JP4011395B2 - マイクロホン装置および音源方向判定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音源から出力される音波を受信し、この音波に基づく出力波形信号を出力するマイクロホン装置および音源方向判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロホン装置は、マイクロホンで音波を受信し、このマイクロホンから出力される波形信号をアンプで増幅して出力する。マイクロホンとしては、一般的に、無指向性マイクロホンや、単一指向性マイクロホンが利用されている。
【０００３】
マイクロホン装置の指向特性は、基本的にその装置で使用するマイクロホンの指向特性で決まる。無指向性マイクロホンは、図２（Ａ）に示すように略円形形状の指向特性を有する。また、単一指向性マイクロホンは、図２（Ｄ）に示すように略カージオイド形状の指向特性を有する。
【０００４】
ところで、近年、自動車などの車両では、カーナビゲーションシステムや、移動通信システムが広く普及し始めている。このようなシステムでは、たとえばマイクロホン装置で受信した音声を音声認識装置で解析した結果に基づいてカーナビゲーションシステムを動作させたり、マイクロホン装置で受信した音声を移動通信システムで送信したりする。
【０００５】
このような用途で使用されるマイクロホン装置では、運転手の音声を確実に受信して、かつ、周囲の走行ノイズなどはなるべく受信しない特性のものが望まれる。このため、単一指向性マイクロホンを、車両内の運転手のなるべく近くで、運転手に向けて配置するのが一般的となっている。
【０００６】
しかしながら、単一指向性マイクロホンを使用した場合、無指向性マイクロホンを使用するよりは改善されるものの、周囲の走行ノイズなどを多く受信してしまうことになる。単一指向性という単語から、正面のみに感度が高い特性を想像するが、実際は、側面側から音波を受信する感度が、正面から受信する場合の感度に比べて、わずかに数ｄＢ低いだけなのである。
【０００７】
したがって、マイクロホン装置の出力信号は、運転手の音声に基づく成分とともに、周囲の走行ノイズなどの成分が含まれたものになってしまう。そのため、音声認識装置の認識率が悪化したり、移動通信システムの通話品質が低下することになる。
【０００８】
そこで、使用するマイクロホンとして単一指向性の指向特性よりも正面以外の方向の感度を低く抑えたマイクロホンを使用することが考えられる。
【０００９】
また、運転手の音声と走行ノイズとの受信レベルに差があることに着目して、マイクロホンの波形信号のレベルが所定の閾値レベルを超えたら、この波形信号を出力信号として出力することが考えられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来の考え方では車両内の運転手の音声のみを効率よく出力波形信号として出力することはできない。
【００１１】
前者のマイクロホンの指向特性の改善については、現実的に単一指向性よりも適しているマイクロホンはない。
【００１２】
たとえば、単一指向性よりも側面からの感度を減らし指向特性の形状を前方に鋭くした超指向性とよばれるマイクロホンがある。しかしながら、超指向性のマイクロホンは原理的に音波の波長以上の長さが必要であり、短いものでも３０ｃｍ程度の長さになってしまう。このため、運転手の口元に向かって設置することは現実的ではなくなってしまう。
【００１３】
また、側面からの感度が低い双指向性という指向特性のマイクロホンがある。双指向性マイクロホンは、図２（Ｂ）に示すような略８の字形状の指向特性を有する。双指向性の場合、側面感度は低いが背面感度が正面と同程度になっている。背面側からの音が問題であるならば、双指向性のマイクロホンの背面を覆えば改善するような気がする。しかしながら、双指向特性の背面を塞ぐと無指向性の特性に近くなってしまうのである。無指向性のマイクロホンは、音波による空気の直接的な動きよりも、空気が動くことによって発生する気圧の変化を主にとらえているマイクロホンである。気圧の変化はどの方向からの音波でも同様に発生するので指向特性は無指向性となる。振動板の片側を塞ぐと振動板の動きは気圧変化によるものが主体的となる。このため、単一指向性の場合も同様であるが、マイクロホンの振動板の正面以外の周囲を塞いでしまうと、その意図とは逆に、マイクロホンの指向特性が無指向性に近くなってしまうのである。
【００１４】
後者の閾値レベルに基づく判定技術では、音声信号の出力レベルと走行ノイズの出力レベルとの間に所望のレベル差が必要である。しかしながら、音声信号の出力レベルは、話者の音声や抑揚、話者とマイクロホンの距離の変動、あるいは周囲の騒音レベルなどによって大きく変化してしまう。したがって、このような音声信号の出力レベルの変動を考慮すると、適切な閾値レベルが設定できなくなってしまうので、声がとぎれとぎれになったり、あるいは走行ノイズが常時出力されるといったことになってしまったりする。
【００１５】
音声信号の出力レベルと走行ノイズの出力レベルとの絶対的なレベル差を確保するためには、運転手とマイクロホンとの距離をなるべく短くすればよい。とはいっても、運転手にマイクロホン付のヘッドセットを装着するよう強要するのも現実的ではない。実際のところ、マイクロホンをサンバイザー付近に取り付けるなどして、運転手との距離を縮めることになる。これで３０ｃｍ〜４０ｃｍ程度まで近づけることになる。しかしながら、ヘッドセットを装着した場合と違い、話者とマイクロホンの距離が変動するために音声の出力レベルは変動してしまう。また、この変動はマイクロホンと運転手の距離が近いほど変動レベルが大きくなってしまう。たとえば、この距離が３０ｃｍの場合、前後に５ｃｍ動いただけで音声信号のレベルは２倍程度変化してしまう。したがって、マイクロホンの設置場所を工夫したとしても、適切な閾値レベルを設定することは非常に難しい。
【００１６】
そこで、本願発明者は、たとえば双指向性マイクロホンや、双指向性の正面側と背面側の感度を異なるように変更した指向特性を有するマイクロホンなどでは、音波の受信方向によって波形信号の位相が変化することに着目し、この性質を利用することで、上述の問題をうまく解決できることに想到し、本願発明を完成するに至った。
【００１７】
すなわち、本発明は、以上の課題を解決するものであり、複数のマイクロホンから出力される波形信号同士の位相差に基づいて、音源の相対方向を判断することができる音源方向判定装置を得ることを目的とする。
【００１８】
また、本願の他の発明は、複数のマイクロホンから出力される波形信号同士の位相差に基づいて音源の相対方向を判断し、この判断結果に基づいて出力波形信号を制御するマイクロホン装置を得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る音源方向判定装置は、音源の方向によって出力される波形信号の位相が大きく変化する第一のマイクロホンと、音源の方向によっては第一のマイクロホンとは異なる位相の波形信号を出力するマイクロホンであって、且つ、第一のマイクロホンと音波の波長に対して十分接近して配置された第二のマイクロホンと、各マイクロホンからそれぞれ出力される波形信号同士の位相を比較した結果に基づいて音源の方向を判定する判定手段と、を備えるものである。
【００２０】
本発明に係る音源方向判定装置は、さらに、音源の方向によって出力される波形信号の位相が大きく変化する第一のマイクロホンとして、双指向特性の正面側の感度と背面側の感度を異なるように変化させた指向特性を有するマイクロホンを使用するとともに、そのマイクロホンの高感度側の方向が、装置の正面とは反対側の向きに設置されているものである。
【００２１】
他の発明に係る音源方向判定装置は、上述の発明に加え、第二のマイクロホンとして、無指向性マイクロホンを使用している。
【００２３】
本願の発明に係るマイクロホン装置は、音源の方向によって出力される波形信号の位相が大きく変化する第一のマイクロホンと、音源の方向によっては第一のマイクロホンとは異なる位相の波形信号を出力するマイクロホンであって、且つ、第一のマイクロホンと音波の波長に対して十分接近して配置された第二のマイクロホンと、第一と第二のマイクロホンからそれぞれ出力される波形信号同士の位相を比較した結果に基づいて音源の方向を判定する判定手段と、判定された音源の方向によって、波形信号の出力レベルを変化させる、出力レベル可変手段と、を備え、第一のマイクロホンとして、双指向特性の正面側の感度と背面側の感度を異なるように変化させた指向特性を有するマイクロホンを使用するとともに、第一のマイクロホンの高感度側の方向を、装置の正面とは反対側の向きに設置したものである。
【００２４】
本願の他の発明に係るマイクロホン装置は、さらに、音波に基づく波形信号のレベルを検出するレベル検出手段を設け、出力レベルを変化させる出力レベル可変手段において、レベル検出手段の検出結果によっても出力レベルを変化させるようにしたものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るマイクロホン装置および音源方向判定装置を、図面に基づいて説明する。
【００２６】
実施の形態１．
【００２７】
図１は、本発明の実施の形態１に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【００２８】
音源方向判定装置は、主に、第二のマイクロホンとしての無指向性マイクロホン１と、第一のマイクロホンとしての双指向性マイクロホン２と、これらのマイクロホン１，２が出力する波形信号同士の位相を比較し、これらの位相比較の結果に基づいて変化する位相判定信号を出力する判定手段としての位相比較器３と、を備える。
【００２９】
また、無指向性マイクロホン１と位相比較器３の間、および、双指向性マイクロホン２と位相比較器３の間にはそれぞれ、これらのマイクロホン１，２から出力された波形信号の振幅を増幅する増幅アンプ４が設けられている。
【００３０】
図２（Ａ）は、図１に示す無指向性マイクロホン１の指向特性を示す指向特性図である。無指向特性の指向特性曲線は、略円形状になる。つまり、無指向性マイクロホン１から出力される波形信号の振幅は、音源の強さが一定で音源との距離も一定ならば、相対方向にかかわらずに一定である。
【００３１】
図２（Ｂ）は、図１に示す双指向性マイクロホン２の指向特性を示す指向特性図である。双指向特性の指向特性曲線は、２つの円をつなげたような略８の字形状になる。
【００３２】
つまり、双指向性マイクロホン２から出力される波形信号の振幅は、双指向性マイクロホン２と音源との距離だけでなく、双指向性マイクロホン２と音源との相対方向に応じて変化する。具体的には、双指向性マイクロホン２に対して図示外の振動面に垂直な方向あるいは平行な方向から音波を与えた場合、振動面と平行な方向からの音波よりも垂直な方向からの音波のほうが、大きな振幅の波形信号を出力させることができる。図２（Ｂ）では、振動面は、横軸上に配設されている。
【００３３】
また、双指向性マイクロホン２は、図２（Ｂ）の横軸よりも上側に音源がある場合と、図２（Ｂ）の横軸よりも下側に音源がある場合とで、双指向性マイクロホン２から出力される波形信号の位相が１８０度ずれる。別の言い方をすれば、図２（Ｂ）の指向特性図で８の字の窪みの位置付近で位相が１８０度変化する。
【００３４】
以下、このような指向特性図の窪みの部分で位相が大きく変化するポイントを位相特異点とも記載する。図２（Ｂ）ではＡの部分が位相特異点である。
【００３５】
なお、図２（Ｂ）の位相特異点Ａ以外の部分では、位相がほとんど変化しない。つまり、図２（Ｂ）の横軸より上側であれば、どの方向であってもほとんど同じ位相の波形信号が得られる。また、図２（Ｂ）の横軸より下側であれば、上側と位相が１８０度ずれているが、どの方向であってもほとんど同じ位相の波形信号が得られる。
【００３６】
したがって、たとえば、図２（Ｂ）の横軸の上側の音源から正の位相の音波が入力されて、双指向性マイクロホン２から正の位相の波形信号が出力された場合には、横軸の下側の音源から正の位相の音波を入力すると、双指向性マイクロホン２からは負の位相の波形信号が出力されることになる。以下、音波の正の位相に基づいて、双指向性マイクロホン２から正の位相の波形信号が出力される方向を双指向性マイクロホン２の正面方向と記載する。また、音源の正の位相に基づいて、双指向性マイクロホン２から負の位相の波形信号が出力される方向を双指向性マイクロホン２の背面方向と記載する。また、図２（Ｂ）の横軸の方向を双指向性マイクロホン２の側面方向と記載する。
【００３７】
なお、無指向性マイクロホン１では、双指向性マイクロホン２と違い、その前後において位相が大きく変化する位相特異点Ａが存在せず、音源の相対方向がどのような方向であっても、同一の位相の波形信号を出力する。
【００３８】
ところで、無指向性マイクロホン１としては、圧力型マイクロホンがある。圧力型マイクロホンは、たとえば、ダイナミック型マイクロホン、コンデンサー型マイクロホン、エレクトレットコンデンサー型マイクロホンなどで実現される。
【００３９】
この圧力型マイクロホンは、基本的に、振動板の正面側が開放されるとともに、背面側がハウジングで密閉された構造を有する。音波による空気の動きが振動板を動かす原理には２つの種類がある。１つは、空気の動きを直接的に受けて空気の動きに追従する動き方である。２つ目は、空気の動きによって発生した気圧の変化に振動板が動かされる動き方である。なお、この２種類の動きは後者の気圧による動きの方が圧倒的に大きい。圧力型マイクロホンの場合、背面側が密閉されているので振動板の背面側の気圧は一定となり、正面側の気圧の変化によって振動板が動かされる。気圧変化による動きが主体的であるので、圧力型マイクロホンはマイクの場所の気圧の変化に従った波形信号を出力する。マイクロホンの周囲の気圧変化は音源の相対方向によらないので、圧力型マイクロホンは音源の相対位置に関係なく、感度が一定となり、また、位相も音源の方向によって変化することはない。
【００４０】
これに対して、双指向性マイクロホン２では違う動き方をしている。双指向性マイクロホン２としては、速度型マイクロホンがあり、たとえば、リボン型マイクロホンなどで実現される。
【００４１】
この速度型マイクロホンは、振動板の周囲が開放される構造を有する。振動板の周囲が開放された場合、振動板の大きさが音波の波長に対して十分小さければ、振動板の正面側の気圧と背面側の気圧は全く同じになる。こうなると、振動板は、気圧の変化では動かされることはなく、空気の直接的な動きに従って動くことになる。
【００４２】
速度型マイクロホンでは、振動板の正面側から音波がきた場合と、振動板の背面側から音波がきた場合とでは、振動板の振動方向が逆になる。たとえば、ある音源を振動板の正面側に配置して、あるタイミングで音波による空気の動きが、マイクロホンに向かってくる方向であったとする。正面側から向かってくる空気の動きに対しては、振動板は背面側に動く。同じ音源を同じ距離で振動板の背面側に配置して、同じタイミングで見ると、音波による空気の動きがマイクロホンに向かってくるということについては、正面側に音源がある場合と同じである。ただし、この場合は、振動板の背面側から空気が向かってくることになるので、振動板は正面側に向かって動く。この動きは音源が正面側にあるときの逆である。マイクロホンの波形信号出力は振動板の動きに従ったものであるから、速度型マイクロホンでは、音源の相対方向が正面側である場合と背面側である場合とでは、マイクロホンから出力される波形信号の位相が逆になっている。
【００４３】
なお、圧力型マイクロホンと速度型マイクロホンを、音波の波長に対して十分近接して配設した場合、それぞれから出力される波形信号の位相は９０度ずれたものになっている。これは、マイクロホンの周囲の気圧は、その近傍の空気の動きを積分したものだからである。音源が正面側にある場合、速度型マイクロホンの波形信号出力は、圧力型マイクロホンの波形信号出力より９０度位相が進んでいる。また、音源が背面側にある場合、速度型マイクロホンの波形信号出力は、正面側と比較して１８０度位相が変化しているのであるから、圧力型マイクロホンの波形信号出力より９０度位相が遅れることになる。
【００４４】
図３に、単一周波数の正弦波を発する音源からくる音波を、無指向性マイクロホン１としての圧力型マイクロホン、および、双指向性マイクロホン２としての速度型マイクロホンにて受信した場合に、これらのマイクロホンから出力される波形信号を示す。
【００４５】
この図で、圧力型マイクロホンから出力される波形信号をＢとする。マイクロホンの近傍の空気の動きを積分したものが気圧の変化とすると、逆に気圧の変化を微分したものが空気の動きとなる。気圧が高いときに圧力型マイクロホンから正の波形信号が出力され、また、マイクロホンに正面側から向かってくる空気の動きによって速度型マイクロホンに正の波形信号が出力されるとすると、音源が正面側にあるときの速度型マイクロホンの波形信号出力は図３のＡとなる。この波形信号は圧力型マイクロホンからの波形信号Ｂより９０度位相が進んでいる。音源が背面側にあるときの速度型マイクロホンの波形信号出力は、音源が正面にあるときとは逆位相であるので、波形信号出力はＡと逆位相のＣとなる。
【００４６】
したがって、無指向性マイクロホン１としての圧力型マイクロホンの波形信号出力Ｂを基準にして、双指向性マイクロホン２としての速度型マイクロホンの波形信号出力を見たとき、図３Ａのように位相が進んでいれば、音源は正面側にあるといえる。また、逆に、図３Ｃのように位相が遅れていれば、音源が背面側にあることがわかる。
【００４７】
この判定をおこなうのが、図１の位相比較器３である。位相比較器３では、無指向性マイクロホン１からの波形信号を基にして、双指向性マイクロホン２からの波形信号の位相が進んでいるのか、あるいは遅れているのかを判定する。そして、たとえば、位相が進んでいればハイレベルの位相判定信号を出力して、また、位相が遅れていればローレベルの位相判定信号を出力する。この位相判定信号を見て、ハイレベルならば音源は正面側にあり、ローレベルならば音源が背面側にあることになる。
【００４８】
以上のように、この実施の形態１に係る音源方向判定装置は、無指向性マイクロホン１が出力する波形信号と、双指向性マイクロホン２が出力する波形信号との位相関係に基づいて、音源の相対方向を判定することができる。
【００４９】
したがって、図４において、２つのマイクロホン１，２の設置状態における指向特性を重ねて示すように、この実施の形態１に係る音源方向判定装置を用いることで、音源が音源方向判定装置の正面側Ａにあるのか、背面側Ｂにあるのかを判定することができる。そして、この判定結果に基づいて、たとえば照明などのスイッチをオンオフ制御することができる。また、この判定結果に基づいて、正面からの音声が無いときは、波形信号出力の振幅を絞ることで、周囲のノイズのレベルを減少させることができる。
【００５０】
実施の形態２．
【００５１】
図５は、本発明の実施の形態２に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【００５２】
音源方向判定装置は、主に、第二のマイクロホンとしての無指向性マイクロホン１と、双指向性の正面側の感度と背面側の感度を異なるように変化させた指向特性を有する第一のマイクロホンとしてのマイクロホン５と、これらのマイクロホン１，５が出力する波形信号同士の位相を比較して、これらの位相比較の結果に基づいて変化する位相判定信号を出力する判定手段としての位相比較器３と、を備える。
【００５３】
また、無指向性マイクロホン１と位相比較器３の間、および、マイクロホン５と位相比較器３の間にはそれぞれ、これらのマイクロホン１，５から出力された波形信号の振幅を増幅する増幅アンプ４が設けられている。
【００５４】
上述の、双指向性の正面側の感度と背面側の感度を異なるように変化させた指向特性を有するマイクロホン５は、たとえば、双指向性マイクロホン２の背面側を概ね覆うことで実現することができる。この場合、たとえば、図２（Ｃ）のような指向特性になる。
【００５５】
双指向性マイクロホン２の振動板の背面側を不完全に閉じた場合、声などで空気が振動するとき、振動板の背面側の空気の動きが正面側より抑圧されるために、振動板の正面側と背面側の気圧は一致しなくなる。そのため、振動板の動きは、空気の直接的な動きによるものの他に、気圧の要素が混ざったものになる。
【００５６】
その結果、図２（Ｃ）のような、双指向性マイクロホン２の正面側より背面側の感度が低くなって、２つの位相特異点Ａも背面側に移動した歪んだ８の字形状の指向特性になる。
【００５７】
この指向特性を、以下、ハイパーカージオイド特性と呼ぶことにする。狭義のハイパーカージオイド特性は、気圧の要素がある特定割合混ざったものであるが、ここでは、位相特異点Ａが２つあって正面側と背面側の感度が異なる特性をすべてハイパーカージオイド特性と記載することにする。また、図２（Ｃ）の上方の８の字形状の大きい方を高感度側、小さい輪の方を低感度側とする。なお、マイクロホン５は、ハイパーカージオイドマイクロホン５と記載する。
【００５８】
なお、ハイパーカージオイドマイクロホン５の背面側の密閉度をさらに上げていくと、背面側の感度がさらに低くなり、やがて位相特異点Ａが一つになり背面側の感度の盛り上がりが消滅して、図２（Ｄ）のような特性になる。この図のような特性をカージオイド特性と呼ぶ。単一指向性マイクロホンは基本的にカージオイド特性である。
【００５９】
ハイパーカージオイドマイクロホン５以外の構成要素は、実施の形態１の同名の各要素と同一のものであり、同一符号を付して説明を省略する。
【００６０】
実施の形態２では、構成要素以外に、マイクロホンの設置方法に特徴がある。２つのマイクロホンを十分接近して配置するのは実施の形態１と同様であるが、実施の形態２では、特に、ハイパーカージオイドマイクロホン５の低感度側を装置の正面に向けて設置する。つまり、ハイパーカージオイドマイクロホン５の高感度側の方向が、装置の正面とは反対側の向きに設置されている。
【００６１】
ハイパーカージオイド特性は、塞ぐ側の形状によって多くの特性があり得る。位相特異点Ａの位置だけでなく、高感度側と低感度側の位相も形状によって変化する。それでも、実施の形態２においてのハイパーカージオイドマイクロホン５は、実施の形態１においての双指向性マイクロホン２と同様に扱える。
【００６２】
無指向性マイクロホン１の波形信号出力と、ハイパーカージオイドマイクロホン５の波形信号出力との位相の関係は、図３のＡ，Ｂ，Ｃのような各９０度の位相差の関係には無いが、無指向性マイクロホン１の波形信号出力を基準にして、ハイパーカージオイドマイクロホン５の高感度側の波形信号出力の位相が進んでいるということと、低感度側の位相が遅れているという関係は保たれる。また、それぞれの位相差も、９０度より小さくなるものの、大きな位相差があることには変わりない。
【００６３】
したがって、位相比較器３も実施の形態１と同様、無指向性マイクロホン１の波形信号出力に対して、位相が進んでいるか遅れているかの判定をすれば、音源が位相特異点Ａの正面側にあるのか背面側にあるのかの判定ができる。
【００６４】
以上のように、この実施の形態２に係る音源方向判定装置は、無指向性マイクロホン１が出力する波形信号と、ハイパーカージオイドマイクロホン５が出力する波形信号の位相の関係に基づいて、音源の相対方向を判定することができる。
【００６５】
したがって、図６に２つのマイクロホン１，５の設置状態における指向特性を重ねて示すように、この実施の形態２に係る音源方向判定装置を用いることで、音源が音源方向判定装置の正面側Ａにあるのか、その他周囲の方向Ｂにあるのかを判定することができる。そして、この判定結果に基づいて、たとえば照明などのスイッチをオンオフ制御することができる。また、この判定結果に基づいて、正面からの音声が無いときは、波形信号出力の振幅を絞ることで、周囲のノイズのレベルを減少させることができる。
【００６６】
特に、この実施の形態２のように、ハイパーカージオイドマイクロホン５の低感度側を、音源方向判定装置の正面側とすることで、双指向性マイクロホン２を用いた場合よりも狭い角度範囲に音源があるのかどうかの判定ができる。双指向性マイクロホン２を用いた場合は、この範囲は１８０度固定であったが、ハイパーカージオイドマイクロホン５を用いることによって、この角度範囲を狭くできる。また、ハイパーカージオイドマイクロホン５の構造を変更することによって、この音源の位置判定の角度範囲をある程度自由に変更することができる。
【００６７】
その結果、たとえば、自動車のサンバイザやその近傍の天井にこの音源方向判定装置を設置することで、運転手に的を絞って、発声しているかどうかの判断ができるようになる。
【００６８】
実施の形態３．
【００６９】
図７は、本発明の実施の形態３に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【００７０】
音源方向判定装置は、主に、複数のマイクロホンの中の１つのマイクロホンとしての無指向性マイクロホン１と、複数のマイクロホンの中の１つのマイクロホンとしての双指向性マイクロホン２と、無指向性マイクロホン１の波形信号出力の位相をシフトする位相シフタ６と、位相シフタ６の出力と双指向性マイクロホン２の波形信号出力とを特定の比率で加算する演算手段としての加算器７と、加算器７の出力と無指向性マイクロホン１の波形信号出力との位相を比較し、これらの位相比較の結果に基づいて変化する位相判定信号を出力する判定手段としての位相比較器３と、を備える。
【００７１】
また、無指向性マイクロホン１と位相比較器３の間、および、双指向性マイクロホン２と加算器７の間にはそれぞれ、これらのマイクロホン１，２から出力された波形信号の振幅を増幅する増幅アンプ４が設けられている。
【００７２】
実施の形態３では、実施の形態２においてハイパーカージオイドマイクロホン５を用いた代わりに、無指向性マイクロホン１の波形信号出力を位相シフタ６で位相を９０度遅らせた信号と、双指向性マイクロホン２の波形信号出力を加算器７で加算した波形信号を用いる。
【００７３】
図３において、無指向性マイクロホン１の波形信号出力はＢであるが、これを９０度位相を遅らせると、Ｃと同じ位相になる。位相を遅らせても振幅を変えなければ、Ｃと同じ位相で音源の相対方向によって振幅が変化しない波形信号ができることになる。以下、この無指向性マイクロホン１の出力の位相を９０度遅らせた波形信号を無指向性マイクロホン＋９０度信号と記載することにする。
【００７４】
音源が真正面にあるときの、無指向性マイクロホン１の出力と双指向性マイクロホン２の出力の振幅が同じだとして、無指向性マイクロホン＋９０度信号を、たとえば、振幅を半分にして、加算器７で加算したとする。
【００７５】
音源が正面にある場合、双指向性マイクロホン２の出力と無指向性マイクロホン＋９０度信号は逆位相となるので、加算後の振幅は双指向性マイクロホン２の出力の半分となる。このとき、加算後の位相は変わらない。また、音源が背面側にあるときは、同位相となるので、振幅は１．５倍となり、位相も変わらない。さらに、音源が側面方向にあるときは、双指向性マイクロホン２の出力の振幅は小さいので、加算後の振幅と位相は無指向性マイクロホン＋９０度信号にほぼ等しくなる。
【００７６】
加算器７での加算後の信号は正面と背面の位相が双指向性マイクロホン２と同様に逆であるので、途中のどこかに位相が反転する位相特異点Ａがあるはずであるが、双指向性マイクロホン２で位相特異点Ａがあった側面には位相特異点Ａがなくなっている。加算器７での加算後の信号の位相特異点Ａは、この場合、双指向性マイクロホン２の出力が、正面側と同じ位相で振幅が半分のポイントとなる。双指向性マイクロホン２の感度は、概略正面からの角度のコサインに比例しているので、そのポイント、つまり位相特異点Ａは正面から概ねプラスマイナス６０度付近にあることになる。
【００７７】
加算器７での加算後の信号と、無指向性マイクロホン１からの波形信号を、図８に重ねて示す。使用しているマイクロホンは、無指向性マイクロホン１と双指向性マイクロホン２であるが、位相シフタ６と加算器７を使用することで、ハイパーカージオイドマイクロホン５に相当する信号を生成することができる。
【００７８】
ハイパーカージオイドマイクロホン５に相当する信号を加算器７で生成する以外、他の構成要素は、実施の形態１の同名の各要素と同一のものであり、同一符号を付して説明を省略する。
【００７９】
位相比較器３に入る信号の位相も、実施の形態１と全く同じである。したがって、位相比較器３も実施の形態１と同様、無指向性マイクロホン１の波形信号出力に対して、位相が進んでいるか遅れているかの判定をすれば、音源が図８の正面側Ａにあるのか背面側Ｂにあるのかの判定ができる。
【００８０】
以上のように、この実施の形態３に係る音源方向判定装置は、無指向性マイクロホン１と双指向性マイクロホン２を使用して、ハイパーカージオイドマイクロホン５を使用したような狭い角度範囲の音源の相対方向を判定することができる。
【００８１】
したがって、応用面での利点など、実施の形態２と同様のことが言える。
【００８２】
ハイパーカージオイドマイクロホン５の場合、位相特異点Ａの場所はマイクロホンの構造で決まってしまうので、マイクロホンを作りかえない限り場所の変更はできない。しかし、実施の形態３の場合、加算器７の入力レベルを変更するだけで、位相特異点Ａの場所を変更できる。
【００８３】
また、ハイパーカージオイドマイクロホン５より一般的なマイクロホンで構成できることも利点となる。
【００８４】
実施の形態４．
【００８５】
図９は、本発明の実施の形態４に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【００８６】
音源方向判定装置は、主に、複数のマイクロホンの中の１つのマイクロホンとしての無指向性マイクロホン１と、複数のマイクロホンの中の１つのマイクロホンとしての双指向性マイクロホン２と、無指向性マイクロホン１の波形信号出力の位相をシフトする位相シフタ６と、位相シフタ６の出力レベルを可変する電圧制御アンプ８と、電圧制御アンプ８の出力と双指向性マイクロホン２の波形信号出力とを加算する演算手段としての加算器７と、加算器７の出力と無指向性マイクロホン１の波形信号出力との位相を比較し、これらの位相比較の結果に基づいて変化する位相判定信号を出力する判定手段としての位相比較器３と、を備える。
【００８７】
また、無指向性マイクロホン１と位相比較器３の間、および、双指向性マイクロホン２と加算器７の間にはそれぞれ、これらのマイクロホン１，２から出力された波形信号の振幅を増幅する増幅アンプ４が設けられている。
【００８８】
実施の形態３では、双指向性マイクロホン２の出力に対して、位相を９０度遅らせた無指向性マイクロホン１からの出力を、加算器７で加算することによって位相特異点Ａを移動させている。実施の形態４では、この加算量を可変出来るように、つまり、位相特異点Ａの移動を制御できるよう、電圧制御アンプ８を追加した。
【００８９】
図８は、双指向性マイクロホン２からの波形信号と、無指向性マイクロホン＋９０度信号の、加算器７での加算の比率は、２：１であった。この比率を２：√３（＝３１／２）にしたのが図１０である。電圧制御アンプ８によって、この比率の変更を外部から制御可能としている。
【００９０】
実施の形態４では、電圧制御アンプ８を追加して、加算器７で加算する比率が可変である以外、他の構成要素は実施の形態３の同名の各要素と同一のものであり、同一符号を付して説明を省略する。
【００９１】
位相比較器３に入る信号の位相も、実施の形態１と全く同じである。したがって、位相比較器３も実施の形態１と同様、無指向性マイクロホン１の波形信号出力に対して、位相が進んでいるか遅れているかの判定をすれば、音源が図１０の正面側Ａにあるのか背面側Ｂにあるのかの判定ができる。
【００９２】
以上のように、この実施の形態４に係る音源方向判定装置は、無指向性マイクロホン１と双指向性マイクロホン２を使用して、ハイパーカージオイドマイクロホン５を使用したような狭い範囲の音源の相対方向を判定することができる。また、その位相特異点Ａの位置も外部から制御可能となる。
【００９３】
したがって、応用面での利点など、実施の形態３と基本的に同様であり、さらに、ズーム機能付きのビデオカメラのマイクロホンとして、ズームに連動して、ズームの範囲に音源があるかどうかの判定をするなどの応用も可能となる。
【００９４】
実施の形態５．
【００９５】
図１１は、本発明の実施の形態５に係るマイクロホン装置を示す回路図である。
【００９６】
マイクロホン装置は、主に、複数のマイクロホンの中の１つのマイクロホンとしての無指向性マイクロホン１と、複数のマイクロホンの中の１つのマイクロホンとしての双指向性マイクロホン２と、これらのマイクロホン１，２が出力する波形信号同士の位相を比較し、これらの位相比較の結果に基づいて変化する位相判定信号を出力する判定手段としての位相比較器３と、双指向性マイクロホン２からの波形信号出力と位相比較器３からの位相判定信号が入力され、位相判定信号のレベルに応じた増幅率で双指向性マイクロホン２からの波形信号を増幅する出力レベル可変手段としての電圧制御アンプ８と、を備える。この電圧制御アンプ８にて増幅された信号が、出力波形信号として出力される。
【００９７】
また、無指向性マイクロホン１と位相比較器３の間、および、双指向性マイクロホン２と位相比較器３の間にはそれぞれ、これらのマイクロホン１，２から出力された波形信号の振幅を増幅する増幅アンプ４が設けられている。
【００９８】
電圧制御アンプ８は、位相判定信号のレベルに応じた増幅率で双指向性マイクロホン２からの波形信号を増幅し、これを出力波形信号として出力するものである。具体的には、位相判定信号のレベルが高ければ高い増幅率で、低ければ低い増幅率で、双指向性マイクロホン２からの波形信号を増幅する。なお、低い増幅率は、０％であってもよい。
【００９９】
これ以外の構成要素は、実施の形態１の同名の構成要素と同一のものであり、同一符号を付して説明を省略する。
【０１００】
マイクロホン装置の正面側に音源を配置すると、無指向性マイクロホン１からの波形信号よりも、双指向性マイクロホン２からの波形信号の方が、位相が進んでいるので、位相比較器３は、ハイレベルの位相判定信号を出力する。
【０１０１】
そして、位相比較器３からハイレベルの位相判定信号が出力されるので、電圧制御アンプ８は、所定の高い増幅率で双指向性マイクロホン２からの波形信号を増幅する。この電圧制御アンプ８にて増幅された信号が、出力波形信号として出力される。
【０１０２】
逆に、マイクロホン装置の背面側に音源を配置すると、無指向性マイクロホン１からの波形信号よりも、双指向性マイクロホン２からの波形信号の方が、位相が遅れているので、位相比較器３は、ローレベルの位相判定信号を出力する。
【０１０３】
そして、位相比較器３からローレベルの位相判定信号が出力されるので、電圧制御アンプ８は、所定の低い増幅率で双指向性マイクロホン２からの波形信号を増幅する。この電圧制御アンプ８にて増幅された信号が、出力波形信号として出力される。増幅率が０％であれば、出力波形信号に音源からの波形信号に基づく成分は含まれなくなる。
【０１０４】
以上のように、この実施の形態５に係るマイクロホン装置は、無指向性マイクロホン１が出力する波形信号と、双指向性マイクロホン２が出力する波形信号の位相の関係に基づいて、音源の相対方向を判定し、この判定結果に基づいて、音波に基づく波形信号の増幅率を切り替える。
【０１０５】
したがって、この実施の形態５に係るマイクロホン装置を用いることで、マイクロホン装置の正面側に音源がある場合には、その音源からの音波に基づく波形信号を増幅し、これを出力波形信号として出力することができる。また、マイクロホン装置の正面側に音源がない場合には、波形信号の増幅率を下げる。
【０１０６】
その結果、擬似的に、マイクロホン装置の正面側にある音源の音を効率よく出力波形信号に変換し、背面側にある音源の音を出力波形信号に変換しない指向特性を得ることができる。
【０１０７】
なお、電圧制御アンプ８に替えて、位相判定信号のレベルに応じてオンオフ制御されるスイッチを用いてもよい。この場合、増幅率は、１００％と０％に切り替えられることになる。そして、位相判定信号がハイレベルであるときにオン制御し、位相判定信号がローレベルであるときにオフ制御することで、この実施の形態５と同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
ところで、実施の形態５では、実施の形態１に電圧制御アンプ８を加えた構成であった。位相判定信号は実施の形態１と同じ動作であるため、指向特性も実施の形態１の音源方向の判定と同じ範囲となる。
【０１０９】
この位相判定信号を得るまでの部分は、実施の形態１以外に、実施の形態２や、実施の形態３や、実施の形態４であっても構わない。この場合は、指向特性をより狭い範囲に限定したり、範囲を可変できたりする。
【０１１０】
実施の形態６．
【０１１１】
図１２は、本発明の実施の形態６に係るマイクロホン装置を示す回路図である。
【０１１２】
マイクロホン装置は、主に、複数のマイクロホンの中の１つのマイクロホンとしての無指向性マイクロホン１と、複数のマイクロホンの中の１つのマイクロホンとしての双指向性マイクロホン２と、これらのマイクロホン１，２が出力する波形信号同士の位相を比較し、これらの位相比較の結果に基づいて変化する位相判定信号を出力する判定手段としての位相比較器３と、双指向性マイクロホン２からの波形信号出力のレベルを検出し、そのレベルに応じたゲイン制御信号を出力するレベル検出手段としてのレベル検出器９と、このゲイン制御信号と位相比較器３から出力される位相判定信号とを乗算して乗算信号を出力する乗算器１０と、双指向性マイクロホン２からの波形信号が入力され、乗算器１０からの乗算信号レベルが高いほど増幅率が上がる出力レベル可変手段としての電圧制御アンプ８と、を備える。この電圧制御アンプ８にて増幅された信号が、出力波形信号として出力される。
【０１１３】
また、無指向性マイクロホン１と位相比較器３の間、および、双指向性マイクロホン２と位相比較器３の間にはそれぞれ、これらのマイクロホン１，２から出力された波形信号の振幅を増幅する増幅アンプ４が設けられている。
【０１１４】
レベル検出器９は、双指向性マイクロホン２から出力される波形信号のレベルを検出し、そのレベルに応じたゲイン制御信号を出力する。
【０１１５】
図１３に、レベル検出器９の入力信号レベルと、レベル検出器９から出力されるゲイン制御信号のレベルとの関係を示す入出力特性図を示す。実線がレベル検出器９の入出力特性線である。破線は、リニアアンプの入出力特性線である。
【０１１６】
そして、図１３に示すように、このレベル検出器９は、入力レベルが所定の第一レベルよりも低い場合には、入力レベルに比例したレベルのゲイン制御信号を出力する。また、入力レベルが所定の第一レベルよりも高い場合には、略一定のレベルの制御信号を出力する。
【０１１７】
なお、第一レベルは、たとえば、この実施の形態６に係るマイクロホン装置が自動車の運転席上方に配設される場合には、運転席に座った人の通常の車内での声量に基づいて、その声量に基づく入力レベル程度、あいるは、それよりも少し小さいレベルに設定すればよい。
【０１１８】
これ以外の構成要素は、実施の形態５の同名の構成要素と同一のものであり、同一符号を付して説明を省略する。
【０１１９】
マイクロホン装置の正面側に音源を配置すると、無指向性マイクロホン１からの波形信号よりも、双指向性マイクロホン２からの波形信号の方が、位相が進んでいるので、位相比較器３は、ハイレベルの位相判定信号を出力する。
【０１２０】
レベル検出器９は、双指向性マイクロホン２からの波形信号のレベルに応じたゲイン制御信号を出力する。乗算器１０は、このゲイン制御信号とハイレベルの位相判定信号を乗算し、これを乗算信号として出力する。
【０１２１】
そして、電圧制御アンプ８は、この乗算信号のレベルに応じた、所定の高い増幅率で双指向性マイクロホン２からの波形信号を増幅する。この電圧制御アンプ８にて増幅された信号が、出力波形信号として出力される。
【０１２２】
逆に、マイクロホン装置の背面側に音源を配置すると、無指向性マイクロホン１からの波形信号よりも、双指向性マイクロホン２からの波形信号の方が、位相が遅れているので、位相比較器３は、ローレベルの位相判定信号を出力する。
【０１２３】
レベル検出器９は、双指向性マイクロホン２からの波形信号のレベルに応じたゲイン制御信号を出力する。乗算器１０は、このゲイン制御信号とローレベルの位相判定信号を乗算し、これを乗算信号として出力する。このときの乗算信号はローレベルとの乗算なので、常にローレベルとなる。
【０１２４】
そして、電圧制御アンプ８は、この乗算信号のレベルに応じた、所定の低い増幅率で双指向性マイクロホン２からの波形信号を増幅する。この電圧制御アンプ８にて増幅された信号が、出力波形信号として出力される。なお、増幅率が０％であれば、出力波形信号に音源からの波形信号に基づく成分は含まれなくなる。
【０１２５】
図１４に、この実施の形態６に係るマイクロホン装置の入出力特性を示す。
【０１２６】
マイクロホン装置の背面側に音源がある場合には、位相比較器３からローレベルの位相判定信号が出力されるので、出力波形信号は図１４の入出力特性曲線Ｂに示すように、音源に基づく音波の入力レベルにかかわらず、常に低い出力レベルとなる。
【０１２７】
マイクロホン装置の正面側に音源がある場合には、位相比較器３からハイレベルの位相判定信号が出力されるので、出力波形信号は図１４の入出力特性曲線Ａに示すように、双指向性マイクロホン２に入力される音波の入力レベルに応じた出力レベルとなる。
【０１２８】
具体的には、たとえば、レベル検出器９での第一レベルを、運転席に座った人の通常の車内での声量以下に設定した場合、図１４の（ａ）の範囲と（ｂ）の範囲との関係で示すように（図１４の入出力特性曲線Ａの入力レベル（ａ）の範囲に対応する部分）、運転席に座った人の声を略一定のレベルにて出力することができる。なお、図１４の（ｃ）の範囲は、リニアアンプを使用した場合の出力レベル範囲である。図１４で明らかなように、図１４の（ｂ）で示される出力レベルの範囲は、図１４の（ｃ）や（ａ）で示される範囲よりも狭くなっている。つまり、これはレベルが安定していると言える。
【０１２９】
また、第一レベル以下の音量の場合には、出力波形信号は、上記一定レベルよりも低いレベルで、かつ、入力レベルとリニアに変化するものとなる。
【０１３０】
以上のように、この実施の形態６に係るマイクロホン装置は、無指向性マイクロホン１が出力する波形信号と、双指向性マイクロホン２が出力する波形信号の位相の関係に基づいて、音源の相対方向を判断し、この判定結果に基づいて、正面側に音源がある場合にのみ、その音源からの音波に基づく出力波形信号を出力することができる。つまり、正面側に音源がある場合には、所定の大きさまでの音はリニアに出力し、それ以上の音量の音に対しては略一定のレベルで出力することができる。一方、背面側に音源がある場合には、きわめて低いレベルにしたり、全く出力しないようにすることができる。
【０１３１】
特に、第一レベルよりも音量が大きいときには、略一定の出力レベルとなるので、たとえば、頭の位置が動くなどして、運転席に座った人の声のレベルが変化したとしても、聞きやすい一定のレベルの音声信号として出力することができる。また、音声認識装置の音声入力信号としても好適に利用することができる。
【０１３２】
ところで、実施の形態６では、位相判定信号は実施の形態１と同じ構成になっているので、指向特性も実施の形態１の音源方向の判定と同じ範囲となる。
【０１３３】
この位相判定信号を得るまでの部分は、実施の形態１以外に、実施の形態２や、実施の形態３や、実施の形態４であっても構わない。この場合は、指向特性をより狭い範囲に限定したり、範囲を可変できたりする。
【０１３４】
【発明の効果】
本発明に係る音源方向判定装置では、複数のマイクロホンから出力される波形信号同士の位相関係に基づいて、音源の相対方向を判断することができる。
【０１３５】
また、本願の他の発明に係るマイクロホン装置では、複数のマイクロホンから出力される波形信号同士の位相関係に基づいて音源の相対方向を判断し、この判断結果に基づいて出力波形信号を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【図２】 各種のマイクロホン単体での指向特性を示す指向特性図である。（Ａ）は無指向性マイクロホンの指向特性、（Ｂ）は双指向性マイクロホンの指向特性、（Ｃ）はハイパーカージオイドマイクロホンの指向特性、（Ｄ）は単一指向性マイクロホンの指向特性である。
【図３】 単一周波数の正弦波の音波を出力する音源からの音波を、速度型マイクロホンおよび圧力型マイクロホンにて受信した場合に、これらのマイクロホンから出力される波形信号を示す波形図である。
【図４】 図１の音源方向判定装置で使用した２つのマイクロホンの設置状態における指向特性を示す図である。
【図５】 本発明の実施の形態２に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【図６】 図５の音源方向判定装置で使用した２つのマイクロホンの設置状態における指向特性を示す図である。
【図７】 本発明の実施の形態３に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【図８】 図７で使用した無指向性マイクロホンと、加算器で生成された波形信号の指向特性を示す図である。
【図９】 本発明の実施の形態４に係る音源方向判定装置を示す回路図である。
【図１０】 図９で使用した無指向性マイクロホンと、加算器で生成された波形信号の信号特性を示す図である。
【図１１】 本発明の実施の形態５に係るマイクロホン装置を示す回路図である。
【図１２】 本発明の実施の形態６に係るマイクロホン装置を示す回路図である。
【図１３】 図１２中のレベル検出器の入出力特性を示す特性図である。
【図１４】 図１２のマイクロホン装置の入出力特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 無指向性マイクロホン
２ 双指向性マイクロホン
３ 位相比較器（判定手段）
４ 増幅アンプ
５ ハイパーカージオイドマイクロホン
６ 位相シフタ
７ 加算器
８ 電圧制御アンプ
９ レベル検出器
１０ 乗算器

Claims (4)

1. 音源の方向によって出力される波形信号の位相が大きく変化する第一のマイクロホンと、
   音源の方向によっては上記第一のマイクロホンとは異なる位相の波形信号を出力するマイクロホンであって、且つ、上記第一のマイクロホンと音波の波長に対して十分接近して配置された第二のマイクロホンと、
   上記第一と第二のマイクロホンからそれぞれ出力される波形信号同士の位相を比較した結果に基づいて上記音源の方向を判定する判定手段と、を備え、
   上記第一のマイクロホンとして、双指向特性の正面側の感度と背面側の感度を異なるように変化させた指向特性を有するマイクロホンを使用するとともに、上記第一のマイクロホンの高感度側の方向を、装置の正面とは反対側の向きに設置したことを特徴とする音源方向判定装置。
2. 前記第二のマイクロホンとして、無指向性マイクロホンを使用することを特徴とする請求項１記載の音源方向判定装置。
3. 音源の方向によって出力される波形信号の位相が大きく変化する第一のマイクロホンと、
   音源の方向によっては上記第一のマイクロホンとは異なる位相の波形信号を出力するマイクロホンであって、且つ、上記第一のマイクロホンと音波の波長に対して十分接近して配置された第二のマイクロホンと、
   上記第一と第二のマイクロホンからそれぞれ出力される波形信号同士の位相を比較した結果に基づいて上記音源の方向を判定する判定手段と、
   上記判定された音源の方向によって、波形信号の出力レベルを変化させる、出力レベル可変手段と、を備え、
   上記第一のマイクロホンとして、双指向特性の正面側の感度と背面側の感度を異なるように変化させた指向特性を有するマイクロホンを使用するとともに、上記第一のマイクロホンの高感度側の方向を、装置の正面とは反対側の向きに設置したこと、を特徴とするマイクロホン装置。
4. 音波に基づく波形信号のレベルを検出するレベル検出手段を設け、
   前記出力レベル可変手段において、上記レベル検出手段の検出結果によっても出力レベルを変化させるようにしたこと、を特徴とする請求項３記載のマイクロホン装置。

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