JP2014165549A - 単一指向性マイクロホン・ユニット、受波アレイ、単一指向性スピーカ・ユニットおよびスピーカアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 指向性中心を移動させることなく、単一指向性の主軸の方向を電気的に変換することができるマイクロホン・ユニットを提供する。
【解決手段】単一指向性マイクロホン・ユニットは、マイクロホン素子１１とマイクロホン素子１２の距離ｄと、マイクロホン素子１１とマイクロホン素子１３の距離ｄとが等しくなるように、マイクロホン素子１１、１２および１３が直角二等辺三角形状に配置されており、単一指向性の主軸の方向の角度ψを変化させたときに、指向性中心がマイクロホン素子１１上に維持されるように構成されているマイクロホン素子部１０を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、単一指向性の主軸の方向を電気的に変換することができる単一指向性マイクロホン・ユニット、受波アレイ、単一指向性スピーカ・ユニットおよびスピーカアレイに関する。

従来、遠隔音声を高品質で収集する技術が検討されており、複数方向の音声を選択的に記録することを目的として種々の技術が提案されている（特許文献１〜３）。また、無指向性のマイクロホンを指向性のあるマイクロホンに置換したときの受波アレイの指向性が検討されている（非特許文献１）。

特許文献１には、１ポイントで５チャンネルに対応したマルチチャンネル収音を行うことを目的として、３個の無指向性マイクロホンと、これらの出力から５個の指向性マイクロホンを合成する５個の合成手段とを備えたマルチチャンネル収音装置が記載されている。

特許文献２には、簡易な構成でマイク部の指向性ビームの向きを変えることを目的として、互いに間隔をあけて配置された複数のマイクロホンを有するマイク部と、これらのうち二つのマイクロホンの音声信号を処理して指向性ビームを形成するビームフォーマ部と、二つのマイクロホンをビームフォーマ部に選択的に接続するスイッチ手段とを備えたマイクロホン装置が記載されている。

特許文献３には、マイクロホンの実装形態を変えることなくマイクロホンの指向性の角度を任意に変えることを目的として、３個の全指向性マイクロホンを音の波長に対し十分に小さいとみなせる間隔を空けて、三角形状に配置することで、演算処理により、任意の方向に音声信号の指向性を合成する音声信号処理装置が記載されている。

非特許文献１には、指向性を持った受波アレイについて、あらゆる方向に同じ感度を持っている無指向性のマイクロホンを、方向により感度の変わる指向性をもったマイクロホンに置換したときに、受波アレイ全体としてどのような指向性になるかについて記載されている。置換前後におけるマイクロホン同士の指向性中心が一致していれば、置換前の無指向性のマイクロホンよりなる受波アレイ全体としての指向性と、置換後の指向性を持ったマイクロホンの指向性との積を計算することにより、置換後の受波アレイ全体の指向性を求めることができる。この法則は、ブリッジ則として知られている。

特開２００２−２３２９８８号公報 特開２０１１−１８２２７８号公報 特開２００８−１６０５８８号公報

城戸健一著「基礎音響工学」コロナ社、東京、１９９９年、ｐｐ．９０−９７．

しかし、特許文献１、２に記載された装置には、装置を構成する二つのマイクロホンを結ぶ線上の角度にしか指向性の主軸方向を向けることができないという問題がある。
また、特許文献３に記載された音声信号処理装置は、遅延を用いることなく、３個の全指向性マイクロホンより単一指向性を合成するものであるから、指向性の主軸方向を変える度に指向性中心が移動する。同文献に記載の発明は、任意のチャンネル数のサラウンド記録を行うことを目的としたものであるから、指向性中心が移動することは問題にされていない。本発明の発明者らは、指向性の主軸方向を変える度に指向性中心が移動することが受波アレイを構成するマイクロホンとして音声信号処理装置を用いる場合に問題となることに着目した。すなわち、同文献に記載の音声信号処理装置には、マイクロホンの指向性変化に伴って指向性中心が移動するから、ブリッジ則を用いて受波アレイを設計することができないという問題がある。

このように、置換後の受波アレイ全体の指向性を評価するには、置換後のマイクロホンとして指向性中心が移動しないものを用いることが必要となる。そこで、本発明は、指向性中心を移動させることなく、単一指向性の主軸の方向を電気的に変換することができるマイクロホン・ユニットを提供することを目的としている。

本発明の単一指向性マイクロホン・ユニットは、第１と第２の全指向性マイクロホン素子の距離と、第１と第３の全指向性マイクロホン素子の距離とが等しくなるように、第１、第２および第３のマイクロホン素子が直角二等辺三角形状に配置されており、指向性中心が前記第１の全指向性マイクロホン素子上にある構成を備えている。
本発明の受波アレイは、本発明の単一指向性マイクロホン・ユニットが等間隔で直線状に配置されてなる構成を備えている。

本発明の単一指向性スピーカ・ユニットは、第１と第２の全指向性スピーカ素子の距離と、第１と第３の全指向性スピーカ素子の距離とが等しくなるように、第１、第２および第３のスピーカ素子が直角二等辺三角形状に配置されており、指向性中心が前記第１の全指向性スピーカ素子上にある構成を備えている。
本発明のスピーカアレイは、本発明の単一指向性スピーカ・ユニットが等間隔で直線状に配置されてなる構成を備えている。

本発明の単一指向性マイクロホン・ユニットは、上記の構成により、第１の全指向性マイクロホン素子上に指向性中心を位置させたままで、指向性の主軸方向を変化させることができる。このため、この単一指向性マイクロホン・ユニットを用いて受波アレイを構成すれば、ブリッジ則を用いてその収音効果を評価することができるから、種々の性質を備えた受波アレイを容易に実現することができる。
本発明の単一指向性スピーカ・ユニットは、単一指向性マイクロホン・ユニット同様、第１の全指向性スピーカ素子上に指向性中心を位置させたままで、指向性の主軸方向を変化させることができる。このため、この単一指向性スピーカ・ユニットを用いてスピーカアレイを構成すれば、ブリッジ則を用いてその放音効果を評価することができるから、種々の性質を備えたスピーカアレイを容易に実現することができる。

第１の実施形態の単一指向性マイクロホン・ユニットのマイクロホン素子の配置を示すブロック図 第１の実施形態の単一指向性マイクロホン・ユニットの構成を示すブロック図 周波数４ｋＨｚの場合のシミュレーション実験結果のうち、指向性を示すグラフ（ａ）ψ＝０°、（ｂ）ψ＝３０°、（ｃ）ψ＝６０°、（ｄ）ψ＝９０°、ポーラパターンを示すグラフ（ｅ）ψ＝０°、（ｆ）ψ＝３０°、（ｇ）ψ＝６０°、（ｈ）ψ＝９０° 周波数２ｋＨｚの場合のシミュレーション実験結果のうち、指向性を示すグラフ（ａ）ψ＝０°、（ｂ）ψ＝３０°、（ｃ）ψ＝６０°、（ｄ）ψ＝９０°、ポーラパターンを示すグラフ（ｅ）ψ＝０°、（ｆ）ψ＝３０°、（ｇ）ψ＝６０°、（ｈ）ψ＝９０° 周波数１ｋＨｚの場合のシミュレーション実験結果のうち、指向性を示すグラフ（ａ）ψ＝０°、（ｂ）ψ＝３０°、（ｃ）ψ＝６０°、（ｄ）ψ＝９０°、ポーラパターンを示すグラフ（ｅ）ψ＝０°、（ｆ）ψ＝３０°、（ｇ）ψ＝６０°、（ｈ）ψ＝９０° 周波数０．５ｋＨｚの場合のシミュレーション実験結果のうち、指向性を示すグラフ（ａ）ψ＝０°、（ｂ）ψ＝３０°、（ｃ）ψ＝６０°、（ｄ）ψ＝９０°、ポーラパターンを示すグラフ（ｅ）ψ＝０°、（ｆ）ψ＝３０°、（ｇ）ψ＝６０°、（ｈ）ψ＝９０° 第１の実施形態の単一指向性マイクロホン・ユニットのマイクロホン素子の他の配置を示すブロック図 第１の実施形態の単一指向性マイクロホン・ユニットのマイクロホン素子のさらに他の配置を示すブロック図 （ａ）単一指向性マイクロホン・ユニットからなる第２の実施形態の受波アレイの模式図、（ｂ）全指向性素子からなる従来の受波アレイの模式図 主軸方向の角度ψについて説明する模式図 周波数４ｋＨｚについてのシミュレーション結果であり、全指向性素子を用いた受波アレイについて、（ａ）角度ψ＝０°、（ｂ）角度ψ＝３０°、（ｃ）角度ψ＝６０°、（ｄ）角度ψ＝９０°の結果を示すグラフ、単一指向性マイクロホン・ユニットを用いた受波アレイについて、（ｅ）角度ψ＝０°、（ｆ）角度ψ＝３０°、（ｇ）角度ψ＝６０°、（ｈ）角度ψ＝９０°の結果を示すグラフ 周波数１ｋＨｚについてのシミュレーション結果であり、全指向性素子を用いた受波アレイについて、（ａ）角度ψ＝０°、（ｂ）角度ψ＝３０°、（ｃ）角度ψ＝６０°、（ｄ）角度ψ＝９０°の結果を示すグラフ、単一指向性マイクロホン・ユニットを用いた受波アレイについて、（ｅ）角度ψ＝０°、（ｆ）角度ψ＝３０°、（ｇ）角度ψ＝６０°、（ｈ）角度ψ＝９０°の結果を示すグラフ 周波数１ｋＨｚについてのシミュレーション結果であり、全指向性素子を用いた受波アレイについて、（ａ）角度ψ＝０°、（ｂ）角度ψ＝３０°、（ｃ）角度ψ＝６０°、（ｄ）角度ψ＝９０°の結果を示すグラフ、単一指向性マイクロホン・ユニットを用いた受波アレイについて、（ｅ）角度ψ＝０°、（ｆ）角度ψ＝３０°、（ｇ）角度ψ＝６０°、（ｈ）角度ψ＝９０°の結果を示すグラフ 周波数０．５ｋＨｚについてのシミュレーション結果であり、全指向性素子を用いた受波アレイについて、（ａ）角度ψ＝０°、（ｂ）角度ψ＝３０°、（ｃ）角度ψ＝６０°、（ｄ）角度ψ＝９０°の結果を示すグラフ、単一指向性マイクロホン・ユニットを用いた受波アレイについて、（ｅ）角度ψ＝０°、（ｆ）角度ψ＝３０°、（ｇ）角度ψ＝６０°、（ｈ）角度ψ＝９０°の結果を示すグラフ 図１０（ａ）（ｂ）に示した受波アレイの主ローブ半値幅を示すグラフ 単一指向性に分類されるカーディオイド型の指向性を示す模式図 カーディオイド型指向性を実現するマイクロホン構成を説明するブロック図

〔第１の実施形態〕
〔単一指向性マイクロホン・ユニット〕
〔単一指向性〕
図１６は単一指向性に分類されるカーディオイド型の指向性を示す模式図である。同図に示すように、代表的な単一指向性として、ハイパーカーディオイド、スーパーカーディオイドおよびカーディオイドがある。これら指向性は、２つの全指向性マイクロホン素子（以下、適宜、「全指向性マイクロホン素子」を単に「マイクロホン素子」という。）、増幅器および遅延器の組み合わせによって実現出来る。

図１７はカーディオイド型指向性を実現するマイクロホンの構成を説明するブロック図である。同図に示すように、カーディオイド指向性（１＋ｃｏｓθ）を備えたマイクロホン１００は、マイクロホン素子１１０、１１１、増幅器１２０、遅延器１３０および加算器１４０の組合せによって構成することができる。

マイクロホン素子１１０は、増幅器１２０および遅延器１３０を介して加算器１４０と接続されている。マイクロホン素子１１１は、直接加算器１４０と接続されている。増幅器１２０の利得を−１とし、遅延器１３０の遅延をｄ／ｃ（ここで、ｄはマイクロホン素子１１０と１１１との距離〔ｍ〕であり、ｃは音速３４０〔ｍ／秒〕である。）とすれば、マイクロホン１００は、マイクロホン素子１１０からマイクロホン素子１１１の方向に主軸をもち、マイクロホン素子１１１側からの音のみを受音するカーディオイド型指向性を備えたものとなる。

〔単一指向性の電気的ステアリング原理〕
単一指向性の電気的ステアリング原理について、以下に説明する。
指向性の主軸がψ（０°≦ψ≦９０°）を向くカーディオイドは次の式（１）によりあらわされる。

この式（１）は次のように変形することができる。

ここで、式（２）の第１項は全指向性を、第２項および第３項は単一指向性を表す。第２項と第３項が直交することに注意して、等感度の全指向性マイクロホン素子を間隔ｄ〔ｍ〕でＬ字型に配置した、図１のようなマイクロホン素子部の構成を考える。同図に示すように、本実施形態の単一指向性マイクロホン・ユニットのマイクロホン素子部１０を構成するマイクロホン素子１１、１２および１３（第１、第２および第３の全指向性マイクロホン素子）は、マイクロホン素子１１とマイクロホン素子１２との距離ｄと、マイクロホン素子１１とマイクロホン素子１３の距離ｄとが等しくなるように、直角二等辺三角形状に配置されている。以下、上記距離ｄを適宜マイクロホン素子間隔ｄという、

そうすると、角周波数ω〔rad〕、音速ｃ〔ｍ／秒〕の受波信号（ただし、時間と共に変動する共通項は省略している）は次のように表される。

ただし、

ここで、Ｔ_１（ω，θ）はマイクロホン素子１１の受波信号、Ｔ_２（ω，θ）はマイクロホン素子１１とマイクロホン素子１２を用いて合成される単一指向性が付与された受波信号、Ｔ_３（ω，θ）はマイクロホン素子１１とマイクロホン素子１３とを用いて合成される単一指向性が付与された受波信号をそれぞれ表す。そして、上記各受波信号の指向性中心は、いずれもマイクロホン素子１１上にあり、ψを変化させてもその位置は変わらない。このため、マイクロホン素子部１０により構成した受波アレイは、ブリッジ則を用いてその収音効果を評価することができる。したがって、種々の性質を備えた受波アレイを構成することが容易になる。また、単一指向性マイクロホン・ユニット１の指向性中心がマイクロホン素子１１上にあることから、マイクロホン素子部１０を容易に配置することができる。ここで、「指向性中心」とは、図１６に示したような指向性を式で表す場合に原点となる位置をいう。同図中では、指向性中心の位置を＋で示している。

式（３）で２ωｄ／ｃが小さいとき、指向性係数Ｄ（θ）は次のように計算される。

式（５ｃ）と式（２）を比較すると、マイクロホン素子１１、１２および１３が、Ｌ字型配置（直角二等辺三角形状に配置）されたマイクロホン素子部１０の指向性は、ψ方向に主軸を向けるカーディオイドになっていることがわかる。

〔単一指向性ユニットの構成〕
図２は、本実施形態の単一指向性マイクロホン・ユニットの構成を示すブロック図である。本実施形態の単一指向性マイクロホン・ユニット１は、受波信号ｘ（ω，θ）を得るために構成したものであり、マイクロホン素子１１、１２、１３、増幅器２１、２２、２３、２４、２５、遅延器３０および加算器４０を備えている。

加算器４０は、マイクロホン素子１１、マイクロホン素子１２およびマイクロホン素子１３からの出力を加算するものである。マイクロホン素子１１は、増幅器２１を介して加算器４０に接続されている（第１の経路）とともに、これに並列して増幅器２４および遅延器３０を介して加算器４０に接続されている（第４の経路）。マイクロホン素子１２は、増幅器２２を介して加算器４０に接続されている（第２の経路）。マイクロホン素子１３は、増幅器２３を介して加算器４０に接続されている（第３の経路）。

単一指向性マイクロホン・ユニット１の指向性の主軸方向を角度ψとすると、増幅器２１〜２４による各利得を以下のようにする。なお主軸方向の角度ψについては、後に図１０を用いて説明する。
増幅器２１によるマイクロホン素子１１の第１利得：１−（cosψ＋sinψ）
増幅器２２によるマイクロホン素子１２の利得： cosψ
増幅器２３によるマイクロホン素子１３の利得： sinψ

また、マイクロホン素子１１に接続した遅延器３０による遅延τ[秒]と増幅器２４による利得は、マイクロホン素子１２およびマイクロホン素子１３との間でカーディオイド型単一指向性を生成するために用いる定数である。
増幅器２４によるマイクロホン素子１１の第２利得：−（１／２＋１／２）＝−１
遅延器３０による増幅器２４の出力信号に適用する遅延：τ＝ｄ／ｃ（ｃは音速３４０〔ｍ／秒〕である。）

なお、増幅器２５による利得：ｃ／（ωｄ）は、角周波数に比例して変化する加算器４０からの出力の利得を一定値に保持するためのものである。すなわち、増幅器２５は利得調整器としての役割を果たしている。

以上ではカーディオイド型指向性について説明したが，図１６記載の他のカーディオイド型指向性についても、それらがａ＋ｃｏｓθ（ａは指向性によって決まる定数）と表わされることを用いれば、図２の回路構成で指向性の主軸方向を変えることができる。この際、増幅器２１および増幅器２４によるマイクロホン１１の第１利得および第２利得を下記の様に変更するだけでよく、他の増幅器の利得や遅延器の遅延を変える必要はない。
増幅器２１による利得（第１利得） ａ−（cosψ＋sinψ）
増幅器２４による利得（第２利得） −（ａ／２＋ａ／２）＝−ａ

〔シミュレーション実験の結果〕
取り扱う音波の上限周波数を４ｋＨｚ、マイクロホン素子間隔ｄを１７ｍｍ、遅延τを０．０５ｍ秒にそれぞれ定めて、単一指向性マイクロホン・ユニット１をパーソナルコンピュータ上に構築し、単一指向性のステアリング性能（方向性制御の精度）を確認した。この確認においては、指向性の主軸方向の角度ψを０°から９０°までの範囲で３０°刻みに変化させた（主軸方向の角度ψと各増幅器による利得との対応関係を表１に示す。）。試験周波数は４Ｋｈｚ、２ｋＨｚ、１ｋＨｚおよび０．５ｋＨｚとした。

上記シミュレーション実験の結果を図３〜図６に示す。いずれの図も、指向性を示すグラフのうち、（ａ）がψ＝０°、（ｂ）がψ＝３０°、（ｃ）がψ＝６０°、（ｄ）がψ＝９０°の結果をそれぞれ示している。また、ポーラパターンを示すグラフのうち、（ｅ）がψ＝０°、（ｆ）がψ＝３０°、（ｇ）がψ＝６０°、（ｈ）がψ＝９０°の結果をそれぞれ示している。指向性のグラフは、横軸が指向方向を示し、縦軸が指向性利得を示している。図３、４、５および６の順に、周波数４ｋＨｚ、２ｋＨｚ、１ｋＨｚおよび０．５ｋＨｚの場合についての実験結果である。

上記シミュレーション実験の結果、素子間隔ｄが１７ｍｍであるコンピュータ上に構築した単一指向性マイクロホン・ユニットについて、４ｋＨｚ、２ｋＨｚ、１ｋＨｚおよび０．５ｋＨｚの正弦波を用いて良好なステアリング性能が得られることを確認できた。
また、図３〜図６のグラフの比較により、４ｋＨｚの正弦波においては、主軸の方向の向き（角度ψ）により、指向性にややひずみが生じる領域も存在する。しかし、２ｋＨｚ、１ｋＨｚおよび０．５ｋＨｚの正弦波では全ての領域において、ほぼひずみの無い指向性が得られた。これにより、マイクロホン素子間隔ｄを１７ｍｍに設定した場合、指向性が２ｋＨｚ以下で良好になることが分かった。なお、４ｋＨｚの正弦波では、主軸方向の角度ψによっては、指向性にややひずみが生じる領域も存在するが、主軸方向の角度ψとしてこの領域以外を選択して用いれば、指向性の良好な単一指向性マイクロホン・ユニットとして用いることができる。

以上のように、指向性主軸の電気的ステアリングが可能なマイクロホン・ユニットを設計した。このマイクロホン・ユニットは、全指向性マイクロホン素子３個を等間隔ｄでＬ字型に配置することにより、指向性中心が１つの全指向性マイクロホン素子上に保持されたままで、指向性の主軸の角度ψを変化可能としている。また、カーディオイド型指向性の主軸の角度ψは、０°≦ψ≦９０°の範囲で変化可能な構成となっている。

図７は第１の実施形態の単一指向性マイクロホン・ユニットのマイクロホン素子の他の配置を示すブロック図である。同図に示すように、マイクロホン素子部１６は、マイクロホン素子部１０のマイクロホン素子１１、１２および１３に加えて、マイクロホン素子１４を備えている。マイクロホン素子１４は、マイクロホン素子１１とマイクロホン素子１２とを結ぶ直線を基準として、マイクロホン素子１３と線対称な位置に配置されている。このように、４つのマイクロホン素子によりＴ字型が形成されている。

マイクロホン素子部１６は、マイクロホン素子１１、１２および１３、ならびにマイクロホン素子１１、１２および１４が各直角二等辺三角形状に配置されてなる第１ならびに第２のマイクロホン素子部が組み合わさってなる構成である。このため、第１、第２の何れのマイクロ素子部を用いるかにより、指向性中心をマイクロホン素子１１上に位置させたままで、主軸の方向の角度ψを０°≦ψ≦１８０°の範囲で変化させることができる。

図８は第１の実施形態の単一指向性マイクロホン・ユニットのマイクロホン素子のさらに他の配置を示すブロック図である。同図に示すように、マイクロホン素子部１７は、マイクロホン素子部１６のマイクロホン素子１１、１２、１３および１４に加えて、マイクロホン素子１５を備えている。マイクロホン素子１５は、マイクロホン素子１３とマイクロホン素子１４とを結ぶ直線を基準として、マイクロホン素子１２と線対称な位置に配置されている。このように、５つのマイクロホン素子により十字型が形成されている。

マイクロホン素子部１７は、マイクロホン素子１１、１２および１３、マイクロホン素子１１、１２および１４、マイクロホン素子１１、１４および１５、ならびにマイクロホン素子１１、１３および１５、が直角二等辺三角形状に配置されてなる、第１、第２、第３ならびに第４のマイクロホン素子部が組み合わさってなる構成である。このため、第１〜第４の何れのマイクロ素子部を用いるかにより、指向性中心をマイクロホン素子１１上に位置させたままで、主軸の方向の角度ψを０°≦ψ≦３６０°の範囲で変化させることができる。

〔第２の実施形態〕
〔単一指向性ユニットを用いる受波アレイの評価〕
本実施形態においては、第１の実施形態において説明した図１のマイクロホン素子部を備えた単一指向性マイクロホン・ユニットを等間隔で配置した受波アレイについて説明する。なお、図７、８のマイクロホン素子部を備えた単一指向性マイクロホン・ユニットを等間隔で配置した受波アレイとして本発明を実施することもできる。

図９は（ａ）が単一指向性マイクロホン・ユニットからなる本実施形態の受波アレイの模式図であり、（ｂ）が全指向性素子からなる従来の受波アレイの模式図である。図９（ａ）に示すように、本実施形態の受波アレイ５０は、単一指向性マイクロホン・ユニット１（図２参照）のマイクロホン素子部１０を等間隔で直線配列したものである。第１の実施形態１において説明したとおり、単一指向性マイクロホン・ユニット１は、指向性の主軸の角度ψを変化させても指向性中心が変化しない。これにより、図９（ｂ）に示す従来の受波アレイ１５０の全指向性マイクロホン素子１５１を単一指向性マイクロホン・ユニット１に置換した受波アレイ５０の全体の指向性を、ブリッジ則を用いて簡単に求めることができる。また、単一指向性マイクロホン・ユニット１の指向性中心は、マイクロホン素子１１上にある。このため、全指向性マイクロホン素子１５１を単一指向性マイクロホン・ユニット１に置換する際、全指向性マイクロホン素子１５１の位置にマイクロホン素子１１が位置するように配置すれば良い。

図９（ａ）に示す本実施形態の受波アレイ５０を、２０個の単一指向性マイクロホン・ユニット１を３４ｍｍ間隔で直線配列して構成した。また、図９（ｂ）に示す従来の受波アレイ１５０を、２０個の全指向性マイクロホン素子１５１を３４ｍｍ間隔で直線配列して構成した。そして、シミュレーション実験により、受波アレイ５０と受波アレイ１５０について、指向性を比較した。

〔サイドローブの比較〕
上記２つの受波アレイについて、指向性の主軸方向の角度ψを０°から９０°の範囲で３０°刻みに変化させて、それぞれの角度ψについて、試験周波数を４ｋＨｚ、２ｋＨｚ、１ｋＨｚおよび０．５ｋＨｚとしてシミュレーションを行った。
図１０は主軸方向の角度ψについて説明する模式図である。同図に示すように、受波アレイ５０は、マイクロホン素子１１を結んだ直線を受波アレイ５０の末端から伸ばした直線の方向を基準（０°、３６０°）とし、指向性の主軸Ｘと基準とした前記の直線とがなす角度を主軸方向の角度ψとする。

図１１、１２、１３および１４は、周波数を４ｋＨｚ、２ｋＨｚ、１ｋＨｚおよび０．５ｋＨｚとしたときのシミュレーション結果を示すグラフである。各図においては、（ａ）〜（ｄ）が全指向性素子１５１を用いた受波アレイ１５０の結果を示し、（ｅ）〜（ｆ）が単一指向性マイクロホン・ユニット１を用いた受波アレイ５０の結果を示している。また、（ａ）および（ｅ）が角度ψ＝０°の結果を、（ｂ）および（ｆ）が角度ψ＝３０°の結果を、（ｃ）および（ｇ）が角度ψ＝６０°の結果を、（ｄ）および（ｅ）が角度ψ＝９０°の結果をそれぞれ示している。いずれのグラフにおいても、横軸が指向方向を示し、縦軸が指向性利得を示している。

図１１の（ａ）と（ｅ）との比較により、単一指向性マイクロホン・ユニット１を用いた受波アレイ５０は、全指向性マイクロホン素子１５１を用いた受波アレイ１５０よりも、サイドローブが抑圧されることが分かった。たとえば、受波アレイ１５０では、指向方向１８０°付近において指向性利得のピークが存在するのに対し、受波アレイ５０では、指向方向１８０°付近において指向性利得がほぼ抑制されておりピークが存在しない。

図１１の（ｂ）〜（ｄ）と（ｆ）〜（ｈ）との比較により、以下のことが分かる。（ｂ）〜（ｄ）に示されるように、受波アレイ１５０では、指向性軸の主軸Ｘと、基準となる直線（０°。３６０°）に対して、線対称となる軸Ｘ´の方向（角度ψ´、図１０参照）に、強いローブが生じる。対して、（ｆ）〜（ｈ）に示されるように、受波アレイ５０では、軸Ｘ´の方向（角度ψ´）に生じるローブが顕著に抑制されている。この抑制効果は、主軸Ｘの角度ψが大きくなるにつれて大きくなり、角度ψ＝９０°においては、角度ψ´＝２７０°のローブがほぼ完全に消失している。

図１２、１３および１４に示す、２ｋＨｚ、１ｋＨｚおよび０．５ｋＨｚの結果においても、上述した４ｋＨｚと同様の傾向が認められた。図１１〜１４に示す結果より、単一指向性ユニットを用いた受波アレイは、全指向性マイクロホンを用いた受波アレイに比べて、主ローブと対称な位置に在る強いローブを含めて、サイドローブを抑圧する効果を持つことが分かった。

〔主ローブの半値幅の比較〕
受波アレイ５０と受波アレイ１５０の主ローブ半値幅（電力半値幅）を比較した。この比較では、指向性の主軸Ｘの方向の角度ψを９０°に固定し（図１０参照）、試験周波数を０．５ｋＨｚ〜４ｋＨｚの範囲の０．５ｋＨｚごとに設定した。結果を表２および図１５に示す。表２および図１５に示されるように、単一指向性マイクロホン・ユニット１を用いた受波アレイ５０の主ローブ半値幅は、１．５ｋＨｚよりも低い周波数において、全指向性マイクロホン素子１５１を用いた受波アレイ１５０よりも狭くなっている。このように、受波アレイ５０は、主ローブの指向性が受波アレイ１５０より向上することが分かった。

以上のとおり、単一指向性マイクロホン・ユニット１を等間隔で直線配列してなる受波アレイ５０は、同じ間隔で全指向性マイクロホン素子１５１を直線配列した受波アレイ１５０と比較して、（１）サイドローブを抑圧する効果を持つこと、（２）収音音波の周波数が低い領域において、主ローブの半値幅が狭くなることが分かった。

なお、本実施形態では、各単一指向性マイクロホン・ユニットの指向性の主軸の角度ψを同じにする態様について説明した。しかし、上述したとおり、単一指向性マイクロホン・ユニット１は主軸の角度ψが変わっても、その指向性中心が変化しないことから、ブリッジ則を用いてその指向性を評価することができる。このため、各単一指向性マイクロホン・ユニットの指向性の主軸の角度ψを変化させて、種々の指向性を備えた受波アレイを構成することができる。

第１および第２の実施形態においては、単一指向性マイクロホン・ユニットおよび受波アレイとして本発明を実施する形態について説明した。しかし、図１、７および８に示した、マイクロホン素子１１、１２、１３の代わりに全指向性のスピーカ素子を用いることにより、本発明を単一指向性スピーカ・ユニットおよびスピーカアレイとして実施することもできる。

本発明は、マイクロホンおよびスピーカにおいて、その指向性を制御するために利用することができる。

１ 単一指向性マイクロホン・ユニット
１０、１６、１７ マイクロホン素子部
１１、１２、１３、１４、１５ マイクロホン素子
２１、２２、２３、２４、２５ 増幅器
３０ 遅延器
４０ 加算器
５０ 受波アレイ

Claims (6)

1. 第１と第２の全指向性マイクロホン素子の距離と、第１と第３の全指向性マイクロホン素子の距離とが等しくなるように、第１、第２および第３の全指向性マイクロホン素子が直角二等辺三角形状に配置されており、指向性中心が前記第１の全指向性マイクロホン素子上にある単一指向性マイクロホン・ユニット。
2. 前記第１、第２および第３の全指向性マイクロホン素子からの出力を加算する加算器を備えており、
   前記第１の全指向性マイクロホン素子は、第１の増幅器を備えた第１の経路と、前記第１の経路に並列している第４の増幅器および遅延器を備えた第４の経路とを介して、前記加算器に接続されており、
   前記第２の全指向性マイクロホン素子は、第２の増幅器を備えた第２の経路を介して、前記加算器に接続されており、
   前記第３の全指向性マイクロホン素子は、第３の増幅器を備えた第３の経路を介して、前記加算器に接続されている請求項１に記載の単一指向性マイクロホン・ユニット。
3. その指向性をａ＋ｃｏｓθ（ａは指向性によって決まる定数）と表すことができ、
   その指向性の主軸方向の角度をψとすると、
   前記第１の増幅器による利得がａ−（ｃｏｓψ＋ｓｉｎψ）であり、
   前記第２の増幅器による利得がｃｏｓψであり、
   前記第３の増幅器による利得がｓｉｎψであり、
   前記第４の増幅器による利得が−ａであり、
   前記遅延器による遅延がｄ／ｃ（ｄは第１と第２の全指向性マイクロホンの距離および第１と第３の前記全指向性マイクロホンの距離、ｃは音速）である請求項２に記載の単一指向性マイクロホン・ユニット。
4. 請求項１、２または３に記載の単一指向性マイクロホン・ユニットが等間隔で直線状に配置されている受波アレイ。
5. 第１と第２の全指向性スピーカ素子の距離と、第１と第３の全指向性スピーカ素子の距離とが等しくなるように、第１、第２および第３の全指向性スピーカ素子が直角二等辺三角形状に配置されており、指向性中心が前記第１の全指向性スピーカ素子上にある単一指向性スピーカ・ユニット。
6. 請求項５に記載の単一指向性スピーカ・ユニットが等間隔で配置されているスピーカアレイ。

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