JP4184992B2 - 音響処理装置、音響処理方法および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、外部から取得した音響信号を処理する音響処理装置、音響処理方法および製造方法に関するものである。

近年、インターネットのような電気通信回線網の発達によって、パーソナルコンピュータ等を用いたＶｏｉｃｅ ｏｖｅｒ ＩＰ（ＶｏＩＰ）による通話システムが普及し始めている。これらのシステムでは、通話のためにユーザの発話を受音すると同時に、通話相手の発話を出力する音響入出力手段を備えることが必須の構成要件となる。この音響入出力手段としては、一般にヘッドセットが用いられることが多い。

しかし、ヘッドセットは、ユーザに対して、その動きを制限するという肉体的負担を与えるという問題がある。また、通話のたびにヘッドセットを装着しなければならないという精神的負担も与えるという問題がある。

そこで、これらの問題を解決するために、ハンズフリー環境で音声の入出力を行うことへの期待が高まっている。ここでハンズフリー環境とは、あらかじめパソコン等の機器にマイクロホンやスピーカなどの音響入出力機器を装備しておき、当該マイクロホンやスピーカを使って通話を行うことができる環境のことをいう。

ハンズフリー環境では、ヘッドセットのような特殊な機器を装着する必要がない。また、一般の電話機のように受話機を耳と口に近づけた状態で保持する必要もない。このように、通話の際のユーザの肉体的、精神的負担を著しく軽減することができる。

しかし、ハンズフリー環境で通話を行う場合、スピーカから出力された通話相手の発話がマイクロホンにまわり込んで入力されることがある。マイクロホンから通話相手の発話が通話相手に折り返して伝わると「こだま」のように聞こえてしまい、好ましくない。また、通話相手もハンズフリー環境を利用した場合、通話相手側に折り返された発話がさらに折り返されて伝わり、ハウリングのような現象が生じる場合もある。このような現象は音響エコーとして知られている。

以上のような問題を解決するために、スピーカから出力される信号をマイクロホンに入力された信号から減算し、音響エコーを低減するというエコーキャンセル技術が提案されている（非特許文献１参照）。

エコーキャンセル技術では、スピーカの出力信号に適当な重みをかけてマイクロホンに入力された信号から引去る。すなわち、マイクロホンに入力された信号のうち、スピーカの出力信号に該当する成分を削除する。これにより、音響エコーを抑制することができる。

しかし、当該スピーカの出力信号とマイクロホンに入力された信号は必ずしも一致しない。したがって、エコーキャンセルにより、完全に音響エコーを消し去るのは困難である。

大賀ほか著、「音響システムとデジタル処理」、電子情報通信学会

マイクロホンアレーを用いた音響処理装置によれば、特定の方向に指向特性を持たせることによって、指定した特定方向からの音響信号のみを取り出すことが可能であるため、雑音信号を低減できるという利点がある。

しかしながら、マイクロホンアレーを用いて、雑音信号を低減させる場合、マイクロホンの指向特性と雑音の発生源の配置の関係が適切でない場合、雑音信号を十分に低減できない場合がある。逆に、マイクロホンアレーの指向特性と合致する方向に雑音の発生源が配置されている場合には、雑音信号が増幅されてマイクロホンに入力される場合もある。このような場合には、マイクロホンアレーを用いない場合よりも大きな音響エコーが生じてしまい望ましくない。従って、雑音信号を効率的に低減させることのできる技術が望まれていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、マイクロホンに入力される雑音信号を低減することができる音響処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、複数マイクロホンを用いてマイクロホンアレー処理を行い、特定の方向に指向特性を持たせることによって、指定した特定方向からの音響信号のみを取り出す方法を利用することを検討し、以下の発明に想到した。

すなわち、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、利用者の音声を受音して処理する音響処理装置であって、筐体と、予め定められた角度範囲で前記利用者の方向を追尾する追尾手段と、前記筐体における前記追尾手段による追尾範囲内に配置され、前記音声を受音する複数のマイクロホンが配置されるマイクロホンアレーと、前記追尾範囲内に指向特性を形成させて、前記マイクロホンアレーが受音した音響信号を処理する信号処理手段と、前記筐体上であって、前記指向特性外に配置される雑音源と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかる音響処理装置は、予め定められた角度範囲で利用者の方向を追尾する追尾手段による追尾範囲内であって筐体上に配置されるマイクロホンアレーが受音した音響信号を、追尾範囲内に指向特性を形成させて処理するとともに、雑音源を筐体上であって指向特性外に配置することにより、マイクロホンに入力される雑音信号を低減することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる音響処理装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１−１は、本発明にかかる音響処理装置の外観図である。音響処理装置１０は、ノート型のパーソナルコンピュータである。音響処理装置１０の筐体１００には、第１マイクロホン２００、第２マイクロホン２１０（例えば、無指向性マイクロホン等）およびスピーカ３００が配置されている。

第１マイクロホン２００、第２マイクロホン２１０およびスピーカ３００は、いずれも表示画面１２０が配置された面上に配置さている。第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０は、音響信号、すなわち主に利用者からの音声を入力する。また、スピーカ３００は、音声信号を出力する。利用者は、第１マイクロホン２００等を利用して例えばＶｏＩＰによる通話を行うことができる。

利用者は、図１−２に示すように表示面１００に対面して、音響処理装置１０を利用する。そこで、利用者からの音声を効率的に受音し、また、利用者に向けて音声を出力すべく、第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０と、スピーカ３００とは、いずれも当該音響処理装置１０が利用される場合に、利用者に対面する位置に配置されている。

図２は、信号処理部４００の機能構成を示すブロック図である。信号処理部４００は、遅延器４１０と増幅器４２０とを有している。遅延器４１０は、第１マイクロホン２００が受音した音響信号に対して遅延処理を施す。また、増幅器４２０は、遅延器４１０により遅延処理が施された音響信号と、第２マイクロホン２１０が受音した音響信号とを加算して出力する。

以下、信号処理部４００における処理について詳述する。目的信号は２つのマイクロホン２００，２１０に対して図２に示すΘｓの方向から到来する。ここで、目的信号とは、第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０が受音する音響信号のうち利用者により発せられた音声信号である。

第２マイクロホン２１０が目的信号を受音するタイミングは、第１マイクロホン２００が目的信号を受音するタイミングより、τｓだけ遅延する。ここで、τｓは次式で示される。
τｓ＝ｄ・sinΘｓ／ｃ ・・・（式１）
式１において、ｄは第１マイクロホン２００と第２マイクロホン２１０との間の間隔を表す。また、ｃは音速を表す。

上記到達時間の遅延により、第１マイクロホン２００が受音した目的信号と第２マイクロホン２１０が受音した目的信号の位相にずれが生じている。そこで、遅延器４１０により第１マイクロホン２００により受音された目的信号に、位相差τｓに対応するＤ１（＝τｓ）の遅延処理を付加する。これにより、第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０によりそれぞれ受音された２つの目的信号の位相を一致させることができる。

さらに、増幅器４２０が遅延器４１０による遅延処理後の目的信号と第２マイクロホン２１０が受音した目的信号とを加算することにより、第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０に対して、Θｓの方向から到来した目的信号を強調することができる。

以上のように、遅延器４１０により一方の目的信号に対して遅延処理を施し、その後、２つの目的信号を加算することにより、特定方向に指向特性を形成することが可能になる。

一方、当該特定方向以外から入力される信号、すなわち雑音信号は、目的信号とΘｓの値が異なる。従って、遅延器４１０により遅延処理が施されても目的信号のように同位相化されることはない。従って、加算処理により強調されることはない。これにより結果として、特定方向以外の方向に指向特性の死角が形成される。

信号処理部４００による以上の処理により、遅延和アレー方式によって特定方向、すなわち利用者の方向に指向特性を形成することができるので、特定方向からの音響信号のみを強調することができる。さらに指向特性の死角方向から到来する音響信号を低減させることができる。

図３および図４は、第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０と、スピーカ３００との位置関係を説明するための図である。図２を参照しつつ説明したように、目的信号のみを強調し、雑音信号を低減するためには、の第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０のそれぞれに到達する目的信号の位相差と、雑音信号の第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０における信号の位相差とが異なっているのが望ましい。

音響処理装置１０においては、スピーカ３００が主な雑音源となる。従って、スピーカ３００の配置位置を、第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０の配置位置との関係で定める必要がある。具体的には、スピーカ３００からの音響信号と目的信号の位相差が異なるようにスピーカ３００を配置する。

以下、スピーカ３００の具体的な位置を説明する。まず、前提として、図３において第１マイクロホン２００と第２マイクロホン２１０を結ぶ線分ｄの垂直２等分線ｈからΘｓの方向に目的信号の指向性を形成するものとする。この場合、目的信号と雑音信号の位相差が同一となるのは、目的信号となる音声を発する利用者と線分ｄの中点ｃとを通る直線ｋ上の位置にスピーカが配置された場合である。

厳密には図４に示すように、上記Θｓと、第１マイクロホン２００と利用者とを通る直線ｍと直線ｈとが成す角Θｓ１と、第２マイクロホン２１０と利用者とを通る直線ｎと直線ｈとが成す角Θｓ２はそれぞれ異なるが、本実施の形態においては第１マイクロホン２００と第２マイクロホン２１０との間の距離、すなわち、直線ｄの距離は、直線ｄの中点ｃと利用者との間の距離に比べて十分に小さいと仮定することで、Θｓ１≒Θｓ２≒Θｓとみなすこととする。

従って、雑音信号の発声源となるスピーカを直線ｋ上の位置に配置した場合には、目的信号と雑音信号の位相差が一致するので、雑音信号も強調されてしまう。一方、直線ｋ上の位置とは異なる位置に配置した場合には、目的信号の位相差と雑音信号の位相差が異なるので、目的信号のみを強調することができる。

すなわち、図３及び図４に示した、マイクロホンアレーの指向性により定まる直線ｋ上の位置以外の位置にスピーカ３００を配置することにより、信号処理部４００は、スピーカ３００から出力される音響信号を効果的に低減することができる。

さらに、スピーカから出力され、マイクロホンに入力される音響信号を低減させることができるので、通話相手に当該通話相手の発話が折り返してしまう、という問題を解決することができる。

図５は、スピーカ３００の配置位置の例を示す図である。図５に示すスピーカ３００ａ，３００ｂは、直線ｋ上の位置以外の位置に配置されている。このように、２つのマイクロホンから指向特性に対応する特定方向に延びる直線上にスピーカ３００を配置することにより、スピーカ３００による雑音信号を低減し、目的信号のみを増幅することができる。

一方、図５に示すスピーカ３００ｃ，３００ｄは、直線ｋ上の位置に配置されている。このように、指向特性を示す方向に沿ってスピーカ３００を配置した場合には、スピーカ３００による雑音信号と目的信号に位相差が生じないので、雑音信号を低減することができず、望ましくない。

図１に示したスピーカ３００の位置は、図５において示す直線ｋ上の位置と異なる位置に相当する。従って、本実施の形態にかかる音響処理装置１０においては、効率的に雑音信号を低減することができる。

なお、本実施の形態においては、まず、利用者に対面する位置に第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０を配置する。そして、第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０により形成されるマイクロホンアレーの指向特性に基づいてスピーカ３００の配置位置を決定する。

他の例としては、まずスピーカ３００の位置を定めてもよい。図６を参照しつつ、この場合の第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０の位置について説明する。

利用者の位置とスピーカ３００の位置が、図６に示すような関係にある場合に、第１マイクロホン２００ａおよび第２マイクロホン２１０ａを配置すると、スピーカ３００と中点ｃとスピーカ３００とを結ぶ直線ｐは、中点ｃと利用者とを結ぶ直線ｋに一致する。すなわち、スピーカ３００は、直線ｋ上の位置に配置される。従って、スピーカ３００からの雑音信号と利用者からの目的信号の位相差が生じないため、雑音信号を低減することができない。

一方、第１マイクロホン２００ｂおよび第２マイクロホン２１０ｂを配置した場合には、第２マイクロホン２１０ｂおよび第２マイクロホン２１０ｂを結ぶ直線ｄ’の中点ｃ’とスピーカ３００とを結ぶ直線ｐ’は、中点ｃ’と利用者とを結ぶ直線ｋ’と一致しない。従って、スピーカ３００からの雑音信号と利用者からの目的信号の位相差が生じる。従って、信号処理部４００による処理により雑音信号を低減することができる。

以上のように、第２マイクロホン２１０ｂおよび第２マイクロホン２１０ｂを結ぶ直線の中点とスピーカ３００とを結ぶ直線が、中点と利用者とを結ぶ直線ｋ、すなわち第１マイクロホン２００から特定方向に延びる直線上の位置以外の位置に第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０を配置するのが望ましい。

なお、ここで、特定方向に伸びる直線の基準となる複数の無指向性マイクロホンの位置とは、例えば２つの無指向性マイクロホンの場合、これらの中点位置であってもよい。または、任意の１つの無指向性マイクロホンの位置であってもよい。このように、複数の無指向性マイクロホンのうちいずれか一の無指向性マイクロホンの位置であってもよく、またはこれらの中間位置であってもよい。

このように、スピーカ３００の位置を定め、スピーカ３００の位置に基づいて第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０の位置を定めてもよい。これにより、スピーカ３００を配置すべき位置が制限されている場合であっても、第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０の位置をスピーカ３００の位置に応じて定めることにより、効率的に雑音信号を低減することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２にかかる音響処理装置１０は、利用者追尾型アレー方式に対応する。実施の形態１にかかる音響処理装置１０は、遅延和アレー方式によって、マイクロホンアレーの指向特性を形成した。すなわち、当該指向特性により定まる直線上以外の位置にスピーカを配置することによって、スピーカから出力される雑音信号を低減した。

実施の形態２にかかる音響処理装置１０は、この利用者追尾型マイクロホンアレーにより形成される受音信号の指向特性に基づいて、第１マイクロホン２００、第２マイクロホン２１０およびスピーカ３００の配置位置を定めている。この点で、本実施の形態にかかる音響処理装置１０は、実施の形態１にかかる音響処理装置１０と異なっている。

遅延和アレー方式によるマイクロホンアレーにおいては、利用者が特定の方向のみに存在することを前提とする。従って、利用者が移動してしまい、利用者の方向を一方向に特定できない場合には利用できない。

この問題を解決するため提案されているのが利用者追尾型アレー方式である。この方式によれば、利用者が一定の範囲内で移動するような場合に、その動きを追尾して逐次的に指向特性を形成することができる（永田ほか著、「利用者追尾2チャネルマイクロホンアレーに関する検討」、電子情報通信学会論文誌、Ａ Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ａ Ｎｏ．６ ｐｐ．８６０−８６６、１９９９）。

図７は、利用者追尾型マイクロホンアレーにより形成される受音信号の指向特性について説明するための図である。ここで、Θｔは追尾する範囲を表している。スピーカ３００は、この追尾範囲外の位置に配置される。

追尾範囲内からの音響信号は、追尾手段によって追尾されてマイクロホンにより受音される。従って、雑音信号の位相差と目的信号の位相差を異ならせるためには、スピーカ３００を追尾範囲外に配置する必要がある。

図８は、スピーカ３００の配置位置の例を示す図である。図８に示すスピーカ３００ａ,３００ｂは、追尾範囲５００の外側に配置されている。このように、追尾範囲５００の外側にスピーカ３００を配置することにより、雑音信号の位相差と目的信号の位相差を異ならせることができる。従って、スピーカ３００による雑音信号を低減し、目的信号のみを増幅することができる。

一方、図８に示すスピーカ３００ｇ，３００ｈは、追尾範囲５００の内側に配置されている。このように、追尾範囲５００の内側にスピーカ３００が配置されている場合には、スピーカ３００による雑音信号の位相差と目的信号の位相差が同一になるので、雑音信号を低減することができず、望ましくない。

このように、利用者追尾型マイクロホンアレーによる場合には、位相差が生じない位置に幅があるので、この領域を避けてスピーカ３００を配置することにより、実施の形態１にかかる音響処理装置１０と同様に、スピーカ３００による雑音信号を低減し、目的信号のみを増幅することができる。

以上のように、本発明にかかる音響処理装置は、外部から音声信号を取得するのに有用であり、特に、雑音信号を低減し、目的信号を強調するのに適している。

音響処理装置１０の外観図である。 利用者が音響処理装置１０を利用している様子を示す図である。 信号処理部４００の機能構成を示すブロック図である。 第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０と、スピーカ３００との位置関係を説明するための図である。 第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０と、スピーカ３００との位置関係を説明するための図である。 スピーカ３００の配置位置の例を示す図である。 他の例にかかる、第１マイクロホン２００および第２マイクロホン２１０の位置について説明するための図である。 利用者追尾型マイクロホンアレーにより形成される受音信号の指向特性について説明するための図である。 スピーカ３００の配置位置の例を示す図である。

符号の説明

１０ 音響処理装置
１００ 表示面
１２０ 表示画面
２００，２１０ マイクロホン
３００ スピーカ
４００ 信号処理部
４１０ 遅延器
４２０ 増幅器

Claims (4)

1. 利用者の音声を受音して処理する音響処理装置であって、
   筐体と、
   予め定められた角度範囲で前記利用者の方向を追尾する追尾手段と、
   前記筐体における前記追尾手段による追尾範囲内に配置され、前記音声を受音する複数のマイクロホンが配置されるマイクロホンアレーと、
   前記追尾範囲内に指向特性を形成させて、前記マイクロホンアレーが受音した音響信号を処理する信号処理手段と、
   前記筐体上であって、前記指向特性外に配置される雑音源と、
   を備えることを特徴とする音響処理装置。
2. 前記雑音源は、スピーカである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の音響処理装置。
3. 利用者の音声を受音して処理する音響処理方法であって、
   予め定められた角度範囲で前記利用者の方向を追尾するステップと、
   筐体に配置されて前記音声を受音する複数のマイクロホンが配置されるマイクロホンアレーが受音した音響信号を、前記追尾範囲内に指向特性を形成させて処理するステップと、
   を含み、
   前記筐体上における前記指向特性外に、前記マイクロホンアレーに対する雑音源を配置する、
   ことを特徴とする音響処理方法。
4. 利用者の音声を受音して処理する音響処理装置を製造する製造方法であって、
   筐体における予め定められた角度範囲で前記利用者の方向を追尾する追尾手段による追尾範囲内に、前記音声を受音する複数のマイクロホンが配置されるマイクロホンアレーを配置するマイクロホン配置工程と、
   前記マイクロホンアレーが受音した音響信号を処理する信号処理手段により前記追尾範囲内に形成される指向特性外に、前記マイクロホンアレーに対する雑音源を配置する雑音源配置工程と
   を含むことを特徴とする製造方法。

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