JP3797751B2 - マイクロホンシステム - Google Patents
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- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
- H04R3/005—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for combining the signals of two or more microphones
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、話者とパーソナルコンピュータとのインタフェース技術に用いられるマイクロホンシステムに関し、特に発音者（話者）の位置を入力データとしてパーソナルコンピュータに入力し、発音の検出信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を改善して次段の音の処理（例えば、音声認識）の改善を行うマイクロホンシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数のマイクロホンを用いて音源方向を検出する従来の技術として、例えば、特開平４−７２５２５号、特開平５−２０７１１７号、特開平７−３３６７９０号があげられる。
【０００３】
特開平４−７２５２５号は、球体の表面に球体中心から見て９０°の間隔で６つの無指向性のマイクロホンを配置した一体構造の球状受信音検出部を用いて、各マイクロホンの受音圧レベルを検出し、対向するマイクロホンの差信号を検出し、この２つの受音圧レベルと差信号にもとづいて音源方向を演算し、３次元空間内に存在する音源方向を、簡単で精度よく算出するようにしたものである。
【０００４】
本方式では、６つの無指向性のマイクロホンを用いて音源方向のみを検出しており、目的音の抽出にＳ／Ｎの改善を行うことについての記載がない。
特開平５−２０７１１７号は、自動車電話機に入力させる話者即ち運転者の音声を、少なくとも３つ以上の位置検出用のマイクロホンで受信し、各音声信号間の時間差を検出し、その時間差にもとづいて話者の位置を検出し、さらに話者の方向に指向性マイクロホンを向け、雑音の影響を少なくして話者の音声の認識を高めるようにしたものである。
【０００５】
本方式では、目的音の抽出用のマイクロホンとして３つ以上の超指向性マイクロホンを使用し、この３つの超指向性マイクロホンを話者の方向に向けている。
一般的に超指向性マイクロホンは鋭い指向性を得るため、全長が５０ｃｍ以上と長くなる。さらに、目的音の抽出にＳ／Ｎの改善を行うことについての記載がない。
【０００６】
特開平７−３３６７９０号は、複数のマイクロホンを配置し、その出力が最大値となるマイクロホンもしくは発生のタイミングが最も早かったマイクロホンを選択するようにし、マイクロホンの人手操作、音声信号の混信、ミキシングの人手操作を自動化し、改善するようにしたものである。
【０００７】
本方式では、音源方向の抽出および目的音の抽出に単一のマイクロホン出力を用いており、目的音の抽出にＳ／Ｎの改善を行うことについての記載がない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、従来例のマイクロホンシステムにおいては、かならずしも小型で簡単な構成でなく、また、音源方向の目的音を高いＳ／Ｎで抽出できないという課題がある。
【０００９】
本発明は、小型で簡単な構成を有し、かつ音源方向の検出と高いＳ／Ｎで目的音の抽出を可能にするマイクロホンシステムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定の間隔離して配置される２つの無指向性マイクロホンからなるマイクロホン対が、マイクロホン対の２つのマイクロホンを結ぶ線分とそれに隣接するマイクロホン対の２つのマイクロホンを結ぶ線分との交角が６０°以下となるように、同一平面上に複数配置された複数のマイクロホン対と、該各マイクロホン対における２つのマイクロホンの差信号を演算する複数の第一の演算手段と、該各マイクロホン対における２つのマイクロホンの和信号を演算する複数の第二の演算手段と、前記複数の第一の演算手段の各出力から最小値出力を検出する検出手段と、検出された該最小値出力のマイクロホン対の和信号を選択し音情報として出力する選択手段と、を設けたことを特徴とするマイクロホンシステムである。
【００１１】
上記構成のマイクロホンシステムにおいては、選択手段から出力されたマイクロホン対の和信号を加算する加算手段を設け、選択手段が、差信号の最小値に対応する和信号に加えて２番目に小さい差信号に対応する和信号も選択して、これらの信号を加算手段に入力するように構成してもよい。
【００１２】
上記した複数のマイクロホン対は、マイクロホンが同一円周上に位置するように、マイクロホン対を形成する２つのマイクロホンを結ぶ線分の中間点を中心として６０°以下の交角ずつずらして配置することが望ましい。
【００１３】
また、上記構成においては、第一の演算手段から出力される差信号を、音速Ｖとマイクロホン対における２つのマイクロホン間の距離Ｄとの関係においてＶ／２Ｄ＝Ｆで示されるカットオフ周波数Ｆにてろ波する低域通過フィルタをマイクロホン対毎に備え、検出手段が低域通過フィルタの出力を検出するように構成することが望ましい。
【００１４】
この発明は、また、所定の間隔離して２つの無指向性マイクロホンが配置された第１のマイクロホン対と、その第１のマイクロホン対の２つのマイクロホンの中間で第１のマイクロホン対と直交し第１のマイクロホン対と同一の第２のマイクロホン対とからなるマイクロホンを一組とし、その一組のマイクロホンが第１のマイクロホン対と第２のマイクロホン対との交点を中心として同一平面上に４５°以下の交角で複数配置されたマイクロホンアレイと、各マイクロホン対における２つのマイクロホンの差信号を演算する複数の第一の演算手段と、複数の第一の演算手段の各出力から最小値出力を検出する検出手段と、検出された該最小値出力のマイクロホン対に直交するマイクロホン対における２つのマイクロホンの出力電圧の比を演算する第二の演算手段と、マイクロホン対の２つのマイクロホン間の距離と第二の演算手段によって演算された出力電圧の比とに基づいてマイクロホンアレイから音源までの距離を算出する算出手段とを備えたことを特徴とするマイクロホンシステムである。
【００１５】
上記構成のマイクロホンシステムにおいては、マイクロホンアレイの各マイクロホンは、その感度が、マイクロホンアレイが配置された面に垂直でかつマイクロホンアレイの中心を通る線上に配置された音源からの音に対して各マイクロホンの出力が同一となるように調整されたものであることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下において、図１〜図５により本発明の実施の形態例について説明する。
まず、発明にかかわる基本事項について、図１と図２により説明する。
【００１７】
図１は、２つの無指向性マイクロホンからなるマイクロホン対の指向特性を示す図であり、図１(1) は２つの無指向性マイクロホン（以下において、マイクロホンと略称する）が同相（加算）で用いられる場合を示し、図１(2）は逆相（減算）で用いられる場合を示す。
【００１８】
なお、２つのマイクロホンは、同一の特性（感度の指向性と周波数特性）を有しており、Ｄの間隔で配置されているものとする。
図１に示すように、２つのマイクロホン1a,1b を同軸上に配置して１つのマイクロホン対を形成した場合、図１(1) に示すように、２つのマイクロホン1a,1b が同相（加算）の際には、音の到来方向θに対する２つのマイクロホン1a,1b の和信号の指向特性は楕円形になる。
【００１９】
従って、０°の方向（マイクロホン1a,1b の配置の方向と直角の方向）の利得と９０°の方向（マイクロホン1a,1b の配置方向）の利得の間に大きな差異は生じず、鋭い指向特性が得られない。
【００２０】
しかしながら、図１(2) に示すように、２つのマイクロホン1a,1b が逆相（減算）の際には、０°の方向の利得は抑圧され、２つのマイクロホン1a,1b の差信号の指向特性は略８字の形になる。
【００２１】
従って、０°の方向の利得と９０°の方向の利得の間には大きな差異が生じ、鋭い指向特性が得られるようになる。
本発明は、この逆相（減算）の際の鋭い抑圧指向性を利用して、音源方向を検出するようにしたものである。
【００２２】
次に、図２について説明する。図２はマイクロホン対の差信号と和信号の特性を示す図である。
図２(1) は差信号であり、２つのマイクロホンが逆相で用いられる場合の指向特性（音源方向と利得）の実測値を示す。
【００２３】
なお、両マイクロホンの間隔Ｄは２０ｃｍであり、音の周波数は２００Ｈz 、３９８．８２８Ｈz および６９７．０７Ｈz である。
図２(1) では、測定角度はマイクロホン対の配置方向を９０°としている。図示のごとく、０°で利得が最小であり、角度の増加に伴い利得は増加する。
【００２４】
なお、０°から３０°までの範囲では、角度１０°の増加に対して利得は少なくとも４ｄＢ以上は変化する。しかしながら、３０°以上になると、角度１０°の増加に対して利得は２ｄＢ以下程度しか変化せず、かつ３０°〜９０°の範囲での利得の変化は６ｄＢ程度である。
【００２５】
即ち、マイクロホン対の正面方向から３０°以上傾いた方向から音が到来した場合、角度が変化しても利得の変化は小さく出力も殆ど変化しない。
従って、音源方向がともに３０°以上傾いた２つのマイクロホン対の差信号を比較した場合、どちらのマイクロホン対の傾きに近いかを正確に判断できない。即ち、音源方向の正確な検出が出来なくなる。
【００２６】
このことは、マイクロホン対の音源方向からの角度は、最悪でも３０°以下になるように設定する必要があることを示している。即ち、正確な音源方向を検出するためには、２つのマイクロホン対の交角は６０°以下になるように設定する必要がある。
【００２７】
次に、図２(2) について説明する。図２(2) は２つのマイクロホン対１、２の和信号を加算した加算和信号を示す図である。
いま、２つのマイクロホン1a,1b は同相であり、２つのマイクロホン2a,2b もまた同相であるとする。従って、２つのマイクロホン対１、２は同一の特性となる。なお、その交角を６０°に配置する。
【００２８】
図２(2) に示すごとく、マイクロホン対１の和信号の方向Ａは、マイクロホン対２の配置方向から時計方向に３０°の方向であり、その大きさは、例えばマイクロホン1aの出力の略２倍である。
【００２９】
同様に、マイクロホン対２の和信号の方向Ｂは、マイクロホン対１の配置方向から反時計方向に３０°であり、その大きさは、例えばマイクロホン1aの出力の略２倍である。
【００３０】
従って、２つのマイクロホン対１、２の加算和信号の方向は、方向Ａから時計方向に向かって３０°で方向Ｂから反時計方向に向かって３０°であり、その大きさは、例えばマイクロホン1aの出力の略４倍になる。
【００３１】
一般に、ｎ個の信号を同期加算すると振幅はｎ倍になるが、ランダムな騒音をｎ個加算すると振幅は該ｎの平方根倍になる。
例えば、２つのマイクロホン対１、２が同じ音源方向を向いているならば、音源からの音は同期加算となり、その加算出力の振幅は加算するマイクロホンの数の倍数になる。また、騒音はランダムなので、騒音の振幅は加算するマイクロホンの数の平方根倍になる。
【００３２】
上記の説明をもとに、例えばマイクロホン1aの出力のＳ／Ｎとマイクロホン対１の出力のＳ／Ｎを比較した場合、Ｓは最大２倍になるがＮは1.414 倍にしかならならないので、Ｓ／Ｎでは1.414 倍の最大３ｄＢの改善となる。
【００３３】
従って、２つのマイクロホン対１、２の場合においては、マイクロホン1aに対して最大６ｄＢの改善となる。
つぎに、本発明の実施例について、図３〜図５により説明する。
【００３４】
図３は本発明のマイクロホン対の実施例１の構成と特性を示す図であり、図３(1) は構成を示し、図３(2) は特性を示す。また、図４は本発明のマイクロホン対検出回路の一実施例の回路構成を示す図であり、図３に示す７つのマイクロホン対１〜マイクロホン対７に対応するように構成されている。さらに、図５は本発明のマイクロホン対の実施例２の構成を示す図である。
【００３５】
〔実施例１〕
図３では、７つのマイクロホン対１（マイクロホン1aとマイクロホン1b）〜マイクロホン対７（マイクロホン7aとマイクロホン7b）を備えており、隣接するマイクロホン対の交角は、例えば１５°としている。
【００３６】
図３(1) に示す矢印の方向から音が到来した場合、７つのマイクロホン対１〜マイクロホン対７の差信号のそれぞれのレベルは、図３(2) に示すグラフのようになる。
【００３７】
図３(1) に示すように３番目のマイクロホン対３の配置方向は音の到来方向に対して略直角であり、その差信号のレベルは図３(2) に示すように最も小さくなる。
【００３８】
さらに、例えばマイクロホン対２、マイクロホン対４、マイクロホン対１、マイクロホン対５、・・・、マイクロホン対７の順に、その差信号のレベルは大きくなっていく。
【００３９】
即ち、マイクロホン対１〜マイクロホン対７の差信号のレベルを比較し、最も小さいマイクロホン対３を選べば、音の到来方向が検出できるのである。
音の到来方向を検出したら、次に目的音を検出する。目的音の検出には、音の到来方向を検出したマイクロホン対の和信号の加算を行う。
【００４０】
マイクロホン対の差信号からつくられる減算出力は、低域通過フィルタでろ波する。該低域通過フィルタのカットオフ周波数Ｆと音速Ｖおよびマイクロホン対の間隔Ｄとの間に、次の関係がある。
【００４１】
Ｆ＝Ｖ／２Ｄ
上記に示すカットオフ周波数Ｆより高い周波数の音が到来した場合、図１(2) に示した８字の指向特性に落ち込み（ｄｉｐ）が生じて指向性は８字形ではなくなり、正確な音源方向が検出できなくなることが知られている。このため低域通過フィルタでカットオフ周波数Ｆより高い周波数成分をカットする。
【００４２】
上記したマイクロホン対の出力信号の処理について、図４により説明する。
図４において、1a,1b は図３(1) に示すマイクロホン対１を形成するマイクロホンである。同様に、2a,2b 〜7a,7b はマイクロホン対２〜マイクロホン対７を形成するマイクロホンである。
【００４３】
11〜17はマイクロホン1a,1b 〜マイクロホン7a,7b からの出力を入力とし、回路11a 〜11f を有する同一構成のマイクロホン対検出回路である。
11a は第１の演算手段対応の減算回路（ＳＵＢ）であり、11e は第２の演算手段対応の加算回路（ＡＤＤ）であり、11b は低域通過フィルタ（ＬＰＦ）であり、11c はピークホールド回路（ＰＫＨ）であり、11d はアナログ／ディジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）であり、11f はスイッチ（ＳＷ）である。
【００４４】
また、20は信号処理を行うホスト装置としてのＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）であり、21は複数の入力信号を加算する加算回路（ＡＤＤ）であり、22は低速インタフェースのRS232Cドライバである。
【００４５】
さらに、11c,11d および20の各回路が、音源方向情報を検出する検出手段に対応している。
例えば、マイクロホン（Ｍ）1a,1b で受信されたそれぞれの音の出力は、両出力の減算演算を行うＳＵＢ11a および加算演算を行うＡＤＤ11e に入力される。このＳＵＢ11a とＡＤＤ11e はオペアンプなどを用いて公知の技術で構成する。
【００４６】
ＳＵＢ11a からの減算出力（差信号に対応）は、前記カットオフ周波数Ｆ（Ｆ＝Ｖ／２Ｄ）をもつＬＰＦ11b に入力され、該ＬＰＦ11b の出力はＰＫＨ11c で最大値に保持される。
【００４７】
このＰＫＨ11c で保持された最大値は、Ａ／Ｄ11d でアナログ／ディジタル変換データ(A/DDATA) に変換され、ＭＰＵ20に入力される。
同様に、マイクロホン2a,2b 〜マイクロホン7a,7b からの出力は、マイクロホン対検出回路12〜マイクロホン対検出回路17に入力されて６つのA/DDATA がつくられ、それぞれはＭＰＵ20に入力される。
【００４８】
ＭＰＵ20では、これらの７つのA/DDATA の値の大小を判断し、その最小値から方向信号をつくり、検出された音源の方向信号としてRS232Cドライバ22経由で出力される。
【００４９】
さらに、ＭＰＵ20では、この７つのA/DDATA の値の大小の判断結果をもとに、最小値のA/DDATA の加算出力（和信号）および、必要に応じてこのA/DDATA の中の２番目、３番目、・・・に小さい値に対応する加算出力（和信号）を選択するＭＩＣ選択の出力を送出してＳＷ11f をオンにし、これらの和信号を通過させてＡＤＤ21に加える。
【００５０】
もし、この７つのA/DDATA の中の２番目と３番目に小さい値が同一値であると判断された場合、どちらか１つが選択されるようにＳＷ11f は制御される。
ＡＤＤ21では、複数のＳＷ11f がオンされて通過した少なくも１つ以上の和信号を用いてＳ／Ｎの改善を行い、該Ｓ／Ｎの改善を行った所望のマイクロホンの検出信号として次段へ送出される。
【００５１】
一般に、加算対象のマイクロホン対の数は、マイクロホンの検出対象周波数とマイクロホン対の配置角度と間隔より決定されるが、その詳細記載は省略する。なお、１つのマイクロホン出力の加算によりＳ／Ｎは３ｄＢ改善されるので、差信号の最小値を与えるマイクロホン対の検出信号は１つのマイクロホンの検出信号に比較して最大３ｄＢ改善される。
【００５２】
従って、差信号の最小値と２番目に小さい値のそれぞれに対応したマイクロホン対の両検出信号を加算した場合、最大で６ｄＢの改善が得られる。
【００５３】
〔実施例２〕
次に、図５について説明する。図５はマイクロホン配置の実施例２の構成を示す図である。
【００５４】
図５の第１例では、８つのマイクロホンを２列に分けて配置している。
【００５５】
マイクロホン対の組み合わせは、マイクロホン1aとマイクロホン1b〜マイクロホン1aとマイクロホン4bの４通り、マイクロホン1bとマイクロホン2a〜マイクロホン1bとマイクロホン4aの３通りの合計７通りからなるようにする。
【００５６】
この７通りの組み合わせの選択により、図３の実施例と同様に音源方向の検出目的音のＳ／Ｎの改善が実現できる。この場合、必要なマイクロホンの数は８つと図３の実施例に比べて少なくできる。
【００５７】
なお、音源の検出範囲は、マイクロホン1bとマイクロホン4aとの配置方向に直交する方向からマイクロホン1aとマイクロホン4bとの配置方向に直交する方向までの範囲となる。
【００５８】
図５の第２例では、４つのマイクロホン1a〜マイクロホン4aを１列に配置するとともに、マイクロホン1aの両側に２つのマイクロホン1bとマイクロホン1cを配置している。
【００５９】
マイクロホン対の組み合わせは、例えばマイクロホン1bとマイクロホン1a〜マイクロホン1bとマイクロホン4aの４通り、およびマイクロホン1cとマイクロホン2a〜マイクロホン1cとマイクロホン4aの３通り、の合計７通りからなるようにする。
【００６０】
そして第１例と同様に、この７通りの組み合わせの選択により、図３の実施例と同様に音源方向の検出および目的音のＳ／Ｎの改善が実現できる。この場合には、必要なマイクロホンの数は６つと図３の実施例および前記第１例に比べて少なくできる。
【００６１】
なお、音源の検出範囲は、マイクロホン1cとマイクロホン4aとの配置方向に直交する方向からマイクロホン1bとマイクロホン4aとの配置方向に直交する方向までの範囲となる。
【００６２】
〔実施例３〕
図６はマイクロホン対の実施例３の構成を示す図である。本実施例では、直交する２対のマイクロホンを１組とし、この１組のマイクロホンを４５°以下の交角で配置したマイクロホンアレイの例を示している。
【００６３】
この図に示すように、本例では、１６個のマイクロホンを同心円上に２２．５°の角度を隔てて配置したマイクロホンアレイで、音源方向と音源までの距離を検出するようにしている。
【００６４】
すなわち、マイクロホンＮ１ａとマイクロホンＮ１ｂとをマイクロホン対Ｎ１とし、マイクロホンＮ２ａとマイクロホンＮ２ｂとをマイクロホン対Ｎ２とし、マイクロホンＮ３ａとマイクロホンＮ３ｂとをマイクロホン対Ｎ３とし、マイクロホンＮ４ａとマイクロホンＮ４ｂとをマイクロホン対Ｎ４とし、マイクロホンＮ５ａとマイクロホンＮ５ｂとをマイクロホン対Ｎ５とし、マイクロホンＮ６ａとマイクロホンＮ６ｂとをマイクロホン対Ｎ６とし、マイクロホンＮ７ａとマイクロホンＮ７ｂとをマイクロホン対Ｎ７とし、マイクロホンＮ８ａとマイクロホンＮ８ｂとをマイクロホン対Ｎ８とする。
【００６５】
マイクロホンの組に関しては、マイクロホン対Ｎ１とこれに直交するマイクロホン対Ｎ５とをマイクロホン組Ｎ１，Ｎ５とし、マイクロホン対Ｎ２とこれに直交するマイクロホン対Ｎ６とをマイクロホン組Ｎ２，Ｎ６とし、マイクロホン対Ｎ３とこれに直交するマイクロホン対Ｎ７とをマイクロホン組Ｎ３，Ｎ７とし、マイクロホン対Ｎ４とこれに直交するマイクロホン対Ｎ８とをマイクロホン組Ｎ４，Ｎ８とする。
【００６６】
そして、マイクロホン組Ｎ１，Ｎ５に対して、同心円上に２２．５°ずらしてマイクロホン組Ｎ２，Ｎ６を配置し、さらに２２．５°ずらしてマイクロホン組Ｎ３，Ｎ７を配置し、さらに２２．５°ずらしてマイクロホン組Ｎ４，Ｎ８を配置している。したがって、本例では、マイクロホン対の交角は２２．５°となっている。
【００６７】
音源Ｓの位置とマイクロホンアレイの位置とは、図に示す関係にあるものとする。すなわち、音源Ｓの位置は、マイクロホンアレイと同一平面上で、かつマイクロホン対Ｎ１の延長線上にあるものとする。
【００６８】
このような位置に音源Ｓがある場合には、音源方向は、マイクロホン対Ｎ１〜Ｎ８のうち、マイクロホン対の差分出力が最小となるマイクロホン対Ｎ５により検出できる。
【００６９】
次に、音源までの距離の検出方法について説明する。
音の大きさは音源からの距離に反比例するので、マイクロホン対の間隔を２Ｒとし（すなわち、マイクロホンアレイの半径をＲとしている）、マイクロホンアレイの中心位置から音源Ｓまでの距離をＬとすると、マイクロホン対Ｎ５に直交するマイクロホン対Ｎ１で検出される音圧出力の比は、以下のような関係となる。ここで、マイクロホンＮ１ａの音圧出力をＮ１ａＯＵＴとし、マイクロホンＮ１ｂの音圧出力をＮ１ｂＯＵＴとする。
Ｎ１ａＯＵＴ／Ｎ１ｂＯＵＴ＝（Ｌ＋Ｒ）／（Ｌ−Ｒ）
したがって、マイクロホンアレイの中心位置から音源Ｓまでの距離Ｌは、
Ｌ＝Ｒ（Ｎ１ａＯＵＴ＋Ｎ１ｂＯＵＴ）／（Ｎ１ａＯＵＴ−Ｎ１ｂＯＵＴ）
にて求めることができる。
【００７０】
なお、このマイクロホンアレイに用いるマイクロホンは、３６０度の方向に対して感度が一定な無指向性マイクロホンを用い、図７に示すような方法でマイクロホンの感度を調整する。
【００７１】
すなわち、各マイクロホンの感度は、音源Ｓから各マイクロホンまでの距離が一定となるようにマイクロホンアレイの中心軸上に音源Ｓを配置し、各マイクロホンの出力が同一となる様に感度を調整する。
【００７２】
図８は信号処理回路のブロック図である。以下このブロック図に基づいて信号処理について説明する。
図において、３１はマイクロホン対Ｎ１に対応するマイクロホン対検出回路、３２はマイクロホン対Ｎ２、３３はマイクロホン対Ｎ３、３４はマイクロホン対Ｎ４、３５はマイクロホン対Ｎ５、３６はマイクロホン対Ｎ６、３７はマイクロホン対Ｎ７、３８はマイクロホン対Ｎ８、にそれぞれ対応するマイクロホン対検出回路である。各マイクロホン対検出回路は同じ回路であるため、マイクロホン対検出回路３１だけ内部回路を示した。
【００７３】
各マイクロホン対検出回路３１〜３８からの出力データは、図４の回路と同様に、ＭＰＵ２０に入力され、ＭＰＵ２０からはＲＳ２３２Ｃドライバ２２を介してデータが出力される。ＭＰＵ２０にはＲＯＭ２３とＲＡＭ２４が設けられている。
【００７４】
各マイクロホン対検出回路３１〜３８は同じ機能を有しているため、マイクロホン対検出回路３１を例に挙げて説明する。
マイクロホン対Ｎ１の出力、つまりマイクロホンＮ１ａの出力とマイクロホンＮ１ｂの出力は、それぞれＡＭＰで示される増幅器１１ｇに入力されて増幅されるとともに、ＳＵＢで示される減算回路１１ａに入力される。この減算回路１１ａはオペアンプ等を用いて公知の技術で構成する。
【００７５】
減算回路１１ａからの出力は、特定のカットオフ周波数Ｆを持つＬＰＦにて示されるローパスフィルタ１１ｂに入力される。
すなわち、前述したように、ローパスフィルタ１１ｂのカットオフ周波数Ｆと音速Ｖおよびマイクロホン対の間隔Ｄ（＝２Ｒ）とには、Ｆ＝Ｖ／２Ｄの関係があり、このカットオフ周波数Ｆより高い周波数の音が到来した場合、正確な音源方向が検出できなくなるため、ローパスフィルタ１１ｂでカットオフ周波数Ｆより高い周波数成分をカットしている。
【００７６】
ローパスフィルタ１１ｂからの出力は、ＰＫＨで示されるピークホールド回路１１ｃで最大値が保持され、保持された最大値はＡ／Ｄで示されるアナログ−デジタルコンバータ１１ｄでデジタルの減算データに変換され、ＭＰＵ２０に入力される。
【００７７】
また、増幅器１１ｇからの各出力は、それぞれＰＫＨで示されるピークホールド回路１１ｈで最大値が保持され、保持された最大値はＡ／Ｄで示されるアナログ−デジタルコンバータ１１ｉでデジタルデータに変換され、ＭＰＵ２０に入力される。
【００７８】
ＭＰＵ２０は、マイクロホン対Ｎ１〜Ｎ８までの全ての減算データを比較し、減算データが最小であるマイクロホン対を選択してＲＡＭ２４に記憶し、これにより音源Ｓの方向を検出する。
【００７９】
次に、マイクロホン対Ｎ１〜Ｎ８の内から、減算データが最小のマイクロホン対と直交するマイクロホン対を選択し、その選択したマイクロホン対の出力データをＲＡＭ２４に記憶する。そして、このマイクロホン対の出力データに基づいて、上述した数式により、マイクロホンアレイの中心位置から音源Ｓまでの距離Ｌを算出する。
【００８０】
ＲＯＭ２３には、このような演算プログラムが記憶されており、この内蔵したプログラムにより距離Ｌの算出を行う。
ＭＰＵ２０は、検出した音源Ｓの方向データと距離データとを、ＲＳ２３２Ｃドライバ２２を介してパーソナルコンピュータ等の後方処理装置へ送出する。
【００８１】
このようにして、２つのマイクロホン対を直交させた十字形のマイクロホン組を同心円上に２２．５°の角度を隔てて配置したマイクロホンアレイを用いることにより、音源方向と音源までの距離を検出することができる。
【００８２】
なお、本例においては、マイクロホン組を同心円上に４組配置してマイクロホン対の交角を２２．５°としているが、このマイクロホン組は、４５°以下の交角でマイクロホン対を配置したものであればよい。すなわち、交角が４５°以下であるという条件さえ満たせば、マイクロホン組は、同心円上に等間隔で複数組配置したものであればよく、例えば、マイクロホン組を２組配置してマイクロホン対の交角を４５°としたもの、あるいはマイクロホン組を３組配置してマイクロホン対の交角を３０°としたもの、あるいはマイクロホン組を５組配置してマイクロホン対の交角を１８°としたもの等であってもよい。
【００８３】
以上の説明においては、マイクロホンアレイを１つだけ用いたが、音源Ｓの方向を検出可能なマイクロホンアレイを２つ用いて音源Ｓの方向と距離を算出することもできる。以下、これを実施例４として説明する。
【００８４】
〔実施例４〕
図９はマイクロホン対の実施例４の構成を示す図である。本実施例では、マイクロホンアレイを２つ用いた場合の配置例を示している。
【００８５】
本例では、２個のマイクロホンアレイ４０とマイクロホンアレイ４２とを距離ｒ離して配置する。このマイクロホンアレイは、図３の（１）で示したマイクロホンアレイや、図５の〔第１例〕または〔第２例〕で示したマイクロホンアレイを用いることができる。また、図６で示したマイクロホンアレイを用いてもよい。
【００８６】
図９に示すように、２つのマイクロホンアレイ４０，４２間の距離をｒ、２つのマイクロホンアレイ４０，４２によって形成されるマイクロホンアレイ面から音源Ｓまでの距離をＬ、マイクロホンアレイ４２からマイクロホンアレイ面の中心位置までの距離をＨ、マイクロホンアレイ４０で検出した音源Ｓの方向とマイクロホンアレイ４２で検出した音源Ｓの方向をそれぞれθ１、θ２とすると、
Ｌ／（ｒ＋Ｈ）＝ｔａｎθ１
Ｌ／Ｈ＝ｔａｎθ２
である。
【００８７】
これにより、マイクロホンアレイ面から音源Ｓまでの距離Ｌは、
Ｌ＝ｒ（ｔａｎθ１／（１−ｔａｎθ１／ｔａｎθ２））
として算出することができる。
【００８８】
また、マイクロホンアレイ４２からマイクロホンアレイ面の中心位置までの距離Ｈは、
Ｈ＝ｒ（ｔａｎθ１／（ｔａｎθ２−ｔａｎθ１））
として算出することができる。そして、音源方向θは、
ｔａｎθ＝１／（ｒ／２＋１／ｔａｎθ２）
として算出することができる。
【００８９】
２つのマイクロホンアレイ４０，４２間の距離ｒは、あらかじめ記憶したものを用いる。また、マイクロホンアレイから音源Ｓまでの距離は、距離Ｌと距離Ｈのうち長いほうを選択する。
【００９０】
図１０はマイクロホンアレイを２つ用いた場合の回路構成を示す説明図である。図において、４３および４４はマイクロホンアレイとマイクロホン対検出回路とＭＰＵからなる音源方向識別装置、４５は演算装置である。
【００９１】
音源方向識別装置４３，４４としては、図４で示した回路を用いることができる。音源方向識別装置４３，４４は、マイクロホンアレイの出力から音源Ｓの方向データθ１，θ２を検出し、このデータを演算装置４５に出力する。
【００９２】
演算装置４５では、この音源Ｓの方向データθ１，θ２とあらかじめ記憶している２つのマイクロホンアレイ間の距離ｒとにより、マイクロホンアレイ面から音源Ｓまでの距離Ｌあるいはマイクロホンアレイからマイクロホンアレイ面の中心位置までの距離Ｈと、音源方向θとを求め、このデータをパーソナルコンピュータ等の後方処理装置（ホスト装置）へ出力する。
【００９３】
このようにして、２つのマイクロホンアレイを用いることにより、音源方向と音源までの距離を検出することができる。
この音源方向と音源までの距離を検出する技術については、例えばパーソナルコンピュータと、パーソナルコンピュータの前に位置する発音者（話者）との間のコミュニケーションを演出するソフトウエア等に利用することができる。具体的には、画面に人間あるいは鳥等の動物を表示しておき、発音者の発生する音源の方向にその動物を向かせる等の各種のコミュニケーションソフトウエアに利用が可能である。
【００９４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、小型で簡単な構成による音源方向の検出に加え、高い信号対雑音比による目的音の抽出が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ２つの無指向性マイクロホンからなるマイクロホン対の指向特性を示す図。
【図２】 マイクロホン対の差信号と和信号の特性を示す図。
【図３】 本発明のマイクロホン対の実施例１の構成と特性を示す図。
【図４】 本発明のマイクロホン対検出回路の一実施例の回路構成を示す図。
【図５】 本発明のマイクロホン対の実施例２の構成を示す図。
【図６】 本発明のマイクロホン対の実施例３の構成を示す図。
【図７】 本発明のマイクロホンの感度調整を示す説明図。
【図８】 本発明の実施例の３の信号処理回路のブロック図。
【図９】 本発明のマイクロホン対の実施例４の構成を示す図。
【図１０】 本発明のマイクロホンアレイを２つ用いた場合の回路構成を示す説明図。
【符号の説明】
１〜７ マイクロホン対
1a,1b マイクロホン
・
・
・
7a,7b マイクロホン
1c マイクロホン
11〜17, 31〜38 マイクロホン対検出回路
11a 減算回路（ＳＵＢ）
11b 低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
11c,11h ピークホールド回路（ＰＫＨ）
11d,11i アナログ／ディジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）
11e 加算回路（ＡＤＤ）
11f スイッチ（ＳＷ）
11g 増幅器（ＡＭＰ）
20 マイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）
21 加算回路（ＡＤＤ）
22 RS232Cドライバ
23 ＲＯＭ
24 ＲＡＭ
40,42 マイクロホンアレイ
43,44 音声方向識別装置
45 演算装置
N1〜N8 マイクロホン対
N1a,N1b マイクロホン
・
・
・
N8a,N8b マイクロホン
【発明の属する技術分野】
本発明は、話者とパーソナルコンピュータとのインタフェース技術に用いられるマイクロホンシステムに関し、特に発音者（話者）の位置を入力データとしてパーソナルコンピュータに入力し、発音の検出信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を改善して次段の音の処理（例えば、音声認識）の改善を行うマイクロホンシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数のマイクロホンを用いて音源方向を検出する従来の技術として、例えば、特開平４−７２５２５号、特開平５−２０７１１７号、特開平７−３３６７９０号があげられる。
【０００３】
特開平４−７２５２５号は、球体の表面に球体中心から見て９０°の間隔で６つの無指向性のマイクロホンを配置した一体構造の球状受信音検出部を用いて、各マイクロホンの受音圧レベルを検出し、対向するマイクロホンの差信号を検出し、この２つの受音圧レベルと差信号にもとづいて音源方向を演算し、３次元空間内に存在する音源方向を、簡単で精度よく算出するようにしたものである。
【０００４】
本方式では、６つの無指向性のマイクロホンを用いて音源方向のみを検出しており、目的音の抽出にＳ／Ｎの改善を行うことについての記載がない。
特開平５−２０７１１７号は、自動車電話機に入力させる話者即ち運転者の音声を、少なくとも３つ以上の位置検出用のマイクロホンで受信し、各音声信号間の時間差を検出し、その時間差にもとづいて話者の位置を検出し、さらに話者の方向に指向性マイクロホンを向け、雑音の影響を少なくして話者の音声の認識を高めるようにしたものである。
【０００５】
本方式では、目的音の抽出用のマイクロホンとして３つ以上の超指向性マイクロホンを使用し、この３つの超指向性マイクロホンを話者の方向に向けている。
一般的に超指向性マイクロホンは鋭い指向性を得るため、全長が５０ｃｍ以上と長くなる。さらに、目的音の抽出にＳ／Ｎの改善を行うことについての記載がない。
【０００６】
特開平７−３３６７９０号は、複数のマイクロホンを配置し、その出力が最大値となるマイクロホンもしくは発生のタイミングが最も早かったマイクロホンを選択するようにし、マイクロホンの人手操作、音声信号の混信、ミキシングの人手操作を自動化し、改善するようにしたものである。
【０００７】
本方式では、音源方向の抽出および目的音の抽出に単一のマイクロホン出力を用いており、目的音の抽出にＳ／Ｎの改善を行うことについての記載がない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、従来例のマイクロホンシステムにおいては、かならずしも小型で簡単な構成でなく、また、音源方向の目的音を高いＳ／Ｎで抽出できないという課題がある。
【０００９】
本発明は、小型で簡単な構成を有し、かつ音源方向の検出と高いＳ／Ｎで目的音の抽出を可能にするマイクロホンシステムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定の間隔離して配置される２つの無指向性マイクロホンからなるマイクロホン対が、マイクロホン対の２つのマイクロホンを結ぶ線分とそれに隣接するマイクロホン対の２つのマイクロホンを結ぶ線分との交角が６０°以下となるように、同一平面上に複数配置された複数のマイクロホン対と、該各マイクロホン対における２つのマイクロホンの差信号を演算する複数の第一の演算手段と、該各マイクロホン対における２つのマイクロホンの和信号を演算する複数の第二の演算手段と、前記複数の第一の演算手段の各出力から最小値出力を検出する検出手段と、検出された該最小値出力のマイクロホン対の和信号を選択し音情報として出力する選択手段と、を設けたことを特徴とするマイクロホンシステムである。
【００１１】
上記構成のマイクロホンシステムにおいては、選択手段から出力されたマイクロホン対の和信号を加算する加算手段を設け、選択手段が、差信号の最小値に対応する和信号に加えて２番目に小さい差信号に対応する和信号も選択して、これらの信号を加算手段に入力するように構成してもよい。
【００１２】
上記した複数のマイクロホン対は、マイクロホンが同一円周上に位置するように、マイクロホン対を形成する２つのマイクロホンを結ぶ線分の中間点を中心として６０°以下の交角ずつずらして配置することが望ましい。
【００１３】
また、上記構成においては、第一の演算手段から出力される差信号を、音速Ｖとマイクロホン対における２つのマイクロホン間の距離Ｄとの関係においてＶ／２Ｄ＝Ｆで示されるカットオフ周波数Ｆにてろ波する低域通過フィルタをマイクロホン対毎に備え、検出手段が低域通過フィルタの出力を検出するように構成することが望ましい。
【００１４】
この発明は、また、所定の間隔離して２つの無指向性マイクロホンが配置された第１のマイクロホン対と、その第１のマイクロホン対の２つのマイクロホンの中間で第１のマイクロホン対と直交し第１のマイクロホン対と同一の第２のマイクロホン対とからなるマイクロホンを一組とし、その一組のマイクロホンが第１のマイクロホン対と第２のマイクロホン対との交点を中心として同一平面上に４５°以下の交角で複数配置されたマイクロホンアレイと、各マイクロホン対における２つのマイクロホンの差信号を演算する複数の第一の演算手段と、複数の第一の演算手段の各出力から最小値出力を検出する検出手段と、検出された該最小値出力のマイクロホン対に直交するマイクロホン対における２つのマイクロホンの出力電圧の比を演算する第二の演算手段と、マイクロホン対の２つのマイクロホン間の距離と第二の演算手段によって演算された出力電圧の比とに基づいてマイクロホンアレイから音源までの距離を算出する算出手段とを備えたことを特徴とするマイクロホンシステムである。
【００１５】
上記構成のマイクロホンシステムにおいては、マイクロホンアレイの各マイクロホンは、その感度が、マイクロホンアレイが配置された面に垂直でかつマイクロホンアレイの中心を通る線上に配置された音源からの音に対して各マイクロホンの出力が同一となるように調整されたものであることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下において、図１〜図５により本発明の実施の形態例について説明する。
まず、発明にかかわる基本事項について、図１と図２により説明する。
【００１７】
図１は、２つの無指向性マイクロホンからなるマイクロホン対の指向特性を示す図であり、図１(1) は２つの無指向性マイクロホン（以下において、マイクロホンと略称する）が同相（加算）で用いられる場合を示し、図１(2）は逆相（減算）で用いられる場合を示す。
【００１８】
なお、２つのマイクロホンは、同一の特性（感度の指向性と周波数特性）を有しており、Ｄの間隔で配置されているものとする。
図１に示すように、２つのマイクロホン1a,1b を同軸上に配置して１つのマイクロホン対を形成した場合、図１(1) に示すように、２つのマイクロホン1a,1b が同相（加算）の際には、音の到来方向θに対する２つのマイクロホン1a,1b の和信号の指向特性は楕円形になる。
【００１９】
従って、０°の方向（マイクロホン1a,1b の配置の方向と直角の方向）の利得と９０°の方向（マイクロホン1a,1b の配置方向）の利得の間に大きな差異は生じず、鋭い指向特性が得られない。
【００２０】
しかしながら、図１(2) に示すように、２つのマイクロホン1a,1b が逆相（減算）の際には、０°の方向の利得は抑圧され、２つのマイクロホン1a,1b の差信号の指向特性は略８字の形になる。
【００２１】
従って、０°の方向の利得と９０°の方向の利得の間には大きな差異が生じ、鋭い指向特性が得られるようになる。
本発明は、この逆相（減算）の際の鋭い抑圧指向性を利用して、音源方向を検出するようにしたものである。
【００２２】
次に、図２について説明する。図２はマイクロホン対の差信号と和信号の特性を示す図である。
図２(1) は差信号であり、２つのマイクロホンが逆相で用いられる場合の指向特性（音源方向と利得）の実測値を示す。
【００２３】
なお、両マイクロホンの間隔Ｄは２０ｃｍであり、音の周波数は２００Ｈz 、３９８．８２８Ｈz および６９７．０７Ｈz である。
図２(1) では、測定角度はマイクロホン対の配置方向を９０°としている。図示のごとく、０°で利得が最小であり、角度の増加に伴い利得は増加する。
【００２４】
なお、０°から３０°までの範囲では、角度１０°の増加に対して利得は少なくとも４ｄＢ以上は変化する。しかしながら、３０°以上になると、角度１０°の増加に対して利得は２ｄＢ以下程度しか変化せず、かつ３０°〜９０°の範囲での利得の変化は６ｄＢ程度である。
【００２５】
即ち、マイクロホン対の正面方向から３０°以上傾いた方向から音が到来した場合、角度が変化しても利得の変化は小さく出力も殆ど変化しない。
従って、音源方向がともに３０°以上傾いた２つのマイクロホン対の差信号を比較した場合、どちらのマイクロホン対の傾きに近いかを正確に判断できない。即ち、音源方向の正確な検出が出来なくなる。
【００２６】
このことは、マイクロホン対の音源方向からの角度は、最悪でも３０°以下になるように設定する必要があることを示している。即ち、正確な音源方向を検出するためには、２つのマイクロホン対の交角は６０°以下になるように設定する必要がある。
【００２７】
次に、図２(2) について説明する。図２(2) は２つのマイクロホン対１、２の和信号を加算した加算和信号を示す図である。
いま、２つのマイクロホン1a,1b は同相であり、２つのマイクロホン2a,2b もまた同相であるとする。従って、２つのマイクロホン対１、２は同一の特性となる。なお、その交角を６０°に配置する。
【００２８】
図２(2) に示すごとく、マイクロホン対１の和信号の方向Ａは、マイクロホン対２の配置方向から時計方向に３０°の方向であり、その大きさは、例えばマイクロホン1aの出力の略２倍である。
【００２９】
同様に、マイクロホン対２の和信号の方向Ｂは、マイクロホン対１の配置方向から反時計方向に３０°であり、その大きさは、例えばマイクロホン1aの出力の略２倍である。
【００３０】
従って、２つのマイクロホン対１、２の加算和信号の方向は、方向Ａから時計方向に向かって３０°で方向Ｂから反時計方向に向かって３０°であり、その大きさは、例えばマイクロホン1aの出力の略４倍になる。
【００３１】
一般に、ｎ個の信号を同期加算すると振幅はｎ倍になるが、ランダムな騒音をｎ個加算すると振幅は該ｎの平方根倍になる。
例えば、２つのマイクロホン対１、２が同じ音源方向を向いているならば、音源からの音は同期加算となり、その加算出力の振幅は加算するマイクロホンの数の倍数になる。また、騒音はランダムなので、騒音の振幅は加算するマイクロホンの数の平方根倍になる。
【００３２】
上記の説明をもとに、例えばマイクロホン1aの出力のＳ／Ｎとマイクロホン対１の出力のＳ／Ｎを比較した場合、Ｓは最大２倍になるがＮは1.414 倍にしかならならないので、Ｓ／Ｎでは1.414 倍の最大３ｄＢの改善となる。
【００３３】
従って、２つのマイクロホン対１、２の場合においては、マイクロホン1aに対して最大６ｄＢの改善となる。
つぎに、本発明の実施例について、図３〜図５により説明する。
【００３４】
図３は本発明のマイクロホン対の実施例１の構成と特性を示す図であり、図３(1) は構成を示し、図３(2) は特性を示す。また、図４は本発明のマイクロホン対検出回路の一実施例の回路構成を示す図であり、図３に示す７つのマイクロホン対１〜マイクロホン対７に対応するように構成されている。さらに、図５は本発明のマイクロホン対の実施例２の構成を示す図である。
【００３５】
〔実施例１〕
図３では、７つのマイクロホン対１（マイクロホン1aとマイクロホン1b）〜マイクロホン対７（マイクロホン7aとマイクロホン7b）を備えており、隣接するマイクロホン対の交角は、例えば１５°としている。
【００３６】
図３(1) に示す矢印の方向から音が到来した場合、７つのマイクロホン対１〜マイクロホン対７の差信号のそれぞれのレベルは、図３(2) に示すグラフのようになる。
【００３７】
図３(1) に示すように３番目のマイクロホン対３の配置方向は音の到来方向に対して略直角であり、その差信号のレベルは図３(2) に示すように最も小さくなる。
【００３８】
さらに、例えばマイクロホン対２、マイクロホン対４、マイクロホン対１、マイクロホン対５、・・・、マイクロホン対７の順に、その差信号のレベルは大きくなっていく。
【００３９】
即ち、マイクロホン対１〜マイクロホン対７の差信号のレベルを比較し、最も小さいマイクロホン対３を選べば、音の到来方向が検出できるのである。
音の到来方向を検出したら、次に目的音を検出する。目的音の検出には、音の到来方向を検出したマイクロホン対の和信号の加算を行う。
【００４０】
マイクロホン対の差信号からつくられる減算出力は、低域通過フィルタでろ波する。該低域通過フィルタのカットオフ周波数Ｆと音速Ｖおよびマイクロホン対の間隔Ｄとの間に、次の関係がある。
【００４１】
Ｆ＝Ｖ／２Ｄ
上記に示すカットオフ周波数Ｆより高い周波数の音が到来した場合、図１(2) に示した８字の指向特性に落ち込み（ｄｉｐ）が生じて指向性は８字形ではなくなり、正確な音源方向が検出できなくなることが知られている。このため低域通過フィルタでカットオフ周波数Ｆより高い周波数成分をカットする。
【００４２】
上記したマイクロホン対の出力信号の処理について、図４により説明する。
図４において、1a,1b は図３(1) に示すマイクロホン対１を形成するマイクロホンである。同様に、2a,2b 〜7a,7b はマイクロホン対２〜マイクロホン対７を形成するマイクロホンである。
【００４３】
11〜17はマイクロホン1a,1b 〜マイクロホン7a,7b からの出力を入力とし、回路11a 〜11f を有する同一構成のマイクロホン対検出回路である。
11a は第１の演算手段対応の減算回路（ＳＵＢ）であり、11e は第２の演算手段対応の加算回路（ＡＤＤ）であり、11b は低域通過フィルタ（ＬＰＦ）であり、11c はピークホールド回路（ＰＫＨ）であり、11d はアナログ／ディジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）であり、11f はスイッチ（ＳＷ）である。
【００４４】
また、20は信号処理を行うホスト装置としてのＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）であり、21は複数の入力信号を加算する加算回路（ＡＤＤ）であり、22は低速インタフェースのRS232Cドライバである。
【００４５】
さらに、11c,11d および20の各回路が、音源方向情報を検出する検出手段に対応している。
例えば、マイクロホン（Ｍ）1a,1b で受信されたそれぞれの音の出力は、両出力の減算演算を行うＳＵＢ11a および加算演算を行うＡＤＤ11e に入力される。このＳＵＢ11a とＡＤＤ11e はオペアンプなどを用いて公知の技術で構成する。
【００４６】
ＳＵＢ11a からの減算出力（差信号に対応）は、前記カットオフ周波数Ｆ（Ｆ＝Ｖ／２Ｄ）をもつＬＰＦ11b に入力され、該ＬＰＦ11b の出力はＰＫＨ11c で最大値に保持される。
【００４７】
このＰＫＨ11c で保持された最大値は、Ａ／Ｄ11d でアナログ／ディジタル変換データ(A/DDATA) に変換され、ＭＰＵ20に入力される。
同様に、マイクロホン2a,2b 〜マイクロホン7a,7b からの出力は、マイクロホン対検出回路12〜マイクロホン対検出回路17に入力されて６つのA/DDATA がつくられ、それぞれはＭＰＵ20に入力される。
【００４８】
ＭＰＵ20では、これらの７つのA/DDATA の値の大小を判断し、その最小値から方向信号をつくり、検出された音源の方向信号としてRS232Cドライバ22経由で出力される。
【００４９】
さらに、ＭＰＵ20では、この７つのA/DDATA の値の大小の判断結果をもとに、最小値のA/DDATA の加算出力（和信号）および、必要に応じてこのA/DDATA の中の２番目、３番目、・・・に小さい値に対応する加算出力（和信号）を選択するＭＩＣ選択の出力を送出してＳＷ11f をオンにし、これらの和信号を通過させてＡＤＤ21に加える。
【００５０】
もし、この７つのA/DDATA の中の２番目と３番目に小さい値が同一値であると判断された場合、どちらか１つが選択されるようにＳＷ11f は制御される。
ＡＤＤ21では、複数のＳＷ11f がオンされて通過した少なくも１つ以上の和信号を用いてＳ／Ｎの改善を行い、該Ｓ／Ｎの改善を行った所望のマイクロホンの検出信号として次段へ送出される。
【００５１】
一般に、加算対象のマイクロホン対の数は、マイクロホンの検出対象周波数とマイクロホン対の配置角度と間隔より決定されるが、その詳細記載は省略する。なお、１つのマイクロホン出力の加算によりＳ／Ｎは３ｄＢ改善されるので、差信号の最小値を与えるマイクロホン対の検出信号は１つのマイクロホンの検出信号に比較して最大３ｄＢ改善される。
【００５２】
従って、差信号の最小値と２番目に小さい値のそれぞれに対応したマイクロホン対の両検出信号を加算した場合、最大で６ｄＢの改善が得られる。
【００５３】
〔実施例２〕
次に、図５について説明する。図５はマイクロホン配置の実施例２の構成を示す図である。
【００５４】
図５の第１例では、８つのマイクロホンを２列に分けて配置している。
【００５５】
マイクロホン対の組み合わせは、マイクロホン1aとマイクロホン1b〜マイクロホン1aとマイクロホン4bの４通り、マイクロホン1bとマイクロホン2a〜マイクロホン1bとマイクロホン4aの３通りの合計７通りからなるようにする。
【００５６】
この７通りの組み合わせの選択により、図３の実施例と同様に音源方向の検出目的音のＳ／Ｎの改善が実現できる。この場合、必要なマイクロホンの数は８つと図３の実施例に比べて少なくできる。
【００５７】
なお、音源の検出範囲は、マイクロホン1bとマイクロホン4aとの配置方向に直交する方向からマイクロホン1aとマイクロホン4bとの配置方向に直交する方向までの範囲となる。
【００５８】
図５の第２例では、４つのマイクロホン1a〜マイクロホン4aを１列に配置するとともに、マイクロホン1aの両側に２つのマイクロホン1bとマイクロホン1cを配置している。
【００５９】
マイクロホン対の組み合わせは、例えばマイクロホン1bとマイクロホン1a〜マイクロホン1bとマイクロホン4aの４通り、およびマイクロホン1cとマイクロホン2a〜マイクロホン1cとマイクロホン4aの３通り、の合計７通りからなるようにする。
【００６０】
そして第１例と同様に、この７通りの組み合わせの選択により、図３の実施例と同様に音源方向の検出および目的音のＳ／Ｎの改善が実現できる。この場合には、必要なマイクロホンの数は６つと図３の実施例および前記第１例に比べて少なくできる。
【００６１】
なお、音源の検出範囲は、マイクロホン1cとマイクロホン4aとの配置方向に直交する方向からマイクロホン1bとマイクロホン4aとの配置方向に直交する方向までの範囲となる。
【００６２】
〔実施例３〕
図６はマイクロホン対の実施例３の構成を示す図である。本実施例では、直交する２対のマイクロホンを１組とし、この１組のマイクロホンを４５°以下の交角で配置したマイクロホンアレイの例を示している。
【００６３】
この図に示すように、本例では、１６個のマイクロホンを同心円上に２２．５°の角度を隔てて配置したマイクロホンアレイで、音源方向と音源までの距離を検出するようにしている。
【００６４】
すなわち、マイクロホンＮ１ａとマイクロホンＮ１ｂとをマイクロホン対Ｎ１とし、マイクロホンＮ２ａとマイクロホンＮ２ｂとをマイクロホン対Ｎ２とし、マイクロホンＮ３ａとマイクロホンＮ３ｂとをマイクロホン対Ｎ３とし、マイクロホンＮ４ａとマイクロホンＮ４ｂとをマイクロホン対Ｎ４とし、マイクロホンＮ５ａとマイクロホンＮ５ｂとをマイクロホン対Ｎ５とし、マイクロホンＮ６ａとマイクロホンＮ６ｂとをマイクロホン対Ｎ６とし、マイクロホンＮ７ａとマイクロホンＮ７ｂとをマイクロホン対Ｎ７とし、マイクロホンＮ８ａとマイクロホンＮ８ｂとをマイクロホン対Ｎ８とする。
【００６５】
マイクロホンの組に関しては、マイクロホン対Ｎ１とこれに直交するマイクロホン対Ｎ５とをマイクロホン組Ｎ１，Ｎ５とし、マイクロホン対Ｎ２とこれに直交するマイクロホン対Ｎ６とをマイクロホン組Ｎ２，Ｎ６とし、マイクロホン対Ｎ３とこれに直交するマイクロホン対Ｎ７とをマイクロホン組Ｎ３，Ｎ７とし、マイクロホン対Ｎ４とこれに直交するマイクロホン対Ｎ８とをマイクロホン組Ｎ４，Ｎ８とする。
【００６６】
そして、マイクロホン組Ｎ１，Ｎ５に対して、同心円上に２２．５°ずらしてマイクロホン組Ｎ２，Ｎ６を配置し、さらに２２．５°ずらしてマイクロホン組Ｎ３，Ｎ７を配置し、さらに２２．５°ずらしてマイクロホン組Ｎ４，Ｎ８を配置している。したがって、本例では、マイクロホン対の交角は２２．５°となっている。
【００６７】
音源Ｓの位置とマイクロホンアレイの位置とは、図に示す関係にあるものとする。すなわち、音源Ｓの位置は、マイクロホンアレイと同一平面上で、かつマイクロホン対Ｎ１の延長線上にあるものとする。
【００６８】
このような位置に音源Ｓがある場合には、音源方向は、マイクロホン対Ｎ１〜Ｎ８のうち、マイクロホン対の差分出力が最小となるマイクロホン対Ｎ５により検出できる。
【００６９】
次に、音源までの距離の検出方法について説明する。
音の大きさは音源からの距離に反比例するので、マイクロホン対の間隔を２Ｒとし（すなわち、マイクロホンアレイの半径をＲとしている）、マイクロホンアレイの中心位置から音源Ｓまでの距離をＬとすると、マイクロホン対Ｎ５に直交するマイクロホン対Ｎ１で検出される音圧出力の比は、以下のような関係となる。ここで、マイクロホンＮ１ａの音圧出力をＮ１ａＯＵＴとし、マイクロホンＮ１ｂの音圧出力をＮ１ｂＯＵＴとする。
Ｎ１ａＯＵＴ／Ｎ１ｂＯＵＴ＝（Ｌ＋Ｒ）／（Ｌ−Ｒ）
したがって、マイクロホンアレイの中心位置から音源Ｓまでの距離Ｌは、
Ｌ＝Ｒ（Ｎ１ａＯＵＴ＋Ｎ１ｂＯＵＴ）／（Ｎ１ａＯＵＴ−Ｎ１ｂＯＵＴ）
にて求めることができる。
【００７０】
なお、このマイクロホンアレイに用いるマイクロホンは、３６０度の方向に対して感度が一定な無指向性マイクロホンを用い、図７に示すような方法でマイクロホンの感度を調整する。
【００７１】
すなわち、各マイクロホンの感度は、音源Ｓから各マイクロホンまでの距離が一定となるようにマイクロホンアレイの中心軸上に音源Ｓを配置し、各マイクロホンの出力が同一となる様に感度を調整する。
【００７２】
図８は信号処理回路のブロック図である。以下このブロック図に基づいて信号処理について説明する。
図において、３１はマイクロホン対Ｎ１に対応するマイクロホン対検出回路、３２はマイクロホン対Ｎ２、３３はマイクロホン対Ｎ３、３４はマイクロホン対Ｎ４、３５はマイクロホン対Ｎ５、３６はマイクロホン対Ｎ６、３７はマイクロホン対Ｎ７、３８はマイクロホン対Ｎ８、にそれぞれ対応するマイクロホン対検出回路である。各マイクロホン対検出回路は同じ回路であるため、マイクロホン対検出回路３１だけ内部回路を示した。
【００７３】
各マイクロホン対検出回路３１〜３８からの出力データは、図４の回路と同様に、ＭＰＵ２０に入力され、ＭＰＵ２０からはＲＳ２３２Ｃドライバ２２を介してデータが出力される。ＭＰＵ２０にはＲＯＭ２３とＲＡＭ２４が設けられている。
【００７４】
各マイクロホン対検出回路３１〜３８は同じ機能を有しているため、マイクロホン対検出回路３１を例に挙げて説明する。
マイクロホン対Ｎ１の出力、つまりマイクロホンＮ１ａの出力とマイクロホンＮ１ｂの出力は、それぞれＡＭＰで示される増幅器１１ｇに入力されて増幅されるとともに、ＳＵＢで示される減算回路１１ａに入力される。この減算回路１１ａはオペアンプ等を用いて公知の技術で構成する。
【００７５】
減算回路１１ａからの出力は、特定のカットオフ周波数Ｆを持つＬＰＦにて示されるローパスフィルタ１１ｂに入力される。
すなわち、前述したように、ローパスフィルタ１１ｂのカットオフ周波数Ｆと音速Ｖおよびマイクロホン対の間隔Ｄ（＝２Ｒ）とには、Ｆ＝Ｖ／２Ｄの関係があり、このカットオフ周波数Ｆより高い周波数の音が到来した場合、正確な音源方向が検出できなくなるため、ローパスフィルタ１１ｂでカットオフ周波数Ｆより高い周波数成分をカットしている。
【００７６】
ローパスフィルタ１１ｂからの出力は、ＰＫＨで示されるピークホールド回路１１ｃで最大値が保持され、保持された最大値はＡ／Ｄで示されるアナログ−デジタルコンバータ１１ｄでデジタルの減算データに変換され、ＭＰＵ２０に入力される。
【００７７】
また、増幅器１１ｇからの各出力は、それぞれＰＫＨで示されるピークホールド回路１１ｈで最大値が保持され、保持された最大値はＡ／Ｄで示されるアナログ−デジタルコンバータ１１ｉでデジタルデータに変換され、ＭＰＵ２０に入力される。
【００７８】
ＭＰＵ２０は、マイクロホン対Ｎ１〜Ｎ８までの全ての減算データを比較し、減算データが最小であるマイクロホン対を選択してＲＡＭ２４に記憶し、これにより音源Ｓの方向を検出する。
【００７９】
次に、マイクロホン対Ｎ１〜Ｎ８の内から、減算データが最小のマイクロホン対と直交するマイクロホン対を選択し、その選択したマイクロホン対の出力データをＲＡＭ２４に記憶する。そして、このマイクロホン対の出力データに基づいて、上述した数式により、マイクロホンアレイの中心位置から音源Ｓまでの距離Ｌを算出する。
【００８０】
ＲＯＭ２３には、このような演算プログラムが記憶されており、この内蔵したプログラムにより距離Ｌの算出を行う。
ＭＰＵ２０は、検出した音源Ｓの方向データと距離データとを、ＲＳ２３２Ｃドライバ２２を介してパーソナルコンピュータ等の後方処理装置へ送出する。
【００８１】
このようにして、２つのマイクロホン対を直交させた十字形のマイクロホン組を同心円上に２２．５°の角度を隔てて配置したマイクロホンアレイを用いることにより、音源方向と音源までの距離を検出することができる。
【００８２】
なお、本例においては、マイクロホン組を同心円上に４組配置してマイクロホン対の交角を２２．５°としているが、このマイクロホン組は、４５°以下の交角でマイクロホン対を配置したものであればよい。すなわち、交角が４５°以下であるという条件さえ満たせば、マイクロホン組は、同心円上に等間隔で複数組配置したものであればよく、例えば、マイクロホン組を２組配置してマイクロホン対の交角を４５°としたもの、あるいはマイクロホン組を３組配置してマイクロホン対の交角を３０°としたもの、あるいはマイクロホン組を５組配置してマイクロホン対の交角を１８°としたもの等であってもよい。
【００８３】
以上の説明においては、マイクロホンアレイを１つだけ用いたが、音源Ｓの方向を検出可能なマイクロホンアレイを２つ用いて音源Ｓの方向と距離を算出することもできる。以下、これを実施例４として説明する。
【００８４】
〔実施例４〕
図９はマイクロホン対の実施例４の構成を示す図である。本実施例では、マイクロホンアレイを２つ用いた場合の配置例を示している。
【００８５】
本例では、２個のマイクロホンアレイ４０とマイクロホンアレイ４２とを距離ｒ離して配置する。このマイクロホンアレイは、図３の（１）で示したマイクロホンアレイや、図５の〔第１例〕または〔第２例〕で示したマイクロホンアレイを用いることができる。また、図６で示したマイクロホンアレイを用いてもよい。
【００８６】
図９に示すように、２つのマイクロホンアレイ４０，４２間の距離をｒ、２つのマイクロホンアレイ４０，４２によって形成されるマイクロホンアレイ面から音源Ｓまでの距離をＬ、マイクロホンアレイ４２からマイクロホンアレイ面の中心位置までの距離をＨ、マイクロホンアレイ４０で検出した音源Ｓの方向とマイクロホンアレイ４２で検出した音源Ｓの方向をそれぞれθ１、θ２とすると、
Ｌ／（ｒ＋Ｈ）＝ｔａｎθ１
Ｌ／Ｈ＝ｔａｎθ２
である。
【００８７】
これにより、マイクロホンアレイ面から音源Ｓまでの距離Ｌは、
Ｌ＝ｒ（ｔａｎθ１／（１−ｔａｎθ１／ｔａｎθ２））
として算出することができる。
【００８８】
また、マイクロホンアレイ４２からマイクロホンアレイ面の中心位置までの距離Ｈは、
Ｈ＝ｒ（ｔａｎθ１／（ｔａｎθ２−ｔａｎθ１））
として算出することができる。そして、音源方向θは、
ｔａｎθ＝１／（ｒ／２＋１／ｔａｎθ２）
として算出することができる。
【００８９】
２つのマイクロホンアレイ４０，４２間の距離ｒは、あらかじめ記憶したものを用いる。また、マイクロホンアレイから音源Ｓまでの距離は、距離Ｌと距離Ｈのうち長いほうを選択する。
【００９０】
図１０はマイクロホンアレイを２つ用いた場合の回路構成を示す説明図である。図において、４３および４４はマイクロホンアレイとマイクロホン対検出回路とＭＰＵからなる音源方向識別装置、４５は演算装置である。
【００９１】
音源方向識別装置４３，４４としては、図４で示した回路を用いることができる。音源方向識別装置４３，４４は、マイクロホンアレイの出力から音源Ｓの方向データθ１，θ２を検出し、このデータを演算装置４５に出力する。
【００９２】
演算装置４５では、この音源Ｓの方向データθ１，θ２とあらかじめ記憶している２つのマイクロホンアレイ間の距離ｒとにより、マイクロホンアレイ面から音源Ｓまでの距離Ｌあるいはマイクロホンアレイからマイクロホンアレイ面の中心位置までの距離Ｈと、音源方向θとを求め、このデータをパーソナルコンピュータ等の後方処理装置（ホスト装置）へ出力する。
【００９３】
このようにして、２つのマイクロホンアレイを用いることにより、音源方向と音源までの距離を検出することができる。
この音源方向と音源までの距離を検出する技術については、例えばパーソナルコンピュータと、パーソナルコンピュータの前に位置する発音者（話者）との間のコミュニケーションを演出するソフトウエア等に利用することができる。具体的には、画面に人間あるいは鳥等の動物を表示しておき、発音者の発生する音源の方向にその動物を向かせる等の各種のコミュニケーションソフトウエアに利用が可能である。
【００９４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、小型で簡単な構成による音源方向の検出に加え、高い信号対雑音比による目的音の抽出が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ２つの無指向性マイクロホンからなるマイクロホン対の指向特性を示す図。
【図２】 マイクロホン対の差信号と和信号の特性を示す図。
【図３】 本発明のマイクロホン対の実施例１の構成と特性を示す図。
【図４】 本発明のマイクロホン対検出回路の一実施例の回路構成を示す図。
【図５】 本発明のマイクロホン対の実施例２の構成を示す図。
【図６】 本発明のマイクロホン対の実施例３の構成を示す図。
【図７】 本発明のマイクロホンの感度調整を示す説明図。
【図８】 本発明の実施例の３の信号処理回路のブロック図。
【図９】 本発明のマイクロホン対の実施例４の構成を示す図。
【図１０】 本発明のマイクロホンアレイを２つ用いた場合の回路構成を示す説明図。
【符号の説明】
１〜７ マイクロホン対
1a,1b マイクロホン
・
・
・
7a,7b マイクロホン
1c マイクロホン
11〜17, 31〜38 マイクロホン対検出回路
11a 減算回路（ＳＵＢ）
11b 低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
11c,11h ピークホールド回路（ＰＫＨ）
11d,11i アナログ／ディジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）
11e 加算回路（ＡＤＤ）
11f スイッチ（ＳＷ）
11g 増幅器（ＡＭＰ）
20 マイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）
21 加算回路（ＡＤＤ）
22 RS232Cドライバ
23 ＲＯＭ
24 ＲＡＭ
40,42 マイクロホンアレイ
43,44 音声方向識別装置
45 演算装置
N1〜N8 マイクロホン対
N1a,N1b マイクロホン
・
・
・
N8a,N8b マイクロホン
Claims (4)
- 所定の間隔離して配置される２つの無指向性マイクロホンからなるマイクロホン対が、マイクロホン対の２つのマイクロホンを結ぶ線分とそれに隣接するマイクロホン対の２つのマイクロホンを結ぶ線分との交角が６０°以下となるように、同一平面上に複数配置された複数のマイクロホン対と、
該各マイクロホン対における２つのマイクロホンの差信号を演算する複数の第一の演算手段と、
該各マイクロホン対における２つのマイクロホンの和信号を演算する複数の第二の演算手段と、
前記複数の第一の演算手段の各出力から最小値出力を検出する検出手段と、
検出された該最小値出力のマイクロホン対の和信号を選択し音情報として出力する選択手段と、
を設けたことを特徴とするマイクロホンシステム。 - 前記選択手段から出力されたマイクロホン対の和信号を加算する加算手段をさらに備え、前記選択手段は、差信号の最小値に対応する和信号に加えて２番目に小さい差信号に対応する和信号も選択して、これらの信号を加算手段に入力することを特徴とする請求項１記載のマイクロホンシステム。
- 前記複数のマイクロホン対を、マイクロホンが同一円周上に位置するように、マイクロホン対を形成する２つのマイクロホンを結ぶ線分の中間点を中心として６０°以下の交角ずつずらして配置したことを特徴とする請求項１記載のマイクロホンシステム。
- 前記第一の演算手段から出力される差信号を、音速Ｖとマイクロホン対における２つのマイクロホン間の距離Ｄとの関係においてＶ／２Ｄ＝Ｆで示されるカットオフ周波数Ｆにてろ波する低域通過フィルタをマイクロホン対毎に備え、前記検出手段が低域通過フィルタの出力を検出することを特徴とする請求項１記載のマイクロホンシステム。
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