JP4209732B2 - マイクロホン装置および集音方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロホン装置および集音方法に関する。
【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感受し、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、無指向性マイクロホンや、単一指向性マイクロホンなどがある。
【０００３】
マイクロホン装置の指向特性は、その装置で使用されるマイクロホンの指向特性で決まることが多い。図７は、従来のマイクロホンの指向特性を示す図である。無指向性マイクロホンは、図７（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７（Ｂ）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、カーナビゲーションシステム、移動体通信システムなどといった自動車などの車両で使用されるシステムが普及しつつある。このようなシステムには、例えばマイクロホン装置により受信された音声を認識し、ユーザによる操作を音声で受け付けるものがある。また、マイクロホン装置により受信された音声を移動体通信システムで送信したりするものもある。
【０００５】
このような用途で使用されるマイクロホン装置には、ユーザである運転手の音声を確実に受信し、かつ、走行ノイズなどの環境ノイズを受信しない特性のものが望まれる。このため、従来、この用途では、単一指向性マイクロホンを、車両内の運転手の近くで、運転手に向けて配置することが多い。
【０００６】
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場合より、ユーザの音声が選択的に受信されるものの、環境ノイズも多く受信されてしまう。単一指向性という単語からは、正面のみの感度が高い特性が想像されるが、実際には、側面側の受信感度が、正面側の受信感度に比べて、数デシベル低いだけである。したがって、このような単一指向性マイクロホンを使用したマイクロホン装置の出力信号には、運転手の音声の成分とともに、走行ノイズなどの成分が含まれ、音声認識による認識率が低下したり、移動体通信システムの通話品質が低下したりする。
【０００７】
そこで、第１の方法として、このようなマイクロホン装置に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正面以外の方向の感度が低い指向特性を有するマイクロホンを使用することが考えられる。
【０００８】
また、第２の方法として、運転手の音声と走行ノイズとの受信レベルの差に基づき、マイクロホンの波形信号のレベルが所定の閾値を超えた場合、そ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。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−２４５３９６公報（第２頁−５頁、第１図）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のマイクロホン装置では、車両内の運転手といったユーザの音声のみを効率良く抽出することが困難である。
【００１１】
上述の第１の方法については、上述の用途において現実的なものとしては、単一指向性より適しているマイクロホンは、従来、存在しない。単一指向性より側面の受信感度が低く前方に鋭い指向特性を有する超指向性マイクロホンというものがあるが、超指向性マイクロホンの長さは、その原理上、集音の対象となる音波の波長以上となり、少なくとも３０ｃｍ程度になってしまう。このため、車両内で、運転手の口元に向かって超指向性マイクロホンを設置することは現実的ではない。
【００１２】
また、側面からの感度が低い双指向性という指向特性を有するマイクロホンがある。双指向性マイクロホンは、図７（Ｃ）に示すような略８の字形状の指向特性を有する。双指向性マイクロホンの場合、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。そのため、双指向性マイクロホンを使用しても、ユーザからの音声のみを選択的に抽出することは困難である。
【００１３】
なお、単に双指向性のマイクロホンの背面を覆っても背面感度のみを低くすることは難しい。それは、双指向性マイクロホンの背面を塞いでいくと、無指向性マイクロホンの特性に近くなっていくからである。双指向性マイクロホンは、音波による空気の直接的な動きを感受するマイクロホンである。一方、無指向性マイクロホンは、どの方向からの音波でも同様に発生する気圧の変化を感受するマイクロホンである。双指向性マイクロホンの振動板の片側を塞ぐと、構造的に無指向性マイクロホンに近くなり、振動板が、気圧変化を主に感受するようになる。このため、双指向性マイクロホンの背面を塞いでいくと、無指向性の特性に近づいていく。
【００１４】
上述の第２の方法については、上述の閾値を設定するために、音声信号の出力レベルと環境ノイズの出力レベルとの間に明確な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、話者の声量や抑揚の個人差、話者とマイクロホンとの距離の変動、周囲の騒音レベルに応じた話者による声量の調整などによって大きく変化するとともに、環境ノイズも、路面状態、車種、天候などによって大きく変化するため、両者の間における一定の明確なレベル差を得ることは困難であり、ひいては、適切な閾値レベルを設定することは困難である。
【００１５】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、小型のままで、狭い角度範囲で感度の高い指向性を有するマイクロホン装置および集音方法を得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明のマイクロホン装置は、集音の対象となる音波の波長より短い間隔で互いに近接して配置され、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲から入射する音波と、正面側の角度範囲以外の他の角度範囲から入射する音波とで異なる位相の出力信号を出力する第１のマイクロホンと、全角度範囲から入射する音波に対して同一の位相の出力信号を出力する第２のマイクロホンと、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲から第１および第２のマイクロホンに入射する音波に関する出力信号の位相差と、正面側の角度範囲以外の他の角度範囲から第１および第２のマイクロホンに入射する音波に関する出力信号の位相差との違いに基づいて、第１および第２のマイクロホンの出力信号から、特定の相関係数を有する部分を抽出し、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲からの音波の成分として出力する相関信号抽出手段とを備える。
【００１８】
さらに、本発明のマイクロホン装置は、上記各発明のマイクロホン装置に加え、相関信号抽出手段が、第１および第２のマイクロホンからの出力信号をサンプリングし、サンプル間での２つの出力信号の変化量の間で特定の相関係数を有する成分を抽出し、抽出した成分を特定の角度範囲またはその一部からの音波の成分とするようにしたものである。
【００１９】
さらに、本発明のマイクロホン装置は、上記各発明のマイクロホン装置に加え、相関信号抽出手段が、第１および第２のマイクロホンからの出力信号をサンプリングし、サンプル間での２つの出力信号の変化量の間での相関係数の値に応じてサンプルをキャンセルし、残りのサンプルに基づいて、サンプリング後の２つの出力信号から、特定の相関係数を有する部分を抽出するようにしたものである。
【００２０】
さらに、本発明のマイクロホン装置は、上記各発明のマイクロホン装置に加え、相関信号抽出手段より前段で、第１および第２のマイクロホンからの出力信号のうち一方の出力信号を、他方の出力信号へ所定の割合で混合する混合手段とを備える。
【００２１】
さらに、本発明のマイクロホン装置は、上記各発明のマイクロホン装置に加え、第１のマイクロホンとして、双指向性マイクロホンまたはハイパーカージオイド特性のマイクロホンを使用し、第２のマイクロホンとして、無指向性マイクロホンまたは単一指向性マイクロホンを使用したものである。
【００２２】
本発明の集音方法は、集音の対象となる音波の波長より短い間隔で互いに近接して配置され、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲から入射する音波と、正面側の角度範囲以外の他の角度範囲から入射する音波とで異なる位相の出力信号を出力する第１のマイクロホンおよび全角度範囲から入射する音波に対して同一の位相の出力信号を出力する第２のマイクロホンにより同一音源からの音波を集音するステップと、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲から第１および第２のマイクロホンに入射する音波に関する出力信号の位相差と、正面側の角度範囲以外の他の角度範囲から第１および第２のマイクロホンに入射する音波に関する出力信号の位相差との違いに基づいて、第１および第２のマイクロホンの出力信号から、特定の相関係数を有する部分を抽出し、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲からの音波の成分とするステップと、抽出された音波の成分を出力するステップと、を備える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００２４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るマイクロホン装置の構成を示すブロック図である。図１において、マイクロホン１は、特定の角度範囲から入射する音波と他の角度範囲から入射する音波とで異なる位相の出力信号を出力する第１のマイクロホンである。
【００２５】
実施の形態１では、マイクロホン１は、双指向性マイクロホンである。双指向性マイクロホンの指向特性は、図７（Ｃ）となっている。また、双指向性マイクロホンでは、図中Ａの角度を境に、正面側の１８０度の角度範囲から入射した音波に対する出力信号の位相と、背面側の１８０度の角度範囲から入射した音波に対する出力信号の位相とは、１８０度異なる。なお、双指向性マイクロホンとしては、速度型マイクロホンがあり、リボン型マイクロホンなどで実現される。
【００２６】
速度型マイクロホンは、振動板の周囲が開放された構造を有する。振動板の周囲が開放されている場合、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同じになり、振動板は、気圧の変化ではなく、空気の直接的な動きに従って動く。したがって、速度型マイクロホンでは、振動板の正面側から音波が入射する場合と、振動板の背面側から音波が入射する場合とでは、振動板の振動方向が逆になる。これにより、速度型マイクロホンでは、マイクロホンから見た音源の方向が正面側にある場合と背面側にある場合とでは、出力信号の位相が反転する。
【００２７】
また、マイクロホン２は、マイクロホン１に近接して（例えば両者間の間隙が１センチメートル未満で）配置され、マイクロホン１の特定の角度範囲および他の角度範囲（ここでは、残りすべての角度範囲）からの音波に対して同一の位相の出力信号を出力する第２のマイクロホンである。すなわち、マイクロホン１，２は、互いに近接して配置され、特定の角度範囲から入射する音波に対して互いに異なる位相の出力信号を出力する。
【００２８】
実施の形態１では、マイクロホン２は、無指向性マイクロホンである。無指向性マイクロホンの指向特性は、図７（Ａ）となっている。無指向性マイクロホンからは、全角度範囲において同一の位相の出力信号が出力される。なお、無指向性マイクロホンとしては、圧力型マイクロホンがあり、ダイナミック型マイクロホン、コンデンサ型マイクロホン、エレクトレットコンデンサ型マイクロホンなどで実現される。
【００２９】
圧力型マイクロホンは、振動板の正面側が開放され、背面側がハウジングで密閉された構造を有する。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。これにより、圧力型マイクロホンは、マイクロホンの配置場所における気圧の変化に従った波形信号を出力する。また、マイクロホンの周囲の気圧変化は、マイクロホンから見た音源の方向によらないので、音源の方向に拘わらず、感度が一定であり、出力信号の位相も一定である。
【００３０】
近接した無指向性マイクロホンと双指向性マイクロホンが同一音源からの音波を同一のタイミングで感受した場合、双指向性マイクロホンの正面側の１８０度の角度範囲から入射した音波に対する出力信号の位相は、無指向性マイクロホンの出力信号の位相とほぼ同位相となる。また、双指向性マイクロホンの背面側の１８０度の角度範囲から入射した音波に対する出力信号は、無指向性マイクロホンの出力信号の位相とほぼ逆位相となる。
【００３１】
また、相関信号抽出回路４は、アンプ５を介して得られるマイクロホン２の出力信号Ｓ２と、アンプ５を介して得られるマイクロホン１の出力信号Ｓ１との間で、特定の相関係数を有する部分を抽出し、双指向性マイクロホンであるマイクロホン１の正面側１８０度の範囲（特定の角度範囲）からの音波の成分として出力する相関信号抽出手段として機能する回路である。なお、上述の特定の相関係数は、例えば１といった１つの値でもよく、例えば０．９〜１．１といった範囲でもよい。
【００３２】
なお、この相関信号抽出回路４は、特定の角度範囲からマイクロホン１，２に入射する音波に関する出力信号の位相差と、他の角度範囲（上記特定の角度範囲とは異なる角度範囲）からマイクロホン１，２に入射する音波に関する出力信号の位相差との違いに基づいて、マイクロホン１，２の出力信号からその特定の角度範囲からの音波の成分を抽出する抽出手段として機能する。
【００３３】
アンプ５は、マイクロホン１，２の出力信号をそれぞれ増幅する回路である。
【００３４】
次に、上記装置の動作について説明する。図２は、実施の形態１に係るマイクロホン装置における、マイクロホン２の出力信号Ｓ２と、マイクロホン１の出力信号Ｓ１との相関の基準となる正相関の直線（Ｙ＝Ｘ）と負相関の直線（Ｙ＝−Ｘ）を示す図である。
【００３５】
マイクロホン１，２は、同一音源からの音波を感受すると、それに応じた波形信号を出力信号として出力する。その際、マイクロホン１，２は、集音の対象となる音波の波長より短い間隔で近接して配置されるため、ほぼ同時に同一の音源からの音波を感受する。
【００３６】
そして、実施の形態１では、マイクロホン１が双指向性マイクロホンであり、マイクロホン２が無指向性マイクロホンであるので、マイクロホン１の正面側１８０度の範囲からの音波を受けると、マイクロホン２の出力信号は、マイクロホン１の出力信号とほぼ同位相となる。
【００３７】
マイクロホン１，２の出力信号は、アンプ５により増幅された後、相関信号抽出回路４にそれぞれ供給される。
【００３８】
マイクロホン２の出力信号Ｓ２の位相と、マイクロホン１の正面側１８０度の範囲からの音波に対応する出力信号Ｓ１の位相はほぼ一致する。一方、マイクロホン２の出力信号の位相と、マイクロホン１の背面側１８０度の範囲からの音波に対応する出力信号の位相とは、ほぼ１８０度位相が異なる。すなわち、マイクロホン１の正面側１８０度の範囲からの音波に対応する信号Ｓ１と信号Ｓ２とは同相となり、マイクロホン１の背面側１８０度の範囲からの音波に対応する信号Ｓ１と信号Ｓ２とは逆相となる。
【００３９】
したがって、マイクロホン１の出力信号Ｓ１のうちのマイクロホン１の正面側からの音波についての成分は、マイクロホン２の出力信号Ｓ２と正の相関を有し、背面側からの音波について成分は、マイクロホン２の出力信号Ｓ２と負の相関を有する。
【００４０】
相関信号抽出回路４は、マイクロホン１の正面側１８０度の範囲から入射した音波の成分を抽出する場合には、アンプ５を介して得られるマイクロホン２の出力信号Ｓ２およびアンプ５を介して得られるマイクロホン１の出力信号Ｓ１から、互いに正に相関する部分を抽出し、その信号Ｚｏｕｔを、正面側１８０度の範囲からの音波の成分として出力する。
【００４１】
なお、マイクロホン１の背面側１８０度の範囲からの音波の成分を抽出する場合には、相関信号抽出回路４が、アンプ５を介して得られるマイクロホン２の出力信号Ｓ２およびアンプ５を介して得られるマイクロホン１の出力信号Ｓ１から、互いに負に相関する部分を抽出するようにする。
【００４２】
次に、相関信号抽出回路４による信号Ｓ１，Ｓ２の相関部分の抽出について説明する。
【００４３】
相関信号抽出回路４は、マイクロホン１の出力信号Ｓ１およびマイクロホン２の出力信号Ｓ２を所定の周期でサンプリングし、各サンプリング時刻での信号Ｓ１，Ｓ２の値、または、各サンプリング時刻間の信号Ｓ１，Ｓ２の変化量に基づいて、その時刻での信号Ｓ１，Ｓ２間の正の相関部分を抽出していく。
【００４４】
例えば、次のようにして、相関信号抽出回路４は、出力信号Ｓ１，Ｓ２間の正の相関部分を抽出する。図３は、実施の形態１に係るマイクロホン装置における相関信号抽出回路４による、マイクロホン２の出力信号およびマイクロホン１の出力信号の相関部分の抽出について説明する図である。
【００４５】
信号Ｓ１，Ｓ２の振幅をＹ軸、Ｘ軸とした平面（図２に示す平面）上で時刻ｔに得られる信号Ｓ１，Ｓ２の振幅の値による点Ｚ（ｔ）を考えると、例えば図３に示すように、時系列ｔ＝・・・，ｎ−１，ｎ，ｎ＋１，ｎ＋２，・・・に沿って、点Ｚ（ｔ）は、その平面上を移動する。その際の点Ｚ（ｔ）を正相関の直線（Ｙ＝Ｘ）に投影した点Ｚｏ（ｔ）に応じて、相関信号抽出回路４は、出力信号Ｚｏｕｔ（ｔ）の値を決定する。これにより、信号Ｓ１，Ｓ２間の負の相関部分は除去され、正の相関部分のみが抽出される。
【００４６】
以上のように、上記実施の形態１によれば、マイクロホン１，２が、互いに近接して配置され、特定の角度範囲から入射する音波に対して互いに異なる位相の出力信号を出力し、相関信号抽出回路４が、特定の角度範囲からマイクロホン１，２に入射する音波に関する出力信号の位相差と、他の角度範囲からマイクロホン１，２に入射する音波に関する出力信号の位相差との違いに基づいて、マイクロホン１，２の出力信号からその特定の角度範囲からの音波の成分を抽出する。
【００４７】
これにより、超指向性マイクロホンを使用することなく、例えば無指向性マイクロホンや双指向性マイクロホンといったマイクロホンを使用して、小型のままで、マイクロホン装置の指向特性を、特定の狭い角度範囲で感度の高いものとすることができる。ひいては、例えば、自動車の車内において運転手の前方（例えばサンバイザ付近）にこのマイクロホン装置を装着することで、運転手の音声を確実に抽出することができる。
【００４８】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係るマイクロホン装置は、相関信号抽出回路４による信号Ｓ１，Ｓ２間の正または負の相関部分の抽出方法を変更したものである。
【００４９】
図４は、実施の形態２に係るマイクロホン装置における相関信号抽出回路４による、マイクロホン２の出力信号Ｓ２およびマイクロホン１の出力信号Ｓ１の相関部分の抽出について説明する図である。
【００５０】
実施の形態２における相関信号抽出回路４は、マイクロホン２の出力信号Ｓ２、およびマイクロホン１の出力信号Ｓ１をサンプリングし、サンプル間での信号Ｓ１の変化量と信号Ｓ２の変化量との間の相関係数の値に応じて、サンプルをキャンセルする。
【００５１】
相関信号抽出回路４は、正の相関部分を抽出する際には、点Ｚ（ｍ−１）と点Ｚ（ｍ）との間で、変化量間の相関係数が正ではない場合に、その点Ｚ（ｍ）をキャンセルする。例えば、図４では、点Ｚ（ｎ）と点Ｚ（ｎ＋１）との間で、変化量間の相関係数が正ではないため、点Ｚ（ｎ＋１）がキャンセルされ、点Ｚ（ｎ）の次に考慮される点Ｚ’（ｎ＋２）は、時刻ｎ＋１から時刻ｎ＋２への信号Ｓ１，Ｓ２の変化量だけ点Ｚ（ｎ）から離れたところに位置する。
【００５２】
そして、相関信号抽出回路４は、キャンセルされなかったサンプルにより得られる信号Ｚｏｕｔを、抽出した音波の成分として出力する。
【００５３】
以上のように、上記実施の形態２によれば、相関信号抽出回路４が、マイクロホン２の出力信号Ｓ２、およびマイクロホン１の出力信号Ｓ１をサンプリングし、２つの出力信号Ｓ１，Ｓ２のサンプル間での変化量の間での相関係数の値に応じてサンプルをキャンセルして、２つの出力信号Ｓ１，Ｓ２間で特定の相関係数を有する部分を抽出する。
【００５４】
これにより、集音の対象となる特定の角度範囲外から入射した音波の成分を確実に低減させることができる。
【００５５】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係るマイクロホン装置は、マイクロホン１として、ハイパーカージオイド特性のマイクロホンを使用したものである。図５は、実施の形態３に係るマイクロホン装置におけるハイパーカージオイド特性のマイクロホンの指向特性の一例を示す図である。
【００５６】
なお、ハイパーカージオイド特性として、空気の速度変化による振動と気圧変化による振動とがある特定の割合で混合した場合の指向特性を指すこともあるが、本明細書中では、図５に示すように、出力信号の位相が反転する角度（正面からの角度）αが２つあり、正面側の感度と背面側の感度が異なる指向特性２１のすべてを、ハイパーカージオイド特性という。
【００５７】
このような、ハイパーカージオイド特性は、例えば、双指向性マイクロホンの振動板の背面側を不完全に閉じて、振動板の動きを、空気の直接的な動きによるものと気圧変化によるものが混合されたものにすることで、実現される。
【００５８】
ハイパーカージオイド特性のマイクロホンでは、図５における正面から両方向に角度αまでの角度範囲から入射した音波についての出力信号は、双指向性マイクロホンの正面側１８０度の角度範囲から入射した場合と同様に、残りの角度範囲から入射した場合とは異なる位相となる。
【００５９】
また、このハイパーカージオイド特性のマイクロホンの感度が低いほうの側を正面に向けることで、位相が変化する角度αを９０度より小さくできる。
【００６０】
これにより、マイクロホン１として、双指向性マイクロホンの代わりに、このハイパーカージオイド特性のマイクロホンを使用することで、抽出される音波が入射する角度範囲を、１８０度より狭い角度範囲２αに狭めることができる。
【００６１】
以上のように、上記実施の形態３によれば、マイクロホン１として、ハイパーカージオイド特性のマイクロホンを使用することで、抽出される音波が入射する角度範囲を狭くすることができる。
【００６２】
なお、上述の実施の形態２、および後述する実施の形態４に係るマイクロホン装置におけるマイクロホン１に、このハイパーカージオイド特性のマイクロホンを使用することで同様の効果が得られる。
【００６３】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係るマイクロホン装置は、実施の形態１に係るマイクロホン装置に、マイクロホン２の出力信号をマイクロホン１の出力信号へ所定の割合で位相反転して混合する回路を追加したものである。
【００６４】
図６は、本発明の実施の形態４に係るマイクロホン装置の構成を示すブロック図である。図６において、係数回路１１は、入力された信号に所定の係数を乗算して得られた信号を出力する回路である。なお、係数が１より大きい場合には、係数回路１１としてアンプが使用され、係数が１以下である場合には、係数回路１１として分圧回路などが使用される。また、位相反転器３は入力信号の位相を反転して出力する回路であり、加算器１２は、２つの入力信号の和を出力する回路である。
【００６５】
この係数回路１１、位相反転器３および加算器１２は、マイクロホン２の出力信号をマイクロホン１の出力信号へ所定の割合で混合する混合手段として機能する。
【００６６】
なお、図６におけるその他の構成要素については、実施の形態１の場合と同様であるので、その説明を省略する。
【００６７】
次に、上記装置の動作について説明する。
【００６８】
実施の形態４に係るマイクロホン装置では、係数回路１１および位相反転器３が、マイクロホン２の出力信号Ｓ２に所定の係数を乗じてから位相を反転して得られた信号Ｓ２ａを加算器１２に出力する。加算器１２は、マイクロホン１の出力信号Ｓ１にその信号Ｓ２ａを加算して得られる信号Ｓ１ａを、信号Ｓ１の代わりに相関信号抽出回路４に供給する。
【００６９】
これにより、係数回路１１の係数に応じて、電気的に、信号Ｓ１ａの位相が反転する入射角度αを、双指向性マイクロホン固有の９０度より小さく設定することができる。したがって、実施の形態４に係るマイクロホン装置では、正面から両側へ角度αまでの角度範囲（＝２α）からの音声が抽出される。
【００７０】
例えば、マイクロホン１が双指向性マイクロホンであり、マイクロホン２が無指向性マイクロホンであり、音源がマイクロホン１の正面にあると、マイクロホン１の出力信号Ｓ１とマイクロホン２の出力信号Ｓ２とは同位相となり、位相反転器３を通過した信号Ｓ２ａとマイクロホン１の出力信号Ｓ１とは逆位相となる。したがって、この場合において、マイクロホン１，２の出力信号の振幅が同一であり、係数回路１１の係数を０．５とすると、加算器１２による演算後の信号Ｓ１ａの振幅は、マイクロホン１の出力信号Ｓ１の振幅の半分となる。この場合、信号Ｓ１ａは、信号Ｓ１と同位相である。
【００７１】
また、同様の場合で、音源がマイクロホン１の背面にあると、信号Ｓ１と信号Ｓ２とは、同位相となるので、信号Ｓ１ａの振幅は、信号Ｓ１の振幅の１．５倍となる。この場合、信号Ｓ１ａは、信号Ｓ１と同位相である。ただし、信号Ｓ１ａの位相は、音源がマイクロホン１の正面にある場合と、背面にある場合とでは、反転する。
【００７２】
さらに、同様の場合で、音源がマイクロホン１の側面にあると、信号Ｓ１の振幅が信号Ｓ２ａの振幅より小さいため、信号Ｓ１ａは、信号Ｓ２ａとほぼ同一の信号となる。
【００７３】
したがって、信号Ｓ１ａの位相が反転する角度αが、正面から９０度ではない角度で存在する。係数回路１１の係数が０．５である場合、マイクロホン１の出力信号の振幅が、マイクロホン２の出力信号の振幅に０．５を乗じた値になる角度に、信号Ｓ１ａの位相が反転する角度αが存在する。双指向性マイクロホンであるマイクロホン１の感度は正面からの角度の余弦にほぼ比例するため、信号Ｓ１ａの位相が反転する角度αは、約６０度となる。
【００７４】
このように、マイクロホン２の出力信号をマイクロホン１の出力信号へ所定の割合で反転して混合することで、その割合に応じて、相関信号抽出回路４に供給される一方の信号Ｓ１ａの位相の反転する音波の入射角度αが電気的に設定される。また、係数回路１１の係数を変更することで、信号Ｓ１ａの位相が反転する角度αを変更させることができる。
【００７５】
これにより、双指向性であるマイクロホン１の指向特性を、マイクロホン２、係数回路１１、位相反転器３および加算器１２により、電気的に、図５に示すようなハイパーカージオイド特性とすることができる。
【００７６】
なお、実施の形態４に係るマイクロホン装置のその他の動作については実施の形態１の場合と同様であるので、その説明を省略する。
【００７７】
以上のように、上記実施の形態４によれば、係数回路１１、位相反転器３および加算器１２が、相関信号抽出回路４より前段で、マイクロホン２の出力信号Ｓ２を、マイクロホン１の出力信号Ｓ１へ所定の割合で反転して混合する。
【００７８】
これにより、マイクロホン１の指向特性を、電子回路で、ハイパーカージオイド特性とすることができ、マイクロホン１の特定の角度範囲（ここでは、正面側１８０度の範囲）の一部（正面から両側α度の範囲）からの音波の成分を抽出することができる。
【００７９】
また、係数回路１１の係数を可変としてもよい。その場合、集音の対象となる角度範囲（＝２α）を簡単に変更、設定することができる。したがって、例えば、ズーム機能付きのビデオカメラのマイクロホン装置に、このマイクロホン装置を適用し、ズームレンズの倍率に連動させて、集音の対象となる角度範囲（＝２α）を変更させるようにしてもよい。そのようにすることにより、録画されている画像の範囲内の場所からの音声を主に集音することができる。
【００８０】
なお、実施の形態４では、実施の形態１に係るマイクロホン装置に、上述の混合手段を追加したが、他の実施の形態２，３に係るマイクロホン装置に、上述の混合手段を追加しても同様の効果が得られる。
【００８１】
なお、上述の各実施の形態は、本発明の好適な例であるが、本発明は、これらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能である。
【００８２】
例えば、上記各実施の形態における相関信号抽出回路４は、デジタルシグナルプロセッサなどにより実現可能である。その場合、マイクロホン１，２の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器をそれらの回路の前段に適宜設けるようにする。
【００８３】
なお、上記各実施の形態におけるマイクロホン１，２の後段の各要素、回路などは、人間の音声に係る周波数帯域においてのみ良好に動作するものであってもよい。
【００８４】
また、上記各実施の形態におけるマイクロホン２は、無指向性のマイクロホンであるが、単一指向性のマイクロホンでもよい。
【００８５】
さらに、上記各実施の形態におけるマイクロホン２は、マイクロホン１の特定の角度範囲とは異なる狭い角度範囲において、その狭い角度範囲からの音波と残りの角度範囲からの音波とで異なる位相の出力信号を出力するハイパーカージオイド特性のマイクロホンであってもよい。ただし、その場合、その狭い角度範囲からの音波がマイクロホン１の特定の角度範囲からの音波と同様に抽出される可能性があるため、その狭い角度範囲の方向および角度幅は、この装置の設置場所などに起因する周辺ノイズの状況、音声認識などのこの装置を使用するアプリケーションの種類に応じて許容される条件のものとする。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、小型のままで、狭い角度範囲で感度の高い指向性を有するマイクロホン装置および集音方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係るマイクロホン装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 実施の形態１に係るマイクロホン装置における、マイクロホン２の出力信号と、マイクロホン１の出力信号との相関の基準となる正相関の直線と負相関の直線を示す図である。
【図３】 実施の形態１に係るマイクロホン装置における相関信号抽出回路による、マイクロホン２の出力信号およびマイクロホン１の出力信号の相関部分の抽出について説明する図である。
【図４】 実施の形態２に係るマイクロホン装置における相関信号抽出回路による、マイクロホン２の出力信号およびマイクロホン１の出力信号の相関部分の抽出について説明する図である。
【図５】 実施の形態３に係るマイクロホン装置におけるハイパーカージオイド特性のマイクロホンの指向特性の一例を示す図である。
【図６】 本発明の実施の形態４に係るマイクロホン装置の構成を示すブロック図である。
【図７】 従来のマイクロホンの指向特性を示す図である。
【符号の説明】
１ マイクロホン（第１のマイクロホン）
２ マイクロホン（第２のマイクロホン）
３ 位相反転器（位相反転手段、混合手段）
４ 相関信号抽出回路（相関信号抽出手段、抽出手段）
１１ 係数回路（混合手段）
１２ 加算器（混合手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロホン装置および集音方法に関する。
【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感受し、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、無指向性マイクロホンや、単一指向性マイクロホンなどがある。
【０００３】
マイクロホン装置の指向特性は、その装置で使用されるマイクロホンの指向特性で決まることが多い。図７は、従来のマイクロホンの指向特性を示す図である。無指向性マイクロホンは、図７（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７（Ｂ）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、カーナビゲーションシステム、移動体通信システムなどといった自動車などの車両で使用されるシステムが普及しつつある。このようなシステムには、例えばマイクロホン装置により受信された音声を認識し、ユーザによる操作を音声で受け付けるものがある。また、マイクロホン装置により受信された音声を移動体通信システムで送信したりするものもある。
【０００５】
このような用途で使用されるマイクロホン装置には、ユーザである運転手の音声を確実に受信し、かつ、走行ノイズなどの環境ノイズを受信しない特性のものが望まれる。このため、従来、この用途では、単一指向性マイクロホンを、車両内の運転手の近くで、運転手に向けて配置することが多い。
【０００６】
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場合より、ユーザの音声が選択的に受信されるものの、環境ノイズも多く受信されてしまう。単一指向性という単語からは、正面のみの感度が高い特性が想像されるが、実際には、側面側の受信感度が、正面側の受信感度に比べて、数デシベル低いだけである。したがって、このような単一指向性マイクロホンを使用したマイクロホン装置の出力信号には、運転手の音声の成分とともに、走行ノイズなどの成分が含まれ、音声認識による認識率が低下したり、移動体通信システムの通話品質が低下したりする。
【０００７】
そこで、第１の方法として、このようなマイクロホン装置に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正面以外の方向の感度が低い指向特性を有するマイクロホンを使用することが考えられる。
【０００８】
また、第２の方法として、運転手の音声と走行ノイズとの受信レベルの差に基づき、マイクロホンの波形信号のレベルが所定の閾値を超えた場合、そ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。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−２４５３９６公報（第２頁−５頁、第１図）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のマイクロホン装置では、車両内の運転手といったユーザの音声のみを効率良く抽出することが困難である。
【００１１】
上述の第１の方法については、上述の用途において現実的なものとしては、単一指向性より適しているマイクロホンは、従来、存在しない。単一指向性より側面の受信感度が低く前方に鋭い指向特性を有する超指向性マイクロホンというものがあるが、超指向性マイクロホンの長さは、その原理上、集音の対象となる音波の波長以上となり、少なくとも３０ｃｍ程度になってしまう。このため、車両内で、運転手の口元に向かって超指向性マイクロホンを設置することは現実的ではない。
【００１２】
また、側面からの感度が低い双指向性という指向特性を有するマイクロホンがある。双指向性マイクロホンは、図７（Ｃ）に示すような略８の字形状の指向特性を有する。双指向性マイクロホンの場合、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。そのため、双指向性マイクロホンを使用しても、ユーザからの音声のみを選択的に抽出することは困難である。
【００１３】
なお、単に双指向性のマイクロホンの背面を覆っても背面感度のみを低くすることは難しい。それは、双指向性マイクロホンの背面を塞いでいくと、無指向性マイクロホンの特性に近くなっていくからである。双指向性マイクロホンは、音波による空気の直接的な動きを感受するマイクロホンである。一方、無指向性マイクロホンは、どの方向からの音波でも同様に発生する気圧の変化を感受するマイクロホンである。双指向性マイクロホンの振動板の片側を塞ぐと、構造的に無指向性マイクロホンに近くなり、振動板が、気圧変化を主に感受するようになる。このため、双指向性マイクロホンの背面を塞いでいくと、無指向性の特性に近づいていく。
【００１４】
上述の第２の方法については、上述の閾値を設定するために、音声信号の出力レベルと環境ノイズの出力レベルとの間に明確な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、話者の声量や抑揚の個人差、話者とマイクロホンとの距離の変動、周囲の騒音レベルに応じた話者による声量の調整などによって大きく変化するとともに、環境ノイズも、路面状態、車種、天候などによって大きく変化するため、両者の間における一定の明確なレベル差を得ることは困難であり、ひいては、適切な閾値レベルを設定することは困難である。
【００１５】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、小型のままで、狭い角度範囲で感度の高い指向性を有するマイクロホン装置および集音方法を得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明のマイクロホン装置は、集音の対象となる音波の波長より短い間隔で互いに近接して配置され、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲から入射する音波と、正面側の角度範囲以外の他の角度範囲から入射する音波とで異なる位相の出力信号を出力する第１のマイクロホンと、全角度範囲から入射する音波に対して同一の位相の出力信号を出力する第２のマイクロホンと、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲から第１および第２のマイクロホンに入射する音波に関する出力信号の位相差と、正面側の角度範囲以外の他の角度範囲から第１および第２のマイクロホンに入射する音波に関する出力信号の位相差との違いに基づいて、第１および第２のマイクロホンの出力信号から、特定の相関係数を有する部分を抽出し、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲からの音波の成分として出力する相関信号抽出手段とを備える。
【００１８】
さらに、本発明のマイクロホン装置は、上記各発明のマイクロホン装置に加え、相関信号抽出手段が、第１および第２のマイクロホンからの出力信号をサンプリングし、サンプル間での２つの出力信号の変化量の間で特定の相関係数を有する成分を抽出し、抽出した成分を特定の角度範囲またはその一部からの音波の成分とするようにしたものである。
【００１９】
さらに、本発明のマイクロホン装置は、上記各発明のマイクロホン装置に加え、相関信号抽出手段が、第１および第２のマイクロホンからの出力信号をサンプリングし、サンプル間での２つの出力信号の変化量の間での相関係数の値に応じてサンプルをキャンセルし、残りのサンプルに基づいて、サンプリング後の２つの出力信号から、特定の相関係数を有する部分を抽出するようにしたものである。
【００２０】
さらに、本発明のマイクロホン装置は、上記各発明のマイクロホン装置に加え、相関信号抽出手段より前段で、第１および第２のマイクロホンからの出力信号のうち一方の出力信号を、他方の出力信号へ所定の割合で混合する混合手段とを備える。
【００２１】
さらに、本発明のマイクロホン装置は、上記各発明のマイクロホン装置に加え、第１のマイクロホンとして、双指向性マイクロホンまたはハイパーカージオイド特性のマイクロホンを使用し、第２のマイクロホンとして、無指向性マイクロホンまたは単一指向性マイクロホンを使用したものである。
【００２２】
本発明の集音方法は、集音の対象となる音波の波長より短い間隔で互いに近接して配置され、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲から入射する音波と、正面側の角度範囲以外の他の角度範囲から入射する音波とで異なる位相の出力信号を出力する第１のマイクロホンおよび全角度範囲から入射する音波に対して同一の位相の出力信号を出力する第２のマイクロホンにより同一音源からの音波を集音するステップと、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲から第１および第２のマイクロホンに入射する音波に関する出力信号の位相差と、正面側の角度範囲以外の他の角度範囲から第１および第２のマイクロホンに入射する音波に関する出力信号の位相差との違いに基づいて、第１および第２のマイクロホンの出力信号から、特定の相関係数を有する部分を抽出し、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲からの音波の成分とするステップと、抽出された音波の成分を出力するステップと、を備える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００２４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るマイクロホン装置の構成を示すブロック図である。図１において、マイクロホン１は、特定の角度範囲から入射する音波と他の角度範囲から入射する音波とで異なる位相の出力信号を出力する第１のマイクロホンである。
【００２５】
実施の形態１では、マイクロホン１は、双指向性マイクロホンである。双指向性マイクロホンの指向特性は、図７（Ｃ）となっている。また、双指向性マイクロホンでは、図中Ａの角度を境に、正面側の１８０度の角度範囲から入射した音波に対する出力信号の位相と、背面側の１８０度の角度範囲から入射した音波に対する出力信号の位相とは、１８０度異なる。なお、双指向性マイクロホンとしては、速度型マイクロホンがあり、リボン型マイクロホンなどで実現される。
【００２６】
速度型マイクロホンは、振動板の周囲が開放された構造を有する。振動板の周囲が開放されている場合、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同じになり、振動板は、気圧の変化ではなく、空気の直接的な動きに従って動く。したがって、速度型マイクロホンでは、振動板の正面側から音波が入射する場合と、振動板の背面側から音波が入射する場合とでは、振動板の振動方向が逆になる。これにより、速度型マイクロホンでは、マイクロホンから見た音源の方向が正面側にある場合と背面側にある場合とでは、出力信号の位相が反転する。
【００２７】
また、マイクロホン２は、マイクロホン１に近接して（例えば両者間の間隙が１センチメートル未満で）配置され、マイクロホン１の特定の角度範囲および他の角度範囲（ここでは、残りすべての角度範囲）からの音波に対して同一の位相の出力信号を出力する第２のマイクロホンである。すなわち、マイクロホン１，２は、互いに近接して配置され、特定の角度範囲から入射する音波に対して互いに異なる位相の出力信号を出力する。
【００２８】
実施の形態１では、マイクロホン２は、無指向性マイクロホンである。無指向性マイクロホンの指向特性は、図７（Ａ）となっている。無指向性マイクロホンからは、全角度範囲において同一の位相の出力信号が出力される。なお、無指向性マイクロホンとしては、圧力型マイクロホンがあり、ダイナミック型マイクロホン、コンデンサ型マイクロホン、エレクトレットコンデンサ型マイクロホンなどで実現される。
【００２９】
圧力型マイクロホンは、振動板の正面側が開放され、背面側がハウジングで密閉された構造を有する。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。これにより、圧力型マイクロホンは、マイクロホンの配置場所における気圧の変化に従った波形信号を出力する。また、マイクロホンの周囲の気圧変化は、マイクロホンから見た音源の方向によらないので、音源の方向に拘わらず、感度が一定であり、出力信号の位相も一定である。
【００３０】
近接した無指向性マイクロホンと双指向性マイクロホンが同一音源からの音波を同一のタイミングで感受した場合、双指向性マイクロホンの正面側の１８０度の角度範囲から入射した音波に対する出力信号の位相は、無指向性マイクロホンの出力信号の位相とほぼ同位相となる。また、双指向性マイクロホンの背面側の１８０度の角度範囲から入射した音波に対する出力信号は、無指向性マイクロホンの出力信号の位相とほぼ逆位相となる。
【００３１】
また、相関信号抽出回路４は、アンプ５を介して得られるマイクロホン２の出力信号Ｓ２と、アンプ５を介して得られるマイクロホン１の出力信号Ｓ１との間で、特定の相関係数を有する部分を抽出し、双指向性マイクロホンであるマイクロホン１の正面側１８０度の範囲（特定の角度範囲）からの音波の成分として出力する相関信号抽出手段として機能する回路である。なお、上述の特定の相関係数は、例えば１といった１つの値でもよく、例えば０．９〜１．１といった範囲でもよい。
【００３２】
なお、この相関信号抽出回路４は、特定の角度範囲からマイクロホン１，２に入射する音波に関する出力信号の位相差と、他の角度範囲（上記特定の角度範囲とは異なる角度範囲）からマイクロホン１，２に入射する音波に関する出力信号の位相差との違いに基づいて、マイクロホン１，２の出力信号からその特定の角度範囲からの音波の成分を抽出する抽出手段として機能する。
【００３３】
アンプ５は、マイクロホン１，２の出力信号をそれぞれ増幅する回路である。
【００３４】
次に、上記装置の動作について説明する。図２は、実施の形態１に係るマイクロホン装置における、マイクロホン２の出力信号Ｓ２と、マイクロホン１の出力信号Ｓ１との相関の基準となる正相関の直線（Ｙ＝Ｘ）と負相関の直線（Ｙ＝−Ｘ）を示す図である。
【００３５】
マイクロホン１，２は、同一音源からの音波を感受すると、それに応じた波形信号を出力信号として出力する。その際、マイクロホン１，２は、集音の対象となる音波の波長より短い間隔で近接して配置されるため、ほぼ同時に同一の音源からの音波を感受する。
【００３６】
そして、実施の形態１では、マイクロホン１が双指向性マイクロホンであり、マイクロホン２が無指向性マイクロホンであるので、マイクロホン１の正面側１８０度の範囲からの音波を受けると、マイクロホン２の出力信号は、マイクロホン１の出力信号とほぼ同位相となる。
【００３７】
マイクロホン１，２の出力信号は、アンプ５により増幅された後、相関信号抽出回路４にそれぞれ供給される。
【００３８】
マイクロホン２の出力信号Ｓ２の位相と、マイクロホン１の正面側１８０度の範囲からの音波に対応する出力信号Ｓ１の位相はほぼ一致する。一方、マイクロホン２の出力信号の位相と、マイクロホン１の背面側１８０度の範囲からの音波に対応する出力信号の位相とは、ほぼ１８０度位相が異なる。すなわち、マイクロホン１の正面側１８０度の範囲からの音波に対応する信号Ｓ１と信号Ｓ２とは同相となり、マイクロホン１の背面側１８０度の範囲からの音波に対応する信号Ｓ１と信号Ｓ２とは逆相となる。
【００３９】
したがって、マイクロホン１の出力信号Ｓ１のうちのマイクロホン１の正面側からの音波についての成分は、マイクロホン２の出力信号Ｓ２と正の相関を有し、背面側からの音波について成分は、マイクロホン２の出力信号Ｓ２と負の相関を有する。
【００４０】
相関信号抽出回路４は、マイクロホン１の正面側１８０度の範囲から入射した音波の成分を抽出する場合には、アンプ５を介して得られるマイクロホン２の出力信号Ｓ２およびアンプ５を介して得られるマイクロホン１の出力信号Ｓ１から、互いに正に相関する部分を抽出し、その信号Ｚｏｕｔを、正面側１８０度の範囲からの音波の成分として出力する。
【００４１】
なお、マイクロホン１の背面側１８０度の範囲からの音波の成分を抽出する場合には、相関信号抽出回路４が、アンプ５を介して得られるマイクロホン２の出力信号Ｓ２およびアンプ５を介して得られるマイクロホン１の出力信号Ｓ１から、互いに負に相関する部分を抽出するようにする。
【００４２】
次に、相関信号抽出回路４による信号Ｓ１，Ｓ２の相関部分の抽出について説明する。
【００４３】
相関信号抽出回路４は、マイクロホン１の出力信号Ｓ１およびマイクロホン２の出力信号Ｓ２を所定の周期でサンプリングし、各サンプリング時刻での信号Ｓ１，Ｓ２の値、または、各サンプリング時刻間の信号Ｓ１，Ｓ２の変化量に基づいて、その時刻での信号Ｓ１，Ｓ２間の正の相関部分を抽出していく。
【００４４】
例えば、次のようにして、相関信号抽出回路４は、出力信号Ｓ１，Ｓ２間の正の相関部分を抽出する。図３は、実施の形態１に係るマイクロホン装置における相関信号抽出回路４による、マイクロホン２の出力信号およびマイクロホン１の出力信号の相関部分の抽出について説明する図である。
【００４５】
信号Ｓ１，Ｓ２の振幅をＹ軸、Ｘ軸とした平面（図２に示す平面）上で時刻ｔに得られる信号Ｓ１，Ｓ２の振幅の値による点Ｚ（ｔ）を考えると、例えば図３に示すように、時系列ｔ＝・・・，ｎ−１，ｎ，ｎ＋１，ｎ＋２，・・・に沿って、点Ｚ（ｔ）は、その平面上を移動する。その際の点Ｚ（ｔ）を正相関の直線（Ｙ＝Ｘ）に投影した点Ｚｏ（ｔ）に応じて、相関信号抽出回路４は、出力信号Ｚｏｕｔ（ｔ）の値を決定する。これにより、信号Ｓ１，Ｓ２間の負の相関部分は除去され、正の相関部分のみが抽出される。
【００４６】
以上のように、上記実施の形態１によれば、マイクロホン１，２が、互いに近接して配置され、特定の角度範囲から入射する音波に対して互いに異なる位相の出力信号を出力し、相関信号抽出回路４が、特定の角度範囲からマイクロホン１，２に入射する音波に関する出力信号の位相差と、他の角度範囲からマイクロホン１，２に入射する音波に関する出力信号の位相差との違いに基づいて、マイクロホン１，２の出力信号からその特定の角度範囲からの音波の成分を抽出する。
【００４７】
これにより、超指向性マイクロホンを使用することなく、例えば無指向性マイクロホンや双指向性マイクロホンといったマイクロホンを使用して、小型のままで、マイクロホン装置の指向特性を、特定の狭い角度範囲で感度の高いものとすることができる。ひいては、例えば、自動車の車内において運転手の前方（例えばサンバイザ付近）にこのマイクロホン装置を装着することで、運転手の音声を確実に抽出することができる。
【００４８】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係るマイクロホン装置は、相関信号抽出回路４による信号Ｓ１，Ｓ２間の正または負の相関部分の抽出方法を変更したものである。
【００４９】
図４は、実施の形態２に係るマイクロホン装置における相関信号抽出回路４による、マイクロホン２の出力信号Ｓ２およびマイクロホン１の出力信号Ｓ１の相関部分の抽出について説明する図である。
【００５０】
実施の形態２における相関信号抽出回路４は、マイクロホン２の出力信号Ｓ２、およびマイクロホン１の出力信号Ｓ１をサンプリングし、サンプル間での信号Ｓ１の変化量と信号Ｓ２の変化量との間の相関係数の値に応じて、サンプルをキャンセルする。
【００５１】
相関信号抽出回路４は、正の相関部分を抽出する際には、点Ｚ（ｍ−１）と点Ｚ（ｍ）との間で、変化量間の相関係数が正ではない場合に、その点Ｚ（ｍ）をキャンセルする。例えば、図４では、点Ｚ（ｎ）と点Ｚ（ｎ＋１）との間で、変化量間の相関係数が正ではないため、点Ｚ（ｎ＋１）がキャンセルされ、点Ｚ（ｎ）の次に考慮される点Ｚ’（ｎ＋２）は、時刻ｎ＋１から時刻ｎ＋２への信号Ｓ１，Ｓ２の変化量だけ点Ｚ（ｎ）から離れたところに位置する。
【００５２】
そして、相関信号抽出回路４は、キャンセルされなかったサンプルにより得られる信号Ｚｏｕｔを、抽出した音波の成分として出力する。
【００５３】
以上のように、上記実施の形態２によれば、相関信号抽出回路４が、マイクロホン２の出力信号Ｓ２、およびマイクロホン１の出力信号Ｓ１をサンプリングし、２つの出力信号Ｓ１，Ｓ２のサンプル間での変化量の間での相関係数の値に応じてサンプルをキャンセルして、２つの出力信号Ｓ１，Ｓ２間で特定の相関係数を有する部分を抽出する。
【００５４】
これにより、集音の対象となる特定の角度範囲外から入射した音波の成分を確実に低減させることができる。
【００５５】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係るマイクロホン装置は、マイクロホン１として、ハイパーカージオイド特性のマイクロホンを使用したものである。図５は、実施の形態３に係るマイクロホン装置におけるハイパーカージオイド特性のマイクロホンの指向特性の一例を示す図である。
【００５６】
なお、ハイパーカージオイド特性として、空気の速度変化による振動と気圧変化による振動とがある特定の割合で混合した場合の指向特性を指すこともあるが、本明細書中では、図５に示すように、出力信号の位相が反転する角度（正面からの角度）αが２つあり、正面側の感度と背面側の感度が異なる指向特性２１のすべてを、ハイパーカージオイド特性という。
【００５７】
このような、ハイパーカージオイド特性は、例えば、双指向性マイクロホンの振動板の背面側を不完全に閉じて、振動板の動きを、空気の直接的な動きによるものと気圧変化によるものが混合されたものにすることで、実現される。
【００５８】
ハイパーカージオイド特性のマイクロホンでは、図５における正面から両方向に角度αまでの角度範囲から入射した音波についての出力信号は、双指向性マイクロホンの正面側１８０度の角度範囲から入射した場合と同様に、残りの角度範囲から入射した場合とは異なる位相となる。
【００５９】
また、このハイパーカージオイド特性のマイクロホンの感度が低いほうの側を正面に向けることで、位相が変化する角度αを９０度より小さくできる。
【００６０】
これにより、マイクロホン１として、双指向性マイクロホンの代わりに、このハイパーカージオイド特性のマイクロホンを使用することで、抽出される音波が入射する角度範囲を、１８０度より狭い角度範囲２αに狭めることができる。
【００６１】
以上のように、上記実施の形態３によれば、マイクロホン１として、ハイパーカージオイド特性のマイクロホンを使用することで、抽出される音波が入射する角度範囲を狭くすることができる。
【００６２】
なお、上述の実施の形態２、および後述する実施の形態４に係るマイクロホン装置におけるマイクロホン１に、このハイパーカージオイド特性のマイクロホンを使用することで同様の効果が得られる。
【００６３】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係るマイクロホン装置は、実施の形態１に係るマイクロホン装置に、マイクロホン２の出力信号をマイクロホン１の出力信号へ所定の割合で位相反転して混合する回路を追加したものである。
【００６４】
図６は、本発明の実施の形態４に係るマイクロホン装置の構成を示すブロック図である。図６において、係数回路１１は、入力された信号に所定の係数を乗算して得られた信号を出力する回路である。なお、係数が１より大きい場合には、係数回路１１としてアンプが使用され、係数が１以下である場合には、係数回路１１として分圧回路などが使用される。また、位相反転器３は入力信号の位相を反転して出力する回路であり、加算器１２は、２つの入力信号の和を出力する回路である。
【００６５】
この係数回路１１、位相反転器３および加算器１２は、マイクロホン２の出力信号をマイクロホン１の出力信号へ所定の割合で混合する混合手段として機能する。
【００６６】
なお、図６におけるその他の構成要素については、実施の形態１の場合と同様であるので、その説明を省略する。
【００６７】
次に、上記装置の動作について説明する。
【００６８】
実施の形態４に係るマイクロホン装置では、係数回路１１および位相反転器３が、マイクロホン２の出力信号Ｓ２に所定の係数を乗じてから位相を反転して得られた信号Ｓ２ａを加算器１２に出力する。加算器１２は、マイクロホン１の出力信号Ｓ１にその信号Ｓ２ａを加算して得られる信号Ｓ１ａを、信号Ｓ１の代わりに相関信号抽出回路４に供給する。
【００６９】
これにより、係数回路１１の係数に応じて、電気的に、信号Ｓ１ａの位相が反転する入射角度αを、双指向性マイクロホン固有の９０度より小さく設定することができる。したがって、実施の形態４に係るマイクロホン装置では、正面から両側へ角度αまでの角度範囲（＝２α）からの音声が抽出される。
【００７０】
例えば、マイクロホン１が双指向性マイクロホンであり、マイクロホン２が無指向性マイクロホンであり、音源がマイクロホン１の正面にあると、マイクロホン１の出力信号Ｓ１とマイクロホン２の出力信号Ｓ２とは同位相となり、位相反転器３を通過した信号Ｓ２ａとマイクロホン１の出力信号Ｓ１とは逆位相となる。したがって、この場合において、マイクロホン１，２の出力信号の振幅が同一であり、係数回路１１の係数を０．５とすると、加算器１２による演算後の信号Ｓ１ａの振幅は、マイクロホン１の出力信号Ｓ１の振幅の半分となる。この場合、信号Ｓ１ａは、信号Ｓ１と同位相である。
【００７１】
また、同様の場合で、音源がマイクロホン１の背面にあると、信号Ｓ１と信号Ｓ２とは、同位相となるので、信号Ｓ１ａの振幅は、信号Ｓ１の振幅の１．５倍となる。この場合、信号Ｓ１ａは、信号Ｓ１と同位相である。ただし、信号Ｓ１ａの位相は、音源がマイクロホン１の正面にある場合と、背面にある場合とでは、反転する。
【００７２】
さらに、同様の場合で、音源がマイクロホン１の側面にあると、信号Ｓ１の振幅が信号Ｓ２ａの振幅より小さいため、信号Ｓ１ａは、信号Ｓ２ａとほぼ同一の信号となる。
【００７３】
したがって、信号Ｓ１ａの位相が反転する角度αが、正面から９０度ではない角度で存在する。係数回路１１の係数が０．５である場合、マイクロホン１の出力信号の振幅が、マイクロホン２の出力信号の振幅に０．５を乗じた値になる角度に、信号Ｓ１ａの位相が反転する角度αが存在する。双指向性マイクロホンであるマイクロホン１の感度は正面からの角度の余弦にほぼ比例するため、信号Ｓ１ａの位相が反転する角度αは、約６０度となる。
【００７４】
このように、マイクロホン２の出力信号をマイクロホン１の出力信号へ所定の割合で反転して混合することで、その割合に応じて、相関信号抽出回路４に供給される一方の信号Ｓ１ａの位相の反転する音波の入射角度αが電気的に設定される。また、係数回路１１の係数を変更することで、信号Ｓ１ａの位相が反転する角度αを変更させることができる。
【００７５】
これにより、双指向性であるマイクロホン１の指向特性を、マイクロホン２、係数回路１１、位相反転器３および加算器１２により、電気的に、図５に示すようなハイパーカージオイド特性とすることができる。
【００７６】
なお、実施の形態４に係るマイクロホン装置のその他の動作については実施の形態１の場合と同様であるので、その説明を省略する。
【００７７】
以上のように、上記実施の形態４によれば、係数回路１１、位相反転器３および加算器１２が、相関信号抽出回路４より前段で、マイクロホン２の出力信号Ｓ２を、マイクロホン１の出力信号Ｓ１へ所定の割合で反転して混合する。
【００７８】
これにより、マイクロホン１の指向特性を、電子回路で、ハイパーカージオイド特性とすることができ、マイクロホン１の特定の角度範囲（ここでは、正面側１８０度の範囲）の一部（正面から両側α度の範囲）からの音波の成分を抽出することができる。
【００７９】
また、係数回路１１の係数を可変としてもよい。その場合、集音の対象となる角度範囲（＝２α）を簡単に変更、設定することができる。したがって、例えば、ズーム機能付きのビデオカメラのマイクロホン装置に、このマイクロホン装置を適用し、ズームレンズの倍率に連動させて、集音の対象となる角度範囲（＝２α）を変更させるようにしてもよい。そのようにすることにより、録画されている画像の範囲内の場所からの音声を主に集音することができる。
【００８０】
なお、実施の形態４では、実施の形態１に係るマイクロホン装置に、上述の混合手段を追加したが、他の実施の形態２，３に係るマイクロホン装置に、上述の混合手段を追加しても同様の効果が得られる。
【００８１】
なお、上述の各実施の形態は、本発明の好適な例であるが、本発明は、これらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能である。
【００８２】
例えば、上記各実施の形態における相関信号抽出回路４は、デジタルシグナルプロセッサなどにより実現可能である。その場合、マイクロホン１，２の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器をそれらの回路の前段に適宜設けるようにする。
【００８３】
なお、上記各実施の形態におけるマイクロホン１，２の後段の各要素、回路などは、人間の音声に係る周波数帯域においてのみ良好に動作するものであってもよい。
【００８４】
また、上記各実施の形態におけるマイクロホン２は、無指向性のマイクロホンであるが、単一指向性のマイクロホンでもよい。
【００８５】
さらに、上記各実施の形態におけるマイクロホン２は、マイクロホン１の特定の角度範囲とは異なる狭い角度範囲において、その狭い角度範囲からの音波と残りの角度範囲からの音波とで異なる位相の出力信号を出力するハイパーカージオイド特性のマイクロホンであってもよい。ただし、その場合、その狭い角度範囲からの音波がマイクロホン１の特定の角度範囲からの音波と同様に抽出される可能性があるため、その狭い角度範囲の方向および角度幅は、この装置の設置場所などに起因する周辺ノイズの状況、音声認識などのこの装置を使用するアプリケーションの種類に応じて許容される条件のものとする。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、小型のままで、狭い角度範囲で感度の高い指向性を有するマイクロホン装置および集音方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係るマイクロホン装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 実施の形態１に係るマイクロホン装置における、マイクロホン２の出力信号と、マイクロホン１の出力信号との相関の基準となる正相関の直線と負相関の直線を示す図である。
【図３】 実施の形態１に係るマイクロホン装置における相関信号抽出回路による、マイクロホン２の出力信号およびマイクロホン１の出力信号の相関部分の抽出について説明する図である。
【図４】 実施の形態２に係るマイクロホン装置における相関信号抽出回路による、マイクロホン２の出力信号およびマイクロホン１の出力信号の相関部分の抽出について説明する図である。
【図５】 実施の形態３に係るマイクロホン装置におけるハイパーカージオイド特性のマイクロホンの指向特性の一例を示す図である。
【図６】 本発明の実施の形態４に係るマイクロホン装置の構成を示すブロック図である。
【図７】 従来のマイクロホンの指向特性を示す図である。
【符号の説明】
１ マイクロホン（第１のマイクロホン）
２ マイクロホン（第２のマイクロホン）
３ 位相反転器（位相反転手段、混合手段）
４ 相関信号抽出回路（相関信号抽出手段、抽出手段）
１１ 係数回路（混合手段）
１２ 加算器（混合手段）
Claims (6)
- 集音の対象となる音波の波長より短い間隔で互いに近接して配置され、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲から入射する音波と、当該正面側の角度範囲以外の他の角度範囲から入射する音波とで異なる位相の出力信号を出力する第１のマイクロホンと、
全角度範囲から入射する音波に対して同一の位相の出力信号を出力する第２のマイクロホンと、
上記正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲から上記第１および第２のマイクロホンに入射する音波に関する上記出力信号の位相差と、当該正面側の角度範囲以外の他の角度範囲から上記第１および第２のマイクロホンに入射する音波に関する上記出力信号の位相差との違いに基づいて、上記第１および第２のマイクロホンの上記出力信号から、特定の相関係数を有する部分を抽出し、上記正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲からの音波の成分として出力する相関信号抽出手段と、
を備えることを特徴とするマイクロホン装置。 - 前記相関信号抽出手段は、前記第１および第２のマイクロホンからの前記出力信号をサンプリングし、サンプル間での２つの前記出力信号の変化量の間で特定の相関係数を有する成分を抽出し、抽出した成分を前記特定の角度範囲またはその一部からの音波の成分とすることを特徴とする請求項１記載のマイクロホン装置。
- 前記相関信号抽出手段は、前記第１および第２のマイクロホンからの前記出力信号をサンプリングし、サンプル間での２つの前記出力信号の変化量の間での相関係数の値に応じてサンプルをキャンセルし、残りのサンプルに基づいて、サンプリング後の２つの前記出力信号から、特定の相関係数を有する部分を抽出することを特徴とする請求項１記載のマイクロホン装置。
- 前記相関信号抽出手段より前段で、前記第１および第２のマイクロホンからの出力信号のうち一方の出力信号を、他方の前記出力信号へ所定の割合で混合する混合手段を、
備えることを特徴とする請求項１記載のマイクロホン装置。 - 前記第１のマイクロホンは、双指向性マイクロホンまたはハイパーカージオイド特性のマイクロホンであり、
前記第２のマイクロホンは、無指向性マイクロホンまたは単一指向性マイクロホンであること、
を特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のマイクロホン装置。 - 集音の対象となる音波の波長より短い間隔で互いに近接して配置され、正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲から入射する音波と、当該正面側の角度範囲以外の他の角度範囲から入射する音波とで異なる位相の出力信号を出力する第１のマイクロホンおよび全角度範囲から入射する音波に対して同一の位相の出力信号を出力する第２のマイクロホンにより同一音源からの音波を集音するステップと、
上記正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲から上記第１および第２のマイクロホンに入射する音波に関する上記出力信号の位相差と、当該正面側の角度範囲以外の他の角度範囲から上記第１および第２のマイクロホンに入射する音波に関する上記出力信号の位相差との違いに基づいて、上記第１および第２のマイクロホンの上記出力信号から、特定の相関係数を有する部分を抽出し、上記正面側の１８０度の角度範囲または１８０度より小さい角度範囲からの音波の成分とするステップと、
抽出された音波の成分を出力するステップと、
を備えることを特徴とする集音方法。
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