JP2007005969A - マイクロフォンアレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の音源位置に対する指向性を実現するにあたって、マイクロフォンアレイ装置における演算負荷を軽減する。また、複雑な信号処理を行うことなく、任意の複数の音源に対しても指向性を持つマイクロフォンアレイ装置を提供する。
【解決手段】複数のマイクロフォン１１−１〜１１−ｎは、回転対称に配設される。これにより、何れの方向にも一様な指向特性を得ることができる。また、同時に複数の指向性を備えることが可能となる。さらに、各マイクロフォン１１−１〜１１−ｎからの音声信号に対する信号処理を、同一のアルゴリズムで行うことが可能となる。このため、任意の音源位置に対して、同一のアルゴリズムで音源位置の推定および指向性の制御が可能となる。また、各受音信号に対する信号処理を同一のアルゴリズムで行えるので、演算負荷を軽減することが可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数のマイクロフォンを有するマイクロフォンアレイ装置に関し、特に音源位置に指向性特性を有するマイクロフォン装置に関するものである。

マイクロフォンアレイ装置とは、複数のマイクロフォンを備え、各マイクロフォンで受音する音声信号に対して遅延加算処理を行うことにより、任意の指向性を実現したり、音源の位置を推定したりすることを可能とするものである。従来のマイクロフォンアレイ装置において、マイクロフォンは、一次元的に配設したり、ｘ，ｙおよびｚ方向に等間隔に配設したりしている（例えば、特許文献１参照。）。このようにマイクロフォンを配設することにより、マイクロフォンからの音声信号の位相差等から音源位置を特定し、遅延量を決定することによって指向性を実現していた。

特開２０００−１３４６８８号公報

しかしながら、従来のマイクロフォンアレイ装置では次のような問題があった。まず、一次元的にマイクロフォンを配列した場合は、平面内においてのみ指向性の実現や音源位置の推定が可能となるにとどまる。

また、ｘ，ｙおよびｚ方向に等間隔にマイクロフォンを配列した場合は、各方向毎に計算した値を合成するため、三次元的な指向性の実現や音声位置の推定の演算負荷が大きくなる。また、音源の位置によって遅延加算処理による音声信号の強調が困難となり、音源の位置の推定が困難であった。

そこで、本発明は上述したような課題を解決するためになされたものであり、任意の音源位置に対する指向性を実現するにあたって、マイクロフォンアレイ装置における演算負荷を軽減することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、複雑な信号処理を行うことなく、任意の複数の音源に対して指向性を実現できるマイクロフォンアレイ装置を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明にかかるマイクロフォンアレイ装置は、回転対称に配置された複数のマイクロフォンと、各マイクロフォンの出力信号に遅延を付加する遅延加算手段とを備えることを特徴とする。

上記マイクロフォンアレイ装置において、遅延加算手段を複数備え、遅延加算手段は、それぞれ複数のマイクロフォンの出力信号に対して異なる遅延量を付加するようにしてもよい。

また、上記マイクロフォンアレイ装置において、複数のマイクロフォンの出力信号を所定のサンプリング間隔でサンプリングするサンプリング手段と、サンプリングされた複数の出力信号を所定時間保持する記憶手段と、遅延加算手段において各マイクロフォンからの出力信号に付加する遅延量を変化させる遅延量制御手段とをさらに備えるようにしてもよい。

本発明によれば、マイクロフォンを回転対称に配置することより、信号処理のアルゴリズムを共通させることができるので、演算負荷を軽減させることが可能となる。また、マイクロフォンを回転対称に、例えば、球面上、半球面上、円柱側面上、円錐面上、または、円周上に配置することより、任意の指向性を実現することが可能となる。

また、本発明によれば、複数の遅延加算手段を設けることにより、同一のアルゴリズムで任意の複数の指向性を持たせることが可能となる。

さらに、本発明によれば、遅延加算手段において各マイクロフォンからの出力信号に付加する遅延量を変化させることにより、同一のアルゴリズムで任意の複数の指向性を持たせることが可能となる。

［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかるマイクロフォンアレイ装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態にかかるマイクロフォンアレイ装置１は、複数のマイクロフォン１１（１１−１〜１１−ｎ）と、これらのマイクロフォン１１が受音した受音信号に遅延加算処理を行う遅延加算部１２とから構成される。

マイクロフォン１１−１〜１１−ｎは、無指向性のマイクロフォンなど公知のマイクロフォンから構成される。これらのマイクロフォン１１−１〜１１−ｎは、回転対称に配設される。例えば、図２に示すように、球の形状を有するベース１３の表面に、所定間隔毎に複数のマイクロフォン１１（１１−１〜１１−ｎ）を配設するようにしてもよい。なお、ベース１３は、ワイヤフレーム等を用いることにより、音響的に透明に構成することが可能である。

遅延加算部１２は、マイクロフォン１１−１〜１１−ｎにそれぞれ対応し、マイクロフォン１１ａ〜１１ｎからの受音信号に対してそれぞれ遅延量を付加する遅延回路１２１−１〜１２１−ｎと、これらの遅延回路１２１−１〜１２１−ｎにより遅延量が付加された音声信号を加算する加算回路１２２とから構成され、マイクロフォン１１−１〜１１−ｎからの受音信号に対して遅延加算処理を行う。この遅延加算処理によって、特定の位置または方向から到来する受音信号の時間差を補正して同相化し、この同相化した受音信号を加算することにより、その位置または方向から到来する音声信号のみを強調することが可能となる。なお、受音信号からの音源の位置の推定方法および遅延量の設定方法については後述する。

このようなマイクロフォンアレイ装置１では、各マイクロフォン１１−１〜１１−ｎが受音した受音信号が遅延加算部１２に入力されると、入力された受音信号に対して遅延加算処理が行われて、各遅延回路１２１−１〜１２１−ｎによって与えられる遅延時間に応じた任意の方向から到来する音が強調された音声信号が出力端子から出力される。

本実施の形態では、上述したように複数のマイクロフォン１１−１〜１１−ｎを球面上に配設している。これにより、各遅延回路１２１−１〜１２１−ｎによって与える遅延時間を適当に定めることによって、何れの方向にも一様に指向特性を得ることができる。また、遅延加算部１２は、各マイクロフォン１１（１１−１〜１１−ｎ）からの受音信号に対する信号処理を、同一のアルゴリズムで行うことが可能となる。

このため、本実施の形態では、任意の音源位置に対して、同一のアルゴリズムで音源位置の推定および指向性の制御が可能となる。また、各受音信号に対する信号処理を同一のアルゴリズムで行えるので、演算負荷を軽減することが可能となる。

上述したマイクロフォンアレイ装置１は、何れの方向にもムラがない複数の指向性を実現できるとともに、演算負荷も小さいため、例えば、センサ等に適用することが可能である。

また、本実施の形態のようにマイクロフォンを球状に配置すると、例えば、マイクロフォン装置１を天井に設定することにより、３６０度方向の音源検出が可能となる。このように、本実施の形態では、３６０度の音源検出が可能であるため、取得したい音と不要な音をＦＦＴ解析、時間方向音圧変化などによって不要な音を区別し、取得したい音源の方向に指向方向を制御することができる。このように指向方向を音源位置に向けることにより、例えばエアコンのノイズ等の不要な音を拾わずＳ／Ｎ比よく狙った音を収音することが可能となる。

また、本実施の形態において、遅延加算部１２の出力に対して、所定の周波数帯域の信号のみを透過させるバンドパスフィルタをさらに設けるようにしてもよい。これにより、特定の周波数成分を持った音源を特定することが可能となる。

なお、マイクロフォン１１を配設するベースの形状は、複数のマイクロフォン１１（１１−１〜１１−ｎ）が回転対称に配設されるのであれば上述した球状に限定されず適宜自由に設定することができる。例えば、図３に示すように、円柱の形状を有するベース１４の側面に、所定間隔毎に複数のマイクロフォン１１（１１−１〜１１−ｎ）を配設するようにしてもよい。他にも、半球面上、円錐面上、円筒面上、または、円周上などに配設するようにしてもよい。

次に、音源位置の推定方法について図４を参照して説明する。まず、遅延加算部１２は、全マイクロフォン１１（１１−１〜１１−ｎ）の入力信号レベルを検出し、マイクロフォンを設置したベースの面上における２次元音圧分布を求める。具体的には、検出した入力信号レベルの中から、最大音圧と、この最大音圧から所定の割合だけ低い音圧分布とを求める。次いで、この低い音圧分布における中心を求め、この中心位置を最大音圧位置と推定する。最大音圧位置が推定されると、遅延加算部１２は、回転対称にマイクロフォンを配設したベースの回転軸の中心から上記最大音圧位置を向いた方向を音源の方向と判別する。

球状のマイクロフォンアレイの場合、通常、音圧分布のコンターはほぼ同心円状になるので、その音圧分布の中心を求めるのは容易である。なお、コンターが同心円状ではない場合でも、その音圧最大位置を求めることが可能である。

音源の方向が求まると、図４に示すように、その音源の方向に最も近いマイクロフォンＭ₁を検出し、このマイクロフォンＭ₁と音源とを結ぶ直線を回転軸の中心Ｏまで延長し、直線ＯＭ₁上に垂直な線上にあるマイクロフォンＭ₂を特定する。

次いで、マイクロフォンＭ₁，Ｍ₂それぞれの入力信号から位相差を求める。なお、直接マイクロフォンＭ₁，Ｍ₂からの２つの入力信号の相関をとって、到達時間差を求めるようにしてもよい。

次いで、求めた位相差または時間差を、音速に基づいて距離に換算する。この値をｄ、マイクロフォンＭ₁，Ｍ₂を回転対称に配設するベースの半径をｒ、マイクロフォンＭ₁と音源との距離をｌとすると、マイクロフォンＭ₂と音源との距離はｌ＋ｄとなり、マイクロフォンアレイと音源との位置関係は、図４で表すことができる。この図４に示すように、音源、マイクロフォンＭ₂および中心Ｏとで直角三角形が構成されるので、下式（１）が成り立つ。

（ｌ＋ｄ）²＝（ｌ＋ｒ）²＋ｒ² ・・・（１）

上式（１）より下式（２）が得られる。

ｌ＝（２ｒ²−ｄ²）／｛２（ｄ−ｒ）｝ ・・・（２）

したがって、２つのマイクロフォンＭ₁，Ｍ₂と音源との距離差ｄを求めることにより、上式（２）からマイクロフォンＭ₁と音源との距離ｌを求めることが可能となる。これにより、マイクロフォンの受音信号から音源の方向と位置とを推定することができる。

次に、各マイクロフォンからの受音信号に付加する遅延量の設定方法について、図５を参照して説明する。まず、音源に最も近いマイクロフォンＭ₁と、各マイクロフォンを回転対称に配置するベースの回転軸の中心Ｏと、Ｍ₁以外の任意のマイクロフォンＭ_nとにより構成される角をφとすると、マイクロフォンＭ_nと音源との距離ｘは、下式（３）から求めることができる。

ｘ＝｛ｒ²＋（ｌ＋ｒ）²−２ｒ（ｌ＋ｒ）ｃｏｓφ｝^1/2 ・・・（３）

延加算部１２は、このようにして求められた各マイクロフォンと音源との距離をもとに、全てのマイクロフォンの出力信号が同位相になるように遅延量を設定する。なお、このとき、音源に最も近いマイクロフォンＭ₁の出力信号に設定する遅延量が最大となる。

また、上式（３）において、ｒとφは、各マイクロフォンを回転対称に配置するベースの構成で決定されるので、上式（２）よりｌが求まれば、全てのマイクロフォンと音源との距離を求めることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は、本実施の形態にかかるマイクロフォンアレイ装置の構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態において、上述した第１の実施の形態と同等の構成要素には、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施の形態にかかるマイクロフォンアレイ装置２は、回転対称、例えば球形のベースに配設された複数のマイクロフォン１１−１〜１１−ｎと、これらのマイクロフォン１１の受音信号に対して遅延加算処理をそれぞれ行う複数の遅延加算部１２ａ〜１２ｍと、各遅延加算部１２ａ〜１２ｍに対して指向性パラメータを入力する指向性パラメータ制御部２１とから構成される。ここで、指向性パラメータとは、各遅延加算部１２ａ〜１２ｍの遅延回路１２１ａ−１〜１２１ａ−ｎ，１２１ｂ−１〜１２１ｂ−ｎ，・・・，１２１ｍ−１〜１２１ｍ−ｎにおいてマイクロフォン１１−１〜１１−ｎからの受音信号それぞれに付加する遅延量である。

指向性パラメータ制御部２１は、遅延加算部１２毎に指向性パラメータを設定する機能部である。これらの指向性パラメータは、遅延加算部１２ａ〜１２ｍ毎に、任意の方向からの位相信号を強め合うように遅延量が設定される。この指向性パラメータの設定は、予め設定しておいてもよく、また、ユーザの操作入力に応じて設定するようにしてもよい。

複数の遅延加算部１２ａ〜１２ｍは、各マイクロフォン１１−１〜１１−ｎからの受音信号に対して、それぞれ指向性パラメータ制御部２１から入力された指向性パラメータに基づいて遅延量を遅延回路１２１ａ−１〜１２１ａ−ｎ，１２１ｂ−１〜１２１ｂ−ｎ，・・・，１２１ｍ−１〜１２１ｍ−ｎにより付加し、この遅延量が付加された受音信号を加算回路１２２により加算する遅延加算処理を行う。これにより、遅延加算部１２ａ〜１２ｍからは、それぞれ指向性パラメータに応じた位置または方向からの音声信号が強調されて出力される。

次に、マイクロフォンアレイ装置２の動作について説明する。まず、指向性パラメータ制御部２１により、各遅延加算部１２ａ〜１２ｍに入力する指向性パラメータを設定する。

各マイクロフォン１１−１〜１１−ｎが受音した受音信号が各遅延加算部１２ａ〜１２ｍに入力されると、その受音信号に対して各遅延加算部１２ａ〜１２ｍにそれぞれ設定された指向性パラメータに基づく遅延加算処理が行われる。ここで、遅延加算部１２ａ〜１２ｍに入力された受音信号には、各遅延加算部１２ａ〜１２ｍに設定された指向性パラメータにより特定される遅延量が遅延回路１２１ａ−１〜１２１ａ−ｎ，１２１ｂ−１〜１２１ｂ−ｎ，・・・，１２１ｍ−１〜１２１ｍ−ｎによりそれぞれ付加される。これらの遅延量がそれぞれ付加された受音信号は、加算回路１２２ａ〜１２２ｍにより加算され、指向性パラメータに対応した位置又は方向から到来した音声信号が強調されて、出力端子から出力される。

上述したように遅延加算部１２ａ〜１２ｍ毎にそれぞれ異なる指向性パラメータが設定されるので、出力端子から出力された音声信号は、複数の指向特性を有するものとなる。この指向特性は、最大で遅延加算部１２ａ〜１２ｍの数量分だけ設けることができる。このように、本実施の形態によれば、遅延加算部１２ａ〜１２ｍ毎に指向性パラメータを設定し、各マイクロフォン１１からの受音信号に異なる遅延量を設定するだけで、同一のアルゴリズムで任意の複数の指向性を持たせることが可能となる。

上述したマイクロフォンアレイ装置２は、複数の指向特性を持つことができるので、例えば、センサ等に適用することが可能である。

また、上述したマイクロフォンアレイ装置２において、除きたい音源の位置が既知の場合は、その方向に指向特性を向けないように遅延量を選択するようにしてもよい。例えばスピーカの方向に指向特性を向けないようにすることにより、ハウリングを防ぐことが可能となる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図７は、本実施の形態にかかるマイクロフォンアレイ装置の構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態において、上述した第１，２の実施の形態と同等の構成要素には、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施の形態にかかるマイクロフォンアレイ装置３は、回転対称、例えば球形のベースに配設された複数のマイクロフォン１１−１〜１１−ｎと、これらのマイクロフォン１１−１〜１１−ｎの受音信号をサンプリングし、一定期間（以下、「サンプリング期間」という。）の受音信号を記憶する記憶部３１と、この記憶部３１に記憶された受音信号に対して遅延加算処理を行う遅延加算部１２と、この遅延加算部１２に指向性パラメータを入力する指向性パラメータ制御部２１と、遅延加算部１２からの出力を切り替えて出力するスイッチ３２と、このスイッチ３２からの出力を記憶する複数の出力バッファ３３−１〜３３−ｍと、指向性パラメータ制御部２１とスイッチ３２との同期をとるタイミング制御部３４とから構成される。このようなマイクロフォンアレイ装置３は、１サンプリング期間の受音信号に対して指向性を替えながら複数の遅延加算処理を行うことにより、複数の指向特性を実現するものである。

記憶部３１は、マイクロフォン１１−１〜１１−ｎに対応したメモリを少なくとも２組備えることによって、連続する音声信号を１サンプリング期間毎に次々と記憶することができる。

指向性パラメータ制御部２１は、予め設定された複数の指向性パラメータを記憶するとともに、後述するタイミング制御部３４からの同期信号に基づいて１サンプリング期間内で一巡するように切り替えて、それらを順次遅延加算部１２に送出する。

遅延加算部１２は、記憶部３１に記憶された所定のサンプリング期間の受音信号に対して、指向性パラメータ制御部２１から入力された指向性パラメータに基づいて遅延加算処理を行う。本実施の形態においては、指向性パラメータ制御部２１が予め設定されていた複数の指向性パラメータについて１サンプリング期間内で指向性パラメータが切り替えられる度にそれぞれ遅延加算処理を行う。

スイッチ３２は、後述するタイミング制御部３４の同期信号に基づいて切り替えられる。これにより、遅延加算部１２から出力される音声信号は、指向性パラメータが切り替わるタイミングと同期して何れかの出力バッファ３３−１〜３３−ｍに送出される。

出力バッファ３３−１〜３３−ｍは、指向性パラメータ制御部２１に設定可能な指向性パラメータの数量に対応して設けられ、スイッチ３２を介して遅延加算部１２により入力された受音信号を１サンプリング期間分保持して出力する。

タイミング制御部３４は、１サンプリング期間内において指向性パラメータ制御部２１の複数の指向性パラメータとスイッチ３２とを同期させて切り替える同期信号を発生し、指向性パラメータ制御部２１およびスイッチ３２に入力する。

次に、マイクロフォンアレイ装置３の動作について説明する。まず、ユーザ等の操作入力により、予め複数の指向性パラメータを指向性パラメータ制御部２１に設定し、図示しないメモリに記憶させる。指向性パラメータは、例えばユーザが所望する指向特性など、適宜自由に設定することができる。

次いで、各マイクロフォン１１−１〜１１−ｎにより受音動作が行われ、１サンプリング期間分の受音信号が記憶部３１に順次記憶される。この記憶部３１に各マイクロフォン１１−１〜１１−ｎの受音信号が記憶されると、遅延加算部１２により、複数の指向性パラメータに基づいて遅延加算処理が行われる。すなわち、遅延加算部１２には、指向性パラメータ制御部２１に記憶された複数の指向性パラメータが、タイミング制御部３４からの同期信号に従って１サンプリング期間内に切り替えられて順次入力される。上記遅延加算処理は、指向性パラメータ制御部２１に記憶された複数の指向性パラメータに対して、切り替えられる度に繰り返される。これにより、遅延加算部１２からは、記憶部３１に記憶された１サンプリング期間分の受音信号から異なる指向特性を有する複数の音声信号が出力される。

遅延加算部１２から出力された音声信号は、スイッチ３２により、何れかの出力バッファ３３−１〜３３−ｍに選択的に出力される。スイッチ３２は、タイミング制御部３４の同期信号により指向性パラメータ制御部２１の指向性パラメータを切り替えるタイミングと同期して、遅延加算部１２からの音声信号の出力先を切り替える。このため、各出力バッファ３３−１〜３３−ｍには、同じ指向特性を有する音声信号が格納され、次のサンプリング期間分の受音信号に対する遅延加算処理結果が上書きされるまで、１サンプリング期間その値を保持する。

このように、本実施の形態は、複数の指向性パラメータを設定し、これらの指向性パラメータを１サンプリング期間内で順次切り替えるものである。これにより、各マイクロフォン１１−１〜１１−ｎからの１サンプリング期間分の受音信号に対して複数の遅延加算処理が行われるので、結果として、同一のアルゴリズムで任意の複数の指向性を持たせることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態にかかるマイクロフォンアレイ装置の構成を示すブロック図である。 マイクロフォンの配置の一例を説明するための図である。 マイクロフォンの配置の他の例を説明するための図である。 音源の方向および位置の推定方法を説明するための図である。 遅延量の設定方法を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態にかかるマイクロフォンアレイ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態にかかるマイクロフォンアレイ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，２，３…マイクロフォンアレイ装置、１１，１１−１〜１１−ｎ…マイクロフォン、１２，１２ａ〜１２ｍ…遅延加算部、１２１−１〜１２１−ｎ，１２１ａ−１〜１２１ａ−ｎ，１２１ｂ−１〜１２１ｂ−ｎ，１２１ｍ−１〜１２１ｍ−ｎ…遅延回路、１２２，１２２ａ〜１２２ｍ…加算回路、１３，１４…ベース、２１…指向性パラメータ制御部、３１…記憶部、３２…スイッチ、３３−１〜３３−ｍ…出力バッファ、３４…タイミング制御部。

Claims (3)

1. 回転対称に配置された複数のマイクロフォンと、
   各前記マイクロフォンの出力信号に遅延を付加する遅延加算手段と
   を備えることを特徴とするマイクロフォンアレイ装置。
2. 前記遅延加算手段を複数備え、
   前記遅延加算手段は、それぞれ複数の前記マイクロフォンの出力信号に対して異なる遅延量を付加する
   ことを特徴とする請求項１記載のマイクロフォンアレイ装置。
3. 複数の前記マイクロフォンの出力信号を所定のサンプリング間隔でサンプリングするサンプリング手段と、
   サンプリングされた複数の前記出力信号を所定時間保持する記憶手段と、
   前記遅延加算手段において各前記マイクロフォンからの前記出力信号に付加する遅延量を変化させる遅延量制御手段と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のマイクロフォンアレイ装置。
   

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