JP2007158516A

JP2007158516A - マイクロホン装置

Info

Publication number: JP2007158516A
Application number: JP2005347977A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Otsuka; 泰雄大塚
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】一対のマイクロホンの音響特性が一致していなくても、周波数特性および指向性を一定に保ちつつ、風雑音を低減した音声信号を出力することができるマイクロホン装置を提供する。
【解決手段】本発明のマイクロホン装置は、風雑音収音用の第１のマイクロホンと、音声収音用の第２のマイクロホンと、前記第１のマイクロホンから出力される第１の出力信号と前記第２のマイクロホンから出力される第２の出力信号とを用いて、周波数領域において風雑音成分を抑制する信号処理を行う信号処理手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話等の電子機器に応用されるマイクロホン装置に関する。

一般に、マイクロホンは、音声による空気の粗密波、すなわち音波の圧力変化を振動板の機械的振動に変換して、この振動を電気信号に変換して出力するものである。

従って、屋外等、風の影響を受ける環境下において、マイクロホンを使用すると、マイクロホン近傍で気流の乱れにより発生する空気の粗密波、すなわち風雑音もセンシングされるため、マイクロホンの出力信号に風雑音が混入してしまい、収音品質が劣化してしまう。

これに対して、従来、風雑音の無相関性を利用して、風雑音を低減する騒音計測装置が提案されている（特許文献１参照）。

図６に示すように、特許文献１に記載されている騒音計測装置４００は、近接して設置される一対のマイクロホン４１と、マイクロホン４１の出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換部４２と、Ａ／Ｄ変換部４２の出力を高速フーリエ変換するＦＦＴ部４３と、ＦＦＴ部４３の出力からパワースペクトルを演算するパワースペクトル演算部４４と、ＦＦＴ部４４の出力からクロススペクトルを演算するクロススペクトル演算部４５と、パワースペクトル演算部４４の出力を平均化する加算部４６と、加算部４６の出力とクロススペクトル演算部４５の出力とを組み合わせる組合せ演算部４７と、組合せ演算部４７の出力の総パワーを演算する総パワー演算部４８と、総パワー演算部４８の演算結果を出力する出力部４９とを備えている。

この騒音計測装置４００は、近接して設置される一対のマイクロホン４１から出力される音声信号の相互相関が高いこと、風雑音の相互相関が低いこと、音声信号の自己相関が高いこと、および風雑音の相互相関が低いことを利用して、加算部４６が出力するパワースペクトルの平均値とクロススペクトル演算部４５の出力とを、周波数の閾値を境界に重み付けを変えて組み合わせ演算を行い、風雑音の低減を図っているものである。
特開２００１−１２４６２１号公報

しかしながら、図４に示すような騒音計測装置は、近接して設置される一対のマイクロホン４１が出力する出力信号を信号処理するものであるが、一対のマイクロホンの音響特性が一致していない場合、例えば、一対のマイクロホンの一方が無指向性マイクロホンであり、他方が単一指向性マイクロホンである場合、一対のマイクロホンから出力される音声信号の相互相関が必ずしも高いとはいえず、クロススペクトル演算の結果、本来必要な音声信号まで低減されてしまうものであった。

また、同様に、一対のマイクロホンの音響特性が一致していない場合、クロススペクトル演算結果の周波数特性および指向性と、パワースペクトル演算結果の平均値の周波数特性および指向性とが必ずしも一致するとはいえず、そのため、組み合わせ演算の結果、閾値である周波数を境界に周波数特性や指向性が変化してしまうものであった。

このように、特許文献１記載されるような騒音計測装置は、上述の事情により、一対のマイクロホンの音響特性が一致していることが要求されるものであった。従って、片方のマイクロホンだけを交換して、ある任意のマイクロホンの風雑音を低減することが出来なかった。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、一対のマイクロホンの音響特性が一致していなくても、周波数特性および指向性を一定に保ちつつ、風雑音を低減した音声信号を出力することができるマイクロホン装置を提供することを目的とする。また、本発明は、任意のマイクロホンについても、風雑音を軽減することができるマイクロホン装置を提供することを目的とする。

本発明のマイクロホン装置は、風雑音収音用の第１のマイクロホンと、音声収音用の第２のマイクロホンと、前記第１のマイクロホンから出力される第１の出力信号を用いて、周波数領域において風雑音成分を抑制する信号処理を行う信号処理手段とを備える構成である。

この構成によれば、第２の出力信号に含まれる風雑音成分を、風雑音成分を主とする第１の出力信号を用いて周波数領域で抑圧するものであって、第１の出力信号と第２の出力信号の相互相関等の信号処理を行わないものであるから、第１のマイクロホンと第２のマイクロホンの音響特性が一致していなくても良い。この信号処理の結果、信号処理手段からは、風雑音が抑制され且つ周波数特性および指向性が一定に保たれた出力信号が得られる。

また、本発明のマイクロホン装置は、前記第２のマイクロホンと前記マイクロホン装置とを接続する接続手段を備える。

この構成により、音声収音用のマイクロホンを交換することができ、任意のマイクロホンの音声信号に含まれる風雑音成分を低減することが出来る。

また、本発明のマイクロホン装置は、前記第１のマイクロホンが、近接特性が大きい双指向性のマイクロホンであり、前記第２のマイクロホンは、無指向性のマイクロホンである。

この構成によれば、近接特性が大きい双指向性のマイクロホンは風雑音に対して感度が高いので、効果的に風雑音成分を主とする第１の出力信号が効果的に得られる。一方、無指向性のマイクロホンからは音声信号を主とする信号が効果的に得られる。

また、本発明に係るマイクロホン装置の第１のマイクロホンは、近接する２つの無指向性のマイクロホンと、前記２つのマイクロホンから出力される信号を無遅延に加算または減算する加減算部と、を備える。

この構成により、近接する２つの無指向性のマイクロホンから出力される信号を無遅延に加減算することで、周期的な信号である音声成分は相殺され、風雑音成分を主とする第１の出力信号が得られる。

また、本発明のマイクロホン装置は、前記信号処理手段は、前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とを所定の周波数帯域に分割する帯域分割手段と、帯域別に分割された前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とから風雑音成分を抽出する風雑音抽出手段と、前記周波数帯域に分割された前記第２の出力信号から前記風雑音成分を減算して音声信号を生成する音声信号生成手段と、を備え、前記風雑音抽出手段は、帯域別に分割された前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とを前記帯域毎に比較して雑音区間を判定する雑音区間判定手段と、雑音区間であると判定された区間において雑音スペクトル推定を行う雑音スペクトル推定手段と、前記雑音スペクトル推定手段の推定結果を基にフィルタ係数を算出するフィルタ係数算出手段と、を有し、前記音声信号生成手段は、帯域別に分割された前記第２の出力信号に対して、前記フィルタ係数を用いてフィルタ演算を行い風雑音成分を減算する減算手段と、前記減算手段の出力信号を帯域合成する合成手段と、を有する。

この構成により、周波数領域において第２の出力信号から風雑音成分を抑圧する信号処理が実行され、風雑音が抑圧され且つ周波数特性および指向性が一定に保たれた出力信号が得られる。

本発明により、一対のマイクロホンの音響特性が一致していなくても、周波数特性および指向性を一定に保ちつつ、風雑音を低減した音声信号を出力することができるマイクロホン装置を提供することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１のマイクロホン装置１の概略構成図である。

図１に示すように、本実施の形態１のマイクロホン装置１は、互いに近接して設置されているマイクロホン１１およびマイクロホン１２と、マイクロホン１１から出力される第１の出力信号とマイクロホン１２から出力される第２の出力信号とを周波数領域で信号処理する信号処理部１３とを備えている。

マイクロホン１１は、風雑音を収音するのに好適な音響特性を有するものであり、例えば、近接特性の大きい双指向性マイクロホンで構成される。また、マイクロホン１２は、音声を収音するのに好適な音響特性を有するものであり、例えば、無指向性マイクロホンで構成される。

ここで、近接特性とは、近くの音は振動板前後の音響パス差が大きく、遠くの音は音響パス差が小さいために起こる現象であって、双指向性マイクロホンにおいては、近くの音には高感度に反応し、遠のく音には低感度に反応する現象のことをいう。

また、無指向性マイクロホンとは、図２（ａ）に示すように、音波に対して指向性（方向性）をもたないマイクロホンのことをいう。無指向性マイクロホンは、マイクロホンの置かれた場所に到達した全方向の音波に同じように振動板が反応し電気信号を出力するものである。すなわち、その出力信号の振幅は、マイクロホン（振動板）の向きや角度に関係なく、音の大きさだけに依存する特性を持つ。音道（音の通り道）はマイクロホンの振動板の前方だけにあり、振動板の前方だけが外部空間と音響接続している構造を有するものである。

また、双指向性マイクロホンとは、図２（ｂ）に示すように、ある特定の方向から到来する音波に感度が高い（または感度が低い）特性を持つマイクロホンのことである。

上述の無指向性マイクロホンとの構造的な相違点は、前方だけでなく後方にも音道を備え、振動板の後方にも外部空間と音響接続している点である。双指向性マイクロホンに後方から到達する音波は、まず後方の音道を通じて振動板の後方に到達する。同じ音波は回折により回り込んで振動板の前方に到達するが、このとき回り込みに掛かる時間（音響パスの差による時間遅れ）に応じて位相差が発生するため、振動板が反応し、マイクロホンは電気信号を出力する。前方から到達する音波に対しても同様である。

また、双指向性マイクロホンに側方から到達する音波は、前方と後方の音道を通じて振動板の前後両面に同時に到達する。このため音波に与える作用は相殺されて振動板は反応せず電気信号は出力されない。

図１に戻り、信号処理部１３は、信号を所定の周波数帯域に分割する帯域分割部１４と、帯域別に分割した出力信号から風雑音成分を抽出する風雑音成分抽出部３０と、風雑音成分を抑圧した音声信号を生成する音声信号生成部４０と、生成した音声信号を出力する出力部１９とを備えている。

帯域分割部１４は、マイクロホン１１から出力される第１の出力信号の振幅とマイクロホン１２から出力される第２の出力信号の振幅とを所定の周波数帯域に分割する。

風雑音成分抽出部３０は、図３に示すように、分割された信号を帯域ごとに比較して雑音区間を判定する雑音区間判定部６１と、雑音区間であると判定された区間において雑音スペクトル推定を行う雑音スペクトル推定部６２と、雑音スペクトル推定部６２の演算結果を下に適応フィルタ係数を算出する適応フィルタ係数算出部６３と、を備えている。

ここで、雑音スペクトル推定部６２は、推定手段として、ウィナーフィルタ伝達特性の次式を用いる。

音声信号生成部４０は、風雑音成分を抑圧する減算部１７と減算後の信号を周波数順に合成する合成部１８とを備えている。

減算部１７は、適応フィルタ係数算出部６３が算出したフィルタ係数を用いて、第２の出力信号に対してフィルタ演算を行い風雑音成分を減算する。合成部１８は、減算部１７の出力信号を周波数順に合成して音声信号を生成する。

これら信号処理部１３の各機能は、バスを介して接続される周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成され、ＲＯＭに格納された各種制御プログラムの実行にしたがって実現される。

この構成により、第１および第２のマイクロホンから出力される信号に対して相互相関の信号処理を行わずに、第２の出力信号に含まれる風雑音成分を第１の出力信号を用いて周波数領域で抑圧するので、第１および第２のマイクロホン音響特性が一致していなくても、指向性を保ちながら風雑音を軽減することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明のマイクロホン装置の実施の形態２について説明する。なお、以下の説明では、上述した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施の形態の特徴は、図４に示すように、音声収音用のマイクロホン１２の代わりに任意のマイクロホン２１と、任意のマイクロホン２１と信号処理部１３とを交換可能に接続する接続部２２を備える点にある。

この構成により、実施の形態１において固定されていた音声収音用のマイクロホン１２を、任意に他のマイクロホンに交換することができるため、ユーザは音声収音用のマイクロホンを自由に選択することができる。

なお、風雑音用のマイクロホン１１に対しても同様に、接続部を設けて他のマイクロホンと交換可能にしても良い。

（実施の形態３）
次に、本発明のマイクロホン装置の実施の形態３について説明する。なお、以下の説明では、上述した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施の形態の特徴は、図５に示すように、風雑音用のマイクロホン１１の代わりに、互いに近接する無指向性の２つのマイクロホン３１およびマイクロホン３２と、各マイクロホンの出力を無遅延に加算または減算等の演算をする加減算部３２と、を備える点にある。

ここで、互いに近接する２つのマイクロホンでは、ある音源からの音波が各マイクロホンに到達する時間は、音源からマイクロホンまでの距離と音速とにより決まるため、各マイクロホンに時間差が生じる。よって、音声信号を収音する場合、各マイクロホンの出力信号の相互相関は高い。

一方、風雑音は、マイクロホン近傍の気流の乱れに起因するため、風速に依存した周波数特性を持つが、各マイクロホンに時間差で到達する現象ではないため、風雑音を収音する場合、各マイクロホンの出力信号の相互相関は低い。

また、一般に、音声は主に周期的信号から構成されるため自己相関が高く、一方、風雑音は主にランダム信号から構成されるため自己相関は低い。

従って、各マイクロホンの出力信号が加減算部３３で無遅延に加減算されると、音声信号は相互相関が高いため相殺されるが、風雑音信号は相互相関が低いため相殺されない。よって、加減算部３３からは主として風雑音成分を多く含む信号が出力される。

この構成により、実施の形態１において、例えばマイクロホン１１に指向性マイクロホンを単独で用いるのに比して、効果的に風雑音をセンシングすることができ、風雑音成分の抑圧する信号処理の精度が向上する。

本発明は、一対のマイクロホンの音響特性が一致していなくても、周波数特性および指向性を一定に保ちつつ、風雑音を低減した音声信号を出力することができるマイクロホン装置として有用である。

本実施の形態１のマイクロホン装置の概略構成図（ａ）無指向性マイクロホンの指向性パターンを示す図、（ｂ）双指向性マイクロホンの指向性パターンを示す図風雑音抽出部の構成を示す図。本実施の形態２のマイクロホン装置の概略構成図本実施の形態３のマイクロホン装置の概略構成図従来の騒音計測装置の概略構成図

符号の説明

１１、１２マイクロホン
１３信号処理部
１４帯域分割部
１７減算部
１８帯域合成部
１９出力部
３０風雑音成分抽出部
４０音声信号生成部
６１雑音区間判定部
６２雑音スペクトル推定部
６３適応フィルタ係数算出部

Claims

風雑音収音用の第１のマイクロホンと、
音声収音用の第２のマイクロホンと、
前記第１のマイクロホンから出力される第１の出力信号と前記第２のマイクロホンから出力される第２の出力信号とを用いて、周波数領域において風雑音成分を抑制する信号処理を行う信号処理手段と、を備えるマイクロホン装置。
前記第２のマイクロホンと前記マイクロホン装置とを接続する接続手段を備える請求項１に記載のマイクロホン装置。
前記第１のマイクロホンは、近接特性が大きい双指向性のマイクロホンであり、前記第２のマイクロホンは、無指向性のマイクロホンである請求項１又は２に記載のマイクロホン装置。
前記第１のマイクロホンは、近接する２つの無指向性のマイクロホンと、前記２つのマイクロホンから出力される信号を無遅延に加算または減算する加減算部と、を備える請求項１又は２に記載のマイクロホン装置。
前記信号処理手段は、前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とを所定の周波数帯域に分割する帯域分割手段と、帯域別に分割された前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とから風雑音成分を抽出する風雑音抽出手段と、前記周波数帯域に分割された前記第２の出力信号から前記風雑音成分を減算して音声信号を生成する音声信号生成手段と、を備え、
前記風雑音抽出手段は、帯域別に分割された前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とを前記帯域毎に比較して雑音区間を判定する雑音区間判定手段と、雑音区間であると判定された区間において雑音スペクトル推定を行う雑音スペクトル推定手段と、前記雑音スペクトル推定手段の推定結果を基にフィルタ係数を算出するフィルタ係数算出手段と、を有し、
前記音声信号生成手段は、帯域別に分割された前記第２の出力信号に対して、前記フィルタ係数を用いてフィルタ演算を行い風雑音成分を減算する減算手段と、前記減算手段の出力信号を帯域合成する合成手段と、を有する請求項１から４いずれか一項に記載のマイクロホン装置。