JP2016001775A - 超指向性マイクロフォンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】騒音環境下での集音時に十分な防騒音効果を得る。【解決手段】超音波送信器１と超音波受信器２とを含む超指向性マイクロフォンシステム５であって、超音波送信器が音源４に向かって超音波を放射し、超音波受信器２が音源から音声成分が重畳された超音波の反射波を受信すると、受信した反射波から音声成分を抽出して取り込む制御部３、を備えたことを特徴とする。例えば、制御部３は、超音波受信器２を超音波近接センサとして動作させる待機モード（第１のモード）と、待機モードにおいて、音源が所定距離範囲に接近するとマイクロフォンとして動作するマイクロフォンモード（第２のモード）とを切替えて実行する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波送信器と超音波受信器とを含む、超指向性マイクロフォンシステムに関する。

屋外で携帯電話や公衆電話などを用いて通話しているときに、周囲の騒音により相手の声が聞き取りづらくなり、あるいは相手に話の内容が伝わらなかったりすることが多々ある。このため、従来、例えば、特許文献１で、音源と周囲の音量の差を監視し、周囲音量の変化に応じて適正な再生音量に調整する音量調節装置が提案されている。

特開２００７−９７０８７号公報

ところで、騒音環境下での集音のために指向性が強いマイクロフォンを用いることがある。しかしながら、騒音が大きい場合には十分なＳＮ比が得られないことが多い。このため、複数のマイクロフォンを用い、位相差を利用して目的外の音声を相殺する等の信号処理を行なうことで指向特性を制御する技術が研究され、一部実用化されている。

しかしながら、上記した指向特性を制御する方法によっても、例えば、騒音の発生位置が特定できない場合、あるいは、周辺に反射物が多く騒音が乱反射される等、マイクロフォンの指向方向にも騒音源が存在する場合には十分な防騒音効果が得られないという課題があった。

本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、騒音環境下での集音時に十分な防騒音効果を得ることができる、超指向性マイクロフォンシステムを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために本発明は、超音波送信器と超音波受信器とを含む超指向性マイクロフォンシステムであって、前記超音波送信器が音源に向かって超音波を放射し、前記超音波受信器が前記音源から音声成分が重畳された前記超音波の反射波を受信すると、前記受信した反射波から前記音声成分を抽出して取り込む制御部、を備えたことを特徴とする。

本発明において、前記制御部は、前記超音波受信器を超音波近接センサとして動作させる第１のモードと、前記第１のモードにおいて前記音源が所定の距離範囲に接近したことを検知すると超音波マイクロフォンとして動作させる第２のモードとを切替え制御することを特徴とする。

本発明において、前記制御部は、前記第１のモードにおいて、前記超音波送信器が断続的に前記超音波を放出するように制御することを特徴とする。

本発明において、前記制御部は、前記第１のモードにおいて、前記超音波送信器が前記超音波を放出して前記超音波受信器が検波するまでの時間を計測し、前記計測した時間が所定の範囲にあると、前記音源が接近したことを検出することを特徴とする。

本発明において、前記制御部は、前記第２のモードにおいて、前記超音波送信器から連続的に前記超音波を放射するように制御することを特徴とする。

本発明において、前記制御部は、前記第２のモードにおいて、前記音源から所定時間前記反射波が受信できなかった場合に前記第１のモードに切替えることを特徴とする。

本発明によれば、騒音環境下での集音時に十分な防騒音効果を得ることができる、超指向性マイクロフォンシステムを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る超指向性マイクロフォンシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る超指向性マイクロフォンシステムの動作を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、単に、実施形態という）について詳細に説明する。なお、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号または符号を付している。

（実施形態の構成）
図１は、本実施形態に係る超指向性マイクロフォンシステムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る超指向性マイクロフォンシステム５は、超音波送信器１と、超音波受信器２と、制御部３と、により構成される。

本実施形態に係る超指向性マイクロフォンシステム５は、超指向性を得るために超音波を利用することとした。すなわち、超音波放射は、通常の音声放射に比べて極めて鋭い指向性を得ることができ、超音波は、気中を伝播中に物体に衝突すると高い効率で反射し、物体の振動によって振幅変調（ＡＭ）される。このため、ＡＭ変調された超音波を受信し、被変調波成分を取り除いて変調波である音声成分のみを抽出して音声入力する構成とした。

超音波送信器１は、電気信号を超音波に変換して音源４に向け空気中に放射する超音波スピーカであり、電気振動変換素子である超音波トランデューサ１０と、駆動回路１１とを含む。駆動回路１１は、発信器やクロック信号を分周する分周回路により共振周波数のパルス列を作り、これにより超音波トランデューサ１０を駆動する。

超音波受信器２は、話者である音源４によって反射される超音波を受け、空気中を伝わる超音波の機械的振動を電気信号に変換する超音波トランデューサ２０と、検波・増幅回路２１とを含む。検波・増幅回路２１は、超音波トランデューサ２０で変換された電気信号を検波、増幅して制御部３へ出力する。

制御部３は、超音波送信器１が音源４に向かって超音波を放射し、超音波受信器２が話者である音源４から音声成分が重畳された超音波の反射波を受信すると、受信した反射波から音声成分を抽出して取り込む。このため、制御部３は、主制御部３０と、超音波発生部３１と、ゲート部３２と、近接検出部３３と、増幅器３４と、信号解析部３５と、増幅部３６と、を含み構成される。

超音波発生部３１は、電気信号を振動エネルギーに変換する、例えば、圧電セラミックスを用いることによりキャリアとなる超音波を発生させる。具体的に、圧電セラミックスに電極を付けて交流転圧を印加すると圧電効果により振動して音が発生する。発生する音の周波数は印加する交流の周波数により決定され、２０［ｋＨｚ］以上で超音波が発生することが知られている。また、共振周波数で共振させることにより大きな振幅を得ることが出来、また、圧電セラミックスの形状を加工することで所望の振幅が得られることも知られている。

ゲート部３２は、超音波発生部３１で生成される超音波を主制御部３０による制御の下でゲートするもので、後述する待機モード（第１のモード）では、パルスをＯＮ／ＯＦＦすることにより生成された超音波を断続的に出力し、マイクロフォンモード（第２のモード）では、生成された超音波を連続的に出力するように制御される。

近接検出部３３は、話者である音源４の接近を検出する。超音波は、音であるため、常温の空気中を約３４０［ｍ／ｓ］の速度で伝搬する。したがって、音は１［ｃｍ］距離を約２８［μｓ］だけの時間を要して進む。すなわち、音源４に向けて超音波を放射してからさの超音波が音源に反射して戻るまでの時間を計測すれば、音源４までの距離を知ることができる。近接検出部３３は、音源４が所定の距離だけ近づいた場合に有効になる信号を主制御部３０に出力する。

増幅器３４は、超音波受信器２で受信したＡＭ変調された反射波を増幅して近接検出部３３、および信号解析部３５へ出力する。信号解析部３５は、受信した反射波を検波してキャリア成分を取り除き音声成分のみ抽出して取り込み、増幅部３６へ出力する。増幅部３６は、抽出された音声成分を増幅して音声出力する。

なお、主制御部３０は、制御部３が、超音波送信器１が音源４に向かって超音波を放射し、超音波受信器２が音源４から音声成分が重畳された超音波の反射波を受信すると、受信した反射波から音声成分を抽出して取り込むことができるように、超音波発生部３１、ゲート部３２、近接検出部３３、増幅器３４、信号解析部３５、増幅部３６のシーケンス制御を行う。

具体的に、主制御部３０は、超音波受信器２を超音波近接センサとして動作させる待機モード（第１のモード）と、待機モードにおいて音源４が所定の距離範囲に接近したことを検知すると超音波マイクロフォンとして動作させるマイクロフォンモード（第２のモード）とを切替え制御する。なお、主制御部３０は、マイクロフォンモードにおいて、音源４から所定時間反射波が受信できなかった場合に待機モードに切替える。

また、主制御部３０は、ゲート部３２を制御することにより、待機モードにおいて、超音波送信器１が断続的に超音波を放出するように制御し、マイクロフォンモードにおいて、超音波送信器１から連続的に超音波を放射するように制御する。また、主制御部３０は、近接検出部３３を制御して、待機モードにおいて、超音波送信器１が超音波を放出して超音波受信器２が検波するまでの時間を計測し、計測した時間が所定の範囲にあると、音源４が接近したことを検出する。

（実施形態の動作）
以下、図２のフローチャートを参照しながら、図１に示す本実施形態に係る超指向性マイクロフォンシステム５の動作について詳細に説明する。

図２によれば、制御部３（主制御部３０）は、常時、モード監視を行っている（ステップＳ１０１）。超音波発生部３１では安定したキャリアとなる超音波を生成しており、主制御部３０は、ゲート部３２を通じて発生した超音波を超音波送信器１に供給給する。音源４の接近を検知する待機モードでは（ステップＳ１０１“ＹＥＳ”）、主制御部３０がゲート部３２を制御してゲートをパルス状にＯＮ／ＯＦＦすることにより断続的に超音波を送出する（ステップＳ１０２）。

超音波送信器１から放出された超音波は、音源４に衝突すると反射し、超音波受信器２、増幅器３４を通して信号解析部３５で検波される。主制御部３０は、超音波を放射してから検波されるまでの時間を計測して超音波受信器２近傍に音源４が接近したことを検知すると（ステップＳ１０３“ＹＥＳ”）、動作モードの切替えを実行する（ステップＳ１０４）。音源４が所定距離範囲にない場合は（ステップＳ１０３“ＮＯ”）、ステップＳ１０２の処理に戻り、超音波を断続的に放射する動作を繰り返す。

主制御部３０は、近接検出部３３による音源４の接近検知を受けてゲート部３２をＯＮすることにより、超音波発生部３１で生成される超音波を連続して超音波送信器１へ出力し、超音波送信器１は、音源４に向けて連続放射する（ステップＳ１０５）。この時点で既にマイクロフォンモードへ移行している。マイクロフォンモードに移行すると、超音波発生部３１で生成された超音波は、ゲート部３２を通じて超音波送信器１から連続的に放出される。放射された超音波は音源４に衝突して反射され、超音波受信器２で受信されると（ステップＳ１０６“ＹＥＳ”）、主制御部３０は音声成分を抽出する。

具体的に、音源４が音声を発していれば、反射される超音波には音声による変調がかかって受信される。この反射波は主制御部３０により取り込まれ、増幅器３４を介して増幅され、信号解析部３５で被変調成分である超音波キャリアが取り除かれ、変調波である音声成分のみが抽出される（ステップＳ１０７）。そして、増幅部３６で適当な音声レベルに増幅後、音声出力される。なお、主制御部３０は、音源４から所定時間反射波が受信できず、音声入力がない場合に（ステップＳ１０８“ＹＥＳ”）、待機モードに切替える。

（実施形態の効果）
以上説明のように本実施形態に係る超指向性マイクロフォンシステム５によれば、制御部３は、超音波送信器１が音源４に向かって超音波を放射し、超音波受信器２が音源４から音声成分が重畳された超音波の反射波を受信すると、受信した反射波から音声成分を抽出して取り込む。したがって、超音波を使用した超指向性により周辺環境音に影響されることなく必要な音声成分のみを集音することが出来、したがって、防騒音効果を得ることができる。

また、本実施形態に係る超指向性マイクロフォンシステム５によれば、超音波受信器２を超音波近接センサとして動作させる待機モードと、この待機モードにおいて音源４が所定の距離範囲に接近したことを検知すると超音波マイクロフォンとして動作させるマイクロフォンモードとを切替え制御する構成とした。このため、音源４が所定の距離範囲にない限りマイクロフォンモードとして動作せず、したがって、鋭い指向特性の他に、音源４との間の距離や位置まで含めて特定して音声を集音する。このことにより、マイクロフォンの指向方向に騒音源が存在する場合でも十分な防騒音効果を得ることができる。また、待機モードでは、生成された超音波を断続的に放射することで省電力化にも貢献することができる。

なお、本実施形態に係る超指向性マイクロフォンシステム５は、例えば、高速道路等に設置されてある緊急電話等を使用した騒音環境下における集音に顕著な効果が得られる。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またそのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１…超音波送信器、２…超音波受信器、３…制御部、４…音源、５…超指向性マイクロフォンシステム、１０，２０…超音波トランデューサ、１１…駆動回路、２１…検波・増幅回路、３０…主制御部、３１…超音波発生部、３２…ゲート部、３３…近接検出部、３４…増幅器、３５…信号解析部、３６…増幅部

Claims (6)

1. 超音波送信器と超音波受信器とを含む超指向性マイクロフォンシステムであって、
   前記超音波送信器が音源に向かって超音波を放射し、前記超音波受信器が前記音源から音声成分が重畳された前記超音波の反射波を受信すると、前記受信した反射波から前記音声成分を抽出して取り込む制御部、
   を備えたことを特徴とする超指向性マイクロフォンシステム。
2. 前記制御部は、
   前記超音波受信器を超音波近接センサとして動作させる第１のモードと、前記第１のモードにおいて前記音源が所定の距離範囲に接近したことを検知すると超音波マイクロフォンとして動作させる第２のモードとを切替え制御することを特徴とする請求項１記載の超指向性マイクロフォンシステム。
3. 前記制御部は、
   前記超音波送信器が断続的に前記超音波を放出するように制御することを特徴とする請求項１または２記載の超指向性マイクロフォンシステム。
4. 前記制御部は、
   前記第１のモードにおいて、前記超音波送信器が前記超音波を放出して前記超音波受信器が検波するまでの時間を計測し、前記計測した時間が所定の範囲にあると、前記音源が接近したことを検出することを特徴とする請求項２記載の超指向性マイクロフォンシステム。
5. 前記制御部は、
   前記第２のモードにおいて、前記超音波送信器から連続的に前記超音波を放射するように制御することを特徴とする請求項２記載の超指向性マイクロフォンシステム。
6. 前記制御部は、
   前記第２のモードにおいて、前記音源から所定時間前記反射波が受信できなかった場合に前記第１のモードに切替えることを特徴とする請求項２または５記載の超指向性マイクロフォンシステム。

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