JP2007180953A - Mobile sound source searching apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、情報通信機器を用いた携帯型音源捜索装置に係り、より詳細には、3次元音響技術、信号処理技術などを利用した可搬型の超指向性マイクロホンを備えた携帯型音源捜索装置に関する。 The present invention relates to a portable sound source search device using information communication equipment, and more specifically, a portable sound source search device including a portable super-directional microphone using three-dimensional acoustic technology, signal processing technology, and the like. About.
災害の被災地において、一人でも多くの人命を救出するためには、生存者を迅速に見つけ出すことが重要である。生存者の捜索を支援する道具としては、人命救助等に使用する目的で開発された地中聴音器や伸縮自在棒の先端にカメラ・マイクロホン・スピーカー・ライトを一体化して取り付けた装置が提案されている(特許文献1)。しかし、これは一度に捜索できる範囲が限られており、不特定の方向から到来する音が混じり合うため、騒音下での有用性は乏しいと考えられる。 In order to save as many lives as possible in a disaster-stricken area, it is important to quickly find survivors. As tools to support the search for survivors, devices such as underground sounders developed for the purpose of lifesaving and the like, and a camera / microphone / speaker / light integrated at the tip of a telescopic rod have been proposed. (Patent Document 1). However, since the range that can be searched at one time is limited and sounds coming from unspecified directions are mixed, it is considered that the usefulness under noise is poor.
マイクロホンアレイは、音響情報を3次元的に計測する手段として有効であり、主に雑音環境下や、またはビデオ会議システムなどにおいて、複数話者の中から特定の話者の声だけを抽出する方法として(特許文献2)、音声認識装置やロボットの要素技術として研究が進められている(非特許文献1、2)。マイクロホンアレイの指向性や空間感度特性は、信号処理により制御できる。
The microphone array is effective as a means for measuring acoustic information three-dimensionally, and is a method of extracting only a specific speaker's voice from a plurality of speakers mainly in a noisy environment or in a video conference system. (Patent Document 2), research is being conducted as an element technology of a speech recognition device and a robot (
地震や台風といった自然災害の被災地や大規模な事故の被害地では、生存者を迅速に発見することが求められる。このとき、生存者が発する声や音は重要な手がかりとなる。特に瓦礫などの障害物によって視野が制限されている場合、音は最大の手がかりとなる。そこで、単一指向性マイクロホンあるいは無指向性マイクロホンで収集した音を増幅してヘッドホン等により捜索者が聞く手段はあるが、単一指向性マイクロホンの場合、一度に一つの方向しか捜索できないため効率が悪い。また無指向性マイクロホンの場合、不特定の方向から到来する信号が混じり合うため、外来騒音の影響を強く受けてしまう。 In areas affected by natural disasters such as earthquakes and typhoons and areas damaged by large-scale accidents, it is necessary to quickly find survivors. At this time, the voices and sounds produced by the survivors are important clues. Sound is the biggest clue, especially when the field of view is limited by obstacles such as rubble. Therefore, there is a means to amplify the sound collected by a unidirectional microphone or an omnidirectional microphone and the searcher can listen to it with headphones, etc., but in the case of a unidirectional microphone, only one direction can be searched at a time. Is bad. In addition, in the case of an omnidirectional microphone, signals coming from unspecified directions are mixed together, and thus are strongly influenced by external noise.
それに対して、マイクロホンアレイを用いれば、信号処理によって任意の方向に鋭い指向性を生むことができるため、騒音下でも微小な信号を発見できる可能性が高い。単一指向性マイクロホンの場合、マイクロホン自体を捜索したい方向に向けなくてはならないが、マイクロホンアレイでは、マイクロホン自体は動かすことなく、任意の方向を捜索できる。また、同時に独立した複数の指向性を形成できるので、広い領域を効率よく捜索することができる。 On the other hand, if a microphone array is used, sharp directivity can be generated in an arbitrary direction by signal processing, so that there is a high possibility that a minute signal can be found even under noise. In the case of a unidirectional microphone, the microphone itself must be directed in the direction in which it is desired to search, but in the microphone array, an arbitrary direction can be searched without moving the microphone itself. In addition, since a plurality of independent directivities can be formed at the same time, a wide area can be searched efficiently.
本発明の目的は、上記の利点をもつマイクロホンアレイを可搬型とすることにより、屋内、屋外を問わず、各種の災害現場等において音源を的確に発見することのできる携帯型音源捜索装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a portable sound source search device capable of accurately finding a sound source at various disaster sites, whether indoors or outdoors, by making a microphone array having the above-mentioned advantages portable. There is to do.
本発明は、上記の問題を解決するため、下記の手段を採用した。
第1の手段は、複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイ部と、該マイクロホンアレイ部を支持するアーム部と、前記マイクロホンアレイ部から入力されるマルチチャネルのアナログ信号をデジタル信号に変換するデータ変換部と、前記データ変換部から出力されるデータ信号を無線送信するデータ送信部と、該データ送信部から送られるデータ信号を受信するデータ受信部と、前記マイクロホンアレイ部が鋭い指向性を発揮するよう、前記データ受信部にて受信されたデータ信号のチャネルごとの遅延時間を操作し、任意の方向から到来する音を選択的に合成した合成信号を出力する信号処理部と、該信号処理部から出力された合成信号をアナログ信号に変換し、音響信号として再生する音響出力部とを備え、前記マイクロホンアレイ部、前記アーム部、前記データ変換部、および前記データ送信部が一体に携帯可能に構成されていることを特徴とする携帯型音源捜索装置である。
第2の手段は、第1の手段において、前記データ変換部と前記データ送信部が前記アーム部に内蔵されていることを特徴とする携帯型音源捜索装置である。
第3の手段は、第1の手段または第2の手段において、前記アーム部の長さが可変であることを特徴とする携帯型音源捜索装置である。
第4の手段は、第1の手段ないし第3の手段のいずれか1つの手段において、前記データ送信部で受信されたデータを圧縮し、記憶媒体に記録するデータ記録部を備えることを特徴とする携帯型音源捜索装置である。
第5の手段は、第1の手段ないし第4の手段のいずれか1つの手段において、前記マイクロホンアレイ部に当該マイクロホンアレイ部の第1の角度を検出する角度センサ部を備え、前記アーム部に前記角度センサ部で検出された第1の角度を前記データ受信部に送信する角度データ送信部を備え、前記音響出力部と自らの第2の角度を検出する角度センサ部と前記第2の角度を前記データ受信部に送信する角度データ送信部と備えるヘッドセット部を備え、前記信号処理部は、前記データ受信部で受信された第2の角度の第1の角度に対する相対的な角度を検出し、該検出された角度に基づいて捜索方向を決定し、該決定された捜索方向に基づいて、前記データ受信部にて受信されたデータ信号のチャネルごとの遅延時間を操作し、該決定された捜索方向から到来する音を選択的に合成して合成信号を出力することを特徴とする携帯型音源捜索装置である。
第6の手段は、第1の手段ないし第5の手段のいずれか1つの手段において、前記音響出力部を複数個備え、前記信号処理部は、独立に複数の指向性を創出することにより、複数の異なる方向から到来する音を、それぞれ独立に合成した複数の合成信号を出力し、該複数の合成信号を前記複数の音響出力部から別々に出力させることを特徴とする携帯型音源捜索装置である。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
The first means includes a microphone array unit composed of a plurality of microphones, an arm unit that supports the microphone array unit, and a data conversion unit that converts a multi-channel analog signal input from the microphone array unit into a digital signal. A data transmission unit that wirelessly transmits a data signal output from the data conversion unit, a data reception unit that receives a data signal transmitted from the data transmission unit, and the microphone array unit exhibiting sharp directivity, A signal processing unit for manipulating a delay time for each channel of the data signal received by the data receiving unit and outputting a synthesized signal obtained by selectively synthesizing sounds coming from an arbitrary direction, and outputting from the signal processing unit And an acoustic output unit that converts the synthesized signal into an analog signal and reproduces it as an acoustic signal. Parts, the arm portion, the data conversion unit, and the data transmission unit is a portable sound source search apparatus characterized by being configured to be portable together.
A second means is the portable sound source search device according to the first means, wherein the data conversion unit and the data transmission unit are built in the arm unit.
A third means is a portable sound source searching device according to the first means or the second means, wherein the length of the arm portion is variable.
According to a fourth means, in any one of the first means to the third means, the data reception unit includes a data recording unit that compresses the data received by the data transmission unit and records the data in a storage medium. It is a portable sound source search device.
According to a fifth means, in any one of the first means to the fourth means, the microphone array unit includes an angle sensor unit that detects a first angle of the microphone array unit, and the arm unit includes An angle data transmitting unit configured to transmit the first angle detected by the angle sensor unit to the data receiving unit; the angle output unit configured to detect the second angle of the sound output unit and the second angle; And a headset unit including an angle data transmitting unit that transmits the data to the data receiving unit, and the signal processing unit detects a relative angle of the second angle received by the data receiving unit with respect to the first angle. And determining a search direction based on the detected angle, operating a delay time for each channel of the data signal received by the data receiver based on the determined search direction, and determining the determined direction. And a portable sound source search apparatus characterized by selectively synthesized by the sound coming from the search direction and outputs the combined signal.
A sixth means includes any one of the first means to the fifth means, and includes a plurality of the sound output units, and the signal processing unit independently creates a plurality of directivities, A portable sound source search device characterized by outputting a plurality of synthesized signals obtained by independently synthesizing sounds arriving from a plurality of different directions, and separately outputting the plurality of synthesized signals from the plurality of sound output units. It is.
上述のとおり本発明では、指向性を任意に制御できるマイクロホンアレイを可搬型とすることにより、屋内、屋外を問わず各種の災害現場等で利用できる携帯型音源捜索装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, a portable sound source search device that can be used at various disaster sites, whether indoors or outdoors, can be provided by using a portable microphone array that can arbitrarily control directivity.
マイクロホンアレイの感度は、マイクロホンの個数を増やすことによって向上させることができるので、例えば、数cm程度の間隔で数百乃至以上のマイクロホンを配置することにより、わずかな信号でも捉えることのできる高感度の携帯型音源捜索装置を提供することができる。 The sensitivity of the microphone array can be improved by increasing the number of microphones. For example, by placing several hundreds or more microphones at intervals of about several centimeters, high sensitivity that can capture even a small signal A portable sound source search device can be provided.
マイクロホンアレイの指向性は、信号処理によって形成されるので、複数の信号処理を並列に実行させれば、独立した複数の指向性を同時に生み出すことができ、それぞれの指向性に対応した複数の合成信号を出力させることが可能である。並列信号処理によって合成された複数の合成信号をそれぞれ音響出力部から出力させることにより、複数の聴取者が聞くことができ、同時に複数の方向を捜索できるため、広い領域の捜索を効率的に行うことが可能となる。 The directivity of the microphone array is formed by signal processing, so if multiple signal processes are executed in parallel, multiple independent directivities can be created simultaneously, and multiple composites corresponding to each directivity can be created. It is possible to output a signal. By outputting multiple synthesized signals synthesized by parallel signal processing from the acoustic output unit, multiple listeners can listen and simultaneously search for multiple directions, thus efficiently searching a wide area It becomes possible.
本発明の第1の実施形態を図1及び図2を用いて説明する。
図1は、本実施形態の発明に係る携帯型音源捜索装置の基本構成を示す図である。
同図において、1はマイクロホンアレイ部、2はアーム部、3はアーム部2に内蔵されるデータ変換部、4はアーム部2に内蔵されるデータ送信部、5はデータ受信部、6は信号処理部、7はデータ記録部、8は音響出力部である。マイクロホンアレイ部1は、複数のマイクロホン0、・・・N−1とそれを取り付けるマイクロホン取り付けパネル9と複数のアンプから構成され、必要に応じてマイクロホンアレイの背面から到来する不要な音を遮断する遮音板10を備える。マイクロホン取り付けパネル9の形状に制限はなく、正方形、長方形、円盤型などが考えられる。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a portable sound source search device according to the invention of this embodiment.
In the figure, 1 is a microphone array unit, 2 is an arm unit, 3 is a data conversion unit built in the arm unit 2, 4 is a data transmission unit built in the arm unit 2, 5 is a data reception unit, and 6 is a signal. A processing unit, 7 is a data recording unit, and 8 is an acoustic output unit. The
同図に示すように、データ変換部3とデータ送信部4はマイクロホンアレイ部1を支持するアーム部2に内蔵され一体化されている。また、音響出力部7から出力される信号は、スピーカまたはヘッドホンによって聴取者に提示される。
同図において、この携帯型音源捜索装置は以下のように動作する。マイクロホンアレイ部1において、複数のマイクロホン0、・・・N−1から取得された音響信号はマルチチャネルのアナログ電気信号に変換されデータ変換部3へ送られる。データ変換部3では、送られてきたアナログ信号はデジタル信号に変換されデータ送信部4から無線送信される。データ送信部4から送信されたデータ信号は、データ受信部5で受信され、信号処理部6及びデータ記録部7へ送られる。信号処理部6では、データ信号の各チャネルの遅延時間を制御し、任意の方向から到来する音を選択的に抽出し合成する。合成された信号は、音響出力部8においてアナログ信号に変換され、スピーカあるいはヘッドホンにて出力される。データ記録部7では、データ受信部5から送られてくるデータ信号を必要に応じてデータ圧縮し、記憶媒体に記録しておき、必要に応じて信号処理部6に出力する。
As shown in the figure, the data conversion unit 3 and the data transmission unit 4 are built in and integrated with the arm unit 2 that supports the
In the figure, this portable sound source search device operates as follows. In the
図2は、本実施形態の発明に係る携帯型音源捜索装置の構成を示す図である。
同図において、11は防音処理された室内に複数の捜索者2,3,4が配置された制御室部であり、その他の構成は図1に示す同符号の構成に対応するので説明を省略する。
この携帯型音源捜索装置は以下のように動作する。まず、一人の捜索者1がアーム部2に支持されたマイクロホンアレイ部1を保持し、操作する。マイクロホンアレイ部1で取得されたデータ信号はアーム部2に内蔵されたデータ送信部4から無線送信され、制御室部11に設けられたデータ受信部5で受信される。受信されたデータ信号は、信号処理部6またはデータ記録部7に送信される。信号処理部6では、独立した複数の指向性が演算によって求められ、異なる方向から到来する信号が別々に合成される。異なる指向性を有するそれぞれの合成信号A、合成信号B、合成信号Cは、それぞれの捜索者2,3,4が保持する音響出力部8によって各捜索者2,3,4のヘッドホンにて聴取される。このように、複数の聴取者2,3,4が制御室部11の中で別々に聴取することによって、同時に複数の方向が捜索されるため、効率よく広い領域の捜索を迅速に行うことができる。制御室部11は、捜索場所の近くまで運ぶことができ、その内部はできるだけ静かな環境が望ましい。制御室部11としては防音処理された車載型のコンテナなどが考えられる。なお、形成される複数の指向性は独立なため、互いに干渉することはない。
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the portable sound source search device according to the invention of this embodiment.
In the figure, reference numeral 11 denotes a control room portion in which a plurality of searchers 2, 3, and 4 are arranged in a soundproofed room, and the other configurations correspond to the configurations of the same symbols shown in FIG. To do.
This portable sound source search device operates as follows. First, one
次に、第2の実施形態を図3及び図4を用いて説明する。
図3は本実施形態の発明に係る携帯型音源捜索装置の構成を示す図である。
同図において、12はヘッドセット部、13はマイクロホンアレイ部1またはアーム部2に備えられ、マイクロホンアレイ部1またはアーム部2の角度を検出する角度センサ部、14は角度センサ部13で検出された角度をデータ受信部5に送信する角度データ送信部、15はヘッドセット部12に備えられ、ヘッドセット部12の角度を検出する角度センサ、16は角度センサ部15で検出された角度をデータ受信部5に送信する角度データ送信部である。なお、その他の構成は図2に示す同符号の構成に対応するので説明を省略する。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the portable sound source search device according to the invention of this embodiment.
In the figure, 12 is a headset unit, 13 is provided in the
同図に示すように、マイクロホンアレイ部1に備えられる角度センサ部13で検出された角度は、角度データ送信部14からデータ受信部5に送信される。また、ヘッドセット部12は、信号処理部6にて合成された合成信号を出力するヘッドホンを備える音響出力部8と、ヘッドセット部12の角度を検出する角度センサ部15を備え、検出された角度は角度データ送信部16からデータ受信部5に送信される。データ受信部5にてそれぞれ受信された各角度は信号処理部6へ送られる。
As shown in the figure, the angle detected by the angle sensor unit 13 provided in the
図4は、捜索者1がマイクロホンアレイ部1を動かすことなく、頭部の向きを変えることによってマイクロホンアレイ部1の指向方向を制御している場面を説明するための図である。
角度センサ部13,15における角度センサによって角度を検出する方法には特に制限はないが、地磁気に対する相対角度を検出する磁気センサなどが市販されているので利用することができる。例えば、マイクロホンアレイ部1とヘッドセット部12のそれぞれの角度センサ部13,15に市販の角度センサを装着し、それぞれの地磁気に対する相対角度を検出する。角度センサ部13,15のそれぞれの角度センサで検出された角度の差をθとする。隣り合った各マイクロホン0,1,・・・i間の距離をrとすると、マイクロホン0とi番目のマイクロホンiとの距離はirである。マイクロホンアレイ部1に対して角度θの方向から到来する信号がマイクロホン0に到達してからマイクロホンiに到達するまでの時間差は、距離irsinθを音速cで除したものとなる。信号処理部6では、この時間差irsinθ/cを補正することにより、ヘッドセット部12が向いている方向から到来する音を選択的に抽出し合成することが可能となる。合成された信号は、音響出力部8においてアナログ信号に変換され、ヘッドホンから出力される。これにより捜索者1は、マイクロホンアレイ部1を動かすことなく、頭部の向きを変えることによってマイクロホンアレイ部1の指向方向を制御できる。したがって、マイクロホンアレイ部1を自由に動かせないような狭い空間での捜索が可能となる。
FIG. 4 is a diagram for explaining a scene in which the
The method of detecting the angle by the angle sensor in the angle sensor units 13 and 15 is not particularly limited, but a magnetic sensor that detects a relative angle with respect to the geomagnetism is commercially available and can be used. For example, a commercially available angle sensor is attached to each of the angle sensor units 13 and 15 of the
本実施形態の携帯型音源捜索装置においても、任意の方向から到来する音が選択的に合成され、出力されるが、捜索者自身が騒音環境内にいると、騒音の影響によって微弱な信号が聞き取れない可能性があるので、第1の実施形態の携帯型音源捜索装置と同様に内部が静かな制御室部11の中で、複数の捜索者が合成信号を聴取できるようにする必要がある。 Also in the portable sound source search device of the present embodiment, sounds coming from any direction are selectively synthesized and output, but if the searcher himself is in a noise environment, a weak signal will be generated due to the influence of noise. Since there is a possibility that it cannot be heard, it is necessary to allow a plurality of searchers to listen to the synthesized signal in the control room 11 where the inside is quiet as in the portable sound source search device of the first embodiment. .
ここで、第1の実施形態および第2の実施形態の携帯型音源捜索装置における信号処理部6にて行われる処理について式1ないし式3、および図5を用いて説明する。
図5は、マイクロホンアレイにおけるマイクロホンとマイクロホンアレイのフォーカスの関係を示すものである。
Here, processing performed by the signal processing unit 6 in the portable sound source search device of the first embodiment and the second embodiment will be described with reference to
FIG. 5 shows the relationship between the microphone and the focus of the microphone array in the microphone array.
音波がt(秒)間に進む距離l(m)は音速c(m/秒)と伝達時間t(秒)の積で求まる(式1)。よって、距離lが既知の場合、距離lから伝達時間tを求めることができる(式2)。
フォーカス位置Xは、マイクロホンアレイから見た方向と距離を指定することによって任意に決めることができる。式3からあきらかなように、マイクロホンの数が多いほど、目的とする信号は相対的に増幅されるため、鋭い指向性が得られる。
The distance l (m) that the sound wave travels during t (seconds) is obtained by the product of the sound velocity c (m / second) and the transmission time t (seconds) (Equation 1). Therefore, when the distance l is known, the transmission time t can be obtained from the distance l (Formula 2).
The focus position X can be arbitrarily determined by designating the direction and distance viewed from the microphone array. As is clear from Equation 3, as the number of microphones increases, the target signal is relatively amplified, so that sharp directivity is obtained.
捜索現場での捜索、救助活動は、日没や悪天候の影響で中断せざるを得ない場合もある。第1及び第2の実施形態において、マイクロホンアレイ部1で収音されデータ変換部3でデジタル信号に変換された信号をデータ記録部7に保存することにより、現場での捜索終了後や捜索中断中でも記録された信号をもとに繰り返し信号を再合成し、聴取することが可能となる。このとき、信号を再合成するたびにフォーカスを少しずつ移動させることによって、より詳細な捜索が可能になる。
Search and rescue activities at the search site may be interrupted due to the effects of sunset or bad weather. In the first and second embodiments, a signal collected by the
以上、本発明の基本的な実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜の変更が可能なものである。 Although the basic embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments. Appropriate changes can be made without departing from the scope of the present invention.
0、・・・N−1 マイクロホン
1 マイクロホンアレイ部
2 アーム部
3 データ変換部
4 データ送信部
5 データ受信部
6 信号処理部
7 データ記録部
8 音響出力部
9 マイクロホン取り付けパネル
10 遮音板
11 制御室部
12 ヘッドセット部
13 角度センサ部
14 角度データ送信部
15 角度センサ
16 角度データ送信部
0,..., N-1
Claims (6)
A plurality of the sound output units, the signal processing unit outputs a plurality of synthesized signals obtained by independently synthesizing sounds coming from a plurality of different directions by independently creating a plurality of directivities, The portable sound source search device according to any one of claims 1 to 5, wherein the plurality of synthesized signals are separately output from the plurality of sound output units.
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