JP2006237952A - マイクロフォン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 指向性が先鋭で、しかも、その指向方向が可変なマイクロフォン装置を提供する。
【解決手段】 ９個のマイクロフォンＭ0〜Ｍ8を、同一平面内に３行３列に配置してアレイマイクロフォン１０を構成する。このアレイマイクロフォン１０の出力信号を処理して単一指向性の信号に変換して出力する指向性関数処理回路１３を設ける。指向性関数処理回路１３は、音波の入射角を変数とする指向性関数をフーリエ級数に展開するとともに、少なくともその３次の項まで展開する。この展開式における変数を、アレイマイクロフォン１０を構成するマイクロフォンＭ0〜Ｍ8の出力信から構成する。
【選択図】 図１５

Description

この発明はマイクロフォン装置に関する。

例えばビデオ会議においては、一般に発言者の音声は机上に配置したマイクロフォンにより集音していので、周囲の雑音も一緒に集音されてしまい、マイクロフォンから出力される音声信号が不明瞭になることがある。そこで、発言者の音声をマイクロフォンにより集音するとき、以下のような方法で明瞭な音声信号が得られるようにしている。

すなわち、その第１の方法は、マイクロフォンに指向性を持たせ、マイクロフォンに音声が入力される段階で音声を強調するとともに、雑音を抑圧する方法であり、第２の方法は、マイクロフォンから出力される音声信号を適応処理することにより雑音成分を低減する方法である。これらの方法によれば、音声信号に含まれる雑音成分のレベルが相対的に小さくなるので、明瞭な音声信号を得ることができる。

そして、上記の第１の方法を採用したマイクロフォン装置として、基準となるマイクロフォン（マイクロフォンユニット）の周囲に６つのマイクロフォンを配置し、各マイクロフォンの出力をフーリエ変換を用いて合成することにより、マイクロフォン装置全体として単一指向性を得るものがある。

なお、このようなマイクロフォン装置を示す先行技術文献として以下のものがある。
特開２００２−２７１８８５号公報

ところが、上記のマイクロフォン装置においては、各マイクロフォンの出力を合成するとき、音源が一つであるとみなしてフーリエ変換における１次の近似項の値を求め、さらに、この１次の近似項の値から３次の近似項の値を求めているので、単一指向性が得られるものの指向幅（利得の得られる角範囲）が主軸に対して±60°程度と広くなっている。

しかし、このように指向幅が広い場合には、複数の音源や雑音源などのある環境では、指向性マイクロフォンとして十分な効果を得ることができない。

この発明は、このような点にかんがみ、単一指向性のマイクロフォン装置において、指向幅が狭く、しかも、その指向性の方向を電気的に変更できるようにしようとするものである。

この発明においては、
少なくとも９個のマイクロフォンにより構成されたアレイマイクロフォンの出力信号を処理して出力するマイクロフォン装置であって、
上記アレイマイクロフォンの出力信号を単一指向性の信号に変換して出力する指向性関数処理回路を有し、
上記指向性関数処理回路は、
音波の入射角を変数とする指向性関数をフーリエ級数に展開するとともに、少なくともその３次の項まで展開し、
この展開式における上記変数を、上記アレイマイクロフォンを構成するマイクロフォンの出力信号から構成する
ようにしたマイクロフォン装置
とするものである。

この発明によれば、先鋭な単一指向性を得ることができるとともに、その指向方向を変更することができる。

〔１〕 指向性関数
マイクロフォンは、音源から出力された音波を音声信号（オーディオ信号）に変換する変換器であり、その変換特性が、入力される音波の方向や周波数などに対して所定の特性を示していると考えられる。

したがって、マイクロフォンの特性は図１の(1)式で表すことができる。ここで、変換特性Ｄ（θ，ω）は、入力される音波の方向θおよび角周波数ωにより変化する関数であり、マイクロフォンの指向性を示している。このため、変換特性Ｄ（θ，ω）は一般に「指向性関数」と呼ばれている。つまり、指向性関数はマイクロフォンの指向性を示している。

例えば、無指向性（全指向性）マイクロフォンの場合には、その指向性パターンは図２Ａに示すとおりであり、その指向性関数は、
Ｄ（θ，ω）＝１
で示される。また、双指向性（両指向性）マイクロフォンの場合には、その指向性パターンは図２Ｂに示すとおりであり、その指向性関数は、
Ｄ（θ，ω）＝cosθ
で示される。

そして、(1)式は音源が１つの場合であるが、音源が複数Ｎ個の場合には、それぞれの音源について(1)式が成立するので、図１の(2)式で表すことができる。

〔２〕 単一指向性の分析
図３は、単一指向性マイクロフォンが理想とする指向性関数（指向性）を示す。ただし、
θ ：マイクロフォンからみた音源の方向（角度）
θc：指向方向（指向性の方向）
θw：指向幅（所定の利得が得られる角範囲）
とする。

この特性は変数θに対する指向性関数と考えられるので、フーリエ級数により示すと、図４の(3)式のようになり、さらに、この(3)式を展開してｎ＝３までの近似式で表すと、図４の(4)式となる。

この(4)式において、例えばθw＝60°とし、指向方向θcを変化させると、図５Ａ〜Ｃのような指向特性となる。つまり、指向性関数が(4)式を満足するマイクロフォンであれば、図５Ａ〜Ｃに示すように、比較的先鋭な指向性が得られるとともに、その指向方向θcを任意に変更できることになる。

〔３〕 指向性関数の作成
いま、図６に示すように、９個のマイクロフォン（マイクロフォンユニット）Ｍ0〜Ｍ8を、同一平面内に３行３列に配置してアレイマイクロフォン１０を構成する。ただし、マイクロフォンＭ0〜Ｍ8は無指向性であるとする。また、各マイクロフォンＭ0〜Ｍ8の行方向の間隔および列方向の間隔は、すべて値ｄで等しいものとする。さらに、中心のマイクロフォンＭ4を基準のマイクロフォンとする。なお、一例として、マイクロフォンＭ0〜Ｍ8は圧力型のエレクトレットコンデンサマイクロフォンとされ、ｄ＝21mmである。

そして、このアレイマイクロフォン１０を含む面内に音源（図示せず）があり、
Ｒ：音源と基準マイクロフォンＭ4との間隔
θ：マイクロフォンＭ0〜Ｍ8に対する音波の入射角、あるいは指向方向
であるとする。なお、間隔Ｒは、マイクロフォンの間隔ｄに比べて十分大きいものとする。また、入射角θは任意であるが、図６においては、マイクロフォンＭ0〜Ｍ8の配置の行方向をθ＝０としている。

さらに、音源から出力される音波が図７の(5)式で示されるとともに、
ｘMi（ｔ）：マイクロフォンＭi（i＝0〜8）の出力信号
とする。

このようなアレイマイクロフォン１０において、基準マイクロフォンＭ4に(1)式を適用し、さらに、(3)式を代入して変形すると、図７の(6)式が得られる。ただし、(6)式においては、(4)式と同様、ｎ＝３までの近似である。

この(6)式によれば、アレイマイクロフォン１０の場合、cosθ〜cos３θ、sinθ〜sin３θを求めることができれば、例えば図５Ａ〜Ｃに示すような指向性を得ることができ、そのとき、値θc、θwに対応してフーリエ係数ａ0〜ａ3、ｂ1〜ｂ3を変化させれば、図５Ａ〜Ｃに示すように指向方向を変更できることになる。

〔４〕 cosθ〜cos３θ、sinθ〜sin３θの求め方
(6)式においては、cosθ〜cos３θ、sinθ〜sin３θの値を必要としているが、これらは、以下に詳述するようにマイクロフォンＭ0〜Ｍ3、Ｍ5〜Ｍ8の出力信号から求める。

〔４−１−１〕 cosθのとき
図８に示すように、音源から出力された音波が、アレイマイクロフォン１０の中央の行のマイクロフォンＭ3、Ｍ4、Ｍ5に入力されるとき、音源から出力される音波が図７の(5)式で示されるとすれば、音源とマイクロフォンＭ3〜Ｍ5との間には、図８に示すような行路長の差を生じているので、マイクロフォンＭ3〜Ｍ5の出力信号は図８の(7)式により示すことができる。なお、(7)式においては、行路長差は、音源と基準マイクロフォンＭ4との間隔を基準としている。

そこで、マイクロフォンＭ3の出力信号とマイクロフォンＭ5の出力信号との差を求めると、図８の(8)式を得ることができる。そして、この(8)式に近似式
sinα＝α
の関係を適用すると、(8)式は図８の(9)式のようになり、この(9)式を変形して(10)式を得ることができる。この(10)式によれば、マイクロフォンＭ3、Ｍ5の出力信号を演算処理することによりcosθを得ることができる。

また、マイクロフォンＭ3、Ｍ5の間の中央の位置にマイクロフォンＭ4を想定するとき、(10)式によれば、マイクロフォンＭ3、Ｍ5の出力信号から、そのマイクロフォンＭ4の出力信号を生成できることがわかる。さらに、(10)式は、マイクロフォンＭ3、Ｍ5の出力信号を演算処理することにより、図２Ｂに示す双指向性が得られることも示している。

〔４−１−２〕 sinθのとき
図９に示すように、音源から出力された音波がアレイマイクロフォン１０の中央の列のマイクロフォンＭ1、Ｍ4、Ｍ7に入力されるとき、音源とマイクロフォンＭ1、Ｍ4、Ｍ7との間には、図９に示すような行路長の差を生じているので、マイクロフォンＭ1、Ｍ4、Ｍ7の出力信号は図９の(11)式により示すことができる。なお、(11)式においては、行路長差は、音源と基準マイクロフォンＭ4との間隔を基準としている。

そこで、マイクロフォンＭ1の出力信号とマイクロフォンＭ7の出力信号との差を求めると、図９の(12)式を得ることができる。そして、この(12)式に近似式
sinα＝α
の関係を適用すると、(12)式は図９の(13)式のようになり、この(13)式を変形して(14)式を得ることができる。

そして、(14)式によれば、マイクロフォンＭ1、Ｍ7の出力信号を演算処理することによりsinθを得ることができる。また、この(14)式は、マイクロフォンＭ1、Ｍ7の出力信号を演算処理することにより、図２Ｂに示す双指向性を90°回転させた双指向性が得られることを示している。

〔４−２−１〕 cos２θのとき
(10)式は、マイクロフォンＭ3の出力信号と、マイクロフォンＭ5の出力信号とから、それらの中央のマイクロフォンＭ4の出力信号が得られることも示している。

そこで、図１０に示すように、マイクロフォンＭ3とマイクロフォンＭ4との中央に仮想マイクロフォンＶ3を想定し、マイクロフォンＭ4とマイクロフォンＭ5との中央に仮想マイクロフォンＶ5を想定する。

すると、これら仮想マイクロフォンＶ3、Ｖ5の出力信号は、(10)式を導いたときと同様に処理して、図１０の(15)、(16)式で表すことができる。そして、この(15)式と(16)式との差を求めると、図１０の(17)式を得ることができ、(8)式から(10)式を導いたときと同様にして、(17)式から図１０の(18)式を得ることができる。

そして、(17)式に(18)式を代入して整理すると、(19)式となり、この(19)式に図１０に(20)式として示す２倍角の公式を適用すると、図１０の(21)式を得ることができ、この(21)式を変形して図１０の(22)式を得ることができる。

この(22)式によれば、マイクロフォンＭ3〜Ｍ5の出力信号を演算処理することによりcos２θを得ることができる。

〔４−２−２〕 sin２θのとき
この場合も、cos２θを求めた場合と同様にしてsin２θを求めることができる。すなわち、図１１に示すように、マイクロフォンＭ0とマイクロフォンＭ6との中央に仮想マイクロフォンＶ3を想定し、マイクロフォンＭ2とマイクロフォンＭ8との中央に仮想マイクロフォンＶ5を想定する。

すると、これら仮想マイクロフォンＶ3、Ｖ5の出力信号は、(14)式を導いたときと同様にして、図１１の(23)、(24)式で表すことができる。そして、この(23)式と(24)式との差を求めると、図１１の(25)式を得ることができ、(8)式から(10)式を導いたときと同様にして、(25)式から図１１の(26)式を得ることができる。

そして、(25)式に(26)式を代入して整理すると、(27)式となり、この(27)式に図１１に(28)式として示す２倍角の公式を適用すると、図１１の(29)式を得ることができる。

この(29)式によれば、マイクロフォンＭ0、Ｍ2、Ｍ6、Ｍ8の出力信号を演算処理することによりcos２θを得ることができる。

〔５−２−１〕 cos３θのとき
図１２に示すように、マイクロフォンＭ0とマイクロフォンＭ3との中央に仮想マイクロフォンＶ0を想定し、マイクロフォンＭ3とマイクロフォンＭ6との中央に仮想マイクロフォンＶ6を想定するとともに、マイクロフォンＭ3の位置に仮想マイクロフォンＶ3を想定する。また、マイクロフォンＭ2とマイクロフォンＭ5との中央に仮想マイクロフォンＶ5を想定し、マイクロフォンＭ5とマイクロフォンＭ8との中央に仮想マイクロフォンＶ8を想定するとともに、マイクロフォンＭ5の位置に仮想マイクロフォンＶ5を想定する。

すると、これら仮想マイクロフォンＶ0、Ｖ6の出力信号は、(14)式を導いたときと同様に処理して、図１２の(30)、(31)式で表すことができる。そして、この(30)式と(31)式との差を求めると、図１２の(32)式を得ることができ、(8)式から(10)式を導いたときと同様にして、(32)式から図１２の(33)式を得ることができる。そして、(32)式に(33)式を代入して整理すると、(34)式となる。同様に仮想マイクロフォンＶ2、Ｖ8、Ｖ5について、(35)式が得られる。

そこで、マイクロフォンＭ4の位置に仮想マイクロフォンＶ4を想定し、(34)式および(35)式から仮想マイクロフォンＶ4の出力信号を求めると、図１２の(36)式が得られる。そして、図１２に(37)式として示す３倍角の公式に、(36)式および(10)式を代入すると、図１２の(38)式を得ることができる。

この(38)式によれば、マイクロフォンＭ0、Ｍ2、Ｍ3、Ｍ5、Ｍ6、Ｍ8の出力信号を演算処理することによりcos３θを得ることができる。

〔５−２−２〕 sin３θのとき
図１３に示すように、マイクロフォンＭ3の位置に仮想マイクロフォンＶ3を想定し、マイクロフォンＭ4の位置に仮想マイクロフォンＶ4を想定するとともに、マイクロフォンＭ5の位置に仮想マイクロフォンＶ5を想定する。

すると、これら仮想マイクロフォンＶ3、Ｖ4、Ｖ5の出力信号は、(10)式を導いたときと同様に処理して、図１３の(39)、(40)、(41)式で表すことができる。

そして、仮想マイクロフォンＶ3と仮想マイクロフォンＶ4との中央に仮想マイクロフォンＶaを想定し、仮想マイクロフォンＶ4と仮想マイクロフォンＶ5との中央に仮想マイクロフォンＶbを想定すると、これら仮想マイクロフォンＶa、Ｖbの出力信号は、同様の処理により図１３の(42)、(43)式を得ることができる。そして、この式(42)、(43)で示される信号から仮想マイクロフォンＶ4の出力信号を求めると、図１３の(44)式が得られる。

そこで、図１３に(45)式として示す３倍角の公式に、(44)式および(14)式を代入すると、図１３の(46)式を得ることができる。

この(46)式によれば、マイクロフォンＭ0〜Ｍ3、Ｍ5〜Ｍ8の出力信号を演算処理することによりsin３θを得ることができる。

〔５〕 マイクロフォン出力の合成
(6)式のcosθ〜cos３θ、sinθ〜sin３θに(10)、(14)、(22)、(29)、(38)、(46)式を代入すると、図１４の(47)式を得ることができる。この(47)式によれば、基準マイクロフォンＭ4の出力信号に、他のマイクロフォンＭ0〜Ｍ3、Ｍ5〜Ｍ8の出力信号を合成することにより、図５に示すように、比較的先鋭な指向性（指向性関数）が得られるとともに、その指向方向θcを任意に変更できることが分かる。

なお、(47)式においては、一部の項に１／（ｊω）が乗算されているが、この演算は、該当する信号をフーリエ変換し、周波数領域で処理すればよい。すなわち、１／ｊの乗算は、各周波数の音声信号成分の位相を90°進めることを意味し、実際の演算処理ではフーリエ変換後の各帯域の音声信号成分について、虚数部の値を実数部の値に置換するとともに、実数部の値を符号反転して虚数部の値に置換すればよい。

また、１／ωが乗算されることにより、周波数（ω／２π）に対応して信号成分の振幅（レベル）が変化するので、この振幅も補正することになる。

〔６〕 実施例
図１５は、この発明によるマイクロフォン装置の一例を示す。このマイクロフォン装置は、上述した考えにしたがって、指向幅θwが狭く、かつ、その指向方向θcを変更できるようにしたものである。

すなわち、アレイマイクロフォン１０が図６により説明したように構成されるとともに、マイクロフォンＭ0〜Ｍ8の出力信号が、９チャンネルのマイクアンプ１１を通じて９チャンネルのＡ／Ｄコンバータ回路１２に供給されてデジタル信号にＡ／Ｄ変換され、そのデジタル信号が指向性関数処理回路１３に供給され、(47)式に示す処理が実行されて（具体的な処理方法は後述する）信号ｙ（ｔ）が取り出される。

そして、この出力信号ｙ（ｔ）がＤ／Ａコンバータ回路１４に供給されてアナログ信号にＤ／Ａ変換され、そのアナログ信号がマイクロフォン出力として出力端子１５に取り出される。

そして、このとき、指向性関数処理回路１３は、例えばマイクロコンピュータにより構成されるとともに、操作キー１３Ｃが接続される。そして、操作キー１３Ｃにより指向方向θcおよび指向幅θwを指定すると、その指向方向θcおよび指向幅θwに対応するフーリエ係数ａ0〜ａ3、ｂ1〜ｂ3が生成されて(47)式に設定される。こうして、処理回路１３において、マイクロフォンＭ0〜Ｍ8の出力信号はその指向方向θcおよび指向幅θwに対応する特性とされるとともに、(47)式で示される信号に合成される。

したがって、図１５の装置によれば、指向幅θwが狭く、かつ、その指向方向θcが可変なマイクロフォン装置とすることができる。しかも、その場合、(47)式によれば、計算に必要なパラメータは、マイクロフォンＭ0〜Ｍ8の出力信号と、指向特性を規定するための値（指向方向θcおよび指向幅θwを示す値）のみであり、音波がどの方向から到来しているかは未知のままでも、指向性を設定することができる。

図１６Ａおよび図１７Ａは、この発明によるマイクロフォン装置の指向性のシミュレーション結果を示し、図１６Ｂおよび図１７Ｂは、先行技術文献に記載されているマイクロフォン装置の指向性のシミュレーション結果を示す。なお、図１６からも明らかなように、主要な周波数帯域では、周波数特性はほぼフラットなので、図１７においては、音波の周波数が1.5ｋHzの場合で代表している。

そして、これらの図によれば、この発明によるマイクロフォン装置（図１６Ａおよび図１７Ａの特性）は、先行技術文献に記載されているマイクロフォン装置（図１６Ｂおよび図１７Ｂの特性）に比べ、単一指向性マイクロフォンとしての指向性が改善されていることが分かる。特に、θ＜−60°あるいはθ＞60°の範囲では、それらの方向からの音波をかなり抑制している。

〔７〕 指向性関数処理回路１３の処理内容および処理手順
指向性関数処理回路１３は、例えば図１８に示すルーチン１００を実行することにより(47)式の処理を実現することができる。なお、この例においては、音声信号の2048サンプル期間を１フレーム期間としている。

ルーチン１００の処理は、ステップ１０１からスタートし、次にステップ１０２において、マイクロフォンＭ0〜Ｍ8の出力信号、すなわち、Ａ／Ｄコンバータ回路１２から出力される音声データが、１サンプル×９チャンネル分だけ取り込まれる。続いて、ステップ１０３において、(47)式のうち、｛ ｝内の和および差が計算される。例えば、(47)式のうちの第３行目の項（(10)式に対応する項）であれば、｛ｘM3（ｔ）−ｘM5（ｔ）｝が計算される。

そして、ステップ１０４において、ステップ１０２および１０３の処理が１フレーム期間分だけ実行されたかどうかがチェックされ、実行されていないときには、処理はステップ１０２に戻る。

こうして、ステップ１０２および１０３の処理が１フレーム期間分だけ実行されると、処理はステップ１０４からステップ１１１に進み、このステップ１１１において、ステップ１０３の計算結果がＦＦＴ処理により周波数領域のデータに変換され、続くステップ１１２において、(47)式のうち、｛ ｝に対して係数となっている部分が位相変換される。例えば、(47)式のうちの第３行目の項（(10)式に対応する項）であれば、｛ｘM3（ｔ）−ｘM5（ｔ）｝に対して、ｃ／（２ｊωｄ）が係数となっているので、その値ｃ／（２ωｄ）が計算されるとともに、実数部の値に変換される。

続いて、ステップ１１４において、目的とする指向性に対応したフーリエ係数ａ0〜ａ3、ｂ1〜ｂ3が、ステップ１０３、１１３により算出された値に乗算されるとともに、フーリエ級数の和が算出されて(47)式の値が算出され、この算出結果がステップ１１４においてＩＦＦＴ処理されて時間領域のデータに変換される。

そして、ステップ１２１において、ステップ１１５の変換結果のデータが、１サンプル分ずつ１サンプル期間ごとにＤ／Ａコンバータ回路１４に供給され、ステップ１２２において、ステップ１２１の処理が１フレーム期間分だけ実行されたかどうかがチェックされ、実行されていないときには、処理はステップ１２１に戻る。

こうして、ステップ１２１の処理が１フレーム期間分だけ実行されると、処理はステップ１２２からステップ１２３に進み、このステップ１２３において、１フレーム期間の処理を終了する。

こうして、ルーチン１００によれば、(47)式にしたがった処理を実現することができる。そして、このルーチン１００においては、ステップ１１１によりＦＦＴ処理を行う前に、ステップ１０３により各サンプルごとに｛ ｝内の値を計算しているので、処理を適切に、かつ、円滑に行うことができる。

〔８〕 cos２θの他の算出方法
図１９および図２０は、cos２θの他の算出方法を示す。すなわち、cos２θは図１９に(48)式として示すように変形することができるが、このとき、角度θ、φが図１９の(49)式の関係にあるとすれば、(48)式は図１９の(50)式となる。

そして、図２０ＡおよびＢに示すように、基準マイクロフォンＭ4を中心にして、マイクロフォンＭ0、Ｍ2、Ｍ6、Ｍ8を入射角θが小さくなる方向に45°（＝φ−θ）だけ回転させた位置に、仮想マイクロフォンＶ0、Ｖ2、Ｖ6、Ｖ8を想定すると、(49)式の関係から仮想マイクロフォンＶ0、Ｖ2、Ｖ6、Ｖ8に対する音波の入射角は角度φとなる。

したがって、入射角φの音波と仮想マイクロフォンＶ0、Ｖ2、Ｖ6、Ｖ8の出力信号との関係は、入射角θの音波とマイクロフォンＭ0、Ｍ2、Ｍ6、Ｍ8の出力信号との関係と等しいので、仮想マイクロフォンＶ0、Ｖ2、Ｖ6、Ｖ8の出力信号を、(29)式（図１９に再掲）と同様に処理することにより、図１９の(51)式で示される信号を得ることができる。

そして、図２０Ｃに示すように、仮想マイクロフォンＶ0、Ｖ2、Ｖ6、Ｖ8の位置を、基準マイクロフォンＭ4の方向に変更し、マイクロフォンＭ3、Ｍ1、Ｍ7、Ｍ5の位置に想定する。すると、仮想マイクロフォンＶ0、Ｖ2、Ｖ6、Ｖ8の出力信号はマイクロフォンＭ3、Ｍ1、Ｍ7、Ｍ5の出力信号に等しい。また、仮想マイクロフォンＶ0、Ｖ2、Ｖ6、Ｖ8の間隔は、図２０Ｂでは値２ｄであったのに対し、図２０Ｃでは値√２・ｄになっている。したがって、図２０Ｃの場合、(51)式は図１９の(52)式となる。

そして、この(52)式に(50)式を代入すると、図１９の(53)式が得られる。したがって、この(53)式を使用して(47)式を演算することもできる。

〔９〕 その他
例えば(10)式において、｛ ｝内は、マイクロフォンＭ3の出力信号とマイクロフォンＭ5の出力信号との差信号を得ることを示しているが、マイクロフォンＭ0〜Ｍ8の間隔ｄが狭い場合には、入力される音波の周波数が低いとき、マイクロフォンＭ3に入力される音波とマイクロフォンＭ5に入力される音波との差が小さくなり、上記の差信号のレベルが小さくなってしまう。

一方、間隔ｄが広い場合には、入力される音波の周波数が高いとき、マイクロフォンＭ3に入力される音波とマイクロフォンＭ5に入力される音波との行路差が１波長以上となり、(10)式の処理が不適切となってしまう。

そして、以上のことはすべてのマイクロフォンＭ0〜Ｍ8の出力信号の差信号あるいは和信号についても同様であるから、その結果、(47)式における演算処理の精度が低下し、目的とする指向性を得にくくなることがある。

したがって、そのような場合には、アレイマイクロフォン１０を２組用意し、一方のアレイマイクロフォンと他方のアレイマイクロフォンとで、マイクロフォンの間隔ｄを異ならせるとともに、基準となる中央のマイクロフォンを共通とすればよい。そして、マイクロフォンの間隔の広いアレイマイクロフォンからは音声信号の低域成分を取り出すとともに、間隔の狭いマイクロフォンからは音声信号の高域成分を取り出し、両成分を加算した信号に(47)式の処理を実行すれば、広い帯域にわたって良好な指向性を得ることができる。

また、上述のマイクロフォン装置においては、雑音が目的とする音波と同一方向から到来する場合、その雑音を抑えることができないが、そのような場合には、例えば指向性関数処理回路１３の出力信号を適応処理して雑音信号を抑えることができる。そのようにすれば、ビデオ会議などにおいて、発言者の音声に雑音が混入しているような場合でも、その雑音を抑えて明瞭な音声信号を得ることができる。

さらに、まず、音源の方向を検出し、次にその検出結果にしたがって改めて指向方向θcおよび指向幅θwを設定し、目的とする信号を強調したり、不要な信号を抑制することもできる。すなわち、特定の方向の音を取り込むように、あるいは特定の方向の音を取り込まないように指向性関数を設定することもできる。また、アレイマイクロフォン１０の複数組を同一平面内に並べ、それぞれの指向方向を特定の一点に向けることで、その点にある音源の音を強調することもできる。

また、目的音の方向と、ノイズ音の方向とに指向方向を設定し、目的音の方向の信号からノイズ音の方向の信号を減算することにより、目的音をより明瞭に集音することもできる。また、上下方向からの雑音などのように、指向方向にかかわらず入力される音波を推定し、除去することもできる。

さらに、エコーキャンセラーなどの機能を持たせる場合、例えば５°おきの指向方向にそれぞれ指向性を持たせた、アレイの出力に対し、エコーキャンセラーのインパルス応答の情報を別々に学習しておくことで、指向を向けた方向の音声のエコーを瞬時に取り除くことができる。あるいは、例えば８方向についてエコーキャンセラーのインパルス応答の情報を別々に学習しておき、指向を向けたい方向のインパルス応答は８方向の中から、近い方向のインパルス応答を初期値として使うことにより、全体の演算量を減らすことと、全くの初期値から計算する時よりもエコーの残りを少なくすることが出来る。

〔略語の一覧〕
Ａ／Ｄ ：Analog to Digital
Ｄ／Ａ ：Digital to Analog
ＦＦＴ ：Fast Fourier Transform
ＩＦＦＴ：Inverse Fast Fourier Transform

マイクロフォンの指向性関数を示す図である。 マイクロフォンの指向性を示す特性図である。 単一指向性マイクロフォンの指向性を解析するための特性図である。 単一指向性マイクロフォンの指向性の解析結果を示す図である。 単一指向性マイクロフォンの指向性を示す特性図である。 この発明におけるアレイマイクロフォンを説明するための配置図である。 単一指向性マイクロフォンの指向性関数を近似式により示す図である。 指向性関数の一部を説明するための図である。 指向性関数の一部を説明するための図である。 指向性関数の一部を説明するための図である。 指向性関数の一部を説明するための図である。 指向性関数の一部を説明するための図である。 指向性関数の一部を説明するための図である。 この発明を適用した指向性関数を示す図である。 この発明の一例を示す系統図である。 この発明の適用例の特性を示す図である。 この発明の適用例の特性を示す図である。 図１４の指向性関数を実現するルーチンの一例を示すフローチャートである。 指向性関数の一部を説明するための図である。 指向性関数の一部を説明するための図である。

符号の説明

１０…アレイマイクロフォン、１２…Ａ／Ｄコンバータ回路、１３…指向性関数処理回路、１４…Ｄ／Ａコンバータ回路、Ｍ0〜Ｍ8…マイクロフォン（マイクロフォンユニット）

Claims (5)

1. 少なくとも９個のマイクロフォンにより構成されたアレイマイクロフォンの出力信号を処理して出力するマイクロフォン装置であって、
   上記アレイマイクロフォンの出力信号を単一指向性の信号に変換して出力する指向性関数処理回路を有し、
   上記指向性関数処理回路は、
   音波の入射角を変数とする指向性関数をフーリエ級数に展開するとともに、少なくともその３次の項まで展開し、
   この展開式における上記変数を、上記アレイマイクロフォンを構成するマイクロフォンの出力信号から構成する
   ようにしたマイクロフォン装置。
2. 請求項１に記載のマイクロフォン装置において、
   上記アレイマイクロフォンを構成するマイクロフォンは無指向性である
   ようにしたマイクロフォン装置。
3. 請求項１に記載のマイクロフォン装置において、
   上記アレイマイクロフォンは、同一平面内に３行３列に配置されて構成される
   ようにしたマイクロフォン装置。
4. 請求項３に記載のマイクロフォン装置において、
   上記アレイマイクロフォンを構成するマイクロフォンのうち、中央に位置するマイクロフォンを基準とし、
   この基準となるマイクロフォンの出力信号に、残るマイクロフォンの出力信号を合成して上記単一指向性の信号を得る
   ようにしたマイクロフォン装置。
5. 請求項１に記載のマイクロフォン装置において、
   上記指向性関数処理回路は、
   上記アレイマイクロフォンを構成するマイクロフォンの出力信号を１サンプルごとに演算する処理と、
   この演算処理の結果を１フレーム期間分ごとにＦＦＴを実行する処理と、
   このＦＦＴ処理の処理結果に対して位相処理を行うとともに、フーリエ級数の和を算出する処理と、
   この算出処理により算出された和をＩＦＦＴ処理して１サンプル分ずつ出力信号として出力する処理と
   を実行するようにしたマイクロフォン装置。

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