JP2012037429A - Method for creating filter for beam-forming device and apparatus for creating filter for beam-forming device - Google Patents

Method for creating filter for beam-forming device and apparatus for creating filter for beam-forming device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for creating a filter for a beam-forming device with which a sound source generation position can be highly accurately detected even in a low frequency.SOLUTION: The method includes: a transfer function calculation step (S504) for calculating transfer functions from a plurality of virtual sound source positions to a microphone on the basis of a distance from the virtual sound source position to the microphone and a frequency of a sound source; and a filter group creation step (S504) for creating a filter group obtained by configuring a filter in such a manner that a value becomes greater than 0, in which the value is obtained by subtracting either a second transfer function sum, which is obtained by arithmetically processing and mutually adding each of the transfer functions from the virtual sound source positions in a non-target direction to the microphone through a filter, or an absolute value of the second transfer function sum from a first transfer function sum, which is obtained by arithmetically processing and mutually adding the transfer functions from the virtual sound source positions in a target direction to the microphone through the filter so as to match phases with each other.

Description

本発明は、ビームフォーミング装置用フィルタの作成方法およびビームフォーミング装置用フィルタの作成装置に関する。   The present invention relates to a method for producing a filter for a beam forming apparatus and an apparatus for producing a filter for a beam forming apparatus.

従来、車両や設備において発生した未知の音源に対して、その発生方向(位置)を検出することが行なわれている。   Conventionally, the generation direction (position) of an unknown sound source generated in a vehicle or facility is detected.

従来技術である遅延和ビームフォーミングは、複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイを使用して音源の方向を検知する方法である。遅延和ビームフォーミングは、各マイクロホンで検出した音波の位相を合わせて和をとることで一定の方向の信号を強調させ、より強調された方向を音源の方向として検知する(特許文献1)。   Delay sum beamforming, which is a conventional technique, is a method of detecting the direction of a sound source using a microphone array composed of a plurality of microphones. Delay sum beamforming enhances a signal in a certain direction by matching the phases of sound waves detected by each microphone and summing them, and detects the more emphasized direction as the direction of the sound source (Patent Document 1).

特開2004−279390号公報JP 2004-279390 A

しかし、音源から発生する音波の周波数が低い場合、マイクロホンアレイのサイズに対して相対的に音波の波長が長くなり、各マイクロホンで検出される音波の位相差が小さくなるため、音源の方向の検出精度が低下するという問題がある。   However, when the frequency of sound waves generated from the sound source is low, the wavelength of the sound wave becomes longer relative to the size of the microphone array, and the phase difference of the sound waves detected by each microphone becomes small. There is a problem that accuracy decreases.

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、検出しようとする音波が低周波であっても高精度に音源発生位置の検出を実現することができる。   The present invention has been made to solve such a problem, and can detect a sound source generation position with high accuracy even if a sound wave to be detected has a low frequency.

上記問題を解決するために、本発明に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法は、フィルタ群を複数有し、音源の方向と推定した目的方向が互いに異なるフィルタ群により検出信号がそれぞれ演算処理されて音波の指向特性が得られるフィルタの作成方法である。本発明に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法は、伝達関数計算段階とフィルタ群作成段階とを有する。フィルタ群は、空間に設置された複数のマイクロホンによる検出信号がそれぞれ入力される複数のフィルタでそれぞれ演算処理された検出信号を互いに加算することで目的方向の検出信号を強調する。伝達関数計算段階は、音源が存在し得る複数の仮想音源位置からマイクロホンまでの距離と音源の周波数とに基づいて複数の仮想音源位置からマイクロホンまでの各伝達関数を計算する。フィルタ群作成段階は、第一伝達関数和から第二伝達関数和または第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値が0より大きくなるようにフィルタが構成されてなるフィルタ群を作成する。第一伝達関数和は、複数の仮想音源位置のうち目的方向の仮想音源位置からマイクロホンまでの伝達関数が互いの位相を合わせるようにフィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる。第二伝達関数和は、複数の仮想音源位置のうち目的方向以外の方向の仮想音源位置からマイクロホンまでの各伝達関数がフィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる。   In order to solve the above problems, a method for creating a filter for a beamforming apparatus according to the present invention includes a plurality of filter groups, and each of detection signals is subjected to arithmetic processing by a filter group having different sound source directions and estimated target directions. This is a method of creating a filter that can obtain the directional characteristics of sound waves. The method for creating a filter for a beam forming apparatus according to the present invention includes a transfer function calculation stage and a filter group creation stage. The filter group emphasizes the detection signal in the target direction by adding together the detection signals calculated by the plurality of filters to which the detection signals from the plurality of microphones installed in the space are respectively input. In the transfer function calculation stage, each transfer function from the plurality of virtual sound source positions to the microphone is calculated based on the distance from the plurality of virtual sound source positions where the sound source can exist to the microphone and the frequency of the sound source. The filter group creation stage creates a filter group in which the filter is configured such that the value obtained by subtracting either the second transfer function sum or the absolute value of the second transfer function sum from the first transfer function sum is greater than zero. To do. The first transfer function sum is obtained by performing arithmetic processing on the respective transfer functions from the virtual sound source position in the target direction to the microphone among the plurality of virtual sound source positions and adding them to each other so as to match each other's phase. The second transfer function sum is obtained by calculating each transfer function from the virtual sound source position in the direction other than the target direction to the microphone among the plurality of virtual sound source positions and adding them to each other.

また、本発明に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置は、フィルタ群を複数有し、音源の方向と推定した目的方向が互いに異なるフィルタ群により検出信号がそれぞれ演算処理されて音波の指向特性が得られるフィルタの作成装置である。本発明に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置は、伝達関数計算手段とフィルタ群作成手段とを有する。フィルタ群は、空間に設置された複数のマイクロホンによる検出信号がそれぞれ入力される複数のフィルタでそれぞれ演算処理された検出信号を互いに加算することで目的方向の検出信号を強調する。伝達関数計算手段は、音源が存在し得る複数の仮想音源位置からマイクロホンまでの距離と音源の周波数とに基づいて複数の仮想音源位置からマイクロホンまでの各伝達関数を計算する。フィルタ群作成手段は、第一伝達関数和から第二伝達関数和または第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値が0より大きくなるようにフィルタが構成されてなるフィルタ群を作成する。第一伝達関数和は、複数の仮想音源位置のうち目的方向の仮想音源位置からマイクロホンまでの伝達関数が互いの位相を合わせるようにフィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる。第二伝達関数和は、複数の仮想音源位置のうち目的方向以外の方向の仮想音源位置からマイクロホンまでの各伝達関数がフィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる。   In addition, the beam forming apparatus filter creation apparatus according to the present invention includes a plurality of filter groups, and the detection signals are calculated and processed by the filter groups having different target directions and the estimated direction of the sound source, so that the directional characteristics of the sound waves are obtained. This is a filter creation device obtained. The filter forming apparatus for a beam forming apparatus according to the present invention includes a transfer function calculating unit and a filter group generating unit. The filter group emphasizes the detection signal in the target direction by adding together the detection signals calculated by the plurality of filters to which the detection signals from the plurality of microphones installed in the space are respectively input. The transfer function calculation means calculates each transfer function from the plurality of virtual sound source positions to the microphone based on the distance from the plurality of virtual sound source positions where the sound source can exist to the microphone and the frequency of the sound source. The filter group creation means creates a filter group in which the filters are configured such that a value obtained by subtracting either the second transfer function sum or the absolute value of the second transfer function sum from the first transfer function sum is greater than zero. To do. The first transfer function sum is obtained by performing arithmetic processing on the respective transfer functions from the virtual sound source position in the target direction to the microphone among the plurality of virtual sound source positions and adding them to each other so as to match each other's phase. The second transfer function sum is obtained by calculating each transfer function from the virtual sound source position in the direction other than the target direction to the microphone among the plurality of virtual sound source positions and adding them to each other.

位相を合わせた目的方向からの伝達関数の和から、目的方向以外の方向の伝達関数の和またはその絶対値を差し引いた値を0より大きくするフィルタを作成する。これにより、ビームのメインローブの幅を細くでき、かつ、目的方向で必ずピークを持たせることができるとともに、ビームの幅とサイドローブの大きさを最適化することができる。その結果、検出しようとする音波が低周波であっても高精度に音源発生位置の検出を実現することができる。   A filter is created in which the sum of the transfer functions in the direction other than the target direction or the sum of the transfer functions in the directions other than the target direction or the absolute value thereof is greater than zero. As a result, the width of the main lobe of the beam can be narrowed, and a peak can always be provided in the target direction, and the width of the beam and the size of the side lobe can be optimized. As a result, the detection of the sound source generation position can be realized with high accuracy even if the sound wave to be detected has a low frequency.

本発明の第1実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法および作成装置の原理を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the creation method of the filter for beam forming apparatuses which concerns on 1st Embodiment of this invention, and the principle of a preparation apparatus. マイクロホンアレイを構成する複数のマイクロホンの配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the several microphone which comprises a microphone array. 本発明の第1実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置のブロック図である。It is a block diagram of the preparation apparatus of the filter for beam forming apparatuses which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置のブロック図である。It is a block diagram of the preparation apparatus of the filter for beam forming apparatuses which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係るビーミフォーミング装置用フィルタの作成方法のフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart of the preparation method of the filter for beam forming apparatuses which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法により作成したフィルタを用いたビームフォーミング装置と従来のビームフォーミング装置とによるビームフォーミング特性の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the beam forming characteristic by the beam forming apparatus using the filter produced with the production method of the filter for beam forming apparatuses which concerns on 2nd Embodiment of this invention, and the conventional beam forming apparatus.

以下、図面を参照し、本発明の実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法およびビームフォーミング装置用フィルタの作成装置について詳細に説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法および作成装置の原理を説明するための説明図である。
Hereinafter, a method for creating a filter for a beamforming device and a device for creating a filter for a beamforming device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the principle of a filter forming method for a beam forming apparatus according to the first embodiment of the present invention and the generating apparatus.

本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法においては、音源X(ω)(ωは角周波数)が存在し得る位置(仮想音源位置)からマイクロホンアレイ20を構成する各マイクロホン20aまでの各伝達関数H(ω)を計算する。そして、フィルタ10aの作成において、計算による伝達関数H(ω)使用する。後述するように、伝達関数H(ω)は、仮想音源位置から各マイクロホン20aまでの距離と音波の周波数に基づいて計算することができる。   In the method of creating a filter for a beam forming apparatus according to the present embodiment, each of the positions from the position (virtual sound source position) where the sound source X (ω) (ω is an angular frequency) can exist to each microphone 20a constituting the microphone array 20 is provided. The transfer function H (ω) is calculated. Then, the transfer function H (ω) by calculation is used in the creation of the filter 10a. As will be described later, the transfer function H (ω) can be calculated based on the distance from the virtual sound source position to each microphone 20a and the frequency of the sound wave.

フィルタ10aは、各マイクロホン20aにおける各伝達関数H(ω)を演算処理する。フィルタ群10は、マイクロホン20aごとに設けたフィルタ10aを含み、各フィルタ10aで演算処理された伝達関数H(ω)を互いに加算する。フィルタ群10は、マイクロホンアレイ20に対する仮想音源の方向のうち音源の方向と推定した方向(目的方向)に関する伝達関数H(ω)の値を強調する。ここで、仮想音源とは、仮想音源位置にある仮想的な音源である。   The filter 10a calculates each transfer function H (ω) in each microphone 20a. The filter group 10 includes a filter 10a provided for each microphone 20a, and adds the transfer functions H (ω) calculated by the filters 10a to each other. The filter group 10 emphasizes the value of the transfer function H (ω) regarding the direction (target direction) estimated as the direction of the sound source among the directions of the virtual sound source with respect to the microphone array 20. Here, the virtual sound source is a virtual sound source at a virtual sound source position.

フィルタ群10は、目的方向が異なるものを複数作成する。これにより、ビームフォーミング時に、問題となる音源からの音波を目的方向の異なるフィルタ群10で演算処理し出力Y(ω)の大きさを比較することで問題となる音源の方向を検出することができる。すなわち、目的方向の異なるフィルタ群10を複数作成することにより、問題となる音源からの音波をより強調する方向を特定することができ、これにより、音波の指向特性を得ることができる。   A plurality of filters 10 having different target directions are created. Thereby, at the time of beam forming, it is possible to detect the direction of the sound source in question by calculating the sound waves from the sound source in question with the filter group 10 having different target directions and comparing the magnitude of the output Y (ω). it can. That is, by creating a plurality of filter groups 10 having different target directions, it is possible to specify the direction in which the sound waves from the sound source in question are more emphasized, thereby obtaining the directional characteristics of the sound waves.

本実施形態においては、目的方向からの各伝達関数H(ω)の位相を合わせるようにフィルタ群10を作成する。さらに、位相を合わせた目的方向からの伝達関数H(ω)の和から、目的方向以外の方向(以下、「非目的方向」と称する)の伝達関数の和またはその絶対値を差し引いた値が0より大きくなるようにフィルタ群10を作成する。   In the present embodiment, the filter group 10 is created so as to match the phases of the transfer functions H (ω) from the target direction. Furthermore, the sum of the transfer functions H (ω) from the target direction in phase with each other and the sum of the transfer functions in directions other than the target direction (hereinafter referred to as “non-target direction”) or the absolute value thereof is subtracted. The filter group 10 is created so as to be larger than zero.

図2は、マイクロホンアレイ20を構成する複数のマイクロホン20aの配置例を示す図である。   FIG. 2 is a diagram illustrating an arrangement example of a plurality of microphones 20 a constituting the microphone array 20.

図2に示すように、マイクロホンアレイ20は32個のマイクロホン20aにより構成することができる。しかし、マイクロホン20aの間隔および数量は、推定される音源1の周波数、音量、対象範囲等に基づいて音源1の方向の検出感度の観点から最適化することができる。   As shown in FIG. 2, the microphone array 20 can be composed of 32 microphones 20a. However, the interval and quantity of the microphones 20a can be optimized from the viewpoint of the detection sensitivity of the direction of the sound source 1 based on the estimated frequency, sound volume, target range, and the like of the sound source 1.

本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法および作成装置について、従来のビームフォーミング装置用フィルタの作成方法と比較してより詳細に説明する。   The method and apparatus for creating a filter for a beam forming apparatus according to the present embodiment will be described in more detail in comparison with a conventional method for creating a filter for a beam forming apparatus.

図1に示すように、マイクロホンアレイ20から、方位角θ、仰角φにある音源1の特性をX(ω)、音源1から距離rの各マイクロホン20aまでの伝達関数をHr,θ,φ,n(ω)(ここで、n=1,2,・・・,N(Nはマイクロホンアレイをなすマイクロホンの数))とする。フィルタの伝達特性をG(ω)とする。そうすると、音源1の特性X(ω)と、加算器で加算されて出力される出力信号Y(ω)との比から、この処理系の指向特性D(θ,φ)は、下記式(1)で表すことができる。 As shown in FIG. 1, the characteristics of the sound source 1 at the azimuth angle θ and the elevation angle φ from the microphone array 20 are X (ω), and the transfer function from the sound source 1 to each microphone 20a at the distance r is H r, θ, φ. , N (ω) (where n = 1, 2,..., N (N is the number of microphones forming a microphone array)). Let the transfer characteristic of the filter be G n (ω). Then, from the ratio between the characteristic X (ω) of the sound source 1 and the output signal Y (ω) added and output by the adder, the directivity characteristic D (θ, φ) of this processing system is expressed by the following equation (1). ).

ここで、音源1を仮想音源とすると、伝達関数Hr,θ,φ,n(ω)は、仮想音源から各マイクロホン20aまでの距離rと音源1の周波数f(=ω/2π)とから計算することができる。すなわち、仮想音源から発生する音波を正弦波と仮定し、伝達関数Hr,θ,φ,n(ω)の振幅は距離rに反比例し、位相p(=ωr/C、ここでCは音速である)は距離rに比例することを考慮して伝達関数Hr,θ,φ,n(ω)を計算することができる(式(1))。 Here, if the sound source 1 is a virtual sound source, the transfer function H r, θ, φ, n (ω) is obtained from the distance r from the virtual sound source to each microphone 20a and the frequency f (= ω / 2π) of the sound source 1. Can be calculated. That is, assuming that the sound wave generated from the virtual sound source is a sine wave, the amplitude of the transfer function H r, θ, φ, n (ω) is inversely proportional to the distance r, and the phase p (= ωr / C, where C is the speed of sound. The transfer function H r, θ, φ, n (ω) can be calculated in consideration of being proportional to the distance r (formula (1)).

さらに、方向を対象範囲で離散化したものを添字m(m=1,2,・・・,M)で表し、この離散化された伝達系に対し、指向特性ベクトルd、伝達関数行列H、フィルタベクトルgを考える。これらは下記式(2)で与えられる(Tは転置行列)。   Further, the discretized direction in the target range is represented by the subscript m (m = 1, 2,..., M), and the directional characteristic vector d, transfer function matrix H, Consider a filter vector g. These are given by the following equation (2) (T is a transposed matrix).

ここで、対象範囲とは仮想音源位置が存在する範囲である。   Here, the target range is a range where the virtual sound source position exists.

式(2)を用いると、指向特性ベクトルdは下記式(3)で簡易に表現できる。   When Expression (2) is used, the directivity vector d can be simply expressed by the following Expression (3).

また、式(3)は式(4)に変形することができる(+は擬似逆行列)。   Moreover, Formula (3) can be transformed into Formula (4) (+ is a pseudo inverse matrix).

ビームフォーミングを実施するためのフィルタ群10は、式(4)を解くことにより作成することができる。   The filter group 10 for performing beam forming can be created by solving Equation (4).

式(2)、式(4)に示すように、フィルタ10aは、N個のフィルタ10aからなるフィルタ群10に目的方向に対する指向性をもたせるように作成する。そして、目的方向の異なるフィルタ群10を対象範囲で離散化した方向の数(M個)作成する。   As shown in Expression (2) and Expression (4), the filter 10a is created so that the filter group 10 including the N filters 10a has directivity in the target direction. Then, the number (M) of directions in which the filter groups 10 having different target directions are discretized in the target range is created.

ビームフォーミング時は、それぞれマイクロホンアレイ20で検出した音波信号をデジタルフーリエ変換して周波数領域にし、各フィルタ10aで演算し、演算結果の和をとることで利得を得る。得られた各方向mの利得はコンターマップに表示する。すなわち、コンターマップに、各方向についての利得の集合をビームとして表示する。これにより、最も利得が大きい方向、すなわち、ビームの頂点の方向を音源1の方向として検出することができる。   At the time of beam forming, a sound wave signal detected by the microphone array 20 is digital Fourier transformed into a frequency domain, calculated by each filter 10a, and gain is obtained by calculating the sum of the calculation results. The obtained gain in each direction m is displayed on the contour map. That is, a set of gains for each direction is displayed as a beam on the contour map. Thereby, the direction with the largest gain, that is, the direction of the apex of the beam can be detected as the direction of the sound source 1.

一般的なビームフォーミング方法である遅延和ビームフォーミングのフィルタベクトルgは、目的方向からの音波の位相を一致させるように各方向mの伝達関数Hm,nを遅延させる演算要素のみからなる。すなわち、遅延和ビームフォーミングは、音源1からマイクロホンアレイ20の各マイクロホン20aまでの距離rの差に起因する音波の位相pと音源1の位置との関係を利用し、目的方向からの音波の位相を揃えて加算するいわゆる同期加算により目的方向からの音波が強調されるようにフィルタ10aを構成する。 The delay sum beamforming filter vector g, which is a general beamforming method, includes only arithmetic elements that delay the transfer function Hm, n in each direction m so that the phases of sound waves from the target direction coincide with each other. That is, the delay sum beamforming uses the relationship between the sound wave phase p caused by the difference in distance r from the sound source 1 to each microphone 20a of the microphone array 20 and the position of the sound source 1, and the sound wave phase from the target direction. The filter 10a is configured so that sound waves from the target direction are emphasized by so-called synchronous addition in which they are added together.

しかし、遅延和ビームフォーミングは、音源1から発生する音波の周波数が低い場合、マイクロホンアレイアレイ20のサイズ(すなわち、マイクロホン10aの間隔)に対して音波の波長が相対的に長くなり、各マイクロホン20aで検出される音波の位相差が小さくなるため、音源の方向の検出精度が低下するという問題がある。   However, in the delay sum beamforming, when the frequency of the sound wave generated from the sound source 1 is low, the wavelength of the sound wave becomes relatively long with respect to the size of the microphone array array 20 (that is, the interval between the microphones 10a), and each microphone 20a. Since the phase difference of the sound wave detected by the method becomes small, there is a problem that the detection accuracy of the direction of the sound source decreases.

このような問題に対し、非目的方向からの伝達関数の和を0にする方法が考えられる。   To solve such a problem, a method of setting the sum of transfer functions from non-target directions to 0 can be considered.

m=1を目的方向、m=2,3,・・・,Mを非目的方向と考え、指向特性ベクトルdの要素のうち非目的方向の要素を0と置くと、フィルタベクトルgを下記式(5)で求めることができる。   Considering m = 1 as the target direction, m = 2, 3,..., M as the non-target direction, and setting the non-target direction element among the elements of the directivity vector d to 0, the filter vector g is (5).

式(5)により作成したフィルタは、伝達関数がフィルタ10aで処理され互いに加算されて得られる和(以下、「伝達関数和」と称する)のうち非目的方向からの伝達関数和を強制的に0にする。この方法はいわゆるNULL法と呼ばれている。   The filter created by the expression (5) forces the transfer function sum from the non-target direction out of the sum (hereinafter referred to as “transfer function sum”) obtained by processing the transfer functions by the filter 10a and adding them to each other. Set to zero. This method is called a so-called NULL method.

式(5)によるフィルタによれば、音源1が発生する音波が低周波数であっても、コンターマップに表示させたビームのメインローブの幅を細くすることができるため、探査精度を向上させることができる。しかし、式(5)によるフィルタを用いたビームフォーミングは、指向特性ベクトルdの非目的方向の伝達関数和を強制的に0とするためビームのサイドローブが大きくなるという問題がある。   According to the filter according to Expression (5), the width of the main lobe of the beam displayed on the contour map can be narrowed even when the sound wave generated by the sound source 1 has a low frequency, thereby improving the search accuracy. Can do. However, the beam forming using the filter according to the equation (5) has a problem that the side lobe of the beam becomes large because the transfer function sum of the directivity vector d in the non-target direction is forced to be zero.

図3は、本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置のブロック図である。   FIG. 3 is a block diagram of the filter forming apparatus for the beam forming apparatus according to the present embodiment.

本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置3は、コンピュータおよびプログラムにより構成することができる。しかし、ビームフォーミング装置用フィルタの作成装置3は、一部または全部を電子回路により構成することができる。   The filter forming apparatus 3 for a beam forming apparatus according to the present embodiment can be configured by a computer and a program. However, part or all of the filter forming apparatus 3 for the beam forming apparatus can be configured by an electronic circuit.

本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置3は、伝達関数計算部(伝達関数計算手段)300とフィルタ群作成部(フィルタ群作成手段)301とを有する。ビームフォーミング装置用フィルタの作成装置3は、コンピュータの入力装置から対象範囲、距離r、音源の周波数fの入力を受け、演算によりフィルタ群10を生成してこれをコンピュータの出力装置から出力することができる。   The beam forming apparatus filter creation device 3 according to the present embodiment includes a transfer function calculation unit (transfer function calculation unit) 300 and a filter group generation unit (filter group generation unit) 301. The filter forming device 3 for the beam forming device receives the target range, distance r, and frequency f of the sound source from the input device of the computer, generates a filter group 10 by calculation, and outputs it from the output device of the computer. Can do.

伝達関数計算部300は、対象範囲、距離r、音源の周波数fの入力を受け、式(1)により、対象範囲のすべての仮想音源位置に関して伝達関数H(ω)を計算する。対象範囲は、例えば、マイクロホンアレイ20の中心に対して半径が1mとなる点で、仰角が−30度〜30度、方位角が−45度〜45度とすることができる。仮想音源は、対象範囲において各3度ごとに設定することができる。   The transfer function calculation unit 300 receives the target range, the distance r, and the sound source frequency f, and calculates the transfer function H (ω) with respect to all virtual sound source positions in the target range by Expression (1). The target range can be, for example, an elevation angle of −30 degrees to 30 degrees and an azimuth angle of −45 degrees to 45 degrees at a point where the radius is 1 m with respect to the center of the microphone array 20. The virtual sound source can be set every 3 degrees in the target range.

フィルタ群作成部301は、伝達関数計算部300が計算した伝達関数H(ω)の入力を受け、対象範囲のすべての仮想音源位置に関し、仮想音源位置を目的方向とするフィルタ群10を演算により作成し出力する。   The filter group creation unit 301 receives the input of the transfer function H (ω) calculated by the transfer function calculation unit 300 and calculates the filter group 10 having the virtual sound source position as the target direction for all virtual sound source positions in the target range by calculation. Create and output.

フィルタ群作成部301は、次のようにフィルタ群10を作成する。すなわち、目的方向に関する各伝達関数H(ω)の位相を合わせ、かつ、位相を合わせた目的方向からの伝達関数和から、非目的方向の伝達関数和またはその絶対値を差し引いた値が0より大きくなるようにフィルタ群10を作成する。   The filter group creation unit 301 creates the filter group 10 as follows. That is, the phase of each transfer function H (ω) related to the target direction is matched, and the value obtained by subtracting the transfer function sum of the non-target direction or its absolute value from the sum of the transfer functions from the target direction with the phase matched is 0. The filter group 10 is created so as to increase.

下記式(6)は、本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置がフィルタ群10を作成するための式である。   The following expression (6) is an expression for the filter forming apparatus for the beam forming apparatus according to the present embodiment to create the filter group 10.

ここで、h(ω)は目的方向の伝達関数、h(ω,d1)〜h(ω,d8)は、非目的方向d1〜d8の伝達関数和を目的方向の伝達関数和から差し引いた値(すなわち、目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和との差)である。 Here, h (ω) is a transfer function in the target direction, and h d (ω, d1) to h d (ω, d8) is a subtraction of the transfer function sum in the non-target directions d1 to d8 from the transfer function sum in the target direction. (That is, the difference between the transfer function sum in the target direction and the transfer function sum in the non-target direction).

式(6)においては、目的方向の伝達関数和(第一伝達関数和)を1に設定している。このことは、目的方向の仮想音源位置からマイクロホン20aまでの各伝達関数の位相を合わせるようにフィルタ10aを作成していることを意味する。   In Expression (6), the transfer function sum in the target direction (first transfer function sum) is set to 1. This means that the filter 10a is created so as to match the phase of each transfer function from the virtual sound source position in the target direction to the microphone 20a.

本実施形態に係るビームフォーミング装置のフィルタ群10は、それぞれマイクロホンアレイ20における目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和(第二伝達関数和)との差hが所定値になるように作成する。ここで、目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和との差は1以下となる。 Filter group 10 beamforming device according to the present embodiment, the difference h d of the transfer function the sum of the target direction transfer function sum and non-target direction (the second transfer function sum) becomes a predetermined value in each of the microphone arrays 20 Create as follows. Here, the difference between the transfer function sum in the target direction and the transfer function sum in the non-target direction is 1 or less.

ここで、目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和との差hが所定値a1〜a8になるように作成することに替え、目的方向の伝達関数和(式(6)では1)と非目的方向の伝達関数和の絶対値との差が所定値になるように作成してもよい。ここで、目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和の絶対値との差は1以下となる。 Here, instead of the difference h d of the transfer function sum of transfer functions sum and non-target direction of the target direction to create to a predetermined value a1 to a8, the transfer function sum of the target direction (the formula (6) The difference between 1) and the absolute value of the transfer function sum in the non-target direction may be set to a predetermined value. Here, the difference between the transfer function sum in the target direction and the absolute value of the transfer function sum in the non-target direction is 1 or less.

目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和またはこれの絶対値との差(以下、「加算伝達関数差h」と称する)は、非目的方向の伝達関数和等が目的方向の伝達関数和より小さくなるように設定する。すなわち、加算伝達関数差hは0より大きくなるように設定する。加算伝達関数差hは、例えば0.5に設定することができる。また、加算伝達関数差hは、対応する非目的方向が目的方向と離れるにしたがって大きな値としてもよい。 The difference between the transfer function sum in the target direction and the transfer function sum in the non-target direction or the absolute value thereof (hereinafter referred to as “additional transfer function difference h d ”) Set to be smaller than the transfer function sum. That is, the addition transfer function difference hd is set to be larger than zero. Adding transfer function difference h d can be set to, for example, 0.5. The addition transfer function difference h d is the corresponding non-target direction may be a larger value as the distance between the target direction.

非目的方向d1〜d8は目的方向の近傍の方向とすることが望ましい。加算伝達関数差hが所定値より大きくなるように非目的方向の伝達関数和を抑えることにより、コンターマップに表示したビームの幅を細くすることができる。さらに、目的方向で必ずピークを持たせることができる。したがって、検出しようとする音波が低周波であっても高精度に音源発生位置の検出を実現することができる。 The non-target directions d1 to d8 are preferably set in the vicinity of the target direction. By suppressing the transfer function sum of non-target direction as adding transfer function difference h d is greater than a predetermined value, it is possible to narrow the width of the beam displayed contour map. Furthermore, a peak can always be provided in the target direction. Therefore, even if the sound wave to be detected is a low frequency, the sound source generation position can be detected with high accuracy.

さらに、加算伝達関数差を適切な値に設定することで、ビームの幅が細く、かつ、ビームのサイドローブが小さくなるように最適化することができる。   Furthermore, by setting the addition transfer function difference to an appropriate value, the beam width can be narrowed and the beam side lobe can be optimized.

式(6)は、具体的には、下記式(7)のように表現することができる。ここで、式(6)における非目的方向d1〜d8は2〜9に、加算伝達関数差hは具体的な伝達関数の式にそれぞれ置き替えて表現している。 Specifically, the expression (6) can be expressed as the following expression (7). Here, the non-target direction d1~d8 2-9 in the formula (6), adding the transfer function difference h d are expressed replaced each expression specific transfer function.

式(7)に示す連立方程式を解いてフィルタベクトルG〜Gを求めてフィルタ群10を作成することにより本実施形態に係るビームフォーミング装置を製造することができる。 It is possible to produce a beam forming apparatus according to this embodiment by creating a filter group 10 seeking filter vector G 1 ~G N by solving the simultaneous equations shown in Equation (7).

本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法およびビームフォーミング装置用フィルタの作成装置は以下の効果を奏する。
・ビームのメインローブの幅を細くでき、かつ、目的方向で必ずピークを持たせることができるとともに、ビームの幅とサイドローブの大きさを最適化することができる。その結果、検出しようとする音波が低周波であっても高精度に音源発生位置の検出を実現することができる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法およびビームフォーミング装置用フィルタの作成装置について詳細に説明する。なお、第1実施形態の説明と重複する説明は省略する。
The method for producing a filter for a beam forming apparatus and the apparatus for producing a filter for a beam forming apparatus according to the present embodiment have the following effects.
-The width of the main lobe of the beam can be narrowed, and a peak can always be provided in the target direction, and the width of the beam and the size of the side lobe can be optimized. As a result, the detection of the sound source generation position can be realized with high accuracy even if the sound wave to be detected has a low frequency.
(Second Embodiment)
A method for producing a filter for a beam forming apparatus and a filter producing apparatus for a beam forming apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described in detail. In addition, the description which overlaps with description of 1st Embodiment is abbreviate | omitted.

実施形態と第1実施形態とで異なる点は次の点である。すなわち、第1実施形態は、そのフィルタ群10の作成において、マイクロホンアレイ20で検出した信号の目的方向の伝達関数和と非目的方向の伝達関数和との差が所定値になるという条件を満たすフィルタを作成する。一方、本実施形態は、フィルタの作成において、さらに、非目的方向のいずれかについて伝達関数和を0とする条件を付加する。加えて、作成したフィルタ群10によって伝達関数の演算処理により得られた計算によるビームをモニタしビームのサイドローブレベルの最大値(以下、「最大サイドローブレベル」と称する)を下げるようにフィルタ群を調整する。   The difference between the embodiment and the first embodiment is as follows. That is, the first embodiment satisfies the condition that the difference between the transfer function sum in the target direction and the transfer function sum in the non-target direction of the signal detected by the microphone array 20 becomes a predetermined value in the creation of the filter group 10. Create a filter. On the other hand, in the present embodiment, a condition for making the transfer function sum 0 for any of the non-target directions is added in the creation of the filter. In addition, the filter group 10 monitors the beam obtained by the calculation obtained by the calculation process of the transfer function by the created filter group 10 and reduces the maximum value of the side lobe level of the beam (hereinafter referred to as “maximum side lobe level”). Adjust.

図4は、本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置のブロック図である。   FIG. 4 is a block diagram of an apparatus for creating a filter for a beamforming apparatus according to the present embodiment.

本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成装置3は、伝達関数計算部300、フィルタ群作成部(フィルタ群生成部、フィルタ調整手段)301、ビーム計算部(ビーム計算手段)302、乱数生成部(フィルタ調整手段)303、を有する。ビームフォーミング装置用フィルタの作成装置3は、対象範囲、距離r、音源の周波数f、最大サイドローブレベルSLLの初期値、加算伝達関数差hの初期値、最大ループ回数、の入力を受け、演算によりフィルタ群10を生成してこれを出力する。 A filter forming apparatus 3 for a beam forming apparatus according to the present embodiment includes a transfer function calculation unit 300, a filter group generation unit (filter group generation unit, filter adjustment unit) 301, a beam calculation unit (beam calculation unit) 302, and random number generation. Part (filter adjusting means) 303. Creating apparatus 3 of filter beamforming device receives coverage, the distance r, the sound source frequency f, the initial value of the maximum sidelobe level SLL, the initial value of the addition the transfer function difference h d, the maximum number of loops, the input, A filter group 10 is generated by calculation and output.

フィルタ群生成部301は、伝達関数計算部300が計算した伝達関数H(ω)の入力を受け、対象範囲のすべての仮想音源位置に関し、仮想音源位置を目的方向とするフィルタ群10を演算により作成し出力する。   The filter group generation unit 301 receives the input of the transfer function H (ω) calculated by the transfer function calculation unit 300, and performs an operation on the filter group 10 having the virtual sound source position as the target direction for all virtual sound source positions in the target range. Create and output.

フィルタ群作成部301は、次のようにフィルタ群10を作成する。目的方向からの各伝達関数H(ω)の位相を合わせ、かつ、位相を合わせた目的方向からの伝達関数和から、非目的方向の伝達関数和またはその絶対値を差し引いた値が0より大きくなるように(第一条件)フィルタ群10を作成する。さらに、他の非目的方向の伝達関数和が0となるように(第二条件)フィルタ群10を作成する。このとき、フィルタ群生成部301は、乱数生成部301に乱数を生成させ、乱数生成部303が生成した乱数に基づいて前記他の非目的方向を決定することができる。   The filter group creation unit 301 creates the filter group 10 as follows. The value obtained by adjusting the phase of each transfer function H (ω) from the target direction and subtracting the transfer function sum in the non-target direction or its absolute value from the transfer function sum from the target direction after adjusting the phase is greater than zero. The filter group 10 is created so as to satisfy (first condition). Further, the filter group 10 is created so that the transfer function sum in other non-target directions becomes 0 (second condition). At this time, the filter group generation unit 301 can cause the random number generation unit 301 to generate a random number and determine the other non-target direction based on the random number generated by the random number generation unit 303.

また、フィルタ群作成部301は、生成したフィルタ群10をビーム計算部302に送信し、ビーム計算部302に伝達関数H(ω)を用いてビームを計算させる。そして、ビーム計算部402が計算したビームをモニタしビームの最大サイドローブレベルSLLが下がるようにフィルタ群10を調整する。フィルタ群10の調整は、乱数生成部303に再生成させて更新した乱数に基づいて伝達関数和を0にする非目的方向を再設定するか、設定した加算伝達関数差hの初期値を変えることにより行なうことができる。フィルタ群の調整は、例えば、入力した最大ループ回数以下の回数内で行うようにしてもよい。 In addition, the filter group creation unit 301 transmits the generated filter group 10 to the beam calculation unit 302, and causes the beam calculation unit 302 to calculate a beam using the transfer function H (ω). Then, the beam calculated by the beam calculation unit 402 is monitored, and the filter group 10 is adjusted so that the maximum side lobe level SLL of the beam decreases. Adjustment of the filter group 10, or a transfer function sum on the basis of the random number update by regenerated random number generating unit 303 resets the non-target direction to 0, the initial value of the addition the transfer function difference h d set It can be done by changing. The adjustment of the filter group may be performed, for example, within the number of times less than the input maximum number of loops.

ビーム計算部302は、フィルタ群生成部301からフィルタ群10を受信し、伝達関数計算部300から伝達関数H(ω)を受信する。そして、次のようにビームを計算する。すなわち、フィルタ群生成部301が生成したフィルタ群10の目的方向を(0,0)に固定し、対象範囲のすべての仮想音源位置から各マイクロホン20aまでの伝達関数H(ω)を目的方向が(0,0)であるフィルタ群10で演算処理する。そして、演算処理後の伝達関数和の絶対値を仮想音源位置の各方向について計算する。計算によるビームは、このようにして計算した伝達関数和の絶対値の集合として求めることができる。   The beam calculation unit 302 receives the filter group 10 from the filter group generation unit 301 and receives the transfer function H (ω) from the transfer function calculation unit 300. Then, the beam is calculated as follows. That is, the target direction of the filter group 10 generated by the filter group generation unit 301 is fixed to (0, 0), and the transfer function H (ω) from all virtual sound source positions in the target range to each microphone 20a is the target direction. The calculation is performed by the filter group 10 which is (0, 0). Then, the absolute value of the transfer function sum after the arithmetic processing is calculated for each direction of the virtual sound source position. The calculated beam can be obtained as a set of absolute values of the transfer function sum calculated in this way.

乱数生成部303は、伝達関数和を0にする非目的方向を決定するための乱数を生成する。   The random number generation unit 303 generates a random number for determining a non-target direction in which the transfer function sum is zero.

下記式(8)は、本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法および作成装置がフィルタを作成するための式である。   The following formula (8) is a formula for creating the filter for the beam forming apparatus filter creation method and creation apparatus according to the present embodiment.

ここで、h(ω)は目的方向の伝達関数、h(ω,d1)〜h(ω,d8)は、加算伝達関数差である。また、h(ω,sm1)〜h(ω,smm)は非目的方向のうちNULL点を当てる(すなわち、伝達関数和を0とする)方向の伝達関数である。 Here, h (ω) is a transfer function in the target direction, and h d (ω, d1) to h d (ω, d8) are added transfer function differences. Further, h (ω, sm1) to h (ω, smm) are transfer functions in a direction to which a NULL point is applied (that is, the transfer function sum is set to 0) among non-target directions.

式(8)においても、第1実施形態と同様に、目的方向の伝達関数和を1に設定している。このことは、目的方向の仮想音源位置からマイクロホン20aまでの各伝達関数の位相を合わせるようにフィルタ10aを作成していることを意味する。   Also in Expression (8), the transfer function sum in the target direction is set to 1 as in the first embodiment. This means that the filter 10a is created so as to match the phase of each transfer function from the virtual sound source position in the target direction to the microphone 20a.

また、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、フィルタ群10の作成において、加算伝達関数差hを所定値a1〜a8に設定する。さらに、本実施形態においては、非目的方向の少なくともいずれか一方向について伝達関数和が0となる(NULL点を当てる)ようにフィルタを作成する。 Also in this embodiment, like the first embodiment, in the creation of filter group 10, it sets the sum transfer function difference h d a predetermined value a1 to a8. Furthermore, in this embodiment, the filter is created so that the transfer function sum is 0 (a NULL point is applied) in at least one of the non-target directions.

NULL点を当てる方向は、乱数を発生させて決定することができる。式(8)による方程式は、通常、マイクロホン20aの本数分立てることができる。したがって、NULL点を当てる方向の数は、マイクロホン20aの本数から目的方向の伝達関数を制御する項(1個)と、目的方向との伝達関数の差を制御する項(8個)と、を差し引いた数とすることができる。ただし、式(8)による方程式の数が求めようとするフィルタの伝達特性G(ω)の数より少なくしても、最小ノルム解を求めることでフィルタの伝達特性G(ω)の解を求めることができる。 The direction in which the NULL point is applied can be determined by generating a random number. The equation according to the equation (8) can be usually set by the number of the microphones 20a. Therefore, the number of directions to which the NULL point is applied includes a term (one) for controlling the transfer function in the target direction from the number of microphones 20a and a term (8) for controlling the difference in the transfer function from the target direction. The number can be subtracted. However, the solution of equation (8) transfer characteristics of the filter to be obtained is the number of equations with G n be smaller than the number of (omega), the transfer characteristic of the filter by calculating the minimum norm solution G n (omega) Can be requested.

式(8)は、具体的には、下記式(9)のように表現することができる。ここで、目的方向以外の方向d1〜d8は2〜9に、加算伝達関数差hは具体的な伝達関数の式にそれぞれ置き替えている。 Specifically, the equation (8) can be expressed as the following equation (9). Here, the direction d1~d8 other than the target direction 2-9, adds the transfer function difference h d is replaced each expression specific transfer function.

式(9)に示す連立方程式を解いてフィルタベクトルG〜Gを求めることにより、フィルタ群10を作成することができる。 By determining the filter vector G 1 ~G N by solving the simultaneous equations shown in equation (9), it is possible to create a filter group 10.

ここで、NULL点を当てる方向は、コンターマップに表示させた伝達関数を用いた計算によるビームのサイドローブをモニタし、最大サイドローブレベルが所定値となるように選択することができる。   Here, the direction in which the NULL point is applied can be selected such that the maximum side lobe level becomes a predetermined value by monitoring the side lobe of the beam by calculation using the transfer function displayed on the contour map.

図5は、本実施形態に係るビーミフォーミング装置用フィルタの作成方法のフローチャートを示す図である。本フローチャートは、例えば、コンピュータおよびコンピュータプログラムにより実施することができる。しかし、電子回路によりその一部または全部を実施してもよい。   FIG. 5 is a diagram illustrating a flowchart of a method for creating a filter for a beam forming apparatus according to the present embodiment. This flowchart can be implemented by, for example, a computer and a computer program. However, some or all of them may be implemented by an electronic circuit.

以下、図5のフローチャートにより本実施形態に係るビーミフォーミング装置の製造方法について説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the beam forming apparatus according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.

最大サイドローブレベルSLLの初期値を入力する(S500)。最大サイドローブレベルSLLの初期値は、例えば、メインローブの利得(0dB)に対し−10dBとすることができる。最大サイドローブレベルSLLの初期値の入力は、コンピュータの入力装置に入力することで行なう。ここで入力するのは最大サイドローブレベルSLLの初期値であり、最大サイドローブレベルSLLの設定値は、後述するように、必要に応じて緩和する。   The initial value of the maximum side lobe level SLL is input (S500). The initial value of the maximum side lobe level SLL can be set to -10 dB with respect to the gain (0 dB) of the main lobe, for example. The initial value of the maximum side lobe level SLL is input by inputting it to an input device of a computer. The initial value of the maximum side lobe level SLL is input here, and the set value of the maximum side lobe level SLL is relaxed as necessary, as will be described later.

最大サイドローブレベルSLLを設定する(S501)。最大サイドローブレベルSLLを設定は、ステップS500で入力した最大サイドローブレベルSLLの初期値をコンピュータプログラムに反映させることで行なう。   The maximum side lobe level SLL is set (S501). The maximum side lobe level SLL is set by reflecting the initial value of the maximum side lobe level SLL input in step S500 in the computer program.

加算伝達関数差hの初期値を入力する(S502)。目的方向近傍の非目的方向d1〜d8のそれぞれについて、加算伝達関数差hの初期値をコンピュータの入力装置から入力する。ここで入力するのは加算伝達関数差hの初期値であり、加算伝達関数差hの設定値は、後述するように、必要に応じて緩和する。 Inputting the initial value of the addition the transfer function difference h d (S502). For each non-target direction d1~d8 object direction near to enter the initial value of the addition the transfer function difference h d from the input device of the computer. To enter here is the initial value of the addition the transfer function difference h d, the set value of the sum transfer function difference h d, as described later, to relax as needed.

加算伝達関数差hを設定する(S503)。加算伝達関数差hの設定は、ステップS502で入力した加算伝達関数差hの初期値をコンピュータプログラムに反映させることで行なう。 Setting the sum transfer function difference h d (S503). Setting summing transfer function difference h d is performed by reflecting the initial value of the addition the transfer function difference h d input in step S502 to the computer program.

対象範囲のすべての仮想音源位置に関する伝達関数を計算し、NULL点を乱数で発生させてフィルタ郡10の生成に適用し、式(8)によりフィルタ群10を生成する(S504、伝達関数計算段階、フィルタ群作成段階)。ここで、非目的方向のうちNULL点を当てる方向を乱数により発生させ、フィルタ群10を生成するための方程式(式(8))に適用し、演算によりフィルタ群10を生成する。対象範囲におけるすべての仮想音源の方向についてその方向を目的方向とする各フィルタ群10を生成する。   A transfer function relating to all virtual sound source positions in the target range is calculated, NULL points are generated with random numbers and applied to the generation of the filter group 10, and the filter group 10 is generated according to Expression (8) (S504, transfer function calculation stage) , Filter group creation stage). Here, of the non-target directions, the direction to which the NULL point is applied is generated by a random number, applied to an equation (formula (8)) for generating the filter group 10, and the filter group 10 is generated by calculation. Each filter group 10 is generated with the direction as the target direction for all virtual sound sources in the target range.

ステップS504で生成したフィルタ群10を使用してビームを計算し、計算したビームの最大サイドローブレベルSLLを抽出する(S505、ビーム計算段階)。ここで、ビームの計算は、次のように行なう。   A beam is calculated using the filter group 10 generated in step S504, and the maximum sidelobe level SLL of the calculated beam is extracted (S505, beam calculation stage). Here, the calculation of the beam is performed as follows.

計算により伝達関数H(Ω)を求め、ステップS504で生成したフィルタ群10に関するフィルタベクトルgのうち、目的方向(θ、φ)を(0,0)とするフィルタ群10を用いて、式(3)により指向特性ベクトルdを計算する。指向特性ベクトルdを構成する各方向(M個の仮想音源の方向)の指向特性Dについて、該指向特性Dの和の絶対値をそれぞれ計算する。これにより、各方向の指向特性Dの絶対値の集合であるビームを計算することができる。   A transfer function H (Ω) is obtained by calculation, and among the filter vectors g related to the filter group 10 generated in step S504, the filter group 10 having the target direction (θ, φ) as (0, 0) is used. The directivity vector d is calculated according to 3). For the directional characteristics D in each direction (the direction of M virtual sound sources) constituting the directional characteristic vector d, the absolute value of the sum of the directional characteristics D is calculated. Thereby, a beam which is a set of absolute values of the directivity characteristics D in each direction can be calculated.

実際のビームフォーミング時は、検知しようとする音源1からの音波信号を各マイクロホン20aで検出し、目的方向を異にする複数のフィルタ群10によりそれぞれ演算処理されることで各方向の利得の集合からなるビームを得る。しかし、ステップS505において得る計算によるビームは、複数の仮想音源から各マイクロホン20aまでのそれぞれの伝達関数H(Ω)を、目的方向を(0,0)とする一のフィルタ群10で演算処理することで得た計算によるビームでこれに代替する。   During actual beam forming, a sound wave signal from the sound source 1 to be detected is detected by each microphone 20a, and each of the plurality of filter groups 10 having different target directions is subjected to arithmetic processing, whereby a set of gains in each direction. To obtain a beam consisting of However, the beam obtained by the calculation obtained in step S505 is processed by one filter group 10 in which the transfer functions H (Ω) from the plurality of virtual sound sources to each microphone 20a are set to the target direction (0, 0). This is replaced by the calculated beam.

なお、計算によるビームを得るために用いるフィルタ群10は、(0,0)以外の方向を目的方向とするフィルタ群10であってもよい。   Note that the filter group 10 used to obtain a calculated beam may be the filter group 10 having a direction other than (0, 0) as a target direction.

ステップS505で抽出したサイドローブレベルSLLがステップS501で設定した最大サイドローブレベルSLL以下かどうかを判断する(S506、フィルタ調整段階)。抽出したサイドローブレベルSLLが設定した最大サイドローブレベルSLL以下である場合は、フィルタ群10の生成は完了し、フローチャートは終了する。一方、抽出したサイドローブレベルSLLが設定した最大サイドローブレベルSLLより大きい場合は、ステップS507に移行する。   It is determined whether the side lobe level SLL extracted in step S505 is equal to or lower than the maximum side lobe level SLL set in step S501 (S506, filter adjustment stage). When the extracted side lobe level SLL is equal to or lower than the set maximum side lobe level SLL, the generation of the filter group 10 is completed, and the flowchart ends. On the other hand, if the extracted side lobe level SLL is greater than the set maximum side lobe level SLL, the process proceeds to step S507.

ループ回数があらかじめ設定した最大ループ回数以下かどうかを判断し(S507、フィルタ調整段階)、ループ回数が設定した最大ループ回数以下であると判断したときは、新たに乱数で発生させたNULL点をフィルタ郡10の生成に適用する(S504、フィルタ調整段階)。そして、計算によるビームの最大サイドローブレベルSLLを抽出し(S505、フィルタ調整段階)、抽出したサイドローブレベルSLLが設定した最大サイドローブレベルSLL以下かどうかを判断する(S506、フィルタ調整段階)。最大ループ回数は、例えば、2000回とすることができる。   It is determined whether or not the number of loops is less than or equal to a preset maximum number of loops (S507, filter adjustment stage). If it is determined that the number of loops is less than or equal to the set maximum number of loops, a NULL point newly generated with a random number is determined. This is applied to generation of the filter group 10 (S504, filter adjustment stage). Then, the calculated maximum side lobe level SLL of the beam is extracted (S505, filter adjustment stage), and it is determined whether or not the extracted side lobe level SLL is equal to or lower than the set maximum side lobe level SLL (S506, filter adjustment stage). The maximum number of loops can be 2000, for example.

ステップS505〜ステップS507のループを行った結果、抽出したサイドローブレベルSLLが設定した最大サイドローブレベルSLL以下となった場合は(S506,YES)、フィルタ群10の生成は完了し、フローチャートは終了する。   As a result of performing the loop of step S505 to step S507, when the extracted side lobe level SLL is equal to or lower than the set maximum side lobe level SLL (S506, YES), the generation of the filter group 10 is completed, and the flowchart ends. To do.

設定した最大ループ回数を超えても抽出したサイドローブレベルSLLが設定した最大サイドローブレベルSLL以下とならない場合は(S506,NO)、設定した加算伝達関数差hの値をより小さい値に緩和して更新する(S508、フィルタ調整段階)。 If sidelobe level SLL extracted even exceeds the maximum number of loops set the does not become less than the maximum side lobe level SLL set in (S506, NO), relaxed to a smaller value the value of the addition the transfer function difference h d set (S508, filter adjustment stage).

フィルタ群10の生成に適用した加算伝達関数差hがあらかじめ設定した最小加算伝達関数差hdminより大きいかどうかを判断し(S509、フィルタ調整段階)、加算伝達関数差hが最小加算伝達関数差hdminより大きい場合は(S509,YES)、ステップS508で更新した値に加算伝達関数差hを再設定する(S503、フィルタ調整段階)。そして、再設定した加算伝達関数差hと新たに発生させたNULL点とをフィルタ郡10の生成に適用し(S504)、計算によるビームの最大サイドローブレベルSLLを再抽出する(S505)。再抽出したサイドローブレベルSLLが設定した最大サイドローブレベルSLL以下となった場合は(S506,YES)、フィルタ10aの生成は完了し、フローチャートは終了する。 Adding transfer function difference h d applied to the generation of the filter group 10 determines whether the minimum sum transfer function difference h dmin is greater than the preset (S509, filter adjustment step), adding the transfer function difference h d is the minimum sum transfer If it is larger than the function difference hdmin (S509, YES), the addition transfer function difference hd is reset to the value updated in step S508 (S503, filter adjustment stage). The reset addition transfer function difference hd and the newly generated NULL point are applied to the generation of the filter group 10 (S504), and the maximum sidelobe level SLL of the calculated beam is re-extracted (S505). When the re-extracted side lobe level SLL is equal to or lower than the set maximum side lobe level SLL (S506, YES), the generation of the filter 10a is completed, and the flowchart ends.

一方、加算伝達関数差hが最小加算伝達関数差hdmin以下の場合は(S509,NO)、設定した最大サイドローブレベルSLLの値を大きな値に緩和して更新する(S510、フィルタ調整段階)。そして、ステップS501(フィルタ調整段階)、ステップS502(フィルタ調整段階)、ステップS503〜ステップS505を実施し、更新した最大サイドローブレベルSLLとステップS505で再抽出したサイドローブレベルSLLとを比較する(S506)。再抽出したサイドローブレベルSLLが設定した最大サイドローブレベルSLL以下となった場合は(S506,YES)、フィルタ群10の生成は完了し、フローチャートは終了する。再抽出したサイドローブレベルSLLが設定した最大サイドローブレベルSLL以下となった場合は(S506,NO)、ステップS507〜ステップS507のループを繰り返し実施する。 On the other hand, if the addition transfer function difference h d is less than or equal to the minimum sum transfer function difference h dmin (S509, NO), updated by mitigating the value of the maximum sidelobe level SLL set to a large value (S510, filter adjustment step ). Then, step S501 (filter adjustment stage), step S502 (filter adjustment stage), and steps S503 to S505 are performed, and the updated maximum sidelobe level SLL is compared with the sidelobe level SLL re-extracted in step S505 ( S506). When the re-extracted side lobe level SLL is equal to or lower than the set maximum side lobe level SLL (S506, YES), the generation of the filter group 10 is completed, and the flowchart ends. When the re-extracted side lobe level SLL is equal to or lower than the set maximum side lobe level SLL (S506, NO), the loop of step S507 to step S507 is repeatedly performed.

本実施形態に係るビームフォーミング装置の製造方法およびビームフォーミング装置によれば、第1実施形態が奏する効果に加え、以下の効果を奏する。
・計算によるビームの最大サイドローブレベルが下がるようにフィルタ群を調整する。これにより、実際の音源を使用せず、計算のみでビームの幅とビームのサイドローブとを最適化することができるため、より高精度に音源発生位置の検出を実現することができる。
・また、フィルタ群の調整は、フィルタ群の生成においてNULL点を当てる位置を変えるか、加算伝達関数差の大きさを変えるかの少なくともいずれかによって行なう。これにより、サイドローブの大きさをさらに低減することができるため、より高精度に音源発生位置の検出を実現することができる。
・さらに、非目的方向のNULL点を当てる位置をランダムに変えることによって、効率的にフィルタ群の調整をすることができる。
According to the beam forming apparatus manufacturing method and the beam forming apparatus according to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the following effects can be obtained.
Adjust the filter group so that the calculated maximum sidelobe level of the beam is reduced. Accordingly, since the beam width and the side lobe of the beam can be optimized only by calculation without using an actual sound source, the detection of the sound source generation position can be realized with higher accuracy.
Further, the adjustment of the filter group is performed by at least one of changing the position where the NULL point is applied in generating the filter group and changing the magnitude of the addition transfer function difference. Thereby, since the size of the side lobe can be further reduced, the detection of the sound source generation position can be realized with higher accuracy.
Furthermore, the filter group can be adjusted efficiently by randomly changing the position where the NULL point in the non-target direction is applied.

図6は、本発明の第2実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法により作成したフィルタを用いたビームフォーミング装置と従来のビームフォーミング装置とによるビームフォーミング特性の評価結果を示す図である。図6のAは従来のビームフォーミング方法によるビームフォーミング特性のコンターマップ、図6のBは本実施形態に係るビームフォーミング方法によるビームフォーミング特性のコンターマップを示すものである。   FIG. 6 is a diagram showing evaluation results of beamforming characteristics by a beamforming apparatus using a filter created by the method for creating a filter for a beamforming apparatus according to the second embodiment of the present invention and a conventional beamforming apparatus. . FIG. 6A shows a contour map of beam forming characteristics by the conventional beam forming method, and FIG. 6B shows a contour map of beam forming characteristics by the beam forming method according to the present embodiment.

ビームフォーミング特性の評価は次のように行なった。すなわち、コンターマップ上の方向(θ,φ)に対応して周波数500Hzの音源を移動させ、すべての方向について同じ目的方向(0,0)のフィルタ群により演算処理し加算して得られた利得を音源の方向ごとに表示した。   The evaluation of beam forming characteristics was performed as follows. That is, a gain obtained by moving a sound source having a frequency of 500 Hz corresponding to a direction (θ, φ) on the contour map, performing arithmetic processing by a filter group having the same target direction (0, 0) in all directions, and adding them. Is displayed for each direction of the sound source.

上述したように、通常、ビームフォーミングは、検知しようとする音源からの音波信号を、目的方向を異にする複数のフィルタ群によりそれぞれ演算処理されて得られた利得をビームとしてコンターマップに表示する。しかし、ビームのメインローブの幅およびサイドローブの評価については、本実施例で用いた評価方法で代替することができる。   As described above, in general, beam forming displays, on a contour map, gains obtained by performing arithmetic processing on a sound wave signal from a sound source to be detected by a plurality of filter groups having different target directions as beams. . However, the evaluation of the beam main lobe width and side lobe can be replaced by the evaluation method used in this embodiment.

フィルタ群による演算においては、従来のビームフォーミング装置と本実施形態に係るビームフォーミング装置用フィルタの作成方法により作成したフィルタを用いたビームフォーミング装置とを同条件で比較するため次のように行なった。すなわち、本実施形態においては式(7)のマトリックスの1〜9行目でフィルタの一般解を求め、10〜32行目までについて不定項にて解くという従来のビームフォーミング装置における演算手法を踏襲した。また、この際の特異値分解の打ち切り条件も同一とした。   The calculation by the filter group was performed as follows in order to compare the conventional beam forming apparatus and the beam forming apparatus using the filter created by the method for creating the filter for the beam forming apparatus according to the present embodiment under the same conditions. . In other words, in the present embodiment, a general solution of the filter is obtained from the first to ninth rows of the matrix of the formula (7), and the calculation method in the conventional beam forming apparatus is solved using the indefinite terms for the tenth to thirty-second rows. did. In addition, the censoring conditions for singular value decomposition were also the same.

図6に示すように、本実施形態に係るビームフォーミング装置の製造方法によれば、検出しようとする音波が低周波(500Hz)であっても、コンターマップ上のビームのメインローブの幅を細くすることができ、かつ、目的方向で必ずピークを持たせることができることが実証された。また、サイドローブが抑えられていることから、ビームのメインローブの幅を細く、かつ、サイドローブの大きさを小さく最適化することができることが実証された。   As shown in FIG. 6, according to the manufacturing method of the beam forming apparatus according to the present embodiment, the width of the main lobe of the beam on the contour map is narrowed even if the sound wave to be detected is low frequency (500 Hz). It has been proved that a peak can always be provided in the target direction. Further, since the side lobe is suppressed, it has been demonstrated that the width of the main lobe of the beam can be narrowed and the size of the side lobe can be optimized to be small.

10 フィルタ群、
10a フィルタ、
20 マイクロホンアレイ、
20a マイクロホン、
300 伝達関数計算部(伝達関数計算手段)、
301 フィルタ群作成部(フィルタ群作成手段、フィルタ調整手段)、
302 ビーム計算部(ビーム計算手段)、
303 乱数生成部(フィルタ調整手段)。
10 filter groups,
10a filter,
20 microphone array,
20a microphone,
300 Transfer function calculator (transfer function calculator),
301 filter group creation unit (filter group creation means, filter adjustment means),
302 Beam calculation unit (beam calculation means),
303 Random number generator (filter adjustment means).

Claims (8)

空間に設置された複数のマイクロホンによる検出信号がそれぞれ入力される複数のフィルタでそれぞれ演算処理された前記検出信号を互いに加算することで音源の方向と推定した目的方向の前記検出信号を強調するフィルタ群を複数有し、前記目的方向が互いに異なる前記フィルタ群により前記検出信号がそれぞれ演算処理されることで音波の指向特性が得られるフィルタの作成方法であって、
前記音源が存在し得る複数の仮想音源位置から前記マイクロホンまでの距離と前記音源の周波数とに基づいて前記複数の仮想音源位置から前記マイクロホンまでの各伝達関数を計算する伝達関数計算段階と、
前記複数の仮想音源位置のうち目的方向の仮想音源位置から前記マイクロホンまでの前記伝達関数が互いの位相を合わせるように前記フィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる第一伝達関数和から、前記複数の仮想音源位置のうち前記目的方向以外の方向の前記仮想音源位置から前記マイクロホンまでの各伝達関数が前記フィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる第二伝達関数和または前記第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値が0より大きくなる第一条件を満たすように前記フィルタが構成されてなる前記フィルタ群を作成するフィルタ群作成段階と、
を有することを特徴とするビームフォーミング装置用フィルタの作成方法。
A filter that emphasizes the detection signal of the target direction estimated as the direction of the sound source by adding together the detection signals calculated by a plurality of filters to which detection signals from a plurality of microphones installed in space are respectively input. A method of creating a filter that has a plurality of groups and obtains a directivity characteristic of a sound wave by calculating each of the detection signals by the filter groups having different target directions.
A transfer function calculating step of calculating each transfer function from the plurality of virtual sound source positions to the microphone based on a distance from the plurality of virtual sound source positions where the sound source may exist and the frequency of the sound source;
From the first transfer function sum obtained by calculating and adding each other in the filter so that the transfer functions from the virtual sound source position in the target direction to the microphone out of the plurality of virtual sound source positions are in phase with each other, A second transfer function sum obtained by calculating each transfer function from the virtual sound source position in the direction other than the target direction to the microphone among the plurality of virtual sound source positions and adding them to each other or the second transfer function A filter group creating stage for creating the filter group in which the filter is configured to satisfy a first condition in which a value obtained by subtracting one of the absolute values of the transfer function sum is greater than 0;
A method for producing a filter for a beam forming apparatus, comprising:
前記仮想音源位置のうちの少なくとも一つの仮想音源位置から前記マイクロホンまでのそれぞれの前記伝達関数がいずれか一つの前記フィルタ群で演算処理されて得られる伝達関数和の絶対値が集合してなるビームを計算するビーム計算段階と、
前記ビーム計算段階で計算された前記ビームのサイドローブレベルの最大値が下がるように前記フィルタを調整するフィルタ調整段階と、
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載のビームフォーミング装置用フィルタの作成方法。
A beam formed by aggregating absolute values of transfer function sums obtained by calculating each of the transfer functions from at least one of the virtual sound source positions to the microphone with the filter group. A beam calculation stage for calculating
A filter adjustment step of adjusting the filter so that the maximum value of the side lobe level of the beam calculated in the beam calculation step is lowered;
The method for producing a filter for a beam forming apparatus according to claim 1, further comprising:
前記フィルタ群作成段階は、前記目的方向以外のいずれか一つ以上の方向の前記仮想音源についての前記第二伝達関数和が0となる第二条件をさらに満たすように前記フィルタ群を作成し、
前記フィルタ調整段階は、前記第二条件における前記第二伝達関数和を0とする前記目的方向以外の仮想音源位置を変えるか、前記第一条件における前記第一伝達関数和から前記第二伝達関数和または前記第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値を小さくするか、の少なくともいずれかによって前記フィルタを調整することを特徴とする請求項2に記載のビームフォーミング装置用フィルタの作成方法。
The filter group creating step creates the filter group so as to further satisfy a second condition in which the second transfer function sum for the virtual sound source in any one or more directions other than the target direction is 0,
In the filter adjustment step, the virtual sound source position other than the target direction with the second transfer function sum in the second condition being 0 is changed, or the second transfer function is changed from the first transfer function sum in the first condition. The filter for a beamforming apparatus according to claim 2, wherein the filter is adjusted by at least one of reducing a value obtained by subtracting either a sum or an absolute value of the second transfer function sum. How to make.
前記フィルタ調整段階は、前記第二条件における前記第二伝達関数和を0とする前記目的方向以外の仮想音源位置をランダムに変えることを特徴とする請求項3に記載のビームフォーミング装置用フィルタの作成方法。   The filter for a beam forming apparatus according to claim 3, wherein the filter adjustment step randomly changes a virtual sound source position other than the target direction in which the second transfer function sum in the second condition is zero. How to make. 空間に設置された複数のマイクロホンによる検出信号がそれぞれ入力される複数のフィルタでそれぞれ演算処理された前記検出信号を互いに加算することで音源の方向と推定した目的方向の前記検出信号を強調するフィルタ群を複数有し、前記目的方向が互いに異なる前記フィルタ群により前記検出信号がそれぞれ演算処理されることで音波の指向特性が得られる装置用フィルタの作成装置であって、
前記音源が存在し得る複数の仮想音源位置から前記マイクロホンまでの距離と前記音源の周波数とに基づいて前記複数の仮想音源位置から前記マイクロホンまでの各伝達関数を計算する伝達関数計算手段と、
前記複数の仮想音源位置のうち目的方向の仮想音源位置から前記マイクロホンまでの前記伝達関数が互いの位相を合わせるように前記フィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる第一伝達関数和から、前記複数の仮想音源位置のうち前記目的方向以外の方向の前記仮想音源位置から前記マイクロホンまでの各伝達関数が前記フィルタでそれぞれ演算処理され互いに加算されて得られる第二伝達関数和または前記第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値が0より大きいという第一条件を満たすように前記フィルタが構成されてなる前記フィルタ群を作成するフィルタ群作成手段と、
を有することを特徴とするビームフォーミング装置用フィルタの作成装置。
A filter that emphasizes the detection signal of the target direction estimated as the direction of the sound source by adding together the detection signals calculated by a plurality of filters to which detection signals from a plurality of microphones installed in space are respectively input. An apparatus for creating a filter for an apparatus, which has a plurality of groups, and obtains a directivity characteristic of sound waves by calculating each of the detection signals by the filter groups having different target directions,
Transfer function calculating means for calculating each transfer function from the plurality of virtual sound source positions to the microphone based on the distance from the plurality of virtual sound source positions where the sound source can exist to the microphone and the frequency of the sound source;
From the first transfer function sum obtained by calculating and adding each other in the filter so that the transfer functions from the virtual sound source position in the target direction to the microphone out of the plurality of virtual sound source positions are in phase with each other, A second transfer function sum obtained by calculating each transfer function from the virtual sound source position in the direction other than the target direction to the microphone among the plurality of virtual sound source positions and adding them to each other or the second transfer function A filter group creating means for creating the filter group in which the filter is configured to satisfy a first condition that a value obtained by subtracting one of the absolute values of the transfer function sum is larger than 0;
An apparatus for creating a filter for a beam forming apparatus.
前記仮想音源位置のうちの少なくとも一つの仮想音源位置から前記マイクロホンまでのそれぞれの前記伝達関数がいずれか一つの前記フィルタ群で演算処理されて得られる伝達関数和の絶対値が集合してなるビームを計算するビーム計算手段と、
前記ビーム計算段階で計算された前記ビームのサイドローブレベルの最大値が下がるように前記フィルタを調整するフィルタ調整手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項5に記載のビームフォーミング装置用フィルタの作成装置。
A beam formed by aggregating absolute values of transfer function sums obtained by calculating each of the transfer functions from at least one of the virtual sound source positions to the microphone with the filter group. A beam calculating means for calculating
Filter adjusting means for adjusting the filter so that the maximum value of the side lobe level of the beam calculated in the beam calculating step is lowered;
The filter forming apparatus for a beam forming apparatus according to claim 5, further comprising:
前記フィルタ群作成手段は、前記目的方向以外のいずれか一つ以上の方向の前記仮想音源についての前記第二伝達関数和が0という第二条件をさらに満たすように前記フィルタ群を作成し、
前記フィルタ調整手段は、前記第二条件における前記第二伝達関数和を0とする前記目的方向以外の仮想音源位置を変えるか、前記第一条件における前記第一伝達関数和から前記第二伝達関数和または前記第二伝達関数和の絶対値のいずれかを差し引いた値を小さくするか、の少なくともいずれかによって前記フィルタを調整することを特徴とする請求項6に記載のビームフォーミング装置用フィルタの作成装置。
The filter group creating means creates the filter group so as to further satisfy a second condition that the second transfer function sum for the virtual sound source in any one or more directions other than the target direction is 0,
The filter adjusting means changes a virtual sound source position other than the target direction in which the second transfer function sum in the second condition is 0, or changes the second transfer function from the first transfer function sum in the first condition. The filter for a beamforming apparatus according to claim 6, wherein the filter is adjusted by at least one of reducing a value obtained by subtracting either a sum or an absolute value of the second transfer function sum. Creation device.
前記フィルタ調整手段は、前記第二条件における前記第二伝達関数和を0とする前記目的方向以外の仮想音源位置をランダムに変えることを特徴とする請求項7に記載のビームフォーミング装置用フィルタの作成装置。   The filter for a beam forming apparatus according to claim 7, wherein the filter adjustment unit randomly changes a virtual sound source position other than the target direction in which the second transfer function sum in the second condition is zero. Creation device.
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