JP3630553B2 - マイクロフォンの指向特性を制御する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車に使用される音声認識装置に設けられるマイクロフォンの制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音声認識装置は、話者が発した単語、文章を認識するものであり、音声認識装置に対する音声の入力には認識率の向上のためにヘッドセットのマイクロフォンが使用される。近年、自動車にも音声認識装置が搭載され、例えば、の音声ダイアル等に使用するために種々の開発が行われている。このハンズフリー電話システムでは、運転手がヘッドセットを付けると、運転に支障があるので、一定の場所に固定されたマイクロフォンが使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、固定されたマイクロフォンには話者と固定マイクロフォンとの間に一定の距離が生じるため自動車の走行時に発生する車室内の騒音が入って来て音声認識装置の認識率の向上が困難になるという問題がある。
この問題の解決方法として指向特性のあるマイクロフォンが使用されるが、必ずしも必要な指向性が得られず、特に、話者に対して感度がピークとなり、車室内の騒音に対して感度がディップとなる条件のマイクロフォンを得ることができない。
【０００４】
さらに、複数のマイクロフォンより入力された信号をデジタル的に信号処理することにより、ノイズの除去する方法もあるが、高性能なＣＰＵ（中央演算装置）を必要とするため、コスト的に実現段階で問題が発生する。
したがって、本発明は、上記問題点に鑑み、騒音到来方向に感度がディップとなり、話者方向に感度がピークとなるように指向特性を制御してＳ／Ｎを改善しつつ低廉なコストを実現できるマイクロフォン指向特性の制御方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記問題点を解決するために、本発明では、騒音下で話者の音声を抽出するマイクロフォンの指向特性を制御する装置において、直線的で等間隔に配置され、且つ平面音波を入力する複数のマイクロフォンを備え、さらに、前記複数のマイクロフォンのうち、中央に位置する第１マイクロフォンの両隣に配置された第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取り、該差分信号を出力する差分手段と、前記第１マイクロフォンの出力信号と前記差分信号とを加算する加算手段とを有するマイクロフォン回路を備え、前記各出力信号の利得を調整することにより、前記マイクロフォンの指向特性を制御するようにした。
また、本発明では、騒音下で話者の音声を抽出するマイクロフォンの指向特性を制御する装置において、直線的に等間隔で配置され、前記音声による平面音波を入力する複数のマイクロフォンを備え、さらに、前記複数のマイクロフォンのうち、中央に位置する第１マイクロフォンの両隣に配置された第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取り、差分信号を出力する差分手段と、前記差分信号を積分し、積分信号を出力する積分手段と、前記第１マイクロフォンの出力信号と前記積分信号とを加算する加算手段とを有するマイクロフォン回路を備えることとし、前記差分手段と前記加算手段との利得を調整することにより、前記マイクロフォンの指向特性を制御するようにした。
そして、前記マイクロフォン回路は、前記第１のマイクロフォンの左右に配置された第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取ることにより、前記第２及び第３マイクロフォン間の中央の対称軸で８の字型で正負極を有する８の字型指向特性を形成する差動増幅器と、前記差動増幅器により得られた結果を積分して前記差動増幅器により得られる低周波数での指向特性の低下を回復する積分器と、前記積分器の出力信号と前記第１マイクロフォンの出力信号を加算し、前記差動増幅器で得られる前記８の字型指向特性の一方の極を消去して他方の極を強調して指向特性を鋭くする加算器とを備えることとした。
前記差動増幅器と前記積分器との間に低域通過フィルタを設け、前記差動増幅器により得られた指向特性の高周波数の補償を行とした。或いは、前記積分器に含まれるオペアンプに係る帰還抵抗の中間点と接地との間を交流的に短絡するようにし、前記低域通過フィルタに含まれるオペアンプの容量帰還部が、容量分割回路であることとした。
また、前記複数のマイクロフォンは、前記第１マイクロフォン、該第１マイクロフォンを挟む左右の第２及び第３マイクロフォン、該第２及び第３マイクロフォンの外側に配置された左右の第４及び第５マイクロフォンからなり、前記音声の平面音波が各々のマイクロフォンに入力され、前記マイクロフォン回路は、前記各マイクロフォンの出力信号を処理して、８の字型で且つ対称軸で正負極を有する第１の８の字型指向特性を形成し、該第１の８の字型指向特性の一方の極を消去して他方の極を強調し、さらに、消去、強調した指向特性に第２の８の字型指向特性を掛けた新たな指向特性を形成するようにした。
そして、前記マイクロフォン回路は、前記第１乃至第５マイクロフォンについて、前記第２マイクロフォンと前記第１マイクロフォンとの平面音波を共通にし、且つ前記第３マイクロフォンと前記第５マイクロフォンの平面音波を共通にし、３つの中央及び左右のマイクロフォンの出力信号として処理し、前記新たな指向特性を近似的に求めることとし、或いは、前記マイクロフォン回路は、前記第３マイクロフォンと前記第１マイクロフォンとの平面音波を共通にし、且つ前記第２マイクロフォンと前記第４マイクロフォンの平面音波を共通にし、３つの中央及び左右のマイクロフォンの出力信号として処理し、前記新たな指向特性を近似的に求めることとした。
また、前記マイクロフォン回路は、前記第５マイクロフォンと前記第３マイクロフォンとの平面音波を共通にし、且つ前記第４マイクロフォンと前記第２マイクロフォンの平面音波を共通にし、３つの中央及び左右のマイクロフォンの出力信号として処理し、前記新たな指向特性を近似的に求めることとし、前記マイクロフォン回路は、前記中央マイクロフォンと前記左及び右マイクロフォンからなる前記３つのマイクロフォンの出力信号について、前記中央マイクロフォンの出力信号に利得２を掛け、前記左及び右マイクロフォンの各々の出力信号に利得−１を掛けて、第１の加算を行い、さらに、第１の積分処理を行 い、前記左マイクロフォンの出力信号に利得１を掛け、前記右マイクロフォンの出力信号に利得−１を掛けて、前記第１の積分処理結果に第２の加算を行い、さらに、第２の積分を行うようにした。
前記各マイクロフォンの相互の間隔を狭めることにより、高周波数の指向特性を高めることとし、または、自動車の車室内における前記複数のマイクロフォンの取付位置によって、マイクロフォンの指向特性におけるディップ方向が特定されるようにし、前記マイクロフォン回路は、前記第１乃至第３マイクロフォンの各利得を変えることにより、マイクロフォンの指向特性におけるディップの方向を可変にすることとした。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係るマイクロフォン指向特性の制御方法及び装置は、前述のように、自動車に使用される音声認識装置に適用され、例えば、周波数範囲３００Ｈｚから５ｋＨｚまでの音放射に関して、複数の、例えば、２〜３個のマイクロフォンを等間隔に直線配置にして、話者方向に対しては感度をピークにし自動車の床方向に対しては感度をディップにする指向特性を有することにより、１個のマイクロフォンの使用と比較して、以下のように、Ｓ／Ｎの改善を行う。
【０００７】
マイクロフォン２ペアの指向特性
図１は本発明に係る２個のマイクロフォンの直線配置の指向特性例を説明する図である。本図に示す如く、距離ｄだけ離れた２つのマイクロフォンＭＩＣ１及びＭＩＣ２が直線上に配置され、角度θ方向から平面波が到来しているとする。２つのマイクロフォンＭＩＣ１及びＭＩＣ２の間の中心位置Ｏを基準点（注目点）、各マイクロフォンＭＩＣ１及びＭＩＣ２の音圧は、次式（１）のように、示される。Ｒは距離、またｋ＝（ω／ｃ）は波長定数である（ｃは音速）。
【０００８】
【数１】

【０００９】
２つのマイクロフォンの出力の和
マイクロフォンＭＩＣ１とＭＩＣ２の各出力の和を、次式（２）のように、全体の出力とする場合を考える。ここで、マイクロフォンＭＩＣ１とＭＩＣ２の感度の大きさは特に指定しないで両者は等しいとする。
【００１０】
【数２】

【００１１】
したがって、指向性関数Ｄは次式（３）のようになる。
【００１２】
【数３】

【００１３】
図２は式（３）の指向特性の概略を説明する図である。本図に示すｋｄは、ｄ＝４ｃｍ、ｃ＝３４０ｍ／ｓとすると、次式（４）で示される。
【００１４】
【数４】

【００１５】
上式（４）から、それぞれの周波数のｋｄの値は下記表１のようになる。
【００１６】
【表１】

【００１７】
したがって、上記表１からも分かるように、単純加算の場合、周波数ｆ＝１５００Ｈｚ以上では指向特性が強い楕円になるが、周波数ｆ＝１５００Ｈｚ未満の低周波では一方向の指向特性が弱い円になり一方向の指向特性を強くすることが困難である。
２つのマイクロフォンの出力の差
マイクロフォンＭＣ２の出力からマイクロフォンＭＣ１の出力の差を全体の出力とする場合を考える。この場合の指向性関数Ｄは、次式（５）で与えられる。
【００１８】
【数５】

【００１９】
図３は式（５）の指向特性の概略を説明する図である。本図に示すように、上記式（５）は８の字型で対称軸に対して正負極の指向特性を有するが、指向特性の大きさは低い周波数域では、周波数に比例して小さくなる。それゆえ、２つのマイクロフォンの出力差を取る方式では、その後に積分器が不可欠となる。１／ｊωτの利得の積分器を用いると、指向性関数Ｄは次式（６）のようになる。
【００２０】
【数６】

【００２１】
ビームフォーマ
以上の式（３）、式（６）の２つの指向性関数Ｄが、以下にビームフォーマを考えるときの基本要素といえる。
一方に位相器を付加した２つのマイクロフォンの出力の和
図４は、指向性形成のブロックダイヤグラム１であって、２つのマイクロフォンの出力の和を取る方式に位相器を付加した構成例を示す図である。本図に示す如く、マイクロフォン回路１０ではマイクロフォンＭＩＣ２の出力にＡｌｌ Ｐａｓｓ（全域通過）の遅延回路を付加してその出力とマイクロフォンＭＩＣ１の出力との和が取られる。この場合の指向特性関数Ｄは次式（７）、（８）で示される。
【００２２】
【数７】

【００２３】
図５、図６は、図４の指向特性について、ｄ＝４ｃｍ、τ＝１３５μｓｅｃとして、式（８）の各周波数の数値計算結果例を説明する図である。図５、図６に示す如く、本方式では、低周波数で、特定方向への指向性は実現不可能である。構成が簡単であるが、
｜Ｄ｜＝２ｃｏｓ｛（ｋｄ／２）ｃｏｓθ＋ｔａｎ^−１ωτ｝の形であるから低い周波数でのある特定方向への指向特性を大きく取れない欠点がある。この方式により、広い周波数範囲で、図５（ｄ）のような指向特性を実現するには、Ａｌｌ Ｐａｓｓによる位相推移でなく、各周波数に対して、それぞれ適切な位相推移を与える必要がある。
【００２４】
一方に位相器を付加した２つのマイクロフォンの出力の差に積分器の付加
図７は、指向性形成のブロックダイヤグラム２であって、図５、６に式（６）を基本として位相推移を付加した構成例を示す図である。本図のマイクロフォン回路１０より得られる指向特性Ｄは、次式（９）、（１０）で示される。
【００２５】
【数８】

【００２６】
ここで、図４、式（７）、（８）に用いられているτをτ＝ＣＲとして示す。
図８、図９は、図７の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、ＣＲ＝６３μｓｅｃ、τ＝８７μｓｅｃとして、式（１０）の各周波数での数値計算結果例を説明する図である。ＣＲの値は、θ＝４５°で、Ｄがディップを有するように設定している。
【００２７】
この（１／ωτ）ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ−ｔａｎ^−１ωＣＲ〕の形は、ｃｏｓ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ＋ｔａｎ^−１ωτ〕よりは、低周波数で良好な指向性が得やすい。
２つのマイクロフォンの出力の差の特性に正値を加算
図１０は指向性形成のブロックダイヤグラム３を示す図である。式（６）は、図３に示すように、原点を中心とする対称軸に対して横８の字の指向性を有するので、図４、図７の位相器を使わずに、本図に示すマイクロフォン回路１０では、８の字のマイナス（負）側を正値で打ち消し、プラス（正）側を強調したビームフォーマが考えられる。
【００２８】
図１０において、Ｄは次式（１１）となる。
【００２９】
【数９】

【００３０】
図１１、図１２は、図１０の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとして、式（１１）の各周波数での数値計算結果例を説明する図である。なお、τの値は、θ＝４５°でＤがディップを有するように設定している。本図により、図１０の本方式は、本方式を含めて、図４、図７との３通りの方式中で、低い周波数からかなり高い周波数まで最も良好な指向性が実現可能であることがわかる。
【００３１】
３マイクロフォン直線配置積分方式
図１０で示した３マイクロフォン積分方式が低い周波数からかなり高い周波数まで、広範囲に良好な指向特性が得られるから、これについて以下に詳細に検討を行う。
図１３は３マイクロフォン直線配置積分方式を採用する基本構成を説明する図である。本図に示すように、３つのマイクロフォンが等間隔に直線配置され、マイクロフォン回路１０では、それぞれの出力は積分器、加算器を用いて、合成して所望の出力が得られる。後述するように、利得を適当に調整することにより感度のディップ点は任意に設定できる。なお、ＬＰＦ（低域通過フィルタ）は、後述するように、高い周波数での指向特性の劣化を補償するものである。説明の都合上、ＬＰＦを用いない場合について、再度、詳しく述べる。図１３でＬＰＦを用いない場合の指向性関数Ｄは、次式（１２）のようになる。
【００３２】
【数１０】

【００３３】
ｋｄ／２≪１、すなわち、低い周波数では、指向性関数Ｄは次式（１３）のようになる。
【００３４】
【数１１】

【００３５】
図１４は式（１３）の概略を説明する図である。τ＝ｃ／ｄとすると、θに対する式（１３）の指向性関数｜Ｄ｜の分布は本図に示すようになる。
図１５はωに対する２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτの変化を説明する図である。ωに対する２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτの変化を各θにおいて調べると、本図に示すようになる。ただし、ここではτの値はθ＝０°で｜Ｄ｜が零となるように設定している。
【００３６】
図１５の１）ｄ＝４ｃｍにおいて、θ＝０°で２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτは１で式（１２）は０となる。そして、周波数が１ｋＨｚ弱までは、各θに対する値はｆ＝０のときとほぼ同じであるから、その指向特性は図１４のようになる。
図１６は指向特性の劣化の概要を説明する図である。しかし、さらに、上記周波数１ｋＨｚよりも高くなると、｜Ｄ｜の分布は、概略、図１６（ａ）のように劣化する。
【００３７】
また、図１５の３）ｄ＝８ｃｍにおいて、周波数４ｋＨｚ以上になると、図１６（ｂ）のように、さらに指向特性が劣化する。したがって、ｄを大きくするほど、高い周波数の指向特性は劣化が生じ易くなる。
次にＬＰＦを用いて、高い周波数での指向特性を補償することを考える。
図１４の目標とする指向特性を高い周波数で実現するには、各θでの２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτの値をθ＝０のときの値にそろえることが必要である。そこで、ここでは、図１３に示す如くＬＰＦを設けて、高い周波数での２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτの値の大きさの低下を、ＬＰＦの共振特性によるピーキングで補償する考えを取る。
【００３８】
上記のＬＰＦの伝達関数は次式（１４）のようになる。
【００３９】
【数１２】

【００４０】
したがって、周波数が低い方からｆ_０ までの大きさの拡大を利用して、指向特性の補償が行われる。しかしながら、図１４の３）ｄ＝８ｃｍの場合は、周波数約４ｋＨｚ以上では、本方法をもってしても、補償は不可能である。
図１７は式（１４）の振幅特性を説明する図である。ＬＰＦを用いた場合は、本図に示すように、指向性関数Ｄは次式（１５）のようになる。
【００４１】
【数１３】

【００４２】
もともとの低周波数において、（ｃ：音速）次の関係の式（１６）のように、
【００４３】
【数１４】

【００４４】
とすればよい。
指向特性の数値計算例
ＬＰＦを用いない場合のｄ＝６ｃｍについて、指向特性を計算した結果は、前述の図１１、図１２に掲げている。ただし、θ＝４５°でディップをもたせるためにτ＝１２０μｓｅｃとしている。
【００４５】
図１８、図１９は、ｄ＝６ｃｍにおいて、ＬＰＦを用い周波数での特性改善を図った計算結果例を説明する図である。本図（ａ）から（ｇ）の結果から、ＬＰＦによる特性改善がよく分かる。ここに、ＬＰＦにおいて、ｆ_０ ＝６８００Ｈｚ、Ｑ＝２０、ｄ＝６ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃである。
次に、ｄ＝４ｃｍとして、θ＝０°でディップを与える場合を取り上げる。式（１６）からτ≒１２０μｓｅｃと求まる。この場合のＬＰＦを用いて高周波補償を施した。
【００４６】
図２０、図２１は図１３の指向性関数Ｄの数値計算結果例を説明する図である。本図に示すように、ｄ＝６ｃｍからｄ＝４ｃｍに変更したことによって、かなり高い周波数まで良好な指向特性が得られている。
図２２は、ｄ＝６ｃｍ、θ＝４５°ディップ又はｄ＝４ｃｍ、θ＝０°ディップの場合に図１３の基本的構成を具体化したマイクロフォン回路１０の構成例を示す図である。ただし、図１３の基本構成の各経路に−１を乗じた形となっている。本図に示すマイクロフォン回路１０は、マイクロフォンＭＣ２とＭＣ３とからの出力信号を入力してこれらの差を形成する差動増幅器１１と、差動増幅器１１の出力に接続されて高周波補償を行うＬＰＦ１２と、ＬＰＦ１２に接続されて積分を行う積分器１３と、積分１３の出力とマイクロフォンＭＣ１の出力とを加算する加算器１４とからなる。図２２に示される差動増幅器１１、ＬＰＦ１２、積分器１３、加算器１４を形成する、トランジスタ、オペアンプの種類、抵抗、コンデンサ等の値は一例である。ここで、ｄ＝６ｃｍ、θ＝４５°でディップをもたせるものとして、τ＝１２０μｓｅｃである（ｄ＝４ｃｍ、θ＝０°でディップの場合も本回路構成となる）。
【００４７】
次に、積分器１３として、従来の積分器をそのまま使用すると、その構成には、２つの問題があった。積分器１３を構成するオペアンプ（ＯＰ）のオフセットを取るための帰還抵抗は、理想に近い積分特性実現のために高抵抗値を与えている。しかし、
▲１▼ それでも低周波（３００Ｈｚ付近以下）では、理想の積分特性を実際に得ることが相当に難しい。他方、帰還抵抗大である。
【００４８】
▲２▼ そのため、前段の僅かなオフセット誤差（差動増幅器１１を構成するＯＰ１に積分特性をもたせた場合は、直流差動誤差）によっても、積分器１３の出力に大きな直流誤差を生ずる。
以上の問題点の解決方法として、図２２の回路図に示すように、積分器１３の帰還抵抗の中間点と接地間を交流点に短絡するにしてある。ただし、Ｒ_Ｃ２、Ｒ_Ｃ３に比べて、短絡用容量（インピーダンス）は十分に小さくする必要がある。
【００４９】
次に、図２２のマイクロフォン回路の各回路の動作を説明する。
図２３は図２２の差動増幅回路１１を説明する図である。本図の点Ｐにおいて、次式（１７）、（１８）が成立する。
【００５０】
【数１５】

【００５１】
上式において、次式（１９）：
【００５２】
【数１６】

【００５３】
の条件が満足されるとすれば、次式（２０）が成立する。
【００５４】
【数１７】

【００５５】
ここで、Ｒ_Ａ１＝Ｒ_Ａ２ Ｒ_Ａ３＝Ｒ_Ａ４とすると、次式（２１）が成立する。
【００５６】
【数１８】

【００５７】
図２４は図２２の高ＱのＬＰＦ１２を説明する図である。本図に、安定な動作が期待できる多重帰還形ＬＰＦが示される。ここで、Ｃ_Ｂ４とＣ_Ｂ５の容量分割回路を用いることによって、従来、困難であったＱの高Ｑ化が実現できる。本構成の場合、有限ＧＢ積の影響は無視できない。
図２４において、次式（２２）が成立する。
【００５８】
【数１９】

【００５９】
また、図２４の点Ｐにおいて、次式（２３）が成立する。
【００６０】
【数２０】

【００６１】
それゆえ、本ＬＰＦ１２の伝達関数は次式（２４）の通りになる。
【００６２】
【数２１】

【００６３】
そして、周波数域を分母３次の項が無視できる範囲とするならば、次式（２５）のように簡略化される。
【００６４】
【数２２】

【００６５】
ただし、式（２６）の関係がある。
【００６６】
【数２３】

【００６７】
図２５は図２２の低周波数域まで動作可能な積分回路１３を説明する図である。本図の積分回路１３において、本来、Ｃ’は電界コンデンサの大きな容量を用い、交流的には零インピーダンスを目標としている。しかしながら、ここで、この容量Ｃ’の影響を、以下に、調査する。
有限ＧＢ積を無視して、点Ｐの電流の連続性を取ると、次式（２７）、（２８）が成立する。
【００６８】
【数２４】

【００６９】
したがって、次式（２９）：
【００７０】
【数２５】

【００７１】
の理想の積分特性を得るための十分条件は、次式（３０）：
【００７２】
【数２６】

【００７３】
となる。
図２６は図２２の加算回路１４を説明する図である。本図のＰ点において、次式（３１）、（３２）が成立する。
【００７４】
【数２７】

【００７５】
したがって、次式（３３）、（３４）が成立する。
【００７６】
【数２８】

【００７７】
以上の各回路を結合した図２２において、式（３５）、（３６）が成立する。
【００７８】
【数２９】

【００７９】
ただし、ω_０ とＱは式（２６）に表示している。
このように、複数のマイクロフォンとアナログ回路を用いることで、低コストで所望のマイクロフォンの指向特性を得ることが可能になる。
ビームフォーマの尖鋭化
基本的考え方
図２７は自由空間内の半分に指向特性をもつマルチマイクロフォンのシステムとして３マイクロフォン直線配置積分方式の例を示す図である。本図に示すマイクロフォン回路１０では、自由空間内の半分に指向特性を有するマルチマイクロフォンのシステム、例えば、図１３（図２７に再掲）の指向特性にｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）、つまり横８の字を掛けることにより、さらにビームを鋭くすることを考えた。なお、低い周波数ではｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）の値が小さくなるから、指向特性が小さくなる。したがって、その後には積分器を用いて増幅させることが必要となる。
【００８０】
この場合、指向性関数Ｄは次式（３７）となる。
【００８１】
【数３０】

【００８２】
図２８、図２９は式（３７）の指向特性を示す図である。本図に示すように、式（３７）の指向特性が示される。
式（３７）をさらに展開すると次式（３８）となる。
【００８３】
【数３１】

【００８４】
実数部の値が零で、この式の値が虚数部の値となるマイクロフォン配置を考え、この結果に基づく次式（３９）を示す。
【００８５】
【数３２】

【００８６】
図３０は式（３９）の指向特性を実現するマイクロフォンの配置を示す図である。本図に示すように、式（３９）を完全に満足するように５つのマイクロフォンの直列配置が行われる。
尖鋭化したビームの３マイクロフォンによる実現
しかし、図３０のようにマイクロフォンを５つも使用することは望ましくない。そこで、
〔１〕マイクロフォンＭＩＣ２とＭＩＣ３を右にｄだけ移動して３マイクロフォンを実現する；
〔２〕マイクロフォンＭＩＣ２とＭＩＣ３を左にｄだけ移動して３マイクロフォンを実現する；
〔３〕マイクロフォンＭＩＣ５を右にｄだけ、ＭＩＣ４を左にｄだけ移動して３マイクロフォンを実現する；ことを考えることにした。
【００８７】
図３１は〔１〕のマイクロフォン配置で尖鋭化した指向特性を実現する図である。本図に示すマイクロフォン回路１０により得られる指向特性は次式（４０）のようになる。
【００８８】
【数３３】

【００８９】
〔２〕の場合には、指向特性は次式（４１）のようになる。
【００９０】
【数３４】

【００９１】
指向特性の絶対値は、〔１〕のときと同じである。
図３２は〔３〕のマイクロフォン配置で尖鋭化した指向特性を実現する図である。本図に示すマイクロフォン回路１０により得られる指向特性は次式（４２）のようになる。
【００９２】
【数３５】

【００９３】
さらに式（４２）を変形すると、次式（４３）のようになる。
【００９４】
【数３６】

【００９５】
となり、式（３７）にかなり近い形となっていることが分かる。
以上、３通りの３マイクロフォン化を考えたが、その中で〔３〕の場合について、さらに検討していく。なお、実際には、図３２の出力には、さらなる積分回路を必要となる。
図３３、図３４は〔３〕の場合の指向特性を示す図である。ただし、ｄ＝２．５ｃｍ、τ＝３０μｓｅｃとする。本図に示すように、ｆ＝２０００Ｈｚ以上から、指向特性の鋭さが減少し始める。そこで、式（４３）に注目し、ｃｏｓ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）、１／ωτｓｉｎ（ｋｄ／２）ｃｏｓθの周波数に対する変化を調べる。
【００９６】
図３５は式（４３）のｃｏｓ（ｋｄ／２）ｃｏｓθ、１／ωτｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）の数値計算結果を示す図である。図３５（ｂ）から、式（４３）の１／ωτｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）によって、周波数が低いときは、指向特性が鋭くなることが分かる。また、図３５（ｂ）の各大きさの周波数に対する減少は、ｆ＝４０００Ｈｚくらいまでは少ない。しかし、それ以上の周波数では、指向特性鈍化の原因となる。
【００９７】
ところが、式（４３）の〔〕内のｃｏｓ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）は図３５（ａ）に示すごとく、かなり低い周波数から減少し始めている。また、高い周波数で、左側に指向特性が表れ始めているのも、ｃｏｓ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）が減少することにある。
図３６、図３７は図３２で、ｄ＝２．５ｃｍから２ｃｍに変更した指向特性を示す図である。本図に示すように、ｆ＝５０００Ｈｚまで良好な指向特性の鋭さが維持され、かなり高い周波数まで尖鋭化が実現される。ただし、τ＝３０μｓｅｃである。
【００９８】
図３８は図３２の出力に１／ｊωτ’を付加してビームを鋭くした構成例を示す図である。式（４３）を参照すると、図３８に示すマイクロフォン回路１０により得られる指向性関数Ｄは次式（４４）のごとく表される。
【００９９】
【数３７】

【０１００】
それゆえに、次の関係の式（４５）が成立する。
【０１０１】
【数３８】

【０１０２】
図３９は図３２、図３８を基にした具体的なマイクロフォン回路１０の構成例を示す図である。本図に示す回路素子値は、図２２のおおよその参考として、設定されている。本図において、回路素子間には、次の条件（４６）を必要とする。
【０１０３】
【数３９】

【０１０４】
ここで、オペアンプ（ｏｐ）の理想形として、図３９の回路において、次式（４７）が成立する。
【０１０５】
【数４０】

【０１０６】
そして、式（４６）の条件が満足すると、式（４７）は次式（４８）、（４９）のようになる。
【０１０７】
【数４１】

【０１０８】
図４０、４１、４２は図３９の回路に各入力に対する伝送｜Ｖ_０ ／Ｖ_ｉＭ｜、｜Ｖ_０ ／Ｖ_ｉＬ｜、｜Ｖ_０ ／Ｖ_ｉＲ｜の大きさのシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。なお、オペアンプはＴＬ−０６１である。ｆ＝３００Ｈｚ以上では、ほぼ目標の特性が得られている。実際には、利得水準を２０から３０ｄＢダウンとなるように回路素子値を設定してもよい。
【０１０９】
なお、図４０、４１、４２の３００Ｈｚ以下の低域で積分特性の劣化は、積分回路の電界コンデンサのインピーダンスによる。しかし、特に問題とはならない。
５マイクロフォンによるビームの尖鋭化
前述した自由空間の半分に感度を有する指向特性に、１−ｃｏｓ（ｋｄｃｏｓθ）を掛け算すると、以下に説明するように、その指向特性はより尖鋭化する。しかし、この場合は、５マイクロフォンの入力となる。
【０１１０】
式（１２）に１−ｃｏｓ（ｋｄｃｏｓθ）を掛け算した指向性関数Ｄは次式（５０）のようになる。
【０１１１】
【数４２】

【０１１２】
式（５０）を変形すると、次式（５１）のようになる。
【０１１３】
【数４３】

【０１１４】
図４３は、式（５１）の指向特性を満足する５つのマイクロフォンの直線配置を示す図である。本図に示すように、５つのマイクロフォンが等間隔で直線に配置され、マイクロフォン回路１０の構成が形成される。
図４４、図４５は図４３で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。本図に示すように、指向特性は３マイクロフォンよりも尖鋭化される。
【０１１５】
さらに、前述の式（１０）に１−ｃｏｓ（ｋｄｃｏｓθ）を掛け算した指向性関数Ｄは次式（５２）のようになる。
【０１１６】
【数４４】

【０１１７】
式（５２）を変形すると、次式（５３）のようになる。
【０１１８】
【数４５】

【０１１９】
図４６は式（５３）の指向特性を満足する５つのマイクロフォンの直線配置を示す図である。本図に示すように、５つのマイクロフォンが等間隔で直線に配置され、マイクロフォン回路１０の構成が形成される。
図４７、図４８は図４６で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝５０μｓｅｃ、ＣＲ＝３０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。本図に示すように、指向特性は３マイクロフォンよりも尖鋭化される。
【０１２０】
図４９は、本発明に係る直線配置のマルチマイクロフォンを自動車に配置する例を示す図である。本図に示すように、自動車において話者の前方に位置し、垂直に対して、例えば、４５°の角度をなすＡピラー（前方のピラー）に直線配置の複数の（マルチ）マイクロフォンを取り付ける場合には、複数のマイクロフォンの高さを話者の口元の高さに合わせ、マルチマイクロフォンの指向特性のピークを方向を１３５°とし、マルチマイクロフォンの指向特性のディップ方向を自動車の床方向の４５°方向とする。自動車ごとに、マイクロフォンの指向特性を最適化することで、音声認識装置に入力される音声のＳ／Ｎを確保できる。
【０１２１】
図５０は、図１３の構成を例として、マイクロフォンに対する利得の制御により指向特性のディップを制御する例を示す図である。本図（ａ）に示すように、マイクロフォン１、２、３が直線配置されて、それぞれに利得Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の初期値が設定され、本図（ｂ）の左側に示す下方向にディップが向いているとする。この場合、利得Ｇ２を初期値よりも小さくすると、本図（ｂ）の右側示すように、ディップの向きが上方向に移動する。このようにして、話者の口元の位置に合わせて、マイクロフォンの指向特性のディップ位置を変えることで、話者が変わっても、音声認識装置に入力される音声のＳ／Ｎレベルを保持でき、安定した音声認識処理が行える。
【０１２２】
図５１は、複数の（マルチ）マイクロフォンの配置の別の例を示す図である。本図に示すように、自動車の運転に使用するルームミラーの裏側に複数のマイクロフォンを取り付けてもよい。このようにして、複数のマイクロフォンの取付けスペースの制約を拡大できる。また、車内側から見た場合のマイクロフォンの取付けによる内装へのデザイン的影響を軽減できる。
【０１２３】
なお、上記の複数のマイクロフォンの各々は無指向特性であってもよい。
【０１２４】
【発明の効果】
以上の説明により本発明によれば、音声認識に使用される周波数の範囲でマイクロフォンの指向特性を尖鋭化することが可能になり、さらに、話者に対して感度がピークになり、騒音に対して感度がディップとなるように指向特性を制御することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２個のマイクロフォンの直線配置の指向特性例を説明する図である。
【図２】式（３）の指向特性の概略を説明する図である。
【図３】式（５）の指向特性の概略を説明する図である。
【図４】指向性形成のブロックダイヤグラム１であって、２つのマイクロフォンの出力の和を取る方式に位相器を付加した構成例を示す図である。
【図５】図４の指向特性について、ｄ＝４ｃｍ、τ＝１３５μｓｅｃとして、式（８）の各周波数の数値計算結果例を説明する図である。
【図６】図４の指向特性について、ｄ＝４ｃｍ、τ＝１３５μｓｅｃとして、式（８）の各周波数の数値計算結果例を説明する図である。
【図７】指向性形成のブロックダイヤグラム２であって、図５、６に式（６）を基本として位相推移を付加した構成例を示す図である。
【図８】図７の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、ＣＲ＝６３μｓｅｃ、τ＝８７μｓｅｃとして、式（１０）の各周波数での数値計算結果例を説明する図である。
【図９】図７の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、ＣＲ＝６３μｓｅｃ、τ＝８７μｓｅｃとして、式（１０）の各周波数での数値計算結果例を説明する図である。
【図１０】指向性形成のブロックダイヤグラム３を示す図である。
【図１１】図１０の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとして、式（１１）の各周波数での数値計算結果例を説明する図である。
【図１２】図１０の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとして、式（１１）の各周波数での数値計算結果例を説明する図である。
【図１３】３マイクロフォン直線配置積分方式を採用する基本構成を説明する図である。
【図１４】式（１３）の概略を説明する図である。
【図１５】ωに対する２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτの変化を説明する図である。
【図１６】指向特性の劣化の概要を説明する図である。
【図１７】式（１４）の振幅特性を説明する図である。
【図１８】ｄ＝６ｃｍにおいて、ＬＰＦを用い周波数での特性改善を図った計算結果例を説明する図である。
【図１９】ｄ＝６ｃｍにおいて、ＬＰＦを用い周波数での特性改善を図った計算結果例を説明する図である。
【図２０】図１３の指向性関数Ｄの数値計算結果例を説明する図である。
【図２１】図１３の指向性関数Ｄの数値計算結果例を説明する図である。
【図２２】ｄ＝６ｃｍ、θ＝４５°ディップ又はｄ＝４ｃｍ、θ＝０°ディップの場合に図１３の基本的構成を具体化したマイクロフォン回路１０の構成例を示す図である。
【図２３】図２２の差動増幅回路１１を説明する図である。
【図２４】図２２の高ＱのＬＰＦ１２を説明する図である。
【図２５】図２２の低周波数域まで動作可能な積分回路１３を説明する図である。
【図２６】図２２の加算回路１４を説明する図である。
【図２７】自由空間内の半分に指向特性をもつマルチマイクロフォンのシステムとして３マイクロフォン直線配置積分方式の例を示す図である。
【図２８】式（３７）の指向特性を示す図である。
【図２９】式（３７）の指向特性を示す図である。
【図３０】式（３９）の指向特性を実現するマイクロフォンの配置を示す図である。
【図３１】〔１〕のマイクロフォン配置で尖鋭化した指向特性を実現する図である。
【図３２】〔３〕のマイクロフォン配置で尖鋭化した指向特性を実現する図である。
【図３３】〔３〕の場合の指向特性を示す図である。
【図３４】〔３〕の場合の指向特性を示す図である。
【図３５】式（４３）のｃｏｓ（ｋｄ／２）ｃｏｓθ、１／ωτｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）の数値計算結果を示す図である。
【図３６】図３２で、ｄ＝２．５ｃｍから２ｃｍに変更した指向特性を示す図である。
【図３７】図３２で、ｄ＝２．５ｃｍから２ｃｍに変更した指向特性を示す図である。
【図３８】図３２の出力に１／ｊωτ’を付加してビームを鋭くした構成例を示す図である。
【図３９】図３２、図３８を基にした具体的なマイクロフォン回路１０の構成例を示す図である。
【図４０】図３９の回路に各入力に対する伝送｜Ｖ_０ ／Ｖ_ｉＭ｜、｜Ｖ_０ ／Ｖ_ｉＬ｜、｜Ｖ_０ ／Ｖ_ｉＲ｜の大きさのシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。
【図４１】図３９の回路に各入力に対する伝送｜Ｖ_０ ／Ｖ_ｉＭ｜、｜Ｖ_０ ／Ｖ_ｉＬ｜、｜Ｖ_０ ／Ｖ_ｉＲ｜の大きさのシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。
【図４２】図３９の回路に各入力に対する伝送｜Ｖ_０ ／Ｖ_ｉＭ｜、｜Ｖ_０ ／Ｖ_ｉＬ｜、｜Ｖ_０ ／Ｖ_ｉＲ｜の大きさのシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。
【図４３】式（５１）の指向特性を満足する５つのマイクロフォンの直線配置を示す図である。
【図４４】図４３で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。
【図４５】図４３で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。
【図４６】式（５３）の指向特性を満足する５つのマイクロフォンの直線配置を示す図である。
【図４７】図４６で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝５０μｓｅｃ、ＣＲ＝３０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。
【図４８】図４６で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝５０μｓｅｃ、ＣＲ＝３０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。
【図４９】本発明に係る直線配置のマルチマイクロフォンを自動車に配置する例を示す図である。
【図５０】図１３の構成を例として、マイクロフォンに対する利得の制御により指向特性のディップを制御する例を示す図である。
【図５１】複数の（マルチ）マイクロフォンの配置の別の例を示す図である。
【符号の説明】
ＭＩＣ１、２、３、４、５…マイクロフォン
１０…マイクロフォン回路

Claims (19)

1. 騒音下で話者の音声を抽出するマイクロフォンの指向特性を制御する装置において、
   直線的に等間隔で配置され、前記音声による平面音波を入力する複数のマイクロフォンを備え、
   前記複数のマイクロフォンのうち、中央に位置する第１マイクロフォンの両隣に配置された第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取り、差分信号を出力する差分手段と、
   前記第１マイクロフォンの出力信号と前記差分信号とを加算する加算手段とを有するマイクロフォン回路を備え、
   前記各出力信号の利得を調整することにより、前記マイクロフォンの指向特性を制御することを特徴とするマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
2. 騒音下で話者の音声を抽出するマイクロフォンの指向特性を制御する装置において、
   直線的に等間隔で配置され、前記音声による平面音波を入力する複数のマイクロフォンを備え、
   前記複数のマイクロフォンのうち、中央に位置する第１マイクロフォンの両隣に配置された第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取り、差分信号を出力する差分手段と、
   前記差分信号を積分し、積分信号を出力する積分手段と、
   前記第１マイクロフォンの出力信号と前記積分信号とを加算する加算手段とを有するマイクロフォン回路を備え、
   前記差分手段と前記加算手段との利得を調整することにより、前記マイクロフォンの指向特性を制御することを特徴とするマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
3. 前記マイクロフォン回路は、
   前記第１のマイクロフォンの左右に配置された第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取ることにより、前記第２及び第３マイクロフォン間の中央の対称軸で８の字型で正負極を有する８の字型指向特性を形成する差動増幅器と、
   前記差動増幅器により得られた結果を積分して前記差動増幅器により得られる低周波数での指向特性の低下を回復する積分器と、
   前記積分器の出力信号と前記第１マイクロフォンの出力信号を加算し、前記差動増幅器で得られる前記８の字型指向特性の一方の極を消去して他方の極を強調して指向特性を鋭くする加算器と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
4. 前記差動増幅器と前記積分器との間に低域通過フィルタを設け、前記差動増幅器により得られた指向特性の高周波数の補償を行うことを特徴とする請求項３に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
5. 前記積分器に含まれるオペアンプに係る帰還抵抗の中間点と接地との間を交流的に短絡することを特徴とする請求項３に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
6. 前記低域通過フィルタに含まれるオペアンプの容量帰還部が、容量分割回路であることを特徴とする、請求項４に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
7. 前記加算器から出力される指向特性Ｄは、角周波数をω、音速をｃ、前記マイクロフォンの間隔をｄ、前記平面音波の入力角度をθ、積分定数をτとし、ｋ＝ω／ｃであるとき、
   Ｄ＝１−（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）
   で表現されることを特徴とする請求項３に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
8. 前記複数のマイクロフォンは、前記第１マイクロフォン、該第１マイクロフォンを挟む左右の第２及び第３マイクロフォン、該第２及び第３マイクロフォンの外側に配置された左右の第４及び第５マイクロフォンからなり、前記音声の平面音波が各々のマイクロフォンに入力され、
   前記マイクロフォン回路は、前記各マイクロフォンの出力信号を処理して、８の字型で且つ対称軸で正負極を有する第１の８の字型指向特性を形成し、該第１の８の字型指向特性の一方の極を消去して他方の極を強調し、さらに、消去、強調した指向特性に第２の８の字型指向特性を掛けた新たな指向特性を形成する請求項３に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
9. 前記新たな指向特性Ｄは、角周波数をω、音速をｃ、前記マイクロフォンの間隔をｄ、前記平面音波の入力角度をθ、積分定数をτとし、ｋ＝ω／ｃであるとき、
   Ｄ＝｛１−（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）｝・ｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）
   で表現されることを特徴とする請求項８に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
10. 前記マイクロフォン回路は、前記新たな指向特性に積分処理を行うことを特徴とする請求項８に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
11. 前記マイクロフォン回路は、前記第１乃至第５マイクロフォンについて、前記第２マイクロフォンと前記第１マイクロフォンとの平面音波を共通にし、且つ前記第３マイクロフォンと前記第５マイクロフォンの平面音波を共通にし、３つの中央及び左右のマイクロフォンの出力信号として処理し、前記新たな指向特性を近似的に求めることを特徴とする請求項８に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
12. 前記マイクロフォン回路は、前記第３マイクロフォンと前記第１マイクロフォンとの平面音波を共通にし、且つ前記第２マイクロフォンと前記第４マイクロフォンの平面音波を共通にし、３つの中央及び左右のマイクロフォンの出力信号として処理し、前記新たな指向特性を近似的に求めることを特徴とする請求項８に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
13. 前記マイクロフォン回路は、前記第５マイクロフォンと前記第３マイクロフォンとの平面音波を共通にし、且つ前記第４マイクロフォンと前記第２マイクロフォンの平面音波を共通にし、３つの中央及び左右のマイクロフォンの出力信号として処理し、前記新たな指向特性を近似的に求めることを特徴とする請求項８に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
14. 前記マイクロフォン回路は、前記中央マイクロフォンと前記左及び右マイクロフォンからなる前記３つのマイクロフォンの出力信号について、前記中央マイクロフォンの出力信号に利得２を掛け、前記左及び右マイクロフォンの各々の出力信号に利得−１を掛けて、第１の加算を行い、さらに、第１の積分処理を行い、前記左マイクロフォンの出力信号に利得１を掛け、前記右マイクロフォンの出力信号に利得−１を掛けて、前記第１の積分処理結果に第２の加算を行い、さらに、第２の積分を行うことを特徴とする請求項１３に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
15. 前記新たな指向特性Ｄは、角周波数をω、音速をｃ、前記マイクロフォンの間隔をｄ、前記平面音波の入力角度をθ、積分定数をτとし、ｋ＝ω／ｃであるとき、
    Ｄ＝｛１−（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）｝・ ｛１−ｃｏｓ（ｋｄｃｏｓθ）｝
    で表現されることを特徴とする請求項８に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
16. 前記新たな指向特性Ｄは、角周波数をω、音速をｃ、前記マイクロフォンの間隔をｄ、前記平面音波の入力角度をθ、積分定数をτ、遅延定数をＣＲとし、
    ｋ＝ω／ｃであるとき、
    Ｄ＝（−ｊ４／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ−ｔａｎ^−１ωＣＲ）・ ｛１−ｃｏｓ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）｝
    で表現されることを特徴とする請求項８に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
17. 前記各マイクロフォンの相互の間隔を狭めることにより高周波数の指向特性を高めることを特徴とする、請求項３、８及び１３のいずれか一項に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
18. 自動車の車室内における前記複数のマイクロフォンの取付位置によって、マイクロフォンの指向特性におけるディップ方向が特定されることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
19. 前記マイクロフォン回路は、前記第１乃至第３マイクロフォンの各利得を変えることにより、マイクロフォンの指向特性におけるディップの方向を可変にすることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。

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