベルに保つ。

【００１２】請求項２に開示のような適切な実施例を用いて、マイクロホンアレイの指向性
を一定にすることができる。すなわち、最低数のマイクロホンおよび所与の長さ
のアレイを用いて上側周波数ｆ₀まで周波数に関わらず指向性を一定に保つこと
ができる。この指向性は、周波数ｆ₀から周波数ｆ₀／３まで一定にできる。加え
て、ｆ₀／３からｆ₀／１０までの周波数レンジで最大限の高い指向性を得ること
ができる。単一指向性マイクロホンたとえば単一指向性１次傾斜マイクロホンを
用いて、マイクロホンアレイの主ローブがアレイの片側のみと関連するようにで
きる。

【００１３】請求項３に開示のような特に適切な実施例を用いて、５０００Ｈｚからおよそ
１６７０Ｈｚの範囲で一定の高い指向性を有し、さらにここからおよそ５００Ｈ
ｚすなわち人間の音声の周波数レンジの大部分の範囲で最大限の高い指向性を有
するマイクロホンアレイを得ることができる。

【００１４】請求項６および７に開示のような別の実施例を用いて、ユーザはさらなる利点
を得ることができる。すなわち、対象の人物が主ローブの領域にいるのかどうか
を即時確認できる。このことは、指向性が高いマイクロホンアレイを用いる場合
には非常に重要なことである。

【００１５】以下では本発明について図面を参照しつつより詳細に説明する。本発明に従う方向決定マイクロホンアレイは、多数のマイクロホン変換器を線
形にすなわち一列に構成した細長い素子またはハウジングからなる。このマイク
ロホン変換器を以下ではマイクロホンと呼ぶ。これらのマイクロホンをハウジン
グ内に組み込んでこれらがすべての側から音声を受けるようにできるが、以下で
より詳細に説明する実施例では、たとえば単一指向性１次傾斜マイクロホンを使
用する場合のように、マイクロホンはマイクロホンアレイの前面からの音声のみ
を受ける。図１ａのブロック図は、指向性マイクロホンアレイの構成を示す。図
示の多数のマイクロホンＭ_4-−Ｍ₄₊は一列に配置され、中央部の１対のマイクロ
ホンＭ_1-，Ｍ₁₊はマイクロホンアレイの中央面または中央線の両側に配置され、
これに対応して残りの対Ｍ_2-，Ｍ₂₊、Ｍ_3-，Ｍ₃₊、Ｍ_4-，Ｍ₄₊は、中央面の両側
に１つずつ、上記面からの距離が次第に大きくなるように配置される。各マイク
ロホンからの電気信号は別々のフィルタＦ_4-−Ｆ₄₊のうち対応するものに結合さ
れ、フィルタの伝達関数はそれぞれＨ_4-（ｆ）−Ｈ₄₊（ｆ）である。各フィルタ
は、３次のアナログ低域フィルタとして構成され、２次全域フィルタで位相修正
されており、フィルタからの出力信号は、マイクロホンアレイの最終出力信号を
形成する合計リンクＳに与えられる。

【００１６】低域フィルタＦ_4-−Ｆ₄₊は、対として同一で、関連するマイクロホン対に対応
するように構成される。したがって、遮断周波数ｆ_c4-−ｆ_c4+は対に関しては同
じであり、この周波数は、マイクロホン対の中央面からの位置Ｙに関連して減少
するように調整される。

【００１７】図１ｂは、マイクロホン回路組立ての代替方法を示している。ここでは、マイ
クロホンアレイの対称性すなわちフィルタＦ₁₊がフィルタＦ_1-に対応し、フィル
タＦ₂₊がフィルタＦ_2-に対応するといったことを利用している。図１ｂの回路の
機能は図１ａの回路の機能と同じであるが、前者の回路は、４つの合計リンクＳ ₁ −Ｓ₄を挿入することにより４つのフィルタを省いて、より少ない構成部品で実
現できる。

【００１８】図２は、マイクロホンアレイのマイクロホンＭ_4-−Ｍ₄₊個々の位置決めを、直
角３次元座標系において示しており、８つのマイクロホンがＹ軸に配置されてい
れる。したがって、個々の対については、Ｘ−Ｚ面の両側にそれぞれのマイクロ
ホンが置かれ、この面がマイクロホンアレイの対称面を形成する。

【００１９】テストシミュレーションおよび実験により、アレイの中央面からのマイクロホ
ンの距離Ｙおよび遮断周波数ｆ_c双方を変化させて、これらのパラメータ間の関
係が見出された。この関係を用いれば、広い周波数レンジにわたって多大な副ロ
ーブを伴うことなく一定の高い指向性が得られる。加えて、このテストでは、周
波数レンジがさらに広い場合でも、最大限の高い指向性が得られることが確認さ
れている。

【００２０】以下の表１は、マイクロホンの位置Ｙについて見出された概算値およびこれに
関連するフィルタの遮断周波数ｆ_cの概算値を示す。この周波数の値は、参照周
波数ｆ₀に関して正規化されている。この参照周波数は、所望の主ローブが存在
する周波数帯域の上側の値である。同様に、位置についての値は、自由大気内の
参照周波数ｆ₀の音波の波長Ｌ₀に関して正規化されている。この実施例では、周
波数および音波の波長間の変換において用いられた値は、大気内での音速につい
て、ｃ＝３４２ｍ／ｓである。ここに示した値を用いれば、マイクロホンアレイ
の指向性を一定にできる、すなわち、最低の数のマイクロホンについて、所与の
長さのアレイで、上側周波数ｆ₀まで周波数に関わらず一定の指向性が得られる
。この指向性は、ｆ₀からｆ₀／３までの周波数で一定にできる。加えて、指向性
を、ｆ₀／３からｆ₀／１０までの周波数レンジで最大限に高くすることができる
。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１に示したフィルタの遮断周波数の値は、たとえば、表２に示すような周波
数特性のフィルタを用いて得ることができる。この周波数特性は、大きさおよび
位相を周波数の関数として示したものである。この表は、フィルタの周波数応答
を、ｆ₀／１０から２ｆ₀までの大きさ（ｄＢ）および位相（度）として示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】上限周波数ｆ₀を５０００Ｈｚとし、表３のように構成した実施例では、５０
００Ｈｚからおよそ１６７０Ｈｚまでの範囲で一定の高い指向性を有し、さらに
、ここからおよそ５００Ｈｚまで、すなわち人間の音声の周波数レンジの大部分
の領域で、最大限の高い指向性を有するマイクロホンアレイが得られる。

【００２５】これらのフィルタを、３次低域フィルタおよび２次全域フィルタを用いて直接
的に実現できる。回路技術の点からすれば、これは多数の異なる方法で実現でき
、当業者が与えられた情報に基づいて成すことができるものである。

【００２６】

【表３】

【００２７】表４は、表３に示した遮断周波数に対応するフィルタの周波数特性を示す。こ
の周波数特性は、大きさおよび位相を周波数の関数として示したものである。

【００２８】

【表４】

【００２９】このようにして構成したマイクロホンアレイでは、水平面すなわち図２に示し
たＸ−Ｙ面における指向特性が得られ、この特性は図３に示すようにｆ₀からｆ₀ ／３の周波数についてのものである。ここで、この面での主ローブは−１５度か
ら＋１５度の角度をカバーしていることがわかる。

【００３０】図４は、周波数ｆ₀／１０について水平面で記録された、アレイの波長を考慮
した（アレイの全長はｆ₀／１０の波長のわずか０．５８倍に等しいにすぎない
）ときの、対応する指向特性を示す。ここから、このように周波数が低くてもこ
のアレイで高い指向性が得られることがわかる。

【００３１】図５には、垂直面すなわち図２のＸ−Ｚ面で記録された、全周波数に対するマ
イクロホンアレイの指向特性を示す。ここから、この面において主ローブは−６
５度から＋６５度の角度をカバーすることがわかる。ここに示したすべての特性
は、Ｘ軸方向の感度に関する−３ｄＢ感度についての角度で示されている。

【００３２】図６は、視覚表示機能を説明するために、本発明に従うマイクロホンアレイの
ハウジング１０の断面を示す。この断面は例として中央面の垂直面すなわちＸ−
Ｚ面に沿うものである。ハウジング１０の前に、好ましくは点状でありたとえば
発光ダイオードから構成できる光源１１が設けられる。ハウジング１０の前面に
は開口部１２が設けられ、ここを通して光源からの光を出すことができる。開口
部１２の端部は、光源をある角度にわたる領域内で見ることができるように構成
され、この角度の領域は、マイクロホンアレイの主ローブの角度の領域に対応す
る。

【００３３】図６は角度領域１４を垂直面で示したもので、表示エリア内にある第１の目１
５および表示エリアの外にある第２の目１６が示されている。通常、ユーザの目
と、マイクロホンアレイが検出すべき音声が発せられる口との間の距離は、マイ
クロホンアレイとユーザとの間の距離と比べれば重要でない。したがって、ユー
ザが開口部１２を通して光源１１を見ることができれば、アレイはユーザの音声
を検出すると仮定できる。明らかに、開口部１２を、主ローブの空間角度領域全
体が同じように表示されるよう、長さ全体に沿い構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１ａ】図１ａは、本発明に従うマイクロホンアレイの構成を示すブロ
ック図を示す。

【図１ｂ】図１ｂは、本発明に従うマイクロホンアレイの代替構成を備え
る、対応のブロック図を示す。

【図２】図２は、空間座標系におけるマイクロホンアレイの個々のマイク
ロホンの位置決めを示す。

【図３】図３は、本発明に従うマイクロホンアレイの指向特性を示し、こ
の指向特性はｆ₀／３からｆ₀の周波数について水平面で示される。

【図４】図４は、図３に示したものに対応する指向特性を示し、周波数は
ｆ₀／１０である。

【図５】図５は、本発明に従うマイクロホンアレイの指向特性を示し、こ
の指向特性はマイクロホンアレイの垂直中央面において示される。

【図６】図６は、本発明に従うマイクロホンアレイのハウジングの断面を
示し、アレイの主ローブを表示するための内蔵視覚インジケータが設けられてい
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細長い素子またはハウジング（１０）に配置された複数のマ
イクロホンを含むマイクロホンアレイであって、前記マイクロホンアレイにおい
て、個々のマイクロホンは対にして配置され、各対の個々のマイクロホンは前記
マイクロホンアレイの中央線の両側に配置され、前記マイクロホンからの信号を
合計して前記マイクロホンアレイからの出力信号を形成し、前記中央線の各側のマイクロホンは、互いに異なる距離で位置決めされるすな
わち等距離にならないように位置決めされ、各マイクロホン（Ｍ_4-−Ｍ₄₊）およ
び合計リンク（Ｓ）の間に低域フィルタ（Ｆ₁₊，Ｆ₂₊，Ｆ₃₊，Ｆ₄₊，Ｆ_1-，Ｆ_2- ，Ｆ_3-，Ｆ_4-）が結合され、１つの対に関連するマイクロホンは同じ遮断周波数
の低域フィルタに接続され、低域フィルタの遮断周波数はマイクロホン対によっ
て異なり、前記中央線から最も遠いマイクロホンの対（Ｍ_4-，Ｍ₄₊）に対する遮
断周波数は最も低く、遮断周波数は、マイクロホン対が前記中央線に近いほど高
く、前記マイクロホンアレイは、前記マイクロホン間の距離および前記低域フィ
ルタの遮断周波数が互いに関連付けて調整されるように、配置されることを特徴
とする、マイクロホンアレイ。
【請求項２】前記マイクロホンアレイには８つのマイクロホン（Ｍ_1-−Ｍ ₄₊ ，Ｍ₁₊−Ｍ₄₊）が設けられ、前記マイクロホンアレイの指向性は上側周波数ｆ ₀ まで一定であり、前記マイクロホンアレイの中央線から１対のマイクロホンの
うち一方のマイクロホンへの距離Ｙは、Ｙ₁₊＝０．３３Ｌ₀，Ｙ_1-＝０．３３Ｌ₀，Ｙ₂₊＝１．０３Ｌ₀，Ｙ_2-＝１．０３Ｌ₀，Ｙ₃₊＝１．８５Ｌ₀，Ｙ_3-＝１．８５Ｌ₀，Ｙ₄₊＝２．８９Ｌ₀，Ｙ_4-＝２．８９Ｌ₀ であり、各マイクロホン対に関連する低域フィルタの遮断周波数ｆ_cは、ｆ_c1+＝１．１ｆ_c, ｆ_c1-＝１．１ｆ_c，ｆ_c2+＝０．８ｆ_c，ｆ_c2-＝０．８ｆ_c，ｆ_c3+＝０．４５ｆ_c，ｆ_c3-＝０．４５ｆ_c，ｆ_c4+＝０．０４ｆ_c，ｆ_c4-＝０．０４ｆ_c であり、Ｌ₀は上側周波数ｆ₀についての波長であり、前記上側周波数まで指向性は一定で
あることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロホンアレイ。
【請求項３】前記上側周波数ｆ₀は５０００Ｈｚであり、６８．４ｍｍの
波長Ｌ₀に対応し、前記マイクロホンアレイの中央線から１対のマイクロホンの
うち一方のマイクロホンへの距離Ｙは、Ｙ₁₊＝２２．３ｍｍ，Ｙ_1-＝−２２．３ｍｍ，Ｙ₂₊＝７０．３ｍｍ，Ｙ_2-＝−７０．３ｍｍ，Ｙ₃₊＝１２６ｍｍ，Ｙ_3-＝−１２６ｍｍ，Ｙ₄₊＝１９８ｍｍ，Ｙ_4-＝−１９８ｍｍであり、各マイクロホン対に関連する低域フィルタの遮断周波数ｆ_cは、ｆ_c1+＝５５００Ｈｚ，ｆ_c1-＝５５００Ｈｚ，ｆ_c2+＝４０００Ｈｚ，ｆ_c2-＝４０００Ｈｚ，ｆ_c3+＝２３００Ｈｚ，ｆ_c3-＝２３００Ｈｚ，ｆ_c4+＝２００Ｈｚ，ｆ_c4-＝２００Ｈｚであることを特徴とする、請求項２に記載のマイクロホンアレイ。
【請求項４】前記低域フィルタは３次低域フィルタであり、アナログエレ
クトロニクスを用いて２次全域フィルタで位相修正されたものであることを特徴
とする、請求項２に記載のマイクロホンアレイ。
【請求項５】前記マイクロホンアレイのマイクロホンはすべて同じ種類の
ものであることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロホンアレイ。
【請求項６】前記マイクロホンアレイは、細長いハウジング（１０）内に
おいて、前記マイクロホンが前記ハウジング（１０）の１つの側面に向いて外に
面するように、形成され、前記ハウジングの側面に、ユーザが前記マイクロホン
アレイの主ローブの領域にいるときに前記ユーザに表示できるインジケータが形
成されることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロホンアレイ。
【請求項７】前記インジケータは前記ハウジング（１０）のリセスまたは
開口部（１２）に形成された光源（１１）であり、前記ハウジングのリセスまた
は開口部（１２）の境界が、前記マイクロホンアレイの主ローブに対応する、前
記マイクロホンアレイに関連する角度をなすことを特徴とする、請求項６に記載
のマイクロホンアレイ。