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

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【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Mnとにより構成される角をφとすると、マイクロフォンMn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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