JP2006180455A

JP2006180455A - 呼気流センサ

Info

Publication number: JP2006180455A
Application number: JP2005249792A
Authority: JP
Inventors: Yukio Tada; 幸生多田
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】呼気流と同時に音声を検出可能な呼気流センサを提供すること。
【解決手段】本発明は、話者の音声および呼気流を電気信号に変換して出力するコンデ
ンサマイクと、前記コンデンサマイクからの出力信号のうち第１の周波数以上の信号を透
過するハイパスフィルタと、前記コンデンサマイクからの出力信号のうち第２の周波数以
下の信号を透過するローパスフィルタとを有する呼気流センサを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発声あるいは発語訓練装置に用いられる呼気流センサに関する。特に、呼気流と同時に音声を取得可能な呼気流センサに関する。

呼気流は発声のためのエネルギー源であり、発音あるいは発語の訓練においては非常に重要な要素である。例えば英語のような言語においては、呼気流は子音の発音と密接に関係している。したがって、語学学習等の発声訓練装置において、呼気流の強さ等が監視対象のパラメータとして用いられている。呼気流を測定するためには、いわゆるコンデンサマイクを用いた呼気流センサが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−１０５３８９号公報

しかし、特許文献１に記載の技術においては、呼気流を精度よく検出するためには、音声成分を除去するためのローパスフィルタを用いる必要があった。当然ながらこのローパスフィルタにより音声成分は除去されてしまうので、発声訓練装置に用いるには音声信号取得用のマイクを別途設置しなければならず、構造が複雑になってしまうという問題があった。
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、呼気流と同時に音声を検出可能な呼気流センサを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、話者の音声および呼気流を電気信号に変換して出力するコンデンサマイクと、前記コンデンサマイクからの出力信号のうち第１の周波数以上の信号を透過するハイパスフィルタと、前記コンデンサマイクからの出力信号のうち第２の周波数以下の信号を透過するローパスフィルタとを有する呼気流センサを提供する。
好ましい態様において、前記第１の周波数および前記第２の周波数が声帯振動周波数以下であってもよい。さらに、前記第１の周波数および前記第２の周波数が７０〜１２０Ｈｚの範囲にあってもよい。

本発明によれば、１つのマイクで呼気流および音声を両方取得することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
＜原理＞
図１は、本発明に係る呼気流センサ１０の原理的な機能構成を示すブロック図である。コンデンサマイク１１は音声および呼気流による音圧の変化を電気信号として出力する装置である。コンデンサマイク１１はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１２を含む音声出力系統およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３を含む呼気流出力系統の２つの出力系統に接続されている。音声出力系統において、コンデンサマイク１１から出力された信号はＨＰＦ１２により低周波数領域の信号がカットされる。呼気流の周波数は音声の周波数（声帯振動周波数）よりも低いので、適切なカットオフ周波数を有するハイパスフィルタを用いることによりコンデンサマイク１１の出力信号から呼気流の成分を除去することができる。本実施形態において、ＨＰＦ１２のカットオフ周波数は１２０Ｈｚである。一般に声帯振動周波数は最も低い成人男性で１５０Ｈｚ前後と言われている。したがって、カットオフ周波数１２０ＨｚのＨＰＦ１２を用いることによって出力信号から音声成分を効率的に除去することができる。このようにして、音声出力系統からは呼気流成分が除去された信号が出力される。

一方、呼気流出力系統においてコンデンサマイク１１の出力信号は、ＬＰＦ１３により高周波数領域の信号がカットされる。本実施形態において、ＬＰＦ１３のカットオフ周波数は１２０Ｈｚである。これにより出力信号から音声成分を除去することができる。このようにして、呼気流出力系統からは音声成分が除去された信号が出力される。

＜第１実施形態＞
図２は、本発明の第１実施形態に係るマイク１の構成を示すブロック図である。筐体１０１は、一端が開放された円筒形のケースである。筐体１０１の開放端側には呼気流センサユニット１０２が取り付けられている。呼気流センサユニット１０２は、呼気流を含む音声を電気信号に変換するコンデンサマイク１０３と、コンデンサマイク１０３から出力された信号を処理する信号処理回路１０４とから構成される。コンデンサマイク１０３は、呼気流を取得するための気室１０５と、圧力の変化を電気信号に変換するコンデンサ（キャパシタ）１０６とを有する。コンデンサ１０６は、振動板１０７および固定電極１０８の２つの電極を有する。振動板１０７と固定電極１０８の間には誘電体１０９が挟持されている。すなわち、コンデンサマイク１０３はエレクトレットコンデンサマイクである。振動板１０７は気室１０５に露出している。気室１０５において、振動板１０７を含む面と対向する面には開口部が設けられている。あるいは、面全体が開口していてもよい。図２に示されるように、気室１０５およびコンデンサ１０６において、コンデンサ１０６の電極に平行な面で切断した断面は円形であるが、正方形、長方形等、他の形状であってもよい。

筐体１０１の開放端すなわち呼気流センサユニット１０２が取り付けられてる端部には、カバー１１１が取り付けられる。また、筐体１０１はその内部に電池室を有しており、呼気流センサユニット１０２に駆動電圧を供給するための電池１１０を収納することができる。

図３は、呼気流センサユニット１０２の回路構成を示す図である。コンデンサ１０６に電圧を供給するための電池１１０に、信号処理回路１０４が接続されている。信号処理回路１０４は抵抗Ｒと、出力信号から呼気流成分を除去するためのＨＰＦ１２と、音声成分を除去するためのＬＰＦ１３とを有する。

続いて、マイク１の動作について説明する。
使用者がマイク１を口元に近づけて音声を発すると、音声は音波として伝播し、気室１０５の圧力を変化させる。気室１０５の圧力変化により、振動板１０７が振動する。振動板１０７の振動によりコンデンサ１０６の容量が変化する。容量の変化は電圧の変化を示す信号として出力される。呼気流センサユニット１０２は、音声出力および呼気流出力の２系統の出力系統を有する。音声出力系統において、出力信号は、ＨＰＦ１２により低周波数成分の信号が除去される。前述のようにＨＰＦ１２のカットオフ周波数は１２０Ｈｚであるので、低周波数領域に存在する呼気流成分が除去された音声信号が出力される。一方呼気流出力系統において、音声信号はカットオフ周波数１２０ＨｚのＬＰＦ１３により高周波の音声成分が除去され、呼気流信号として出力される。

以上で説明したように、本実施形態によれば、１のコンデンサマイクにより音声信号および呼気流信号の２つの出力信号を同時に得ることができるので、呼気流センサと音声取得用のマイクとをそれぞれ別個に設ける必要がなくなるという効果が得られる。

なお、本実施形態は上述の態様に限られず種々の変形実施が可能である。
第１実施形態においては、コンデンサ１０６がエレクトレットコンデンサである態様について説明したが、誘電体１０９の代わりに空気を用いたコンデンサを採用してもよい。ただし、この場合は振動板１０７と固定電極１０８に電荷を蓄積するために高い電圧を印加しなければならないため、高電圧の電源を用いる必要がある。
信号処理回路１０４において、出力信号を増幅するための増幅器を設けてもよい。増幅器はコンデンサ１０６の出力の後段に設けてもよいし、ＨＰＦ１２あるいはＬＰＦ１３の後段に設けてもよい。

また、上述の実施形態においてはＨＰＦ１２およびＬＰＦ１３のカットオフ周波数がともに１２０Ｈｚである態様について説明したが、カットオフ周波数の値は１２０Ｈｚに限定されるものではなく、音声と呼気流を分離できる値であればよい。すなわち、声帯振動数以下であることが好ましい。より具体的には、カットオフ周波数は例えば７０〜１２０Ｈｚの範囲にあることが望ましい。さらに、上述の実施形態においてはＨＰＦ１２のカットオフ周波数とＬＰＦ１３のカットオフ周波数は同一である態様について説明したが、これらは異なっていてもよい。ＨＰＦ１２およびＬＰＦ１３が透過する周波数帯にはオーバーラップ部分があってもよいし、逆にＬＰＦ１３およびＨＰＦ１２のどちらによっても透過されない周波数帯が存在してもよい。あるいは、カットオフ周波数を可変な構成としてもよい。

＜第２実施形態＞
続いて本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、第１実施形態と共通する要素には共通の参照番号を付して説明する。
図４は本発明の第２実施形態に係るマイクシステム２の構成を示す模式図である。マイクシステム２は、マイク本体であるマイク２ａと、信号処理回路を有する信号処理装置２ｂとから構成される。マイクシステム２において、音声信号と呼気流信号を分離するためのＨＰＦ１２およびＬＰＦ１３は、信号処理装置２ｂ内に存在する。すなわち、マイクシステム２は、ＨＰＦ１２およびＬＰＦ１３が外付けとなっている（ＨＰＦ１２およびＬＰＦ１３がマイク本体に内蔵されていない）点において第１実施形態に係るマイク１と異なる。

マイク２ａは、第１実施形態における呼気流センサユニット１０２の代わりに呼気流センサユニット２０２を有する。呼気流センサユニット２０２は、第１実施形態における信号処理回路１０４に代わり信号処理回路２０４を有する。信号処理回路２０４は、ＬＰＦ１３およびＨＰＦ１２を有していない点が信号処理回路１０４とは異なる。

マイク２ａと信号処理装置２ｂとは、ケーブル２１２によって接続されている。すなわち、呼気流センサユニット２０２の出力信号はケーブル２１２を介して信号処理装置２ｂに供給される。信号処理装置２ｂは、筐体２１３の内部に信号処理回路２１４を有する。信号処理回路２１４には、ＨＰＦ１２およびＬＰＦ１３が含まれる。

図５は、マイクシステム２の回路構成を示す図である。
マイクシステム２は、第１実施形態に係るマイク１と構成要素の配置が異なるだけであって本質的な構成は同一であるため、その動作はマイク１と同様である。したがってその説明は省略する。

なお、本実施形態は上述の態様に限られず種々の変形実施が可能である。
上述の第２実施形態においては、マイクシステム２が有線マイクシステムである態様に着いて説明したが、マイク２ａと信号処理装置２ｂとが無線により信号の授受を行う構成としてもよい。その場合、マイク２ａが無線送信部を有し、信号処理装置２ｂが無線受信部を有する必要がある。
また、第１実施形態で説明した変形実施形態は第２実施形態にも適用可能である。

＜変形例＞
図６は本発明の変形実施形態の基本構成を示す機能ブロック図である。図６に示されるように、コンデンサマイク１１をｎ個（図６ではｎ＝５）設けてもよい。ｎ個のコンデンサマイク１１からの出力信号は加算器１４によって加算され、ＨＰＦ１２およびＬＰＦ１３に提供される。
これによれば、例えば話者や発生する音等によりコンデンサマイクの位置を変更する必要がある場合に、複数のコンデンサマイクを異なる位置に設置すればマイクの位置を変えなくても話者の呼気流および音声を効率的に検出することができる。
本発明に係る呼気流センサは、語学学習だけでなく、聴覚障害者の発声訓練等の用途に用いることもできる。

本発明に係る呼気流センサ１０の原理的な機能構成を示すブロック図である。第１実施形態に係るマイク１の構成を示す模式図である。呼気流センサユニット１０２の回路構成を示す図である。第２実施形態に係るマイクシステム２の構成を示す模式図である。マイクシステム２の回路構成を示す図である。変形実施形態の基本構成を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１…マイク、２…マイクシステム、１０…呼気流センサ、１１…コンデンサマイク、１２…ＨＰＦ、１３…ＬＰＦ、１４…加算器、１００…呼気流センサ、１０１…筐体、１０２…呼気流センサユニット、１０３…コンデンサマイク、１０４…信号処理回路、１０５…気室、１０６…コンデンサ、１０７…振動板、１０８…固定電極、１０９…誘電体、１１０…電池、１１１…カバー、２０２…呼気流センサユニット、２０４…信号処理回路、２１２…ケーブル、２１３…筐体、２１４…信号処理回路

Claims

話者の音声および呼気流を電気信号に変換して出力するコンデンサマイクと、
前記コンデンサマイクからの出力信号のうち第１の周波数以上の信号を透過するハイパスフィルタと、
前記コンデンサマイクからの出力信号のうち第２の周波数以下の信号を透過するローパスフィルタと
を有する呼気流センサ。
前記第１の周波数および前記第２の周波数が声帯振動周波数以下であることを特徴とする請求項１に記載の呼気流センサ。
前記第１の周波数および前記第２の周波数が７０〜１２０Ｈｚの範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の呼気流センサ。