JP2017153030A - Sound source position estimating apparatus, sound source position estimating method, and sound sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、音源位置推定装置、音源位置推定方法および音センサに関する。 The present invention relates to a sound source position estimation device, a sound source position estimation method, and a sound sensor.
特許文献1および特許文献2には、複数のマイクロホンを用いて音源方向や音源位置を推定する技術の一例が示されている。特許文献1に記載されている技術では、携帯端末の筐体に取り付けられた複数のマイクロホンを用いて、音源が発した音が各マイクロホンに到達するまでの時間差を検知することで音源の方向が算出される。また、特許文献2に記載されている技術では、自動車のバンパーに取り付けた複数のマイクロホンを用いて、各マイクロホンの出力信号を周波数分析して得た周波数信号の時間軸を調整して波形同士の一致度合を求めた結果に基づき音源の方向または音源位置が算出される。
ところで、室内などで音源の位置を推定する場合、複数のマイクロホンをどのように設置するのかということが問題となる場合がある。精度良く音源の位置を推定しようとすると、音源からの音到達時間の時間差をなるべく大きくするために、複数のマイクロホンを一定程度離間して配置することが望ましい。しかしながら、このようにしてマイクロホンを常設する場合には、室内の使い勝手や居住性あるいは美観を損ねることになりかねない。特許文献1や特許文献2に記載されている技術ではこのような点ついて考慮がなされていない。
By the way, when estimating the position of a sound source in a room or the like, it may be a problem how to install a plurality of microphones. In order to estimate the position of the sound source with high accuracy, it is desirable to arrange a plurality of microphones at a certain distance in order to increase the time difference of the sound arrival time from the sound source as much as possible. However, when the microphone is permanently installed in this manner, indoor useability, comfortability, or aesthetics may be impaired. In the techniques described in
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、複数のマイクロホンの設置性を向上させることができる音源位置推定装置、音源位置推定方法および音センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a sound source position estimation device, a sound source position estimation method, and a sound sensor that can improve the installation of a plurality of microphones.
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、音を検出する複数の音検出手段と、前記複数の音検出手段で得られた音の時間差を推定する時間差推定手段と、前記時間差推定手段で得られた時間差から演算して音源の位置推定場所を演算する演算手段と、前記演算手段の演算結果を出力する出力手段とを備え、前記複数の音検出手段がフレキシブル基板上に構成されている音源位置推定装置である。 In order to solve the above problems, an aspect of the present invention provides a plurality of sound detection means for detecting sound, a time difference estimation means for estimating a time difference between sounds obtained by the plurality of sound detection means, and the time difference estimation means. And calculating means for calculating the position of the sound source by calculating from the time difference obtained in the step, and output means for outputting the calculation result of the calculating means, wherein the plurality of sound detecting means are configured on a flexible substrate. The sound source position estimation device.
また、本発明の一態様は、上記音源位置推定装置であって、前記フレキシブル基板が建材と一体化されている。 One embodiment of the present invention is the sound source position estimation device, in which the flexible substrate is integrated with a building material.
また、本発明の一態様は、上記音源位置推定装置であって、前記複数の音検出手段からの出力をAD(アナログ−デジタル)変換したものを記憶する記憶手段をさらに備える。 Further, one aspect of the present invention is the above-described sound source position estimation apparatus, further comprising storage means for storing the output from the plurality of sound detection means that is AD (analog-digital) converted.
また、本発明の一態様は、上記音源位置推定装置であって、前記AD変換間隔時間をtとしたときに、前記複数の音検出手段の間隔が音速×t/2以下である。
また、本発明の一態様は、上記音源位置推定装置であって、前記AD変換間隔時間をtとしたときに、前記複数の音検出手段の間隔が音速×t/2以上である。
Further, one aspect of the present invention is the sound source position estimation apparatus, wherein an interval between the plurality of sound detection units is equal to or lower than sound speed × t / 2, where t is the AD conversion interval time.
Further, one aspect of the present invention is the sound source position estimation apparatus, wherein an interval between the plurality of sound detection means is sound speed × t / 2 or more, where t is the AD conversion interval time.
また、本発明の一態様は、上記音源位置推定装置であって、前記演算手段が、前記複数の音検出手段の最高離間距離wに比し、前記各音検出手段からの距離が0.05w〜10wにある前記位置推定場所を演算する。 Further, one aspect of the present invention is the sound source position estimation apparatus, in which the calculation unit has a distance from each sound detection unit of 0.05 w compared to a maximum separation distance w of the plurality of sound detection units. The position estimation location at 10 to 10 w is calculated.
また、本発明の一態様は、フレキシブル基板上に構成されている複数の音検出手段によって音を検出し、時間差推定手段によって前記複数の音検出手段で得られた音の時間差を推定し、演算手段によって前記時間差推定手段で得られた時間差から演算して音源の位置推定場所を演算し、出力手段によって前記演算手段の演算結果を出力する音源位置推定方法である。 According to another aspect of the present invention, a sound is detected by a plurality of sound detection units configured on a flexible substrate, a time difference estimation unit estimates a time difference between sounds obtained by the plurality of sound detection units, and a calculation is performed. A sound source position estimation method in which a sound source position estimation place is calculated by calculating from the time difference obtained by the time difference estimation means by means, and a calculation result of the calculation means is output by output means.
また、本発明の一態様は、同一平面を音信号の受信面とし、前記受信面を通して受けた振動を電気信号に変換する変換部を有する素子を配列させて3以上備える音センサである。 Another embodiment of the present invention is a sound sensor including three or more elements in which a same plane is used as a sound signal receiving surface and an element having a conversion unit that converts vibration received through the receiving surface into an electric signal.
また、本発明の一態様は、上記音センサであって、前記複数の素子が、可撓性を有する基材上に塗工によって形成されたものである。 Another embodiment of the present invention is the above sound sensor, in which the plurality of elements are formed on a flexible base material by coating.
本発明によれば、音検出手段の設置性を容易に向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to easily improve the installability of the sound detection means.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る音源位置推定装置100の構成例を示すブロック図である。図1に示す音源位置推定装置100は、音センサ10と、A/D(アナログ/デジタル)変換装置20と、演算装置30と、表示装置40(出力手段)とを備える。音センサ10は、音を検出する複数の素子1(音検出手段)を有し、各素子1で検出した音(以下、音信号ともいう)を電気信号に変換してそれぞれ出力する。A/D変換装置20は、各素子1が電気信号として出力したアナログの各音信号をデジタルの各音信号に変換して出力する。演算装置30は、記憶部31(記憶手段)と、時間差推定部32(時間差推定手段)と、演算部33(演算手段)とを備える。記憶部31は、各素子1が出力したアナログの音信号をA/D変換装置20によってデジタルに変換した各音信号を記憶する。時間差推定部32は、複数の素子1で得られた音の時間差を推定する。演算部33は、時間差推定部32で得られた時間差から演算して音源の位置推定場所を演算する。表示装置40は、演算部33の演算結果を所定形式の画像や文字で表示する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a sound source
ここで図2を参照して図1に示す音センサ10の構成例について説明する。なお、各図において同一の構成には同一の符号を付けて説明を適宜省略する。図2に示す音センサ10は、同一平面を音信号の受信面11とし、受信面11を通して受けた振動を電気信号に変換する図示していない変換部を有する素子1を配列させて複数(3以上)備えている。図2に示す例で、音センサ10は、縦横6個ずつ2次元で合計36個の素子1を備えている。音センサ10において、各素子1は、フレキシブル基板上に構成されている。受信面11は、各素子1を構成するフレキシブル基板の基材の外表面やフレキシブル基板の保護膜(あるいは保護層)の外表面である。例えば、フレキシブル基板の基材は可撓性を有するポリアミド等からなるフィルムであり、保護膜(もしくは保護フィルム)あるいは保護層もポリアミド等から構成されている。
A configuration example of the
図2に示す例では、各素子1を構成するフレキシブル基板が、部屋200の内壁201と一体化されている。ただし、各素子1を構成するフレキシブル基板は、内壁201に限らず、天井や外壁あるいは扉、窓等の他の建材と一体化されていてもよい。
In the example shown in FIG. 2, the flexible substrate constituting each
なお、図2に示す例では複数の素子1を格子状に2次元で配列させているが、例えば図3に示すように各素子1は横一列の1次元で配列されていてもよい。あるいは、各素子1は縦一列の1次元で配列されていてもよい。
In the example shown in FIG. 2, the plurality of
ここで、図4〜図6を参照して音センサ10および素子1の構成例について説明する。図4は、図2に示す音センサ10の構成例を模式的に示す斜視図である。図4に示す音センサ10は、フレキシブル基板の基材14と、基材14上に例えば塗工によって形成された梁(はり)13と、フレキシブル基板の保護膜12とを備える。これらの基材14と梁13と保護膜12とで囲まれた内部は、例えば図5に示すように構成されている。
Here, with reference to FIGS. 4-6, the structural example of the
図5は、図4に示す音センサ10の構成例を模式的に示す断面図である。基材14は図示していない接着層を介して取り付けおよび取り外し自在に内壁201に接着されている。梁13は、図4に示すように音センサ10の端部のほか、各素子1間の境界部分にも設けられていて、基材14と保護膜12とを離間させて空間16を形成するとともに、各素子1に対応する空間16を分離する機能を持つ。この場合、保護膜12の外表面が音信号の受信面11を構成する。また、保護膜12は複数の貫通穴121を有している。各素子1は、受信面11を通して受けた振動を電気信号に変換する変換部15を備える。変換部15は、音により体積または形状の変化する材料あるいは機構を有し、その材料または機構の体積または形状変化を電気的変化に変換して出力する部品である。変換部15は、例えば圧電素子であり、可撓性を有する基材上に塗工(印刷等)によって形成されている。ただし、変換部15は、圧電素子に限らず、コンデンサマイクや電磁誘導を用いたマイク等でもよい。各素子1の各変換部15は、所定の間隔で離間して配列されている。変換部15は、受信面11を構成する保護膜12の貫通穴121を通した波動あるいは保護膜12自体を通した波動を空間16を介して受けて振動し、その振動を電気信号に変換する。なお、貫通穴121は、1つであってもよいし、省略されていてもよい。
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the
図6は、図4に示す音センサ10の他の構成例を模式的に示す断面図である。図6に示す構成例では、保護膜12が図示していない接着層を介して取り付けおよび取り外し自在に内壁201に接着されている。また、基材14の外表面が音信号の受信面11を構成する。変換部15は、受信面11を構成する基材14を通した波動を受けて振動し、その振動を電気信号に変換する。保護膜12の貫通穴121aは、図5に示した貫通穴121と大きさや個数が異なっていてもよいし、省略されていてもよい。
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing another configuration example of the
次に、図7および図8を参照して、図1に示す音源位置推定装置100の動作例について説明する。図7は、音源(不図示)が十分に遠く音信号が平行波となった時の音源から複数の各変換部15(図7ではセンサS1〜S4として示す)までの音信号の到達時間の時間差Δt21〜Δt43を示す。図8は、音源SSが近傍にあり、複数の各変換部15(図8ではセンサS1〜S4として示す)が球面波の一部を検知しているときの時間差Δt32およびΔt43を示す。ここで、時間差Δt21はセンサS1とセンサS2間の時間差、時間差Δt32はセンサS2とセンサS3間の時間差、時間差Δt43はセンサS3とセンサS4間の時間差である。
Next, an operation example of the sound source
音源位置推定を行う場合、音源位置推定装置100は、まず複数の素子1からの音信号を得て、A/D変換装置20によってAD(アナログ−デジタル)変換を行い、演算装置30の記憶部31に記憶する。演算装置30では、時間差推定部32が、例えば、サンプリングしたセンサS1−センサS2間のデジタルデータを、推定遅れ時間相当のサンプリング分ずらしながら積和し、相互相関を求める。最も相互相関が高い、遅れ時間相当サンプリングより、センサS1−S2間の遅れ時間Δt21を推定する。この時、一度FFT(高速フーリエ変換)、DFT(離散フーリエ変換)等で周波数成分に変換したのちに、遅れ時間に相当する位相遅延を持って遅れ時間を推定しても良い。相互相関のピークを求めたときに、複数あるときには、音源が複数有ると推定しても良い。一方、最終的に壁からのエコーである場合には各センサに対してたてた連立方程式を解いた後に、音源が単数として求めても良い。
When performing sound source position estimation, the sound source
また、センサS1〜S4等を横方向に一次元に配置したときには、平面方向(XY方向)の位置推定が可能である。XY位置の推定には、音源の位置をX、Yとおき、センサの間隔から、連立方程式を解けばよい。また、遺伝法から最も近いx、yを推定しても良い。複数音源のx、yが求まった時に、改めて音源ごとに周波数変換により音紋を求め、個人が違うか同じか同定しても良い。 Further, when the sensors S1 to S4 and the like are arranged one-dimensionally in the lateral direction, the position in the plane direction (XY direction) can be estimated. To estimate the XY position, the position of the sound source is set to X and Y, and simultaneous equations are solved from the sensor interval. Further, the closest x and y may be estimated from the genetic method. When x and y of a plurality of sound sources are obtained, a sound pattern may be obtained again by frequency conversion for each sound source to identify whether individuals are different or the same.
ここで、センサS1とセンサS2に入力された音の時間ずれを求める方法について一例を説明する。 Here, an example of a method for obtaining a time lag between sounds input to the sensors S1 and S2 will be described.
(1)音源位置推定装置100では、まず、20kHzのアナログLPF(ローパスフィルタ)通して、センサS1の音を100kHzでデジタルサンプリングする(例えば1秒10万点)。
(1) In the sound source
(2)次に、20kHzのアナログLPF通して、センサS2の音を100kHzで デジタルサンプリングする(例えば1秒10万点)。 (2) Next, the sound of the sensor S2 is digitally sampled at 100 kHz through an analog LPF of 20 kHz (for example, 100,000 points per second).
(3)次に、センサS1のサンプリングがS1−1〜S1−100000、センサS2のサンプリングがS2−1〜S2−100000として下式を用いて、センサS1とセンサS2について、10×Nマイクロ秒ずれたときの相互相関を求める。 (3) Next, the sampling of the sensor S1 is S1-1 to S1-100000, and the sampling of the sensor S2 is S2-1 to S2-100000. Find the cross-correlation at the time of deviation.
(4)上式のNを−100,000から100,000まで変えて演算すると、相互相関にピークが生じるので、その時の、Nの値を持って、音のずれ時間とする。このピークは、音源の数と同じだけ生じる。 (4) When N in the above equation is changed from −100,000 to 100,000, a peak occurs in the cross-correlation, and the value of N at that time is used as the sound shift time. This peak occurs as many as the number of sound sources.
次に、演算部33における位置推定の仕方について説明する。
Next, a method of position estimation in the
各センサS1、S2、…の位置座標を、センサS1について(a1,0)、センサS2について(a2,0)、…とする。また、求める音源の座標を(x,y)とする。また、音速をVsとする。演算部33は、次の連立方程式をとくことで、x、yを求めることができる。
The position coordinates of the sensors S1, S2,... Are (a1, 0) for the sensor S1, (a2, 0),. Further, the coordinates of the sound source to be calculated are (x, y). The sound speed is Vs. The
以上のように、本実施形態によれば、複数の素子1(音検出手段)の設置性を容易に向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, the installability of the plurality of elements 1 (sound detection means) can be easily improved.
なお、本実施形態の音源位置推定装置100は、次のような場合に高精度に音源位置推定を行うことができる。すなわち、AD変換間隔時間をtとしたときに、センサ間隔(変換部15の間隔=素子1の間隔)が音速×t/2以下であることが、フーリエ変換で周波数関数で遅れ時間推定を行う時には望ましい。センサ間隔(変換部15の間隔=素子1の間隔)が音速×t/2以上であることが、時間軸上で遅れ時間推定を行う時には望ましい。また、センサ(変換部15=素子1)の最高離間距離wに比し、位置推定距離が0.05w〜10wにあることが望ましい。
Note that the sound source
本実施形態では、上述したようなフィルム型音センサアレイを用いて、音源位置特定を行う。また、複数の変換部15からの電気信号の時間ずれを元に、音源の位置を推定する。したがって、意匠性が高い。また、センサ近傍の平行波でない音源の推定も可能である。
In the present embodiment, the sound source position is specified using the film type sound sensor array as described above. Further, the position of the sound source is estimated based on the time lag of the electrical signals from the plurality of
なお、本発明の実施の形態は上記のものに限定されない。例えば、音センサ10は、建材に限らず、移動物体や水中に設置されていてもよい。また、受信面11は、複数に分割されていてもよい。また、受信面11が複数の異なる方向を向いていてもよい。また、A/D変換装置20、演算装置30および表示装置40は一体的に構成されていてもよい。また、表示装置40に代えてあるいは加えて、出力手段として記憶装置、印刷装置、通信装置などを用いることができる。
The embodiment of the present invention is not limited to the above. For example, the
100 音源位置推定装置
1 素子
10 音センサ
11 受信面
15 変換部(センサS1、S2、S3、S4)
S1、S2、S3、S4 センサ(変換部15)
20 A/D変換装置
30 演算装置
31 記憶部
32 時間差推定部
33 演算部
40 表示装置
201 内壁(建材)
DESCRIPTION OF
S1, S2, S3, S4 sensor (conversion unit 15)
20 A /
Claims (9)
前記複数の音検出手段で得られた音の時間差を推定する時間差推定手段と、
前記時間差推定手段で得られた時間差から演算して音源の位置推定場所を演算する演算手段と、
前記演算手段の演算結果を出力する出力手段と
を備え、
前記複数の音検出手段がフレキシブル基板上に構成されている
音源位置推定装置。 A plurality of sound detection means for detecting sound;
Time difference estimation means for estimating a time difference between sounds obtained by the plurality of sound detection means;
Calculation means for calculating the position estimation location of the sound source by calculating from the time difference obtained by the time difference estimation means,
Output means for outputting the calculation result of the calculation means,
A sound source position estimation apparatus in which the plurality of sound detection means are configured on a flexible substrate.
請求項1に記載の音源位置推定装置。 The sound source position estimation apparatus according to claim 1, wherein the flexible substrate is integrated with a building material.
さらに備える請求項1または2に記載の音源位置推定装置。 The sound source position estimation apparatus according to claim 1, further comprising a storage unit that stores AD (analog-digital) converted outputs from the plurality of sound detection units.
請求項3に記載の音源位置推定装置。 The sound source position estimation apparatus according to claim 3, wherein an interval between the plurality of sound detection means is a sound speed × t / 2 or less when the AD conversion interval time is t.
請求項3に記載の音源位置推定装置。 The sound source position estimation apparatus according to claim 3, wherein an interval between the plurality of sound detection means is a sound speed × t / 2 or more when the AD conversion interval time is t.
請求項1から5のいずれか1項に記載の音源位置推定装置。 The calculation unit calculates the position estimation place where the distance from each sound detection unit is 0.05 w to 10 w as compared with the maximum separation distance w of the plurality of sound detection units. The sound source position estimation apparatus according to claim 1.
時間差推定手段によって前記複数の音検出手段で得られた音の時間差を推定し、
演算手段によって前記時間差推定手段で得られた時間差から演算して音源の位置推定場所を演算し、
出力手段によって前記演算手段の演算結果を出力する
音源位置推定方法。 The sound is detected by a plurality of sound detection means configured on the flexible substrate,
Estimating a time difference between sounds obtained by the plurality of sound detection means by the time difference estimation means;
By calculating from the time difference obtained by the time difference estimating means by the calculating means to calculate the position estimation location of the sound source,
A sound source position estimation method for outputting a calculation result of the calculation means by an output means.
音センサ。 A sound sensor comprising three or more elements in which the same plane is used as a sound signal receiving surface, and an element having a conversion unit that converts vibration received through the receiving surface into an electric signal is arranged.
請求項8に記載の音センサ。 The sound sensor according to claim 8, wherein the plurality of elements are formed by coating on a flexible base material.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016035872A JP2017153030A (en) | 2016-02-26 | 2016-02-26 | Sound source position estimating apparatus, sound source position estimating method, and sound sensor |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019107197A (en) * | 2017-12-18 | 2019-07-04 | 株式会社三共 | Game machine |
-
2016
- 2016-02-26 JP JP2016035872A patent/JP2017153030A/en active Pending
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