JP4214607B2

JP4214607B2 - マイクロホン装置

Info

Publication number: JP4214607B2
Application number: JP7797599A
Authority: JP
Inventors: 雅美三浦
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2019-03-23
Also published as: JP2000278786A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば拡声器、電話、音声通信等の分野で用いられるマイクロホン装置に関し、特にマイクロホン装置における信号処理回路の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のマイクロホン装置において、音声を伝送、再生する場合、伝送系、再生系のダイナミックレンジが十分広くないときに、小さいレベルの音声の増幅率を大きくし、大きいレベルの音声の増幅率を小さくするよう自動利得制御装置（ＡＧＣ）によって制御するようにしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の自動利得制御装置においては、設定や動作の安定性について、次のような問題点があった。
（１）マイクロホンへの息の吹きかけ、風雑音や、マイクロホンをぶつけたりしたときの衝撃音などが入った後では、利得が小さくなり、音声が聞き取れなくなることがある。
（２）話者の顔の向きが変わり、マイクロホンの指向特性から外れた方向から音声が入るとき、低域周波数より高域周波数の方が音声放射指向特性が鋭いので、結果的に高域周波数のレベルが相対的に小さくなり、音声が不明瞭になることがある。
（３）うるさい環境で拡声された音声を聞くとき、子音等の小さいレベルの成分が雑音にマスクされて、言葉が聞き取りにくいことがある。
【０００４】
そこで本発明の目的は、息吹き雑音などの雑音により、マイクロホンの後段に接続される自動レベル制御の録音機や拡声器の利得が音声の聴取困難になるまで低くなるのを防ぎ、かつ、話者とマイクロホンとの相対位置の変動による録音レベルや拡声音レベルの変動を小さくすることができるマイクロホン装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を達成するための手段】
前記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明のマイクロホン装置は、マイクロホンユニットから入力される音声信号を周波数帯域分割する帯域分割手段と、この帯域分割手段から入力された信号を各帯域毎に非線形レベル変換して出力する非線形レベル変換手段と、各帯域毎の前記非線形レベル変換手段からの信号を加算合成する合成手段とを備えている。そして、非線形レベル変換手段の入出力特性を各帯域毎に設定するときに、低帯域になるほど大きい入力レベルに対して出力レベルの増幅率を小さく設定する設定手段と、非線形レベル変換動作を変えるための折れ曲がり点であるニーポイントの移動範囲をハウリング限界未満に制限するように制御する制御手段と、を備えている。
また、本発明の好ましい形態としては、上記設定手段により、非線形レベル変換手段によるレベル変換後の出力音圧レベルがマイクロホンの後段に接続される回路の基準入力レベルとなるように、前記非線形レベル変換手段の入出力特性を設定するようにする。
更に、本発明の好ましい形態では、非線形レベル変換手段は、直前のレベルよりも大きいレベルが入力された時には前記非線形レベル変換動作を瞬時に行い、直前のレベルよりも小さいレベルが入力された時には前記非線形レベル変換動作を一定の遅延をもって行うようにしている。
【０００６】
本発明のマイクロホン装置では、入力音声信号の要素成分を周波数帯域分割し、それぞれの周波数帯域毎に非線形にレベル変換する。例えば、入力レベルの大きい周波数帯域成分の増幅率は小さくし、入力レベルの小さい周波数帯域成分の増幅率は大きくするようにレベル変換することで、特定帯域の成分の伝達を抑制する。
これにより、後段のマイクロホンアンプ、電力増幅器、ラウドスピーカ等のダイナミックレンジの範囲内に音声の主要な成分を入れることができるので、特別な操作をすることなく、明瞭な拡声、伝送、録音等を行うことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるマイクロホン装置の実施の形態について説明する。
図１（Ａ）は、本発明によるマイクロホン装置の大まかな構成例を示すブロック図であり、低電圧動作のＡ／Ｄ、Ｄ／Ａ変換部を内蔵したタイプのデジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）を用いる場合を示している。
このマイクロホン装置は、マイクロホンユニット１１０と、Ａ／Ｄ変換部１２０と、周波数帯域分割フィルタ部１３０と、レベル変換部１４０と、Ｄ／Ａ変換部１５０と、制御部１６０とを有するものであり、Ａ／Ｄ変換部１２０からＤ／Ａ変換部１５０までの構成がＤＳＰにより構成されている。また、以上の各部には、１．５Ｖの電源電圧が供給されている。
【０００８】
マイクロホンユニット１１０は、マイクロホン１１２とアンプ１１４とを有し、マイクロホン１１２から入力された音声信号をアンプ１１４により増幅してＡ／Ｄ変換部１２０に出力する。
Ａ／Ｄ変換部１２０は、マイクロホンユニット１１０からのアナログ音声信号をデジタル音声信号に変換して周波数帯域分割フィルタ部１３０に出力する。
周波数帯域分割フィルタ部１３０は、複数の周波数帯域フィルタにより、デジタル音声信号を複数の周波数帯域に分割して、各周波数帯域信号をレベル変換回路１４０に出力する。
【０００９】
レベル変換回路１４０は、各周波数帯域信号を各帯域毎にレベル変換して、各帯域信号を合成し、Ｄ／Ａ変換部１５０に出力する。
Ｄ／Ａ変換部１５０は、レベル変換回路１４０からの各帯域毎のデジタル信号をアナログ信号に変換して出力する。
制御部１６０は、レベル変換回路１４０における入出力特性（レベル変換率）を設定するものであり、この設定に際して、人の近傍での発話音圧レベルを、前記マイクロホンユニットの後段に接続される回路の基準入力レベルに基づいて変換する。
【００１０】
すなわち、この制御部１６０では、レベル変換回路１４０における各周波数帯域信号のレベルを非線形に変換し、入力レベルの大きい周波数帯域成分の増幅率は小さくし、入力レベルの小さい周波数帯域では増幅率は大きくすることにより、後段のマイクロホンアンプ、電力増幅器、ラウドスピーカのダイナミックレンジの範囲内に音声の主要な成分を入れることで、特別な操作をすることなく、息吹き雑音や衝撃音を抑制した状態で、音声の主要成分の明瞭な伝達を可能とし、明瞭な拡声、伝送、録音等を行えるようにするものである。
【００１１】
図１（Ｂ）は、上述した周波数帯域分割フィルタ部１３０とレベル変換部１４０の各処理要素を原理的に示すブロック図である。
図示のように、この装置では、入力音声信号Ｓ５１を３つのバンドパスフィルタ５４Ｌ、５４Ｍ、５４Ｈによって３つの周波数帯域に分割し、各帯域毎にレベル変換処理部５０Ｌ、５０Ｍ、５０Ｈによってレベル変換を行う。そして、レベル変換処理部５０Ｌ、５０Ｍ、５０Ｈの出力信号を加算回路５５により合成して出力する。
上述した周波数帯域分割フィルタ部１３０の処理がバンドパスフィルタ５４Ｌ、５４Ｍ、５４Ｈによる処理に相当し、レベル変換部１４０の処理がレベル変換処理部５０Ｌ、５０Ｍ、５０Ｈと加算回路５５による処理に相当する。
【００１２】
次に、以上のような構成によるマイクロホン装置のレベル制御方法について説明する。
また、図２（Ａ）（Ｂ）は、口元での音声の周波数成分分布と時間波形の例を示す説明図であり、図２（Ａ）において縦軸はレベル（ｄＢ）、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示し、図２（Ｂ）において縦軸はレベル（Ｖ）、横軸は時間（ｍｓｅｃ）を示している。
また、図３（Ａ）（Ｂ）は、マイクロホンに息を吹きかけたときの息吹き雑音の周波数成分分布と時間波形の例を示す説明図であり、図３（Ａ）において縦軸はレベル（ｄＢ）、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示し、図３（Ｂ）において縦軸はレベル（Ｖ）、横軸は時間（ｍｓｅｃ）を示している。
さらに、図４（Ａ）（Ｂ）は、マイクロホンに物が当たった時の衝撃音の周波数成分分布と時間波形の例を示す説明図であり、図４（Ａ）において縦軸はレベル（ｄＢ）、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示し、図４（Ｂ）において縦軸はレベル（Ｖ）、横軸は時間（ｍｓｅｃ）を示している。
【００１３】
息吹き雑音等は、音声の周波数成分分布にくらべて、低域周波数に大きいレベルの成分を有しており、この成分の信号レベルで信号全体の利得制御が行われると、ＡＧＣ回路は利得を小さくするように働くので、高域周波数成分は小さくなり、聞き取りにくくなる。
そこで本例では、入力音声を周波数帯域分割し、それぞれの帯域毎に独立してレベル変換をして利得制御を行う。
【００１４】
図５は、本例のマイクロホン装置における周波数帯域分割と利得制御の具体例を示す説明図である。
この例では、周波数帯域として、ピッチ及び第１フォルマント成分の帯域、第２フォルマント成分の帯域、第３フォルマント成分及び子音成分の帯域の３つの帯域に分割している。
各帯域の境界周波数は、固定でも可変でもよい。境界周波数固定の場合には、例えば、１．２ｋＨｚ、３．２ｋＨｚで３分割する。
そして、図示のように、低帯域になるほど、大きい入力レベルに対して出力レベルの増幅率を小さく設定することにより、低帯域の周波数成分の伝達を抑制する。
このようにすれば、息吹き雑音等による大きいレベルの低域周波数成分によって他の周波数成分の利得が小さくなることがない。
【００１５】
ところで、このように周波数帯域分割した場合の各帯域の利得制御の実際の値は、マイクロホンユニットの音圧−電圧変換感度やマイクロホンアンプの利得、後段の伝送路、録音機、拡声器等の影響を受けるものである。
そこで以下の説明では、周波数帯域毎の音声信号における利得制御の方法を、入力音圧レベル−出力音圧レベルの特性図に置き換えて説明する。
通常、接話マイクロホンは、口元に接近して音を拾うような使われ方をする。そして、口元での発話音声レベルは、９５デシベル程度である。このレベルを入力レベルの中心に考え、入力レベル−出力レベル変換すればよい。
【００１６】
図８は、接話マイクロホンの利用者の頭と接話マイクロホンとの相対位置変動や声の大きさの変動を考慮したときのレベル変換の例を示す説明図である。
口元での通常の声の音圧レベルは９５デシベル程度であり、大声では１１５デシベル程度、小さい声では７５デシベル程度である。図８の例では、これを通常聞き易い音圧レベル（快適受聴レベル）とされている６５デシベルを中心にレベル変換している。
なお、変換後のレベルの絶対値は、本例のマイクロホン装置を利用する機器等に応じて異なってくる。例えば、本マイクロホン装置がラインレベルを入力とする拡声装置に接続されているときには、図８の出力レベル６５デシベルが後段の拡声装置の基準入力レベルに相当するようにする。
【００１７】
図６は、一般的な入力レベル−出力レベル変換特性の２つの例を示す説明図である。図６（Ａ）の破線に示すように、特性図の傾きが小さいほど、レベル圧縮の度合いが大きく、図６（Ｂ）の破線に示すように、特性図の傾きが同じなら上にあるほど、増幅の度合いが大きいことを意味している。
図６（Ａ）に示すように、レベル圧縮設定になっている特性図を入力レベルについてみれば、入力レベルの小さいときのほうが入力レベルの大きいときに比べて増幅率は大きくなる。また、入力レベル範囲によって、非線形レベル変換動作を変えるために、図７の点Ａのような折れ曲がり点をもたせることもある。通常、この点Ａのことを「ニーポイント」と呼ぶ。
【００１８】
図６に示す場合には、Ａ点より大きい入力レベルでは、ダイナミックレンジが圧縮変換され、Ａ点より小さい入力レベルではダイナミックレンジが伸張変換される。
また、このＡ点の他に、レベル変換特性の最大出力レベルを制限するためのＢ点を「出力制限ポイント」と呼び、低入力レベルでのレベル変換特性を決めるためのＣ点を「暗騒音抑圧ポイント」と呼ぶ。
なお、ＰＡ装置のように、マイクロホンからの信号が増幅されてスピーカから出力され、再びマイクロホンに入力されるフィードバックループを形成する場合には、通称ハウリングと呼ばれる発振現象が生じる。
そこで、このループによる発振を防止するため、図７の一点破線のような増幅利得限界を設け、ニーポイントの移動範囲を制限するようにする。
本例のマイクロホン装置では、以上のような各条件を考慮しつつ、レベル変換後の出力音圧レベルを、理想的な快適受聴レベルである６５デシベル程度になるように制御するものとする。
【００１９】
以上のように、本例のマイクロホン装置においては、周波数帯域分割した音声信号毎にレベル変換を行うことにより、接話マイクロホンで音声を拾うときに、大きすぎる周波数成分を抑えて、逆に小さい周波数成分を大きくするレベル変換を行うことができる。
したがって、発話者の口とマイクロホンとの相対位置を安定に保つことができない場合に、口元とマイクロホンの位置関係がずれても、音量操作によりレベル修正を行う必要がない。
また、マイクロホンに風雑音や衝撃音が入り易い状況での使用、および受聴環境がうるさい場合にも、マイクロホンに入る風雑音や衝撃音等に対応したレベル修正や周波数特性修正の必要がない。
さらに、明瞭な拡声音声を得ることが可能となる。
【００２０】
ところで、以上のようなレベル圧縮増幅動作は、瞬時のレベルに対して行われることもあるが、出力波形が大きく歪むので、多くの場合、直前のレベルに対して大きなレベルが入力されたときには、増幅率を小さく抑える動作は瞬時に行い、逆に直前のレベルよりも小さいレベルが入力されたときには、増幅率を上げる動作については時間遅れをもって行わせるものが提案されている（詳しくは、例えば特願平１０−１８３８２９号参照）。
そこで、このようなレベル圧縮増幅動作を入力レベルの変化に応じて時間差を持たせるようにした回路を本発明による周波数帯域分割によるレベル変換処理機能とを組み合わせることも可能である。
【００２１】
図９は、入力レベルの変化に応じて遅延動作を含むレベル圧縮増幅動作を行う回路の構成を原理的に示すブロック図である。
この回路は、例えば図１（Ｂ）に示したレベル変換処理部５０Ｌ、５０Ｍ、５０Ｈにそれぞれ設けられるものである。
図９において、上述のように周波数帯域分割された入力音声信号は、入力端子５１を通じて利得制御アンプ５２に供給され、この利得制御アンプ５２においてレベル変換されてから出力端子５３に出力される。
【００２２】
また、入力端子５１からの音声信号は、整流回路６１１及びローパスフィルタ６１２から構成されるレベル検出回路６１に供給され、入力音声信号のエンベロープを示す信号、すなわち、入力音声信号の瞬時レベルの変化に対応する検出信号が取り出される。そして、この検出信号が制御信号形成回路６３及び遅延回路６２に供給される。遅延回路６２は、検出信号に応じた遅延信号を制御信号形成回路６３に出力し、制御信号形成回路６３は、検出信号と遅延信号に基づいて、制御信号を利得制御アンプ５２に出力する。また、制御信号形成回路６３からの制御信号は、上述した周波数分割帯域毎の利得設定値に基づいて決定されるものである。
【００２３】
このような構成により、直前のレベルに対して大きなレベルが入力されたときには、増幅率を小さく抑える動作を瞬時に行い、逆に直前のレベルよりも小さいレベルが入力されたときには、増幅率を上げる動作を遅延して行うことができる。
なお、実際の装置においては、図９に示す回路も主要な要素は、図１に示すＤＳＰによって構成されるものとする。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のマイクロホン装置では、マイクロホンユニットから入力される音声信号を周波数帯域分割し、各帯域毎に設定される入出力特性に基づいてレベル変換し、各帯域毎のレベル変換信号を合成して出力することにより、特定帯域成分の伝達を相対的に抑制するようにした。
【００２５】
このため、マイクロホンで音声を拾うときに、大きすぎる周波数成分を抑えて、逆に小さい周波数成分を大きくするレベル変換を行うことができ、息吹き雑音などの雑音により、マイクロホンの後段に接続される自動レベル制御の録音機や拡声器の利得が音声の聴取困難になるまで低くなるのを防ぎ、かつ、話者とマイクロホンとの相対位置の変動による録音レベルや拡声音レベルの変動を小さくすることができる。
【００２６】
したがって、例えば、発話者の口とマイクロホンとの相対位置を安定に保つことができない場合に、口元とマイクロホンの位置関係がずれても、音量操作によりレベル修正を行う必要がない。
また、マイクロホンに風雑音や衝撃音が入り易い状況での使用、および受聴環境がうるさい場合にも、マイクロホンに入る風雑音や衝撃音等に対応したレベル修正や周波数特性修正の必要がない。
さらに、明瞭な拡声音声を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロホン装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】口元での音声の周波数成分分布と時間波形の例を示す説明図である。
【図３】マイクロホンに息を吹きかけたときの息吹き雑音の周波数成分分布と時間波形の例を示す説明図である。
【図４】マイクロホンに物が当たった時の衝撃音の周波数成分分布と時間波形の例を示す説明図である。
【図５】図１に示すマイクロホン装置における周波数帯域分割と利得制御の具体例を示す説明図である。
【図６】一般的な入力レベル−出力レベル変換特性の２つの例を示す説明図である。
【図７】ニーポイント等を設けた入力レベル−出力レベル変換特性の例を示す説明図である。
【図８】図１に示すマイクロホン装置で用いる入力レベル−出力レベル変換特性の例を示す説明図である。
【図９】本発明の応用例によるマイクロホン装置のレベル変換処理部の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１０……マイクロホンユニット、１２０……Ａ／Ｄ変換部、１３０……周波数帯域分割フィルタ部、１４０……レベル変換部、１５０……Ｄ／Ａ変換部、１６０……制御部。

Claims

マイクロホンユニットから入力される音声信号を周波数帯域分割する帯域分割手段と、
前記帯域分割手段から入力された信号を各帯域毎に非線形レベル変換して出力する非線形レベル変換手段と、
各帯域毎の前記非線形レベル変換手段からの信号を加算合成する合成手段と、
前記非線形レベル変換手段の入出力特性を各帯域毎に設定するときに、低帯域になるほど大きい入力レベルに対して出力レベルの増幅率を小さく設定する設定手段と、
前記非線形レベル変換動作を変えるための折れ曲がり点であるニーポイントの移動範囲をハウリング限界未満に制限するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするマイクロホン装置。
前記非線形レベル変換手段は、約９５ｄＢの音圧レベルを中心に約１１５ｄＢから約７５ｄＢの入力レベル範囲を非線形レベル変換することを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン装置。
前記設定手段は、前記非線形レベル変換手段によるレベル変換後の出力音圧レベルがマイクロホンの後段に接続される回路の基準入力レベルとなるように、前記非線形レベル変換手段の入出力特性を設定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン装置。
前記設定手段は、前記帯域分割手段によって各周波数帯域の音声信号のダイナミックレンジを圧縮するように、前記非線形レベル変換手段の入出力特性を設定することを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン装置。
前記非線形レベル変換手段は、直前のレベルよりも大きいレベルが入力された時には前記非線形レベル変換動作を瞬時に行い、直前のレベルよりも小さいレベルが入力された時には前記非線形レベル変換動作を一定の遅延をもって行うことを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン装置。