JP2004328623A - Microphone device and sound source direction discriminating device - Google Patents

Microphone device and sound source direction discriminating device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently output only the voice of a driver in a vehicle as the output waveform signal. <P>SOLUTION: A sound source direction discriminating device is provided with a microphone 2 which largely changes the phase by the direction of the sound source, a microphone 1 which is arranged in a near position and in a different phase from the microphone 2 depending on the direction of the sound source, a phase comparator (discrimination means) 3 which discriminates the direction of the sound source based on the relation of the phase of the waveform signals outputted from the respective microphones. The microphone device controls the output level of the waveform signal from the microphones based on the discriminating result of the phase comparator 3. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音源から出力される音波を受信し、この音波に基づく出力波形信号を出力するマイクロホン装置および音源方向判定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
マイクロホン装置は、マイクロホンで音波を受信し、このマイクロホンから出力される波形信号をアンプで増幅して出力する。マイクロホンとしては、一般的に、無指向性マイクロホンや、単一指向性マイクロホンが利用されている。
【0003】
マイクロホン装置の指向特性は、基本的にその装置で使用するマイクロホンの指向特性で決まる。無指向性マイクロホンは、図2(A)に示すように略円形形状の指向特性を有する。また、単一指向性マイクロホンは、図2(D)に示すように略カージオイド形状の指向特性を有する。
【0004】
ところで、近年、自動車などの車両では、カーナビゲーションシステムや、移動通信システムが広く普及し始めている。このようなシステムでは、たとえばマイクロホン装置で受信した音声を音声認識装置で解析した結果に基づいてカーナビゲーションシステムを動作させたり、マイクロホン装置で受信した音声を移動通信システムで送信したりする。
【0005】
このような用途で使用されるマイクロホン装置では、運転手の音声を確実に受信して、かつ、周囲の走行ノイズなどはなるべく受信しない特性のものが望まれる。このため、単一指向性マイクロホンを、車両内の運転手のなるべく近くで、運転手に向けて配置するのが一般的となっている。また、その際、指向性を可変するものもある。(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
しかしながら、単一指向性マイクロホンを使用した場合、無指向性マイクロホンを使用するよりは改善されるものの、周囲の走行ノイズなどを多く受信してしまうことになる。単一指向性という単語から、正面のみに感度が高い特性を想像するが、実際は、側面側から音波を受信する感度が、正面から受信する場合の感度に比べて、わずかに数dB低いだけなのである。
【0007】
したがって、マイクロホン装置の出力信号は、運転手の音声に基づく成分とともに、周囲の走行ノイズなどの成分が含まれたものになってしまう。そのため、音声認識装置の認識率が悪化したり、移動通信システムの通話品質が低下することになる。
【0008】
そこで、使用するマイクロホンとして単一指向性の指向特性よりも正面以外の方向の感度を低く抑えたマイクロホンを使用することが考えられる。
【0009】
また、運転手の音声と走行ノイズとの受信レベルに差があることに着目して、マイクロホンの波形信号のレベルが所定の閾値レベルを超えたら、この波形信号を出力信号として出力することが考えられる。
【0010】
【特許文献1】
特開2001−245396公報(第2頁−5頁、第1図)。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の考え方では車両内の運転手の音声のみを効率よく出力波形信号として出力することはできない。
【0012】
前者のマイクロホンの指向特性の改善については、現実的に単一指向性よりも適しているマイクロホンはない。
【0013】
たとえば、単一指向性よりも側面からの感度を減らし指向特性の形状を前方に鋭くした超指向性とよばれるマイクロホンがある。しかしながら、超指向性のマイクロホンは原理的に音波の波長以上の長さが必要であり、短いものでも30cm程度の長さになってしまう。このため、運転手の口元に向かって設置することは現実的ではなくなってしまう。
【0014】
また、側面からの感度が低い双指向性という指向特性のマイクロホンがある。双指向性マイクロホンは、図2(B)に示すような略8の字形状の指向特性を有する。双指向性の場合、側面感度は低いが背面感度が正面と同程度になっている。背面側からの音が問題であるならば、双指向性のマイクロホンの背面を覆えば改善するような気がする。しかしながら、双指向特性の背面を塞ぐと無指向性の特性に近くなってしまうのである。無指向性のマイクロホンは、音波による空気の直接的な動きよりも、空気が動くことによって発生する気圧の変化を主にとらえているマイクロホンである。気圧の変化はどの方向からの音波でも同様に発生するので指向特性は無指向性となる。振動板の片側を塞ぐと振動板の動きは気圧変化によるものが主体的となる。このため、単一指向性の場合も同様であるが、マイクロホンの振動板の正面以外の周囲を塞いでしまうと、その意図とは逆に、マイクロホンの指向特性が無指向性に近くなってしまうのである。
【0015】
後者の閾値レベルに基づく判定技術では、音声信号の出力レベルと走行ノイズの出力レベルとの間に所望のレベル差が必要である。しかしながら、音声信号の出力レベルは、話者の音声や抑揚、話者とマイクロホンの距離の変動、あるいは周囲の騒音レベルなどによって大きく変化してしまう。したがって、このような音声信号の出力レベルの変動を考慮すると、適切な閾値レベルが設定できなくなってしまうので、声がとぎれとぎれになったり、あるいは走行ノイズが常時出力されるといったことになってしまったりする。
【0016】
音声信号の出力レベルと走行ノイズの出力レベルとの絶対的なレベル差を確保するためには、運転手とマイクロホンとの距離をなるべく短くすればよい。とはいっても、運転手にマイクロホン付のヘッドセットを装着するよう強要するのも現実的ではない。実際のところ、マイクロホンをサンバイザー付近に取り付けるなどして、運転手との距離を縮めることになる。これで30cm〜40cm程度まで近づけることになる。しかしながら、ヘッドセットを装着した場合と違い、話者とマイクロホンの距離が変動するために音声の出力レベルは変動してしまう。また、この変動はマイクロホンと運転手の距離が近いほど変動レベルが大きくなってしまう。たとえば、この距離が30cmの場合、前後に5cm動いただけで音声信号のレベルは2倍程度変化してしまう。したがって、マイクロホンの設置場所を工夫したとしても、適切な閾値レベルを設定することは非常に難しい。
【0017】
そこで、本願発明者は、たとえば双指向性マイクロホンや、双指向性の正面側と背面側の感度を異なるように変更した指向特性を有するマイクロホンなどでは、音波の受信方向によって波形信号の位相が変化することに着目し、この性質を利用することで、上述の問題をうまく解決できることに想到し、本願発明を完成するに至った。
【0018】
すなわち、本発明は、以上の課題を解決するものであり、複数のマイクロホンから出力される波形信号同士の位相差に基づいて、音源の相対方向を判断することができる音源方向判定装置を得ることを目的とする。
【0019】
また、本願の他の発明は、複数のマイクロホンから出力される波形信号同士の位相差に基づいて音源の相対方向を判断し、この判断結果に基づいて出力波形信号を制御するマイクロホン装置を得ることを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る音源方向判定装置は、音源の方向によって出力される波形信号の位相が大きく変化する第一のマイクロホンと、音源の方向によっては第一のマイクロホンとは異なる位相の波形信号を出力するマイクロホンであって、且つ、第一のマイクロホンと音波の波長に対して十分接近して配置された第二のマイクロホンと、各マイクロホンからそれぞれ出力される波形信号同士の位相を比較した結果に基づいて音源の方向を判定する判定手段と、を備えるものである。
【0021】
本発明に係る音源方向判定装置は、さらに、音源の方向によって出力される波形信号の位相が大きく変化する第一のマイクロホンとして、双指向特性の正面側の感度と背面側の感度を異なるように変化させた指向特性を有するマイクロホンを使用するとともに、そのマイクロホンの高感度側の方向が、装置の正面とは反対側の向きに設置されているものである。
【0022】
本発明に係る音源方向判定装置は、音源の方向によっては出力される波形信号の位相が互いに異なり、且つ、接近して配置された複数のマイクロホンと、それらマイクロホンから出力される波形信号、或いは、マイクロホンから出力される波形信号の位相をシフトした波形信号を、加算、或いは、減算する演算手段と、各マイクロホンから出力される波形信号に基づいた波形信号であるが、この演算手段から出力される波形信号とは異なる波形信号と、この演算手段から出力される波形信号との、位相を比較した結果に基づいて音源の方向を判定する判定手段と、を備えるものである。
【0023】
本発明に係る音源方向判定装置は、さらに、波形信号の加算、或いは、減算する演算手段において、加算、或いは、減算する波形信号同士の比率を、可変できるようにしたものである。
【0024】
本願の他の発明に係るマイクロホン装置は、音源の方向によっては出力される波形信号の位相が互いに異なり、且つ、近接して配置された複数のマイクロホンから出力される波形信号に基づいて生成される、複数の波形信号の位相を比較することによって、音源の方向を判定する判定手段と、この判定された音源の方向によって、波形信号の出力レベルを変化させる、出力レベル可変手段と、を備えるものである。
【0025】
本願の他の発明に係るマイクロホン装置は、さらに、音波に基づく波形信号のレベルを検出するレベル検出手段を設け、出力レベルを変化させる出力レベル可変手段において、レベル検出手段の検出結果によっても出力レベルを変化させるようにしたものである。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るマイクロホン装置および音源方向判定装置を、図面に基づいて説明する。
【0027】
実施の形態1.
【0028】
図1は、本発明の実施の形態1に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【0029】
音源方向判定装置は、主に、第二のマイクロホンとしての無指向性マイクロホン1と、第一のマイクロホンとしての双指向性マイクロホン2と、これらのマイクロホン1,2が出力する波形信号同士の位相を比較し、これらの位相比較の結果に基づいて変化する位相判定信号を出力する判定手段としての位相比較器3と、を備える。
【0030】
また、無指向性マイクロホン1と位相比較器3の間、および、双指向性マイクロホン2と位相比較器3の間にはそれぞれ、これらのマイクロホン1,2から出力された波形信号の振幅を増幅する増幅アンプ4が設けられている。
【0031】
図2(A)は、図1に示す無指向性マイクロホン1の指向特性を示す指向特性図である。無指向特性の指向特性曲線は、略円形状になる。つまり、無指向性マイクロホン1から出力される波形信号の振幅は、音源の強さが一定で音源との距離も一定ならば、相対方向にかかわらずに一定である。
【0032】
図2(B)は、図1に示す双指向性マイクロホン2の指向特性を示す指向特性図である。双指向特性の指向特性曲線は、2つの円をつなげたような略8の字形状になる。
【0033】
つまり、双指向性マイクロホン2から出力される波形信号の振幅は、双指向性マイクロホン2と音源との距離だけでなく、双指向性マイクロホン2と音源との相対方向に応じて変化する。具体的には、双指向性マイクロホン2に対して図示外の振動面に垂直な方向あるいは平行な方向から音波を与えた場合、振動面と平行な方向からの音波よりも垂直な方向からの音波のほうが、大きな振幅の波形信号を出力させることができる。図2(B)では、振動面は、横軸上に配設されている。
【0034】
また、双指向性マイクロホン2は、図2(B)の横軸よりも上側に音源がある場合と、図2(B)の横軸よりも下側に音源がある場合とで、双指向性マイクロホン2から出力される波形信号の位相が180度ずれる。別の言い方をすれば、図2(B)の指向特性図で8の字の窪みの位置付近で位相が180度変化する。
【0035】
以下、このような指向特性図の窪みの部分で位相が大きく変化するポイントを位相特異点とも記載する。図2(B)ではAの部分が位相特異点である。
【0036】
なお、図2(B)の位相特異点A以外の部分では、位相がほとんど変化しない。つまり、図2(B)の横軸より上側であれば、どの方向であってもほとんど同じ位相の波形信号が得られる。また、図2(B)の横軸より下側であれば、上側と位相が180度ずれているが、どの方向であってもほとんど同じ位相の波形信号が得られる。
【0037】
したがって、たとえば、図2(B)の横軸の上側の音源から正の位相の音波が入力されて、双指向性マイクロホン2から正の位相の波形信号が出力された場合には、横軸の下側の音源から正の位相の音波を入力すると、双指向性マイクロホン2からは負の位相の波形信号が出力されることになる。以下、音波の正の位相に基づいて、双指向性マイクロホン2から正の位相の波形信号が出力される方向を双指向性マイクロホン2の正面方向と記載する。また、音源の正の位相に基づいて、双指向性マイクロホン2から負の位相の波形信号が出力される方向を双指向性マイクロホン2の背面方向と記載する。また、図2(B)の横軸の方向を双指向性マイクロホン2の側面方向と記載する。
【0038】
なお、無指向性マイクロホン1では、双指向性マイクロホン2と違い、その前後において位相が大きく変化する位相特異点Aが存在せず、音源の相対方向がどのような方向であっても、同一の位相の波形信号を出力する。
【0039】
ところで、無指向性マイクロホン1としては、圧力型マイクロホンがある。圧力型マイクロホンは、たとえば、ダイナミック型マイクロホン、コンデンサー型マイクロホン、エレクトレットコンデンサー型マイクロホンなどで実現される。
【0040】
この圧力型マイクロホンは、基本的に、振動板の正面側が開放されるとともに、背面側がハウジングで密閉された構造を有する。音波による空気の動きが振動板を動かす原理には2つの種類がある。1つは、空気の動きを直接的に受けて空気の動きに追従する動き方である。2つ目は、空気の動きによって発生した気圧の変化に振動板が動かされる動き方である。なお、この2種類の動きは後者の気圧による動きの方が圧倒的に大きい。圧力型マイクロホンの場合、背面側が密閉されているので振動板の背面側の気圧は一定となり、正面側の気圧の変化によって振動板が動かされる。気圧変化による動きが主体的であるので、圧力型マイクロホンはマイクの場所の気圧の変化に従った波形信号を出力する。マイクロホンの周囲の気圧変化は音源の相対方向によらないので、圧力型マイクロホンは音源の相対位置に関係なく、感度が一定となり、また、位相も音源の方向によって変化することはない。
【0041】
これに対して、双指向性マイクロホン2では違う動き方をしている。双指向性マイクロホン2としては、速度型マイクロホンがあり、たとえば、リボン型マイクロホンなどで実現される。
【0042】
この速度型マイクロホンは、振動板の周囲が開放される構造を有する。振動板の周囲が開放された場合、振動板の大きさが音波の波長に対して十分小さければ、振動板の正面側の気圧と背面側の気圧は全く同じになる。こうなると、振動板は、気圧の変化では動かされることはなく、空気の直接的な動きに従って動くことになる。
【0043】
速度型マイクロホンでは、振動板の正面側から音波がきた場合と、振動板の背面側から音波がきた場合とでは、振動板の振動方向が逆になる。たとえば、ある音源を振動板の正面側に配置して、あるタイミングで音波による空気の動きが、マイクロホンに向かってくる方向であったとする。正面側から向かってくる空気の動きに対しては、振動板は背面側に動く。同じ音源を同じ距離で振動板の背面側に配置して、同じタイミングで見ると、音波による空気の動きがマイクロホンに向かってくるということについては、正面側に音源がある場合と同じである。ただし、この場合は、振動板の背面側から空気が向かってくることになるので、振動板は正面側に向かって動く。この動きは音源が正面側にあるときの逆である。マイクロホンの波形信号出力は振動板の動きに従ったものであるから、速度型マイクロホンでは、音源の相対方向が正面側である場合と背面側である場合とでは、マイクロホンから出力される波形信号の位相が逆になっている。
【0044】
なお、圧力型マイクロホンと速度型マイクロホンを、音波の波長に対して十分近接して配設し、速度型マイクロホンの正面側に音源があった場合、速度型マイクロホンからは、圧力型マイクロホンから出力される波形信号に対して、概ね同位相の波形信号が出力される。
【0045】
図3に、単一周波数の正弦波を発する音源からくる音波を、無指向性マイクロホン1としての圧力型マイクロホン、および、双指向性マイクロホン2としての速度型マイクロホンにて受信した場合に、これらのマイクロホンから出力される波形信号を示す。
【0046】
この図で、圧力型マイクロホンから出力される波形信号をBとする。音源が速度型マイクロホンの正面側にある場合、速度型マイクロホンの出力波形は、波形Bに対して、概ね同位相の波形信号Aとなる。また、音源が背面側にあるときの速度型マイクロホンの波形信号出力は、音源が正面にあるときとは逆位相であるので、波形信号出力はAと逆位相のCとなる。
【0047】
したがって、無指向性マイクロホン1としての圧力型マイクロホンの波形信号出力Bを基準にして、双指向性マイクロホン2としての速度型マイクロホンの波形信号出力を見たとき、図3Aのように概ね同位相ならば、音源は正面側にあるといえる。また、逆に、図3Cのように概ね逆位相であれば、音源が背面側にあることがわかる。
【0048】
この判定をおこなうのが、図1の位相比較器3である。位相比較器3では、無指向性マイクロホン1からの波形信号を基にして、双指向性マイクロホン2からの波形信号の位相が概ね同位相なのか、あるいは逆位相なのかを判定する。そして、たとえば、概ね同位相であればハイレベルの位相判定信号を出力して、また、概ね逆位相であればローレベルの位相判定信号を出力する。この位相判定信号を見て、ハイレベルならば音源は正面側にあり、ローレベルならば音源が背面側にあることになる。
【0049】
以上のように、この実施の形態1に係る音源方向判定装置は、無指向性マイクロホン1が出力する波形信号と、双指向性マイクロホン2が出力する波形信号との位相関係に基づいて、音源の相対方向を判定することができる。
【0050】
したがって、図4において、2つのマイクロホン1,2の設置状態における指向特性を重ねて示すように、この実施の形態1に係る音源方向判定装置を用いることで、音源が音源方向判定装置の正面側Aにあるのか、背面側Bにあるのかを判定することができる。そして、この判定結果に基づいて、たとえば照明などのスイッチをオンオフ制御することができる。また、この判定結果に基づいて、正面からの音声が無いときは、波形信号出力の振幅を絞ることで、周囲のノイズのレベルを減少させることができる。
【0051】
実施の形態2.
【0052】
図5は、本発明の実施の形態2に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【0053】
音源方向判定装置は、主に、第二のマイクロホンとしての無指向性マイクロホン1と、双指向性の正面側の感度と背面側の感度を異なるように変化させた指向特性を有する第一のマイクロホンとしてのマイクロホン5と、これらのマイクロホン1,5が出力する波形信号同士の位相を比較して、これらの位相比較の結果に基づいて変化する位相判定信号を出力する判定手段としての位相比較器3と、を備える。
【0054】
また、無指向性マイクロホン1と位相比較器3の間、および、マイクロホン5と位相比較器3の間にはそれぞれ、これらのマイクロホン1,5から出力された波形信号の振幅を増幅する増幅アンプ4が設けられている。
【0055】
上述の、双指向性の正面側の感度と背面側の感度を異なるように変化させた指向特性を有するマイクロホン5は、たとえば、双指向性マイクロホン2の背面側を概ね覆うことで実現することができる。この場合、たとえば、図2(C)のような指向特性になる。
【0056】
双指向性マイクロホン2の振動板の背面側を不完全に閉じた場合、声などで空気が振動するとき、振動板の背面側の空気の動きが正面側より抑圧されるために、振動板の正面側と背面側の気圧は一致しなくなる。そのため、振動板の動きは、空気の直接的な動きによるものの他に、気圧の要素が混ざったものになる。
【0057】
その結果、図2(C)のような、双指向性マイクロホン2の正面側より背面側の感度が低くなって、2つの位相特異点Aも背面側に移動した歪んだ8の字形状の指向特性になる。
【0058】
この指向特性を、以下、ハイパーカージオイド特性と呼ぶことにする。狭義のハイパーカージオイド特性は、気圧の要素がある特定割合混ざったものであるが、ここでは、位相特異点Aが2つあって正面側と背面側の感度が異なる特性をすべてハイパーカージオイド特性と記載することにする。また、図2(C)の上方の8の字形状の大きい方を高感度側、小さい輪の方を低感度側とする。なお、マイクロホン5は、ハイパーカージオイドマイクロホン5と記載する。
【0059】
なお、ハイパーカージオイドマイクロホン5の背面側の密閉度をさらに上げていくと、背面側の感度がさらに低くなり、やがて位相特異点Aが一つになり背面側の感度の盛り上がりが消滅して、図2(D)のような特性になる。この図のような特性をカージオイド特性と呼ぶ。単一指向性マイクロホンは基本的にカージオイド特性である。
【0060】
ハイパーカージオイドマイクロホン5以外の構成要素は、実施の形態1の同名の各要素と同一のものであり、同一符号を付して説明を省略する。
【0061】
実施の形態2では、構成要素以外に、マイクロホンの設置方法に特徴がある。2つのマイクロホンを十分接近して配置するのは実施の形態1と同様であるが、実施の形態2では、特に、ハイパーカージオイドマイクロホン5の低感度側を装置の正面に向けて設置する。つまり、ハイパーカージオイドマイクロホン5の高感度側の方向が、装置の正面とは反対側の向きに設置されている。
【0062】
ハイパーカージオイド特性は、塞ぐ側の形状によって多くの特性があり得る。位相特異点Aの位置だけでなく、高感度側と低感度側の位相も形状によって変化する。それでも、実施の形態2においてのハイパーカージオイドマイクロホン5は、実施の形態1においての双指向性マイクロホン2と同様に扱える。
【0063】
無指向性マイクロホン1の波形信号出力と、ハイパーカージオイドマイクロホン5の波形信号出力との位相の関係は、図3のBとA、Cのような関係、つまり、概ね同位相か、あるいは概ね逆位相の関係にある。
【0064】
したがって、位相比較器3も実施の形態1と同様、無指向性マイクロホン1の波形信号出力に対して、概ね同位相か逆位相かの判定をすれば、音源が位相特異点Aの正面側にあるのか背面側にあるのかの判定ができる。
【0065】
以上のように、この実施の形態2に係る音源方向判定装置は、無指向性マイクロホン1が出力する波形信号と、ハイパーカージオイドマイクロホン5が出力する波形信号の位相の関係に基づいて、音源の相対方向を判定することができる。
【0066】
したがって、図6に2つのマイクロホン1,5の設置状態における指向特性を重ねて示すように、この実施の形態2に係る音源方向判定装置を用いることで、音源が音源方向判定装置の正面側Aにあるのか、その他周囲の方向Bにあるのかを判定することができる。そして、この判定結果に基づいて、たとえば照明などのスイッチをオンオフ制御することができる。また、この判定結果に基づいて、正面からの音声が無いときは、波形信号出力の振幅を絞ることで、周囲のノイズのレベルを減少させることができる。
【0067】
特に、この実施の形態2のように、ハイパーカージオイドマイクロホン5の低感度側を、音源方向判定装置の正面側とすることで、双指向性マイクロホン2を用いた場合よりも狭い角度範囲に音源があるのかどうかの判定ができる。双指向性マイクロホン2を用いた場合は、この範囲は180度固定であったが、ハイパーカージオイドマイクロホン5を用いることによって、この角度範囲を狭くできる。また、ハイパーカージオイドマイクロホン5の構造を変更することによって、この音源の位置判定の角度範囲をある程度自由に変更することができる。
【0068】
その結果、たとえば、自動車のサンバイザやその近傍の天井にこの音源方向判定装置を設置することで、運転手に的を絞って、発声しているかどうかの判断ができるようになる。
【0069】
実施の形態3.
【0070】
図7は、本発明の実施の形態3に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【0071】
音源方向判定装置は、主に、複数のマイクロホンの中の1つのマイクロホンとしての無指向性マイクロホン1と、複数のマイクロホンの中の1つのマイクロホンとしての双指向性マイクロホン2と、無指向性マイクロホン1の波形信号出力の位相を反転させる位相反転器6と、位相反転器6の出力と双指向性マイクロホン2の波形信号出力とを特定の比率で加算する演算手段としての加算器7と、加算器7の出力と無指向性マイクロホン1の波形信号出力との位相を比較し、これらの位相比較の結果に基づいて変化する位相判定信号を出力する判定手段としての位相比較器3と、を備える。
【0072】
また、無指向性マイクロホン1と位相比較器3の間、および、双指向性マイクロホン2と加算器7の間にはそれぞれ、これらのマイクロホン1,2から出力された波形信号の振幅を増幅する増幅アンプ4が設けられている。
【0073】
実施の形態3では、実施の形態2においてハイパーカージオイドマイクロホン5を用いた代わりに、無指向性マイクロホン1の波形信号出力を位相反転器6で位相を反転させた信号と、双指向性マイクロホン2の波形信号出力を加算器7で加算した波形信号を用いる。
【0074】
音波が正面側から来るとき、無指向性マイクロホン1と双指向性マイクロホン2の位相は概ね同位相なので、位相反転器6の出力とは概ね逆位相となる。
【0075】
音源が真正面にあるときの、無指向性マイクロホン1の出力と双指向性マイクロホン2の出力の振幅が同じだとして、位相反転器6の出力信号を、たとえば、振幅を半分にして、加算器7で加算したとする。
【0076】
音源が正面にある場合、双指向性マイクロホン2の出力と位相反転器6の出力信号は逆位相となるので、加算後の振幅は双指向性マイクロホン2の出力の半分となる。このとき、加算後の位相は変わらない。また、音源が背面側にあるときは、同位相となるので、振幅は1.5倍となり、位相も変わらない。さらに、音源が側面方向にあるときは、双指向性マイクロホン2の出力の振幅は小さいので、加算後の振幅と位相は位相反転器6の出力信号にほぼ等しくなる。
【0077】
加算器7での加算後の信号は正面と背面の位相が双指向性マイクロホン2と同様に逆であるので、途中のどこかに位相が反転する位相特異点Aがあるはずであるが、双指向性マイクロホン2で位相特異点Aがあった側面には位相特異点Aがなくなっている。加算器7での加算後の信号の位相特異点Aは、この場合、双指向性マイクロホン2の出力が、正面側と同じ位相で振幅が半分のポイントとなる。双指向性マイクロホン2の感度は、概略正面からの角度のコサインに比例しているので、そのポイント、つまり位相特異点Aは正面から概ねプラスマイナス60度付近にあることになる。
【0078】
加算器7での加算後の信号と、無指向性マイクロホン1からの波形信号を、図8に重ねて示す。使用しているマイクロホンは、無指向性マイクロホン1と双指向性マイクロホン2であるが、位相反転器6と加算器7を使用することで、ハイパーカージオイドマイクロホン5に相当する信号を生成することができる。
【0079】
ハイパーカージオイドマイクロホン5に相当する信号を加算器7で生成する以外、他の構成要素は、実施の形態1の同名の各要素と同一のものであり、同一符号を付して説明を省略する。
【0080】
位相比較器3に入る信号の位相も、実施の形態1と全く同じである。したがって、位相比較器3も実施の形態1と同様、無指向性マイクロホン1の波形信号出力に対して、位相が概ね同位相なのか逆位相なのかの判定をすれば、音源が図8の正面側Aにあるのか背面側Bにあるのかの判定ができる。
【0081】
以上のように、この実施の形態3に係る音源方向判定装置は、無指向性マイクロホン1と双指向性マイクロホン2を使用して、ハイパーカージオイドマイクロホン5を使用したような狭い角度範囲の音源の相対方向を判定することができる。
【0082】
したがって、応用面での利点など、実施の形態2と同様のことが言える。
【0083】
ハイパーカージオイドマイクロホン5の場合、位相特異点Aの場所はマイクロホンの構造で決まってしまうので、マイクロホンを作りかえない限り場所の変更はできない。しかし、実施の形態3の場合、加算器7の入力レベルを変更するだけで、位相特異点Aの場所を変更できる。
【0084】
また、ハイパーカージオイドマイクロホン5より一般的なマイクロホンで構成できることも利点となる。
【0085】
尚、図7において、双指向性マイクロホン2は正面側にある音源に対して無指向性マイクロホン1と同位相の信号を出力するように設置してあるが、逆向きに設置することもできる。この場合、正面側にある音源に対して、無指向性マイクロホン1と双指向性マイクロホン2の出力は概ね逆位相の波形信号となるので、位相反転器6を省略して、そのまま加算機7で加算すると上記と同じ位相特性となる。ただし、加算機7から位相比較器3に入る波形信号も逆位相になるので、位相比較器3での判定も逆になるようにしなければならない。
【0086】
実施の形態4.
【0087】
図9は、本発明の実施の形態4に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【0088】
音源方向判定装置は、主に、複数のマイクロホンの中の1つのマイクロホンとしての無指向性マイクロホン1と、複数のマイクロホンの中の1つのマイクロホンとしての双指向性マイクロホン2と、無指向性マイクロホン1の波形信号出力の位相を反転する位相反転器6と、位相反転器6の出力レベルを可変する電圧制御アンプ8と、電圧制御アンプ8の出力と双指向性マイクロホン2の波形信号出力とを加算する演算手段としての加算器7と、加算器7の出力と無指向性マイクロホン1の波形信号出力との位相を比較し、これらの位相比較の結果に基づいて変化する位相判定信号を出力する判定手段としての位相比較器3と、を備える。
【0089】
また、無指向性マイクロホン1と位相比較器3の間、および、双指向性マイクロホン2と加算器7の間にはそれぞれ、これらのマイクロホン1,2から出力された波形信号の振幅を増幅する増幅アンプ4が設けられている。
【0090】
実施の形態3では、双指向性マイクロホン2の出力に対して、位相を反転させた無指向性マイクロホン1からの出力を、加算器7で加算することによって位相特異点Aを移動させている。実施の形態4では、この加算量を可変出来るように、つまり、位相特異点Aの移動を制御できるよう、電圧制御アンプ8を追加した。
【0091】
図8は、双指向性マイクロホン2からの波形信号と、無指向性マイクロホン1の信号を反転させた信号の、加算器7での加算の比率は、2:1であった。この比率を2:√3にしたのが図10である。電圧制御アンプ8によって、この比率の変更を外部から制御可能としている。
【0092】
実施の形態4では、電圧制御アンプ8を追加して、加算器7で加算する比率が可変である以外、他の構成要素は実施の形態3の同名の各要素と同一のものであり、同一符号を付して説明を省略する。
【0093】
位相比較器3に入る信号の位相も、実施の形態1と全く同じである。したがって、位相比較器3も実施の形態1と同様、無指向性マイクロホン1の波形信号出力に対して、概ね同位相なのか逆位相なのかの判定をすれば、音源が図10の正面側Aにあるのか背面側Bにあるのかの判定ができる。
【0094】
また、双指向性マイクロホン2を逆向きに設置して位相反転器6を省略できることも、実施の形態3と同様である。
【0095】
以上のように、この実施の形態4に係る音源方向判定装置は、無指向性マイクロホン1と双指向性マイクロホン2を使用して、ハイパーカージオイドマイクロホン5を使用したような狭い範囲の音源の相対方向を判定することができる。また、その位相特異点Aの位置も外部から制御可能となる。
【0096】
したがって、応用面での利点など、実施の形態3と基本的に同様であり、さらに、ズーム機能付きのビデオカメラのマイクロホンとして、ズームに連動して、ズームの範囲に音源があるかどうかの判定をするなどの応用も可能となる。
【0097】
実施の形態5.
【0098】
図11は、本発明の実施の形態5に係るマイクロホン装置を示す回路図である。
【0099】
マイクロホン装置は、主に、複数のマイクロホンの中の1つのマイクロホンとしての無指向性マイクロホン1と、複数のマイクロホンの中の1つのマイクロホンとしての双指向性マイクロホン2と、これらのマイクロホン1,2が出力する波形信号同士の位相を比較し、これらの位相比較の結果に基づいて変化する位相判定信号を出力する判定手段としての位相比較器3と、双指向性マイクロホン2からの波形信号出力と位相比較器3からの位相判定信号が入力され、位相判定信号のレベルに応じた増幅率で双指向性マイクロホン2からの波形信号を増幅する出力レベル可変手段としての電圧制御アンプ8と、を備える。この電圧制御アンプ8にて増幅された信号が、出力波形信号として出力される。
【0100】
また、無指向性マイクロホン1と位相比較器3の間、および、双指向性マイクロホン2と位相比較器3の間にはそれぞれ、これらのマイクロホン1,2から出力された波形信号の振幅を増幅する増幅アンプ4が設けられている。
【0101】
電圧制御アンプ8は、位相判定信号のレベルに応じた増幅率で双指向性マイクロホン2からの波形信号を増幅し、これを出力波形信号として出力するものである。具体的には、位相判定信号のレベルが高ければ高い増幅率で、低ければ低い増幅率で、双指向性マイクロホン2からの波形信号を増幅する。なお、低い増幅率は、0%であってもよい。
【0102】
これ以外の構成要素は、実施の形態1の同名の構成要素と同一のものであり、同一符号を付して説明を省略する。
【0103】
マイクロホン装置の正面側に音源を配置すると、無指向性マイクロホン1からの波形信号と、双指向性マイクロホン2からの波形信号は、位相が概ね同位相なので、位相比較器3は、ハイレベルの位相判定信号を出力する。
【0104】
そして、位相比較器3からハイレベルの位相判定信号が出力されるので、電圧制御アンプ8は、所定の高い増幅率で双指向性マイクロホン2からの波形信号を増幅する。この電圧制御アンプ8にて増幅された信号が、出力波形信号として出力される。
【0105】
逆に、マイクロホン装置の背面側に音源を配置すると、無指向性マイクロホン1からの波形信号と、双指向性マイクロホン2からの波形信号が、概ね逆位相なので、位相比較器3は、ローレベルの位相判定信号を出力する。
【0106】
そして、位相比較器3からローレベルの位相判定信号が出力されるので、電圧制御アンプ8は、所定の低い増幅率で双指向性マイクロホン2からの波形信号を増幅する。この電圧制御アンプ8にて増幅された信号が、出力波形信号として出力される。増幅率が0%であれば、出力波形信号に音源からの波形信号に基づく成分は含まれなくなる。
【0107】
以上のように、この実施の形態5に係るマイクロホン装置は、無指向性マイクロホン1が出力する波形信号と、双指向性マイクロホン2が出力する波形信号の位相の関係に基づいて、音源の相対方向を判定し、この判定結果に基づいて、音波に基づく波形信号の増幅率を切り替える。
【0108】
したがって、この実施の形態5に係るマイクロホン装置を用いることで、マイクロホン装置の正面側に音源がある場合には、その音源からの音波に基づく波形信号を増幅し、これを出力波形信号として出力することができる。また、マイクロホン装置の正面側に音源がない場合には、波形信号の増幅率を下げる。
【0109】
その結果、擬似的に、マイクロホン装置の正面側にある音源の音を効率よく出力波形信号に変換し、背面側にある音源の音を出力波形信号に変換しない指向特性を得ることができる。
【0110】
なお、電圧制御アンプ8に替えて、位相判定信号のレベルに応じてオンオフ制御されるスイッチを用いてもよい。この場合、増幅率は、100%と0%に切り替えられることになる。そして、位相判定信号がハイレベルであるときにオン制御し、位相判定信号がローレベルであるときにオフ制御することで、この実施の形態5と同様の効果を得ることができる。
【0111】
ところで、実施の形態5では、実施の形態1に電圧制御アンプ8を加えた構成であった。位相判定信号は実施の形態1と同じ動作であるため、指向特性も実施の形態1の音源方向の判定と同じ範囲となる。
【0112】
この位相判定信号を得るまでの部分は、実施の形態1以外に、実施の形態2や、実施の形態3や、実施の形態4であっても構わない。この場合は、指向特性をより狭い範囲に限定したり、範囲を可変できたりする。
【0113】
実施の形態6.
【0114】
図12は、本発明の実施の形態6に係るマイクロホン装置を示す回路図である。
【0115】
マイクロホン装置は、主に、複数のマイクロホンの中の1つのマイクロホンとしての無指向性マイクロホン1と、複数のマイクロホンの中の1つのマイクロホンとしての双指向性マイクロホン2と、これらのマイクロホン1,2が出力する波形信号同士の位相を比較し、これらの位相比較の結果に基づいて変化する位相判定信号を出力する判定手段としての位相比較器3と、双指向性マイクロホン2からの波形信号出力のレベルを検出し、そのレベルに応じたゲイン制御信号を出力するレベル検出手段としてのレベル検出器9と、このゲイン制御信号と位相比較器3から出力される位相判定信号とを乗算して乗算信号を出力する乗算器10と、双指向性マイクロホン2からの波形信号が入力され、乗算器10からの乗算信号レベルが高いほど増幅率が上がる出力レベル可変手段としての電圧制御アンプ8と、を備える。この電圧制御アンプ8にて増幅された信号が、出力波形信号として出力される。
【0116】
また、無指向性マイクロホン1と位相比較器3の間、および、双指向性マイクロホン2と位相比較器3の間にはそれぞれ、これらのマイクロホン1,2から出力された波形信号の振幅を増幅する増幅アンプ4が設けられている。
【0117】
レベル検出器9は、双指向性マイクロホン2から出力される波形信号のレベルを検出し、そのレベルに応じたゲイン制御信号を出力する。
【0118】
図13に、レベル検出器9の入力信号レベルと、レベル検出器9から出力されるゲイン制御信号のレベルとの関係を示す入出力特性図を示す。実線がレベル検出器9の入出力特性線である。破線は、リニアアンプの入出力特性線である。
【0119】
そして、図13に示すように、このレベル検出器9は、入力レベルが所定の第一レベルよりも低い場合には、入力レベルに比例したレベルのゲイン制御信号を出力する。また、入力レベルが所定の第一レベルよりも高い場合には、略一定のレベルの制御信号を出力する。
【0120】
なお、第一レベルは、たとえば、この実施の形態6に係るマイクロホン装置が自動車の運転席上方に配設される場合には、運転席に座った人の通常の車内での声量に基づいて、その声量に基づく入力レベル程度、あいるは、それよりも少し小さいレベルに設定すればよい。
【0121】
これ以外の構成要素は、実施の形態5の同名の構成要素と同一のものであり、同一符号を付して説明を省略する。
【0122】
マイクロホン装置の正面側に音源を配置すると、無指向性マイクロホン1からの波形信号と、双指向性マイクロホン2からの波形信号が、概ね同位相なので、位相比較器3は、ハイレベルの位相判定信号を出力する。
【0123】
レベル検出器9は、双指向性マイクロホン2からの波形信号のレベルに応じたゲイン制御信号を出力する。乗算器10は、このゲイン制御信号とハイレベルの位相判定信号を乗算し、これを乗算信号として出力する。
【0124】
そして、電圧制御アンプ8は、この乗算信号のレベルに応じた、所定の高い増幅率で双指向性マイクロホン2からの波形信号を増幅する。この電圧制御アンプ8にて増幅された信号が、出力波形信号として出力される。
【0125】
逆に、マイクロホン装置の背面側に音源を配置すると、無指向性マイクロホン1からの波形信号と、双指向性マイクロホン2からの波形信号が、概ね逆位相なので、位相比較器3は、ローレベルの位相判定信号を出力する。
【0126】
レベル検出器9は、双指向性マイクロホン2からの波形信号のレベルに応じたゲイン制御信号を出力する。乗算器10は、このゲイン制御信号とローレベルの位相判定信号を乗算し、これを乗算信号として出力する。このときの乗算信号はローレベルとの乗算なので、常にローレベルとなる。
【0127】
そして、電圧制御アンプ8は、この乗算信号のレベルに応じた、所定の低い増幅率で双指向性マイクロホン2からの波形信号を増幅する。この電圧制御アンプ8にて増幅された信号が、出力波形信号として出力される。なお、増幅率が0%であれば、出力波形信号に音源からの波形信号に基づく成分は含まれなくなる。
【0128】
図14に、この実施の形態6に係るマイクロホン装置の入出力特性を示す。
【0129】
マイクロホン装置の背面側に音源がある場合には、位相比較器3からローレベルの位相判定信号が出力されるので、出力波形信号は図14の入出力特性曲線Bに示すように、音源に基づく音波の入力レベルにかかわらず、常に低い出力レベルとなる。
【0130】
マイクロホン装置の正面側に音源がある場合には、位相比較器3からハイレベルの位相判定信号が出力されるので、出力波形信号は図14の入出力特性曲線Aに示すように、双指向性マイクロホン2に入力される音波の入力レベルに応じた出力レベルとなる。
【0131】
具体的には、たとえば、レベル検出器9での第一レベルを、運転席に座った人の通常の車内での声量以下に設定した場合、図14の(a)の範囲と(b)の範囲との関係で示すように(図14の入出力特性曲線Aの入力レベル(a)の範囲に対応する部分)、運転席に座った人の声を略一定のレベルにて出力することができる。なお、図14の(c)の範囲は、リニアアンプを使用した場合の出力レベル範囲である。図14で明らかなように、図14の(b)で示される出力レベルの範囲は、図14の(c)や(a)で示される範囲よりも狭くなっている。つまり、これはレベルが安定していると言える。
【0132】
また、第一レベル以下の音量の場合には、出力波形信号は、上記一定レベルよりも低いレベルで、かつ、入力レベルとリニアに変化するものとなる。
【0133】
以上のように、この実施の形態6に係るマイクロホン装置は、無指向性マイクロホン1が出力する波形信号と、双指向性マイクロホン2が出力する波形信号の位相の関係に基づいて、音源の相対方向を判断し、この判定結果に基づいて、正面側に音源がある場合にのみ、その音源からの音波に基づく出力波形信号を出力することができる。つまり、正面側に音源がある場合には、所定の大きさまでの音はリニアに出力し、それ以上の音量の音に対しては略一定のレベルで出力することができる。一方、背面側に音源がある場合には、きわめて低いレベルにしたり、全く出力しないようにすることができる。
【0134】
特に、第一レベルよりも音量が大きいときには、略一定の出力レベルとなるので、たとえば、頭の位置が動くなどして、運転席に座った人の声のレベルが変化したとしても、聞きやすい一定のレベルの音声信号として出力することができる。また、音声認識装置の音声入力信号としても好適に利用することができる。
【0135】
ところで、実施の形態6では、位相判定信号は実施の形態1と同じ構成になっているので、指向特性も実施の形態1の音源方向の判定と同じ範囲となる。
【0136】
この位相判定信号を得るまでの部分は、実施の形態1以外に、実施の形態2や、実施の形態3や、実施の形態4であっても構わない。この場合は、指向特性をより狭い範囲に限定したり、範囲を可変できたりする。
【0137】
【発明の効果】
本発明に係る音源方向判定装置では、複数のマイクロホンから出力される波形信号同士の位相関係に基づいて、音源の相対方向を判断することができる。
【0138】
また、本願の他の発明に係るマイクロホン装置では、複数のマイクロホンから出力される波形信号同士の位相関係に基づいて音源の相対方向を判断し、この判断結果に基づいて出力波形信号を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【図2】各種のマイクロホン単体での指向特性を示す指向特性図である。(A)は無指向性マイクロホンの指向特性、(B)は双指向性マイクロホンの指向特性、(C)はハイパーカージオイドマイクロホンの指向特性、(D)は単一指向性マイクロホンの指向特性である。
【図3】単一周波数の正弦波の音波を出力する音源からの音波を、速度型マイクロホンおよび圧力型マイクロホンにて受信した場合に、これらのマイクロホンから出力される波形信号を示す波形図である。
【図4】図1の音源方向判定装置で使用した2つのマイクロホンの設置状態における指向特性を示す図である。
【図5】本発明の実施の形態2に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【図6】図5の音源方向判定装置で使用した2つのマイクロホンの設置状態における指向特性を示す図である。
【図7】本発明の実施の形態3に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【図8】図7で使用した無指向性マイクロホンと、加算器で生成された波形信号の指向特性を示す図である。
【図9】本発明の実施の形態4に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【図10】図9で使用した無指向性マイクロホンと、加算器で生成された波形信号の信号特性を示す図である。
【図11】本発明の実施の形態5に係るマイクロホン装置を示す回路図である。
【図12】本発明の実施の形態6に係るマイクロホン装置を示す回路図である。
【図13】図12中のレベル検出器の入出力特性を示す特性図である。
【図14】図12のマイクロホン装置の入出力特性を示す特性図である。
【符号の説明】
1 無指向性マイクロホン
2 双指向性マイクロホン
3 位相比較器(判定手段)
4 増幅アンプ
5 ハイパーカージオイドマイクロホン
6 位相反転器
7 加算器
8 電圧制御アンプ
9 レベル検出器
10 乗算器
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microphone device that receives a sound wave output from a sound source and outputs an output waveform signal based on the sound wave, and a sound source direction determination device.
[0002]
[Prior art]
The microphone device receives a sound wave with a microphone, amplifies a waveform signal output from the microphone with an amplifier, and outputs the amplified signal. Generally, an omnidirectional microphone and a unidirectional microphone are used as microphones.
[0003]
The directional characteristics of a microphone device are basically determined by the directional characteristics of a microphone used in the device. The omnidirectional microphone has a substantially circular directional characteristic as shown in FIG. In addition, the unidirectional microphone has a substantially cardioid-shaped directional characteristic as shown in FIG.
[0004]
In recent years, in vehicles such as automobiles, car navigation systems and mobile communication systems have begun to spread widely. In such a system, for example, a car navigation system is operated based on a result of analyzing a voice received by a microphone device by a voice recognition device, or a voice received by the microphone device is transmitted by a mobile communication system.
[0005]
A microphone device used for such an application is desired to have a characteristic of reliably receiving a driver's voice and not receiving surrounding running noise and the like as much as possible. For this reason, it is common to arrange a unidirectional microphone as close to the driver in the vehicle as possible and toward the driver. At that time, there is also one that changes the directivity. (For example, see Patent Document 1).
[0006]
However, when a unidirectional microphone is used, although it is improved as compared with the use of an omnidirectional microphone, a large amount of surrounding running noise or the like is received. From the word unidirectional, we imagine the characteristic of high sensitivity only on the front, but in fact, the sensitivity of receiving sound waves from the side is only a few dB lower than the sensitivity when receiving from the front. is there.
[0007]
Therefore, the output signal of the microphone device includes a component based on the driver's voice, as well as a component such as ambient running noise. For this reason, the recognition rate of the speech recognition device deteriorates, and the communication quality of the mobile communication system deteriorates.
[0008]
Therefore, it is conceivable to use a microphone whose sensitivity in directions other than the front is lower than the directional characteristics of unidirectionality as the microphone to be used.
[0009]
Also, paying attention to the difference in the reception level between the driver's voice and the traveling noise, if the level of the microphone waveform signal exceeds a predetermined threshold level, it is conceivable to output this waveform signal as an output signal. Can be
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2001-245396 A (Pages 2-5, FIG. 1).
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, these conventional ideas cannot efficiently output only the driver's voice in the vehicle as an output waveform signal.
[0012]
Regarding the improvement of the directional characteristics of the former microphone, no microphone is actually more suitable than unidirectionality.
[0013]
For example, there is a microphone called super-directivity in which the sensitivity from the side is reduced and the shape of the directional characteristic is sharpened forward rather than unidirectional. However, a superdirective microphone needs a length longer than the wavelength of a sound wave in principle, and even a short microphone has a length of about 30 cm. For this reason, it is not realistic to install the device toward the driver's mouth.
[0014]
Further, there is a microphone having a directional characteristic of bidirectionality having low sensitivity from the side. The bidirectional microphone has a directivity characteristic of a substantially figure-eight shape as shown in FIG. In the case of bidirectionality, the side sensitivity is low, but the back sensitivity is about the same as that of the front. If sound from the back side is a problem, it seems to improve if you cover the back of the bidirectional microphone. However, when the back surface of the bidirectional characteristic is closed, the characteristic becomes close to the omnidirectional characteristic. An omnidirectional microphone is a microphone that mainly captures changes in air pressure generated by air movement, rather than direct movement of air by sound waves. Since the change in the atmospheric pressure is similarly generated by sound waves from any directions, the directional characteristics are non-directional. When one side of the diaphragm is closed, the movement of the diaphragm mainly depends on the change in atmospheric pressure. For this reason, the same applies to the case of unidirectionality, but if the periphery of the microphone diaphragm other than the front is closed, the directional characteristic of the microphone becomes close to non-directionality, contrary to the intention. It is.
[0015]
In the latter determination technique based on the threshold level, a desired level difference is required between the output level of the audio signal and the output level of the traveling noise. However, the output level of the voice signal greatly changes depending on the voice or inflection of the speaker, a change in the distance between the speaker and the microphone, or a noise level in the surroundings. Therefore, considering such fluctuations in the output level of the audio signal, an appropriate threshold level cannot be set, so that the voice is interrupted or running noise is constantly output. I do.
[0016]
In order to ensure an absolute level difference between the output level of the audio signal and the output level of the traveling noise, the distance between the driver and the microphone should be as short as possible. However, it is not realistic to force the driver to wear a headset with a microphone. As a matter of fact, mounting a microphone near the sun visor will shorten the distance from the driver. In this way, the distance can be reduced to about 30 cm to 40 cm. However, unlike the case where the headset is worn, the output level of the voice fluctuates because the distance between the speaker and the microphone fluctuates. In addition, the fluctuation level increases as the distance between the microphone and the driver decreases. For example, if the distance is 30 cm, the level of the audio signal will change about twice by moving back and forth by 5 cm. Therefore, it is very difficult to set an appropriate threshold level even if the location of the microphone is devised.
[0017]
Therefore, the inventor of the present application has found that, for example, in a bidirectional microphone or a microphone having a directional characteristic in which the sensitivity of the front and rear sides of the bidirectional microphone is changed to be different, the phase of the waveform signal changes depending on the sound wave receiving direction. Focusing on the fact that the above-mentioned problem can be solved well by utilizing this property, the present invention has been completed.
[0018]
That is, the present invention is to solve the above problem, and to obtain a sound source direction determination device capable of determining a relative direction of a sound source based on a phase difference between waveform signals output from a plurality of microphones. With the goal.
[0019]
Another aspect of the present invention is to provide a microphone device that determines a relative direction of a sound source based on a phase difference between waveform signals output from a plurality of microphones and controls an output waveform signal based on the determination result. With the goal.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The sound source direction determination device according to the present invention outputs a first microphone in which the phase of a waveform signal output greatly changes according to the direction of the sound source, and a waveform signal having a phase different from that of the first microphone depending on the direction of the sound source. A microphone, and a second microphone arranged sufficiently close to the wavelength of the first microphone and the sound wave, based on a result of comparing the phases of the waveform signals output from the respective microphones. Determining means for determining the direction of the sound source.
[0021]
The sound source direction determination device according to the present invention may further include, as a first microphone in which the phase of a waveform signal output according to the direction of the sound source greatly changes, the sensitivity on the front side and the sensitivity on the back side of the bidirectional characteristic are different. A microphone having a changed directional characteristic is used, and the direction of the microphone on the high sensitivity side is set in the direction opposite to the front of the device.
[0022]
The sound source direction determination device according to the present invention, the phase of the waveform signal output is different from each other depending on the direction of the sound source, and a plurality of microphones arranged closely, the waveform signal output from these microphones, or A calculating means for adding or subtracting a waveform signal obtained by shifting the phase of the waveform signal output from the microphone, and a waveform signal based on the waveform signal output from each microphone, which is output from the calculating means. A determination unit configured to determine a direction of the sound source based on a result of comparing phases of a waveform signal different from the waveform signal and a waveform signal output from the calculation unit.
[0023]
In the sound source direction determining apparatus according to the present invention, the ratio between the waveform signals to be added or subtracted can be varied by the arithmetic means for adding or subtracting the waveform signals.
[0024]
In the microphone device according to another aspect of the present invention, the phases of the output waveform signals are different from each other depending on the direction of the sound source, and are generated based on the waveform signals output from a plurality of microphones arranged close to each other. A determination means for determining the direction of a sound source by comparing the phases of a plurality of waveform signals; and an output level variable means for changing an output level of the waveform signal according to the determined direction of the sound source. It is.
[0025]
The microphone device according to another invention of the present application further includes a level detection unit that detects a level of a waveform signal based on a sound wave, and an output level variable unit that changes an output level. Is changed.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a microphone device and a sound source direction determination device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0027]
Embodiment 1 FIG.
[0028]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a sound source direction determining apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
[0029]
The sound source direction determination device mainly determines the omnidirectional microphone 1 as a second microphone, the bidirectional microphone 2 as a first microphone, and the phases of waveform signals output from these microphones 1 and 2. And a phase comparator 3 as determination means for outputting a phase determination signal that changes based on the results of these phase comparisons.
[0030]
Further, between the omnidirectional microphone 1 and the phase comparator 3, and between the bidirectional microphone 2 and the phase comparator 3, the amplitudes of the waveform signals output from these microphones 1 and 2 are amplified. An amplification amplifier 4 is provided.
[0031]
FIG. 2A is a directional characteristic diagram showing the directional characteristics of the omnidirectional microphone 1 shown in FIG. The directional characteristic curve of the non-directional characteristic has a substantially circular shape. That is, the amplitude of the waveform signal output from the omnidirectional microphone 1 is constant irrespective of the relative direction if the strength of the sound source is constant and the distance from the sound source is constant.
[0032]
FIG. 2B is a directional characteristic diagram showing the directional characteristics of the bidirectional microphone 2 shown in FIG. The directional characteristic curve of the bidirectional characteristic has an approximately figure-eight shape as if two circles were connected.
[0033]
That is, the amplitude of the waveform signal output from the bidirectional microphone 2 changes according to not only the distance between the bidirectional microphone 2 and the sound source but also the relative direction between the bidirectional microphone 2 and the sound source. Specifically, when a sound wave is applied to the bidirectional microphone 2 in a direction perpendicular to or parallel to the vibration surface (not shown), the sound wave in a direction perpendicular to the sound surface in a direction perpendicular to the vibration surface. Can output a waveform signal having a larger amplitude. In FIG. 2B, the vibration surface is provided on the horizontal axis.
[0034]
Further, the bidirectional microphone 2 has two directivity when there is a sound source above the horizontal axis in FIG. 2B and when there is a sound source below the horizontal axis in FIG. The phase of the waveform signal output from the microphone 2 is shifted by 180 degrees. In other words, the phase changes by 180 degrees near the position of the 8-shaped depression in the directional characteristic diagram of FIG. 2B.
[0035]
Hereinafter, a point at which the phase largely changes in the hollow portion of the directional characteristic diagram is also referred to as a phase singularity. In FIG. 2B, the portion A is a phase singularity.
[0036]
Note that the phase hardly changes in portions other than the phase singular point A in FIG. In other words, a waveform signal having almost the same phase can be obtained in any direction as long as it is above the horizontal axis in FIG. On the other hand, if the phase is lower than the horizontal axis in FIG. 2B, the phase is shifted by 180 degrees from the upper side, but a waveform signal having almost the same phase can be obtained in any direction.
[0037]
Therefore, for example, when a positive-phase sound wave is input from a sound source on the upper side of the horizontal axis in FIG. 2B and a positive-phase waveform signal is output from the bidirectional microphone 2, When a positive-phase sound wave is input from the lower sound source, a negative-phase waveform signal is output from the bidirectional microphone 2. Hereinafter, the direction in which the waveform signal of the positive phase is output from the bidirectional microphone 2 based on the positive phase of the sound wave is referred to as the front direction of the bidirectional microphone 2. The direction in which the waveform signal of the negative phase is output from the bidirectional microphone 2 based on the positive phase of the sound source is referred to as the back direction of the bidirectional microphone 2. The direction of the horizontal axis in FIG. 2B is described as the side direction of the bidirectional microphone 2.
[0038]
In addition, unlike the bidirectional microphone 2, the omnidirectional microphone 1 has no phase singular point A whose phase largely changes before and after the omnidirectional microphone 2, and has the same direction regardless of the relative direction of the sound source. Outputs a phase waveform signal.
[0039]
The omnidirectional microphone 1 includes a pressure microphone. The pressure microphone is realized by, for example, a dynamic microphone, a condenser microphone, an electret condenser microphone, or the like.
[0040]
This pressure type microphone basically has a structure in which the front side of the diaphragm is open and the back side is closed by a housing. There are two types of principles that the movement of air by sound waves moves the diaphragm. One is a movement method that directly receives the movement of air and follows the movement of air. The second is a movement in which the diaphragm is moved in response to a change in air pressure generated by the movement of air. Note that the latter two types of movements are overwhelmingly larger in the latter movement due to the atmospheric pressure. In the case of a pressure-type microphone, since the rear side is closed, the air pressure on the rear side of the diaphragm is constant, and the diaphragm is moved by a change in the atmospheric pressure on the front side. Since the movement due to the atmospheric pressure change is dominant, the pressure type microphone outputs a waveform signal according to the atmospheric pressure change at the location of the microphone. Since the pressure change around the microphone does not depend on the relative direction of the sound source, the sensitivity of the pressure type microphone is constant regardless of the relative position of the sound source, and the phase does not change depending on the direction of the sound source.
[0041]
In contrast, the bidirectional microphone 2 moves differently. As the bidirectional microphone 2, there is a velocity microphone, which is realized by, for example, a ribbon microphone.
[0042]
This velocity microphone has a structure in which the periphery of the diaphragm is open. When the periphery of the diaphragm is opened, if the size of the diaphragm is sufficiently small with respect to the wavelength of the sound wave, the pressure on the front side and the pressure on the back side of the diaphragm become exactly the same. In this case, the diaphragm is not moved by the change in the atmospheric pressure, but moves according to the direct movement of the air.
[0043]
In a velocity microphone, the direction of vibration of the diaphragm is opposite between the case where sound waves come from the front side of the diaphragm and the case where sound waves come from the back side of the diaphragm. For example, suppose that a certain sound source is arranged on the front side of the diaphragm, and the movement of air due to sound waves at a certain timing is in a direction toward the microphone. The diaphragm moves rearward in response to the movement of air coming from the front side. When the same sound source is arranged at the same distance on the rear side of the diaphragm and viewed at the same timing, the movement of air by sound waves toward the microphone is the same as when the sound source is on the front side. However, in this case, since the air comes from the rear side of the diaphragm, the diaphragm moves toward the front side. This movement is the reverse of when the sound source is on the front side. Since the waveform signal output of the microphone follows the movement of the diaphragm, in the case of a velocity microphone, the waveform signal output from the microphone differs depending on whether the relative direction of the sound source is the front side or the back side. The phases are reversed.
[0044]
In addition, when the pressure microphone and the speed microphone are arranged sufficiently close to the wavelength of the sound wave, and there is a sound source in front of the speed microphone, the speed microphone outputs the sound from the pressure microphone. A waveform signal having substantially the same phase as that of the waveform signal is output.
[0045]
FIG. 3 shows a case where sound waves coming from a sound source emitting a sine wave of a single frequency are received by a pressure type microphone as the omnidirectional microphone 1 and a velocity type microphone as the bidirectional microphone 2. 4 shows a waveform signal output from a microphone.
[0046]
In this figure, the waveform signal output from the pressure microphone is denoted by B. When the sound source is in front of the speed microphone, the output waveform of the speed microphone becomes a waveform signal A having substantially the same phase as the waveform B. In addition, the waveform signal output of the velocity microphone when the sound source is on the back side has an opposite phase to that when the sound source is on the front side.
[0047]
Therefore, when the waveform signal output of the velocity microphone as the bidirectional microphone 2 is viewed with the waveform signal output B of the pressure microphone as the omnidirectional microphone 1 as a reference, if the phases are substantially in phase as shown in FIG. If so, it can be said that the sound source is on the front side. Conversely, if the phases are substantially opposite as shown in FIG. 3C, it is understood that the sound source is on the back side.
[0048]
It is the phase comparator 3 in FIG. 1 that makes this determination. The phase comparator 3 determines, based on the waveform signal from the omnidirectional microphone 1, whether the phase of the waveform signal from the bidirectional microphone 2 is substantially the same or opposite. Then, for example, if the phases are almost the same, a high-level phase determination signal is output, and if the phases are almost the same, a low-level phase determination signal is output. Looking at the phase determination signal, if the level is high, the sound source is on the front side, and if the level is low, the sound source is on the back side.
[0049]
As described above, the sound source direction determining apparatus according to the first embodiment uses the sound source based on the phase relationship between the waveform signal output from omnidirectional microphone 1 and the waveform signal output from bidirectional microphone 2. The relative direction can be determined.
[0050]
Therefore, by using the sound source direction determining apparatus according to the first embodiment as shown in FIG. A or the back side B can be determined. Then, based on the result of this determination, for example, switches such as lighting can be turned on / off. When there is no sound from the front based on the determination result, the level of the surrounding noise can be reduced by reducing the amplitude of the waveform signal output.
[0051]
Embodiment 2 FIG.
[0052]
FIG. 5 is a circuit diagram showing a sound source direction determining apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
[0053]
The sound source direction determining apparatus mainly includes an omnidirectional microphone 1 as a second microphone and a first microphone having a directional characteristic in which the sensitivity on the front side and the sensitivity on the back side of bidirectionality are changed to be different. And a phase comparator 3 as a judging means for comparing the phases of the waveform signals output from the microphones 1 and 5 and outputting a phase judgment signal that changes based on the result of the phase comparison. And.
[0054]
An amplification amplifier 4 for amplifying the amplitude of the waveform signal output from the microphones 1, 5 is provided between the omnidirectional microphone 1 and the phase comparator 3 and between the microphone 5 and the phase comparator 3, respectively. Is provided.
[0055]
The above-described microphone 5 having the directional characteristics in which the sensitivity on the front side and the sensitivity on the rear side of the bidirectional microphone are changed so as to be different from each other can be realized by, for example, substantially covering the rear side of the bidirectional microphone 2. it can. In this case, for example, the directional characteristics are as shown in FIG.
[0056]
When the rear side of the diaphragm of the bidirectional microphone 2 is incompletely closed, when air vibrates with voice or the like, the movement of air on the rear side of the diaphragm is suppressed from the front side. The pressure on the front side and the pressure on the back side do not match. For this reason, the movement of the diaphragm is caused not only by the direct movement of the air but also by the element of the atmospheric pressure.
[0057]
As a result, as shown in FIG. 2C, the sensitivity on the back side of the bidirectional microphone 2 is lower than that on the front side, and the two phase singular points A are also displaced to the back side. Characteristics.
[0058]
This directional characteristic is hereinafter referred to as a hypercardioid characteristic. The hyper-cardioid characteristic in a narrow sense is a mixture of a certain ratio of the atmospheric pressure element, but here, all the characteristics having two phase singularities A and different front-side and rear-side sensitivities are hyper-cardioid characteristics. Will be described. In FIG. 2C, the larger one in the figure of 8 in the upper part is defined as the high sensitivity side, and the smaller ring is defined as the low sensitivity side. Note that the microphone 5 is described as a hypercardioid microphone 5.
[0059]
When the degree of sealing on the back side of the hypercardioid microphone 5 is further increased, the sensitivity on the back side further decreases, and the phase singularity A eventually becomes one, and the rise of the sensitivity on the back side disappears, The characteristics are as shown in FIG. The characteristics shown in this figure are called cardioid characteristics. Unidirectional microphones basically have cardioid characteristics.
[0060]
The components other than the hypercardioid microphone 5 are the same as the components of the same name in the first embodiment, and are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0061]
The second embodiment is characterized by a microphone installation method in addition to the components. The arrangement of the two microphones sufficiently close to each other is the same as in the first embodiment, but in the second embodiment, the low-sensitivity side of the hypercardioid microphone 5 is particularly installed facing the front of the device. That is, the direction of the hyper-cardioid microphone 5 on the high sensitivity side is installed in the direction opposite to the front of the device.
[0062]
The hypercardioid characteristics can have many characteristics depending on the shape of the closing side. Not only the position of the phase singularity A but also the phases on the high sensitivity side and the low sensitivity side change depending on the shape. Nevertheless, the hypercardioid microphone 5 in the second embodiment can be handled in the same manner as the bidirectional microphone 2 in the first embodiment.
[0063]
The relationship between the phase of the waveform signal output of the omnidirectional microphone 1 and the phase of the waveform signal output of the hypercardioid microphone 5 is as shown in B and A and C in FIG. 3, that is, approximately the same phase or approximately opposite. They are in a phase relationship.
[0064]
Therefore, similarly to the first embodiment, if the phase comparator 3 determines whether the waveform signal output of the omnidirectional microphone 1 is substantially in phase or out of phase, the sound source is located in front of the phase singular point A. It can be determined whether it is on the back side.
[0065]
As described above, the sound source direction determining apparatus according to the second embodiment determines the sound source based on the relationship between the phase of the waveform signal output from the omnidirectional microphone 1 and the phase of the waveform signal output from the hypercardioid microphone 5. The relative direction can be determined.
[0066]
Therefore, as shown in FIG. 6 in which the directional characteristics in the installed state of the two microphones 1 and 5 are superimposed, the sound source can be changed to the front side A of the sound source direction determining device by using the sound source direction determining device according to the second embodiment. Or in the surrounding direction B can be determined. Then, based on the result of this determination, for example, switches such as lighting can be turned on / off. When there is no sound from the front based on the determination result, the level of the surrounding noise can be reduced by reducing the amplitude of the waveform signal output.
[0067]
In particular, by setting the low sensitivity side of the hyper-cardioid microphone 5 to the front side of the sound source direction determination device as in the second embodiment, the sound source can be placed in a narrower angle range than when the bidirectional microphone 2 is used. You can determine whether there is. When the bidirectional microphone 2 is used, this range is fixed at 180 degrees. However, by using the hypercardioid microphone 5, this angle range can be narrowed. Further, by changing the structure of the hypercardioid microphone 5, the angle range for determining the position of the sound source can be freely changed to some extent.
[0068]
As a result, for example, by installing this sound source direction determination device on the sun visor of a car or on the ceiling near the sun visor, it is possible to focus on the driver and determine whether or not the user is speaking.
[0069]
Embodiment 3 FIG.
[0070]
FIG. 7 is a circuit diagram showing a sound source direction determining apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
[0071]
The sound source direction determination device mainly includes an omnidirectional microphone 1 as one of a plurality of microphones, a bidirectional microphone 2 as one of a plurality of microphones, and an omnidirectional microphone 1. A phase inverter 6 for inverting the phase of the waveform signal output, an adder 7 as arithmetic means for adding the output of the phase inverter 6 and the waveform signal output of the bidirectional microphone 2 at a specific ratio, and an adder And a phase comparator 3 as a determination unit that compares the phase of the output of the omnidirectional microphone 7 with the phase of the waveform signal output of the omnidirectional microphone 1 and outputs a phase determination signal that changes based on the result of the phase comparison.
[0072]
Amplifying between the omnidirectional microphone 1 and the phase comparator 3 and between the bidirectional microphone 2 and the adder 7 for amplifying the amplitude of the waveform signal output from these microphones 1 and 2 respectively. An amplifier 4 is provided.
[0073]
In the third embodiment, instead of using the hyper-cardioid microphone 5 in the second embodiment, a signal obtained by inverting the phase of the waveform signal output of the omnidirectional microphone 1 by the phase inverter 6 and the bidirectional microphone 2 A waveform signal obtained by adding the waveform signal outputs of the above-mentioned waveform signals by the adder 7 is used.
[0074]
When the sound wave comes from the front side, the omnidirectional microphone 1 and the bidirectional microphone 2 have substantially the same phase, and therefore have almost the opposite phase to the output of the phase inverter 6.
[0075]
Assuming that the amplitude of the output of the omnidirectional microphone 1 and the output of the bidirectional microphone 2 when the sound source is directly in front are the same, the output signal of the phase inverter 6 is halved, for example, and the adder 7 Suppose that it added in.
[0076]
When the sound source is in front, the output of the bidirectional microphone 2 and the output signal of the phase inverter 6 have opposite phases, so that the amplitude after addition is half of the output of the bidirectional microphone 2. At this time, the phase after the addition does not change. Also, when the sound source is on the back side, it has the same phase, so the amplitude is 1.5 times and the phase does not change. Further, when the sound source is in the side direction, the amplitude of the output of the bidirectional microphone 2 is small, so that the amplitude and phase after the addition are almost equal to the output signal of the phase inverter 6.
[0077]
Since the front and rear phases of the signal after addition by the adder 7 are opposite to those of the bidirectional microphone 2, there should be a phase singular point A where the phase is inverted somewhere in the middle. The phase singular point A disappears on the side of the directional microphone 2 where the phase singular point A was located. In this case, the phase singular point A of the signal after addition by the adder 7 is a point where the output of the bidirectional microphone 2 has the same phase as the front side and half the amplitude. Since the sensitivity of the bidirectional microphone 2 is approximately proportional to the cosine of the angle from the front, the point, that is, the phase singular point A, is approximately around ± 60 degrees from the front.
[0078]
The signal after addition by the adder 7 and the waveform signal from the omnidirectional microphone 1 are shown in FIG. The microphones used are the omnidirectional microphone 1 and the bidirectional microphone 2, but by using the phase inverter 6 and the adder 7, a signal corresponding to the hypercardioid microphone 5 can be generated. it can.
[0079]
Except for generating a signal corresponding to the hypercardioid microphone 5 by the adder 7, the other components are the same as those of the first embodiment having the same names, and are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. .
[0080]
The phase of the signal entering the phase comparator 3 is exactly the same as in the first embodiment. Therefore, similarly to the first embodiment, if the phase comparator 3 determines whether the phase of the waveform signal output of the omnidirectional microphone 1 is substantially the same phase or the opposite phase, the sound source becomes the front of FIG. It can be determined whether it is on the side A or the back side B.
[0081]
As described above, the sound source direction determining apparatus according to the third embodiment uses the omnidirectional microphone 1 and the bidirectional microphone 2 to generate a sound source having a narrow angle range like the hypercardioid microphone 5. The relative direction can be determined.
[0082]
Therefore, it can be said that the same advantages as in the second embodiment, such as advantages in application, can be obtained.
[0083]
In the case of the hypercardioid microphone 5, the location of the phase singular point A is determined by the structure of the microphone, so that the location cannot be changed unless the microphone is recreated. However, in the case of the third embodiment, the location of the phase singularity A can be changed only by changing the input level of the adder 7.
[0084]
It is also advantageous that a general microphone can be used instead of the hypercardioid microphone 5.
[0085]
In FIG. 7, the bidirectional microphone 2 is installed so as to output a signal having the same phase as that of the omnidirectional microphone 1 to a sound source located on the front side, but may be installed in the opposite direction. In this case, the output of the non-directional microphone 1 and the output of the bidirectional microphone 2 for the sound source on the front side are generally waveform signals of opposite phases, so that the phase inverter 6 is omitted and the adder 7 is used as it is. The addition results in the same phase characteristics as above. However, since the waveform signal input from the adder 7 to the phase comparator 3 also has the opposite phase, the determination in the phase comparator 3 must be reversed.
[0086]
Embodiment 4 FIG.
[0087]
FIG. 9 is a circuit diagram showing a sound source direction determining apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
[0088]
The sound source direction determination device mainly includes an omnidirectional microphone 1 as one of a plurality of microphones, a bidirectional microphone 2 as one of a plurality of microphones, and an omnidirectional microphone 1. A phase inverter 6 for inverting the phase of the waveform signal output, a voltage control amplifier 8 for varying the output level of the phase inverter 6, and the output of the voltage control amplifier 8 and the waveform signal output of the bidirectional microphone 2 are added. An adder 7 serving as a calculating means for comparing the phase of the output of the adder 7 with the waveform signal output of the omnidirectional microphone 1 and outputting a phase determination signal that changes based on the result of the phase comparison And a phase comparator 3 as means.
[0089]
Amplifying between the omnidirectional microphone 1 and the phase comparator 3 and between the bidirectional microphone 2 and the adder 7 for amplifying the amplitude of the waveform signal output from these microphones 1 and 2 respectively. An amplifier 4 is provided.
[0090]
In the third embodiment, the phase singular point A is moved by adding the output of the omnidirectional microphone 1 whose phase is inverted to the output of the bidirectional microphone 2 by the adder 7. In the fourth embodiment, the voltage control amplifier 8 is added so that the addition amount can be changed, that is, the movement of the phase singular point A can be controlled.
[0091]
FIG. 8 shows that the addition ratio of the waveform signal from the bidirectional microphone 2 and the signal obtained by inverting the signal of the omnidirectional microphone 1 in the adder 7 is 2: 1. FIG. 10 shows this ratio set to 2: √3. The change in the ratio can be externally controlled by the voltage control amplifier 8.
[0092]
In the fourth embodiment, the other components are the same as those of the third embodiment except that the voltage control amplifier 8 is added and the ratio of addition by the adder 7 is variable. The description is omitted by attaching the reference numerals.
[0093]
The phase of the signal entering the phase comparator 3 is exactly the same as in the first embodiment. Therefore, similarly to the first embodiment, if the phase comparator 3 determines whether the waveform signal output of the omnidirectional microphone 1 is substantially in-phase or out-of-phase, the sound source becomes the front side A in FIG. It can be determined whether it is located on the rear side B.
[0094]
Further, the bidirectional microphone 2 can be installed in the opposite direction and the phase inverter 6 can be omitted, similarly to the third embodiment.
[0095]
As described above, the sound source direction determining apparatus according to the fourth embodiment uses the omnidirectional microphone 1 and the bidirectional microphone 2 to determine the relative position of a sound source in a narrow range such as the one using the hypercardioid microphone 5. The direction can be determined. Further, the position of the phase singular point A can also be controlled from outside.
[0096]
Therefore, the third embodiment is basically the same as the third embodiment, such as advantages in application, and further determines whether or not a sound source is within a zoom range as a microphone of a video camera with a zoom function in conjunction with the zoom. It is also possible to apply such as doing.
[0097]
Embodiment 5 FIG.
[0098]
FIG. 11 is a circuit diagram showing a microphone device according to Embodiment 5 of the present invention.
[0099]
The microphone device mainly includes an omnidirectional microphone 1 as one microphone among a plurality of microphones, a bidirectional microphone 2 as one microphone among a plurality of microphones, and these microphones 1 and 2. A phase comparator 3 as a judging means for comparing the phases of the output waveform signals with each other and outputting a phase judgment signal that changes based on the result of the phase comparison, and a waveform signal output from the bidirectional microphone 2 and a phase comparator. A voltage control amplifier 8 is provided as an output level variable unit that receives a phase determination signal from the comparator 3 and amplifies a waveform signal from the bidirectional microphone 2 with an amplification factor according to the level of the phase determination signal. The signal amplified by the voltage control amplifier 8 is output as an output waveform signal.
[0100]
Further, between the omnidirectional microphone 1 and the phase comparator 3, and between the bidirectional microphone 2 and the phase comparator 3, the amplitudes of the waveform signals output from these microphones 1 and 2 are amplified. An amplification amplifier 4 is provided.
[0101]
The voltage control amplifier 8 amplifies the waveform signal from the bidirectional microphone 2 at an amplification factor according to the level of the phase determination signal, and outputs this as an output waveform signal. Specifically, the waveform signal from the bidirectional microphone 2 is amplified at a high amplification factor when the level of the phase determination signal is high, and at a low amplification factor when the level of the phase determination signal is low. Note that the low amplification factor may be 0%.
[0102]
The other components are the same as the components having the same names in the first embodiment, and are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0103]
When a sound source is arranged on the front side of the microphone device, the waveform signal from the omnidirectional microphone 1 and the waveform signal from the bidirectional microphone 2 have substantially the same phase. Outputs a judgment signal.
[0104]
Then, since a high-level phase determination signal is output from the phase comparator 3, the voltage control amplifier 8 amplifies the waveform signal from the bidirectional microphone 2 at a predetermined high amplification factor. The signal amplified by the voltage control amplifier 8 is output as an output waveform signal.
[0105]
Conversely, if a sound source is arranged on the back side of the microphone device, the waveform signal from the omnidirectional microphone 1 and the waveform signal from the bidirectional microphone 2 are generally in opposite phases, so that the phase comparator 3 Outputs a phase determination signal.
[0106]
Then, since the low-level phase determination signal is output from the phase comparator 3, the voltage control amplifier 8 amplifies the waveform signal from the bidirectional microphone 2 with a predetermined low amplification factor. The signal amplified by the voltage control amplifier 8 is output as an output waveform signal. If the amplification factor is 0%, the output waveform signal does not include a component based on the waveform signal from the sound source.
[0107]
As described above, the microphone device according to the fifth embodiment uses the relative direction of the sound source based on the relationship between the phase of the waveform signal output by the omnidirectional microphone 1 and the phase of the waveform signal output by the bidirectional microphone 2. Is determined, and the amplification factor of the waveform signal based on the sound wave is switched based on the determination result.
[0108]
Therefore, by using the microphone device according to the fifth embodiment, when there is a sound source on the front side of the microphone device, a waveform signal based on a sound wave from the sound source is amplified and output as an output waveform signal. be able to. If there is no sound source on the front side of the microphone device, the gain of the waveform signal is reduced.
[0109]
As a result, it is possible to obtain a directional characteristic that efficiently converts the sound of the sound source on the front side of the microphone device into an output waveform signal and does not convert the sound of the sound source on the back side of the microphone device into an output waveform signal.
[0110]
Note that, instead of the voltage control amplifier 8, a switch that is turned on / off in accordance with the level of the phase determination signal may be used. In this case, the amplification factor is switched between 100% and 0%. The same effect as in the fifth embodiment can be obtained by performing on-control when the phase determination signal is at a high level and off-control when the phase determination signal is at a low level.
[0111]
By the way, the fifth embodiment has a configuration in which the voltage control amplifier 8 is added to the first embodiment. Since the operation of the phase determination signal is the same as that of the first embodiment, the directional characteristics are in the same range as the determination of the sound source direction of the first embodiment.
[0112]
The part until the phase determination signal is obtained may be the second embodiment, the third embodiment, or the fourth embodiment other than the first embodiment. In this case, the directional characteristics can be limited to a narrower range, or the range can be changed.
[0113]
Embodiment 6 FIG.
[0114]
FIG. 12 is a circuit diagram showing a microphone device according to Embodiment 6 of the present invention.
[0115]
The microphone device mainly includes an omnidirectional microphone 1 as one microphone among a plurality of microphones, a bidirectional microphone 2 as one microphone among a plurality of microphones, and these microphones 1 and 2. A phase comparator 3 serving as a judging means for comparing the phases of the output waveform signals and outputting a phase judgment signal that changes based on the result of the phase comparison, and the level of the waveform signal output from the bidirectional microphone 2 And a level detector 9 as a level detecting means for outputting a gain control signal corresponding to the level, and multiplies the gain control signal by a phase determination signal output from the phase comparator 3 to generate a multiplied signal. The output multiplier 10 and the waveform signal from the bidirectional microphone 2 are input, and the higher the level of the multiplied signal from the multiplier 10 is, the higher the level is. Comprises a voltage control amplifier 8 as an output level varying means width ratio is increased, the. The signal amplified by the voltage control amplifier 8 is output as an output waveform signal.
[0116]
Further, between the omnidirectional microphone 1 and the phase comparator 3, and between the bidirectional microphone 2 and the phase comparator 3, the amplitudes of the waveform signals output from these microphones 1 and 2 are amplified. An amplification amplifier 4 is provided.
[0117]
The level detector 9 detects the level of a waveform signal output from the bidirectional microphone 2, and outputs a gain control signal corresponding to the level.
[0118]
FIG. 13 is an input / output characteristic diagram showing the relationship between the input signal level of the level detector 9 and the level of the gain control signal output from the level detector 9. The solid line is the input / output characteristic line of the level detector 9. A broken line is an input / output characteristic line of the linear amplifier.
[0119]
Then, as shown in FIG. 13, when the input level is lower than the predetermined first level, the level detector 9 outputs a gain control signal having a level proportional to the input level. When the input level is higher than the predetermined first level, the control signal is output at a substantially constant level.
[0120]
Note that the first level is, for example, when the microphone device according to the sixth embodiment is disposed above the driver's seat of a car, based on the volume of voice of a person sitting in the driver's seat in a normal car. An input level based on the voice volume, or a level slightly lower than that, may be set.
[0121]
The other components are the same as the components having the same names in the fifth embodiment, and are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0122]
When the sound source is arranged on the front side of the microphone device, the waveform signal from the omnidirectional microphone 1 and the waveform signal from the bidirectional microphone 2 are almost in phase, and the phase comparator 3 outputs the high-level phase determination signal. Is output.
[0123]
The level detector 9 outputs a gain control signal according to the level of the waveform signal from the bidirectional microphone 2. The multiplier 10 multiplies the gain control signal by the high-level phase determination signal and outputs the result as a multiplied signal.
[0124]
Then, the voltage control amplifier 8 amplifies the waveform signal from the bidirectional microphone 2 at a predetermined high amplification rate according to the level of the multiplied signal. The signal amplified by the voltage control amplifier 8 is output as an output waveform signal.
[0125]
Conversely, if a sound source is arranged on the back side of the microphone device, the waveform signal from the omnidirectional microphone 1 and the waveform signal from the bidirectional microphone 2 are generally in opposite phases, so that the phase comparator 3 Outputs a phase determination signal.
[0126]
The level detector 9 outputs a gain control signal according to the level of the waveform signal from the bidirectional microphone 2. The multiplier 10 multiplies the gain control signal by the low-level phase determination signal and outputs the multiplied signal. Since the multiplication signal at this time is a multiplication with the low level, the multiplication signal is always at the low level.
[0127]
Then, the voltage control amplifier 8 amplifies the waveform signal from the bidirectional microphone 2 at a predetermined low amplification rate according to the level of the multiplied signal. The signal amplified by the voltage control amplifier 8 is output as an output waveform signal. If the amplification factor is 0%, the output waveform signal does not include a component based on the waveform signal from the sound source.
[0128]
FIG. 14 shows input / output characteristics of the microphone device according to the sixth embodiment.
[0129]
When a sound source is present on the back side of the microphone device, a low-level phase determination signal is output from the phase comparator 3, so that the output waveform signal is based on the sound source, as shown by the input / output characteristic curve B in FIG. Regardless of the input level of the sound wave, the output level is always low.
[0130]
When a sound source is located on the front side of the microphone device, a high-level phase determination signal is output from the phase comparator 3, so that the output waveform signal has a bidirectional The output level corresponds to the input level of the sound wave input to the microphone 2.
[0131]
Specifically, for example, when the first level of the level detector 9 is set to be equal to or less than the voice volume of the person sitting in the driver's seat in a normal car, the range of FIG. As shown by the relationship with the range (the portion corresponding to the range of the input level (a) of the input / output characteristic curve A in FIG. 14), the voice of the person sitting in the driver's seat can be output at a substantially constant level. it can. The range of FIG. 14C is an output level range when a linear amplifier is used. As is clear from FIG. 14, the range of the output level shown in FIG. 14B is narrower than the range shown in FIGS. 14C and 14A. In other words, it can be said that the level is stable.
[0132]
When the volume is equal to or lower than the first level, the output waveform signal has a level lower than the predetermined level and changes linearly with the input level.
[0133]
As described above, the microphone device according to the sixth embodiment uses the relative direction of the sound source based on the relationship between the phase of the waveform signal output by the omnidirectional microphone 1 and the phase of the waveform signal output by the bidirectional microphone 2. It is possible to output an output waveform signal based on the sound wave from the sound source only when there is a sound source on the front side based on the judgment result. In other words, when the sound source is on the front side, sound up to a predetermined volume can be output linearly, and a sound with a higher volume can be output at a substantially constant level. On the other hand, when the sound source is on the back side, the level can be set to an extremely low level or not output at all.
[0134]
In particular, when the volume is higher than the first level, the output level becomes substantially constant, so that, for example, even if the level of the voice of the person sitting in the driver's seat changes due to the movement of the head position, it is easy to hear. It can be output as an audio signal of a certain level. It can also be suitably used as a voice input signal for a voice recognition device.
[0135]
By the way, in the sixth embodiment, since the phase determination signal has the same configuration as that of the first embodiment, the directivity also has the same range as that of the first embodiment.
[0136]
The part until the phase determination signal is obtained may be the second embodiment, the third embodiment, or the fourth embodiment other than the first embodiment. In this case, the directional characteristics can be limited to a narrower range, or the range can be changed.
[0137]
【The invention's effect】
With the sound source direction determination device according to the present invention, the relative direction of the sound source can be determined based on the phase relationship between the waveform signals output from the plurality of microphones.
[0138]
In the microphone device according to another aspect of the present invention, the relative direction of the sound source is determined based on the phase relationship between the waveform signals output from the plurality of microphones, and the output waveform signal is controlled based on the determination result. Can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a sound source direction determining apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a directional characteristic diagram showing directional characteristics of various microphones alone. (A) is the directional characteristic of an omnidirectional microphone, (B) is the directional characteristic of a bidirectional microphone, (C) is the directional characteristic of a hypercardioid microphone, and (D) is the directional characteristic of a unidirectional microphone. .
FIG. 3 is a waveform chart showing waveform signals output from a sound source that outputs a sinusoidal sound wave of a single frequency when the speed-type microphone and the pressure-type microphone receive the sound wave. .
FIG. 4 is a diagram showing directional characteristics in an installed state of two microphones used in the sound source direction determination device of FIG. 1;
FIG. 5 is a circuit diagram showing a sound source direction determining apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
6 is a diagram showing directional characteristics in a state where two microphones used in the sound source direction determination device of FIG. 5 are installed.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a sound source direction determining apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
8 is a diagram showing the omnidirectional microphone used in FIG. 7 and the directional characteristics of the waveform signal generated by the adder.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a sound source direction determining apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing the omnidirectional microphone used in FIG. 9 and signal characteristics of a waveform signal generated by an adder.
FIG. 11 is a circuit diagram showing a microphone device according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 12 is a circuit diagram showing a microphone device according to Embodiment 6 of the present invention.
13 is a characteristic diagram showing input / output characteristics of the level detector in FIG.
14 is a characteristic diagram showing input / output characteristics of the microphone device of FIG.
[Explanation of symbols]
1 omnidirectional microphone
2 Bidirectional microphone
3 phase comparator (judgment means)
4 Amplification amplifier
5 Hyper Cardioid Microphone
6 phase inverter
7 Adder
8 Voltage control amplifier
9 level detector
10 Multiplier

Claims (6)

音源の方向によって出力される波形信号の位相が大きく変化する第一のマイクロホンと、
音源の方向によっては上記第一のマイクロホンとは異なる位相の波形信号を出力するマイクロホンであって、且つ、上記第一のマイクロホンと音波の波長に対して十分接近して配置された第二のマイクロホンと、
上記第一と第二のマイクロホンからそれぞれ出力される波形信号同士の位相を比較した結果に基づいて上記音源の方向を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする音源方向判定装置。
A first microphone in which the phase of the waveform signal output varies greatly depending on the direction of the sound source,
A microphone that outputs a waveform signal having a phase different from that of the first microphone depending on the direction of the sound source, and a second microphone that is arranged sufficiently close to the first microphone and the wavelength of a sound wave. When,
A sound source direction judging device, comprising: judging means for judging the direction of the sound source based on a result of comparing phases of waveform signals output from the first and second microphones.
音源の方向によって出力される波形信号の位相が大きく変化する第一のマイクロホンとして、
双指向特性の正面側の感度と背面側の感度を異なるように変化させた指向特性を有するマイクロホンを使用するとともに、
上記マイクロホンの高感度側の方向を、装置の正面とは反対側の向きに設置することを特徴とする請求項1記載の音源方向判定装置。
As the first microphone in which the phase of the waveform signal output varies greatly depending on the direction of the sound source,
While using a microphone with directional characteristics with the sensitivity on the front side and the sensitivity on the back side of the bidirectional characteristics changed differently,
2. The sound source direction judging device according to claim 1, wherein a direction on the high sensitivity side of the microphone is installed in a direction opposite to a front side of the device.
音源の方向によっては出力される波形信号の位相が互いに異なり、且つ、接近して配置された複数のマイクロホンと、
上記マイクロホンから出力される波形信号、或いは、上記マイクロホンから出力される波形信号の位相をシフトした波形信号を、加算、或いは、減算する演算手段と、
上記マイクロホンから出力される波形信号に基づいた波形信号であるが、上記演算手段から出力される波形信号とは異なる波形信号と、上記演算手段から出力される波形信号との、位相を比較した結果に基づいて上記音源の方向を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする音源方向判定装置。
Depending on the direction of the sound source, the phases of the output waveform signals are different from each other, and a plurality of microphones arranged close to each other,
Arithmetic means for adding or subtracting a waveform signal output from the microphone, or a waveform signal obtained by shifting the phase of the waveform signal output from the microphone,
A waveform signal based on the waveform signal output from the microphone, but different from the waveform signal output from the arithmetic means, and the result of comparing the phases of the waveform signal output from the arithmetic means; And a determining means for determining the direction of the sound source based on the sound source direction.
前記演算手段において、加算、或いは、減算する波形信号同士の比率を、可変できるようにしたこと、を特徴とする請求項3記載の音源方向判定装置。4. The sound source direction judging device according to claim 3, wherein a ratio of waveform signals to be added or subtracted is variable in said arithmetic means. 音源の方向によっては出力される波形信号の位相が互いに異なり、且つ、近接して配置された複数のマイクロホンから出力される波形信号に基づいて生成される、複数の波形信号の位相を比較することによって、音源の方向を判定する判定手段と、
上記判定された音源の方向によって、波形信号の出力レベルを変化させる、出力レベル可変手段と、を備えることを特徴とするマイクロホン装置。
To compare the phases of a plurality of waveform signals generated based on waveform signals output from a plurality of microphones that are different from each other in phase depending on the direction of the sound source and that are output from a plurality of microphones arranged close to each other. Determining means for determining the direction of the sound source,
Output level varying means for changing the output level of the waveform signal according to the determined direction of the sound source.
音波に基づく波形信号のレベルを検出するレベル検出手段を設け、
前記出力レベル可変手段において、上記レベル検出手段の検出結果によっても出力レベルを変化させるようにしたこと、を特徴とする請求項5記載のマイクロホン装置。
Providing level detection means for detecting the level of a waveform signal based on sound waves,
6. The microphone device according to claim 5, wherein said output level changing means changes an output level also according to a detection result of said level detection means.
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