JP5081245B2 - 指向性マイクロホン装置 - Google Patents

Description

本発明は、指向性マイクロホン装置に関し、特に、機器内蔵型マイクロホンばかりでなく一般の指向性マイクロホンとして広く用いられる音圧傾度型指向性合成による指向性マイクロホン装置に関するものである。

機器内蔵型マイクロホンばかりでなく一般の指向性マイクロホンとして広く用いられる音圧傾度型の指向性マイクロホン装置がある。音圧傾度型の指向性合成方法では、小型で指向性を有するマイクロホン装置を形成できるメリットを持つが、信号の合成時に音圧感度が低下してしまう。音圧傾度型の指向性合成方法では、信号の合成時にマイクロホンユニットの熱雑音やマイクアンプの熱雑音レベルに対して、マイクロホンの感度が低下してしまい、Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）の劣化が問題となる。特に、複数マイクロホンユニットの出力信号から音圧傾度型の指向性合成を行う場合、熱雑音の影響が無視できないという問題のために指向性を持つ周波数帯域の低域限界やマイクロホンアレイの小型化の限界を生じるという問題がある。

図１は、従来の指向性マイクロホン装置１の構成を示すブロック図である。

指向性マイクロホン装置１は、第１のマイクロホンユニット１１、第２のマイクロホンユニット１２、第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号が入力され、入力されたその信号を遅延させる信号遅延手段１４、第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号から、信号遅延手段１４からの出力信号を減算する信号減算手段１５、および信号減算手段１５からの出力信号が入力され、入力されたその信号の周波数特性を補正して出力する周波数特性補正手段１６を備える。

以上のように構成された従来の指向性マイクロホン装置１についてその動作を説明する。

図１における従来の指向性マイクロホン装置１の構成は、２つのマイクロホンユニットから音圧傾度型で指向性を得るマイクロホンの基本構成を示している。図１では、図中に示す正面方向に対して奥行き方向に距離ｄ離して第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２とが配置されている。

第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号の感度特性をｍｓ１（ω）、第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号の感度特性をｍｓ２（ω）、音源Ｓ方向をθ（正面＝０°）、および音速＝ｃとしたとき、信号減算手段１５からの出力信号での、音源Ｓに対する感度特性Ｄ（θ，ω）は、（数１）で表すことができる。

ここで、ｅｘｐ（−ｊωτ）は、信号をτ遅延させることを示している。（数１）は、例えば、第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号をτ遅延させて信号減算手段１５に入力させる信号は、音源Ｓ方向の角度θによっては、第１のマイクロホンユニット１１の信号を打ち消すことを表している。すなわち、（数１）により、指向性マイクロホン装置１は指向性をもつことが示されている。

一方、第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号の熱雑音特性をｍｎ１（ω）、第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号の熱雑音特性をｍｎ２（ω）とすると、信号減算手段１５からの出力信号での熱雑音特性Ｎ（ω）は、（数２）で表すことができる。

ここで、ｍｎ１（ω）とｍｎ２（ω）とは個々のマイクロホンユニットの熱雑音であるから互いに独立である。そのため、熱雑音信号の平均パワスペクトルは次式となる。

したがって、ｍｎ１（ω）とｍｎ２（ω）のレベルが等しいとすると、Ｎ（ω）の平均スペクトルは、ｍｎ１（ω）が約３ｄＢ上昇したものすなわち約倍となる。

以下、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２との間隔であるマイクロホンユニット間隔をｄ＝１０ｍｍとして上記の式を計算した結果について示す。

図２Ａ〜Ｃは、従来の指向性マイクロホン装置１の各処理ブロックの音圧周波数特性を示す図である。図２Ａは、第１のマイクロホンユニット１１および第２のマイクロホンユニット１２における正面方向の感度特性と熱雑音スペクトルとを示す図である。図２Ｂは、信号減算手段１５における正面方向の感度特性と熱雑音スペクトルとを示す図である。図２Ｃは、周波数特性補正手段１６における正面方向の感度特性と熱雑音スペクトルとを示す図である。

図３Ａ〜Ｃは、従来の指向性マイクロホン装置１の各処理ブロックの指向性パタンを示す図である。図３Ａは、第１のマイクロホンユニット１１および第２のマイクロホンユニット１２における指向性パタンである。図３Ｂは、信号減算手段１５における指向性パタンである。図３Ｃは、周波数特性補正手段１６における指向性パタンである。

信号減算手段１５の出力信号における正面方向の感度特性は、（数１）を計算した結果から図２Ｂの実線のように示される。すなわち、波長の長い低音域ほど感度が低下し、その傾斜は６ｄＢ／ｏｃｔとなる。

一方、信号減算手段１５の出力信号における熱雑音は、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２とからの熱雑音を表す（数２）および（数３）を計算した結果から図２Ｂの点線のように示される。すなわち、熱雑音は、信号減算手段１５での演算結果、３ｄＢ上昇することになる。

また、信号減算手段１５からの出力信号は、第１のマイクロホンユニット１１および第２のマイクロホンユニット１２の配列と音波の波長との関係から６ｄＢ／ｏｃｔの傾斜で低域下がりの音圧周波数特性となる。そのために、周波数特性補正手段１６では、図２Ｃに示すように正面方向の音圧感度が平坦になるように低域を６ｄＢ／ｏｃｔの傾斜で増幅する。

その結果、周波数特性補正手段１６からの指向性出力信号は、同じ音波に対する正面感度で比較すると、熱雑音レベルが例えば低域（１００Ｈｚ）において、約３０ｄＢも上昇することとなる（音圧周波数特性図の図２Ａおよび図２Ｃを参照）。

また、指向性パタンは、図３Ａに示されるように、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２とでは無指向性を示すのに対して、指向性マイクロホン装置１の出力信号は、図３Ｂ、図３Ｃに示すように単一指向性（ただし、τ＝ｄ／ｃのとき）を示すことになる。

通常、広く用いられるＥＣＭ（エレクトレットコンデンサマイクロホン）のＳ／Ｎは、約５８〜６０ｄＢ程度（基準音圧レベル＝９４ｄＢｓｐｌ（１ｋＨｚ））である。騒音レベル３０ｄＢ（Ａ）程度の静かな環境では、暗騒音よりＥＣＭの熱雑音が若干大きく、聴感的に感知できるレベルである。しかし、例えば、マイクロホンユニット間隔ｄ＝１０ｍｍ程度の小型指向性マイクロホン装置１を２個のマイクロホンユニットを用いて構成した場合、前述したように、指向性合成によって熱雑音レベルが３０ｄＢ（ａｔ １００Ｈｚ）も上昇する。その結果、小さな音が熱雑音に埋もれて聞こえない状態（感度が低い）となって実用上の問題が発生する。

そこで、図２Ｃでも分かるように熱雑音レベルの上昇の問題は原理上低い周波数ほど大きくなることから、別の従来の構成方法として、低域を感度の良い無指向性とし、高域のみに指向性を持たせるマイクロホン装置が提案されている（特許文献１参照）。

図４は、従来の指向性マイクロホン装置１０の構成を示すブロック図である。

図４において、下記特許文献１における指向性マイクロホン装置１０は、第１のマイクロホンユニット１１、第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号が入力され、入力された信号の高域のみを通過させる高域通過フィルタ手段であるハイパスフィルタ１３、第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号が入力され、入力された信号を遅延させる信号遅延手段１４、ハイパスフィルタ１３からの出力信号から信号遅延手段１４からの出力信号を減算する信号減算手段１５、信号減算手段１５からの出力信号が入力され、入力された信号の周波数特性を補正する周波数特性補正手段１６を備える。ここで、指向性マイクロホン装置１０の出力信号は、周波数特性補正手段１６からの出力信号である。

以下、指向性マイクロホン装置１０の動作について説明する。

図４における別の従来の指向性マイクロホン装置１０の構成は、２つのマイクロホンユニットから音圧傾度型で指向性を得るマイクロホンの基本構成における低域感度低下の課題に対して対策を行った構成を示している。図１における従来の指向性マイクロホン装置１と異なるところは、第１のマイクロホンユニット１１の後段にハイパスフィルタ１３が設けられているところであり、その他の構成は従来の指向性マイクロホン装置１と同様である。なお、以後の説明では、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２とが無指向性である場合について説明する。

図４における指向性マイクロホン装置１０の構成は、ハイパスフィルタ１３の通過帯域である高域については、従来の指向性マイクロホン装置１と同等の構成となり、指向性を持つ出力信号が得られる。一方、ハイパスフィルタ１３の阻止域である低域については、ハイパスフィルタ１３において信号が減衰する。すなわち、指向性マイクロホン装置１０の動作としては、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２とのうち第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号のみが出力信号として出力される。したがって、低域は第２のマイクロホンユニット１２が持つ無指向性、高域は第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２とから合成される第１次音圧傾度型の指向性を持つ指向性マイクロホン装置１０となる。

図５は、従来の指向性マイクロホン装置１０の音圧周波数特性を示す図である。

図５では、指向性マイクロホン装置１０における指向性主軸方向の音圧感度特性と熱雑音のスペクトルが示されている。図５に示されるように、指向性マイクロホン装置１０では、低域のみを無指向性化することによって、熱雑音上昇（感度低下）の課題を解決しつつ、高域で指向特性を得ることが可能となる。

特許第２７７０５９４号公報

しかしながら、上記従来の構成では、周波数帯域で無指向性領域と指向性領域を分けることで熱雑音の問題を解決するために、低域の熱雑音の問題を解決することと指向特性を得ることとを同時に満たすことができない。また、マイクアレイサイズの小型化が必要な場合や、より高次の音圧傾度型を用いて超指向性を得ようとする場合には、熱雑音の問題がより大きくなり無視できなくなる。したがって、従来の指向性マイクロホン装置１０の構成では、小型であること、かつ、広い周波数帯域で所望の指向特性を得ることを同時に満たすことは難しいという問題がある。

そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、指向性合成時の熱雑音の上昇の問題（感度低下の問題）を抑制し、高感度な指向性マイクロホン装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、マイクロホンに指向性を持たせる目的が目的音方向以外の音を除去したいことであると考え、除去すべき音は目的音の妨害となる大きな音であると言うことに着目し、信号波形の振幅域によって指向性を制御し、熱雑音の上昇を抑えながら指向性を得るものである。すなわち、指向性を必要とせず高感度を必要とする小振幅域は無指向性、指向性を必要とし高感度を必要としない大振幅域は有指向性、となるように振幅域によって指向性を制御することで、熱雑音の課題を解決し、高感度でありながら指向性を得ることを可能とする。

上記目的を達成するために、本願の発明は、指向性マイクロホン装置であって、少なくとも指向性および感度特性が異なる複数のマイクロホンと、前記複数のマイクロホンそれぞれから出力された信号を用いて、出力信号を生成する制御手段と、前記制御手段で生成された前記出力信号を出力する出力部とを備え、前記制御手段は、前記指向性マイクロホン装置に到来する音波の小振幅領域では指向性が鈍く感度が高い状態になるように、かつ、前記音波の大振幅領域では、感度が低いが指向性が有るように前記出力信号を生成することを特徴とするものである。

また、前記複数のマイクロホンは、目的音方向に指向性主軸が向けられた第１のマイクロホンと、第１のマイクロホンに比較して指向性が鋭く、目的音方向に指向性主軸が向けられた第２のマイクロホンとからなり、前記指向性マイクロホン装置は、さらに、前記第１のマイクロホンまたは前記第２のマイクロホンから出力された信号の振幅レベルを検出する信号振幅レベル検出手段を備え、前記制御手段は、前記信号振幅レベル検出手段において、前記信号の振幅が小さいと検出されたときに前記第１のマイクロホンから出力された信号の比率を高め、前記信号の振幅が大きいと検出されたときに前記第２のマイクロホンから出力された信号の比率を高めるよう、前記第１のマイクロホンから出力された信号と第２のマイクロホンから出力された信号とを混合することで前記出力信号を生成することを特徴としてもよい。

また、前記複数のマイクロホンは、目的音方向に感度を持つ第１のマイクロホンと、第１のマイクロホンに比較して指向性が鋭く、目的音方向に指向性死角が向けられた第２のマイクロホンとからなり、前記制御手段は、前記第２のマイクロホンから出力される信号における熱雑音レベルの雑音成分を抑圧する雑音抑圧手段と、前記第１のマイクロホンから出力される信号から、前記雑音抑圧手段から出力される信号を減算することで、前記出力信号を生成する減算手段とを備えることを特徴としてもよい。

また、前記雑音抑圧手段は、前記出力信号の小振幅域のみの増幅率を低減させる非直線増幅特性に従い、熱雑音レベルの雑音成分を抑制することを特徴としてもよい。

また、前記雑音抑圧手段が、熱雑音レベルの定常雑音を抑圧する手法を用い、かつ、小振幅領域のみの増幅率を低減させる非直線増幅特性に従い、熱雑音レベルの雑音成分を抑制することを特徴としてもよい。

また、さらに、前記第２のマイクロホンと前記雑音抑圧手段との間に前記第２のマイクロホンから出力される信号の熱雑音成分を白色化する白色化フィルタ手段と、前記雑音抑圧手段と前記減算手段との間に前記雑音抑圧手段から出力される信号が入力される前記白色化フィルタの逆特性を持つ白色化逆フィルタ手段とを備えることを特徴とすることを特徴としてもよい。

また、前記第１のマイクロホンと前記第２のマイクロホンとはそれぞれ、同一特性の第１のマイクロホンユニットと第２のマイクロホンユニットとから出力される信号の合成によって得られるマイクロホンであり、前記第１のマイクロホンは、前記第１のマイクロホンユニットおよび前記第２のマイクロホンユニットから出力される信号のいずれかから、または、前記第１のマイクロホンユニットおよび前記第２のマイクロホンユニットから出力される信号から、高感度になる加算型の合成によって得られ、前記第２のマイクロホンは、前記第１のマイクロホンユニットおよび前記第２のマイクロホンユニットから出力される信号から、目的音に近い側の信号を遅延させて減算して目的音方向に感度死角を形成する信号の合成によって得られることを特徴としてもよい。

また、さらに、前記第１のマイクロホンから出力される信号と前記第２のマイクロホンから出力される信号とのレベル変化量の違いに基づいて、前記第２のマイクロホンから出力される信号の熱雑音レベルを推定する熱雑音推定手段を備え、前記雑音抑圧手段は、前記熱雑音推定手段で推定される熱雑音レベルに基づいて、前記第２のマイクロホンから出力される信号における熱雑音レベルの雑音成分を抑圧する処理をすることを特徴としてもよい。

また、前記第１のマイクロホンユニットから出力される信号と前記第２のマイクロホンユニットから出力される信号とは、周波数帯域に分割されて処理が行われることを特徴としてもよい。

また、前記雑音抑圧手段は、目的音に対して前記第１のマイクロホンより前記第２のマイクロホンの方での感度が低くなる低域のみを雑音抑圧周波数帯域とし、前記雑音抑圧周波数帯域に対して熱雑音レベルの雑音成分を抑圧することを特徴としてもよい。

なお、本発明は、装置として実現するだけでなく、このような装置が備える処理手段を備える集積回路として実現したり、その装置を構成する処理手段をステップとする方法として実現したり、それらステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現したりすることもできる。

本発明によれば、指向性合成時の熱雑音の上昇の問題（感度低下の問題）を抑制し、高感度な指向性マイクロホン装置を実現することができる。言い換えると、複数のマイクロホンからの信号合成で指向性を得る音圧傾度型の指向性合成を行う本発明の指向性マイクロホン装置では、感度劣化なしに（熱雑音レベルの上昇なしに）良好なマイクロホン指向性を得ることができる。

図１は、従来の指向性マイクロホン装置１の構成を示すブロック図である。 図２Ａは、第１のマイクロホンユニット１１および第２のマイクロホンユニット１２における正面方向の感度特性と熱雑音スペクトルとを示す図である。 図２Ｂは、信号減算手段１５における正面方向の感度特性と熱雑音スペクトルとを示す図である。 図２Ｃは、周波数特性補正手段１６における正面方向の感度特性と熱雑音スペクトルとを示す図である。 図３Ａは、第１のマイクロホンユニット１１および第２のマイクロホンユニット１２における指向性パタンである。 図３Ｂは、信号減算手段１５における指向性パタンである。 図３Ｃは、周波数特性補正手段１６における指向性パタンである。 図４は、従来の指向性マイクロホン装置１０の構成を示すブロック図である。 図５は、従来の指向性マイクロホン装置１０の音圧周波数特性を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態１における指向性マイクロホン装置１０００の構成を示すブロック図である。 図７は、本発明の実施の形態１における高感度化合成手段２０の構成を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態１における指向性合成手段３０の構成を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態１における増幅率ＧＢの非直線増幅特性例を示す図である。 図１０（ａ）は、高感度化合成手段２０での出力信号ｘＡの波形の例を示す図である。図１０（ｂ）は、指向性合成手段３０での出力信号ｘＢの波形の例を示す図である。図１０（ｃ）は信号加算手段７０からの出力信号ｙの波形の例を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態１における信号振幅と指向性制御領域の関係図である。 図１２は、本発明の実施の形態１における信号振幅と指向性制御領域の関係図である。 図１３は、本発明の実施の形態２における指向性マイクロホン装置１００１の構成を示すブロック図である。 図１４は、本発明の実施の形態２における指向性合成手段３０の構成例を示す図である。 図１５Ａは、高感度化合成手段２０での出力信号ｘＡの波形の例を示す図である。 図１５Ｂは、指向性合成手段３０での出力信号ｘＢの波形の例を示す図である。 図１５Ｃは、雑音抑圧手段１００からの出力信号ｘＣの波形の例を示す図である。 図１５Ｄは、信号減算手段７１からの出力信号ｙの波形の例を示す図である。 図１６は、本発明の実施の形態２における雑音抑圧手段１００の別の構成例を示す図である。 図１７は、本発明の実施の形態２における雑音抑圧手段１００の別の構成例を示す図である。 図１８は、本発明の実施の形態３における指向性マイクロホン装置１００２の構成を示すブロック図である。 図１９は、本発明の実施の形態３におけるマイクロホンユニットからの熱雑音スペクトル測定結果を示す図である。 図２０は、本発明の実施の形態３における指向性マイクロホン装置１００２の別の構成を示すブロック図である。 図２１は、本発明の実施の形態４における指向性マイクロホン装置１００４の構成を示すブロック図である。 図２２は、指向性マイクロホン装置１００４における熱雑音抑圧推定手段３００の具体的な構成を示すブロック図である。 図２３は、指向性マイクロホン装置１００４における熱雑音抑圧推定手段３００の具体的な機能構成を示すブロック図である。 図２４は、信号ｘＡ、信号ｘＢの時間変化量ＰＡ、ＰＢの関係を示す図である。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図６は、本発明の実施の形態１における指向性マイクロホン装置１０００の構成を示すブロック図である。

指向性マイクロホン装置１０００は、第１のマイクロホンユニット１１、第２のマイクロホンユニット１２、高感度化合成手段２０、指向性合成手段３０、混合比算出手段４０、第１の信号増幅手段５０、第２の信号増幅手段６０、信号加算手段７０、および出力端子８０を備える。

図６において、第１のマイクロホンユニット１１、第２のマイクロホンユニット１２で、目的音（音源Ａ）に近い方を第１のマイクロホンユニット１１、非目的音（音源Ｂ）に近い方を第２のマイクロホンユニット１２になるように配置されている。

高感度化合成手段２０は、第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号ｍ１と第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号ｍ２とが入力され、指向性マイクロホン装置１０００の音圧感度が高まる信号合成を行う。

指向性合成手段３０は、第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号ｍ１と第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号ｍ２とが入力され、目的音（音源Ａ）方向に指向性主軸が向く指向性が得られる信号合成を行う。

混合比算出手段４０は、指向性合成手段３０からの出力信号が入力され、その入力信号の振幅値を基に、信号加算手段７０での信号の混合比を決める増幅率ＧＡと増幅率ＧＢとを算出する。

第１の信号増幅手段５０は、混合比算出手段４０で算出され出力された増幅率ＧＡを基に、入力された高感度化合成手段２０からの出力信号を信号増幅する。

第２の信号増幅手段６０は、混合比算出手段４０で算出され出力された増幅率ＧＢを基に、入力された指向性合成手段３０からの出力信号を信号増幅する。

信号加算手段７０は、入力された第１の信号増幅手段５０からの出力信号と第２の信号増幅手段６０からの出力信号との信号加算を行い、出力端子８０に出力する。

以上のように指向性マイクロホン装置１０００は構成される。

なお、混合比算出手段４０、第１の信号増幅手段５０、第２の信号増幅手段６０および信号加算手段７０は、制御手段４０１を構成するとしてもよい。

次に、指向性マイクロホン装置１０００の動作の説明をする。

図７は、本発明の実施の形態１における高感度化合成手段２０の構成を示す図である。

高感度化合成手段２０は、第１の信号遅延手段２１、信号加算手段２２、および信号増幅手段２３を備える。ここで、高感度化合成手段２０では、例えば、図７のように、目的音（音源Ａ）に対してマイクロホンの絶対感度が高まるように（音圧感度に対して熱雑音が低くなるように）、同相加算が行われる。

具体的には、マイクロホンユニット間隔をｄとしたときに、第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号を、第１の信号遅延手段２１によって、遅延時間τ１＝ｄ・ｃｏｓ（θ１）／ｃ（ただし、ｃは音速。図６においてはθ１＝０。）遅らせて、信号加算手段２２によって、第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号と加算する。このようにすることで、同相加算の効果によって絶対感度はマイクロホンユニットが２個の場合で約３ｄＢ上昇する。

なお、マイクロホンユニット間隔ｄは、指向性マイクロホン装置１０００が必要とする周波数帯域や装着スペースの制約によって決定されるため、その値は任意であるが、ここでは、周波数帯域の観点からｄ＝５ｍｍ〜３０ｍｍ程度の範囲を考えている。

図８は、本発明の実施の形態１における指向性合成手段３０の構成を示す図である。

指向性合成手段３０は、第２の信号遅延手段３１、信号減算手段３２、および周波数特性補正手段３３を備える。

指向性合成手段３０では、例えば、図８のように、目的音（音源Ａ）に対して感度が高く、非目的音（音源Ｂ）に対して感度が低くなるような指向性合成が行われるよう音圧傾度型の指向性合成が行われる。

具体的には、マイクロホンユニット間隔をｄとしたときに、第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号を、第２の信号遅延手段３１によって、遅延時間τ２＝ｄ・ｃｏｓ（θ２）／ｃ（ただし、ｃは音速。図６においてはθ２＝０。）遅らせて、信号減算手段３２によって、第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号から減算する。

このようにすることで、音圧傾度型の指向性合成が行われ、目的音（音源Ａ）の方向に指向性主軸が向いた指向性出力信号が得られる。

周波数特性補正手段３３は、入力された信号減算手段３２からの出力信号の正面感度特性をフラットに戻す補正を行うことで、高感度化合成手段２０の目的音（音源Ａ）に対する音圧感度を等しくする。

この時点で、高感度化合成手段２０からは、指向性はほぼ無指向性であるが絶対感度が高い出力信号ｘＡが得られる。一方、指向性合成手段３０からは、指向性を持つが音圧傾度型の課題である感度の低い出力信号ｘＢが得られる。

混合比算出手段４０と第１の信号増幅手段５０と第２の信号増幅手段６０とは、高感度化合成手段２０と指向性合成手段３０とからの２つの特徴を持つ信号の混合比率を、指向性合成手段３０からの出力信号振幅レベルによって、変化させるための構成である。

混合比算出手段４０では、第１の信号増幅手段５０と第２の信号増幅手段６０とにおけるそれぞれの増幅率ＧＡと増幅率ＧＢを算出するために、例えば以下に示すような計算を行う。

指向性合成手段３０からの出力信号の熱雑音振幅レベルＮｃが予め、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２とのスペックなどから得られている。混合比算出手段４０への入力信号をｘＢとすると、増幅率ＧＢは、（数４）のように表すことができる。

ただし、［・］ｍａｘ＝１は、括弧内の値を最大１でクリップさせる意味を示す。

図９は、本発明の実施の形態１における増幅率ＧＢの非直線増幅特性例を示す図である。図９では、（数４）を用いたときの増幅率ＧＢの非直線増幅特性を示している。ここで、αを１より小さい値に設定すると、入力信号ｘＢの振幅レベルが熱雑音最大振幅レベルＮｃのところではα倍となって減衰する。

そのため、入力信号ｘＢの振幅レベルが（数５）より大きい振幅領域では、リニアに波形をそのまま伝えるように動作する。したがって、指向性合成手段３０からの指向性を有する出力信号は、混合比算出手段４０において算出される増幅率ＧＢによって、第２の信号増幅手段６０で増幅制御が行われる。すなわち、指向性合成手段３０からの出力信号は、熱雑音レベルの振幅域では信号が減衰され、（数５）より大きい振幅領域では、リニアに波形をそのまま伝えるように動作するので、大振幅の領域のみ波形が出力されることになる。

また、例えば、増幅率ＧＡを、（数６）に従う動作を行うとする。

この場合、増幅率ＧＡは増幅率ＧＢが小さくなるのを補うように動作することになる。

したがって、第１の信号増幅手段５０と第２の信号増幅手段６０とからの出力信号を加算する信号加算手段７０の出力信号は、信号ｘＢの振幅が小さいときには、ＧＢ＜＜ＧＡとなり、高感度化合成手段２０からの出力信号ｘＡの波形が出力される。信号ｘＢの振幅が大きいときには、ＧＡ＜＜ＧＢとなり指向性合成手段３０からの出力信号ｘＢが出力される。したがって、指向性マイクロホン装置１０００では、信号振幅が小さい時には高感度の信号ｘＢが出力端子８０より出力され、信号振幅が大きい時には指向性を持つ信号ｘＡが出力端子８０より出力されるように変化する制御が行われる。

図１０（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１における各処理ブロックの出力波形信号の例を示す図である。図１０（ａ）では、高感度化合成手段２０での出力信号ｘＡの波形の例が示され、図１０（ｂ）では、指向性合成手段３０での出力信号ｘＢの波形の例が示されている。さらに、図１０（ｃ）では、信号加算手段７０からの出力信号ｙの波形の例が示されている。

図１０（ａ）の出力信号ｘＡの波形は、音源Ａと音源Ｂに対しての指向性は得られないが、信号振幅の小さい区間で熱雑音レベルが低いことが特徴である。ここでは、高感度化合成手段２０で第１のマイクロホンユニット１１および第２のマイクロホンユニット１２の信号を同相加算することで、音圧感度に対して相対的に熱雑音が低くなっている。

図１０（ｂ）の出力信号ｘＢの波形は、熱雑音レベルが高く感度が低い状態だが、音源Ａと音源Ｂに対してＢを抑圧する指向性が得られていることが特徴であることが分かる。ここでは、指向性合成手段３０で第１のマイクロホンユニット１１および第２のマイクロホンユニット１２の信号を指向性合成することで、目的音（音源Ａ）に対して感度が高く、非目的音（音源Ｂ）に対して感度が低くなっている。ただし、音圧感度に対して相対的に熱雑音が高くなっている。

図１０（ｃ）の出力信号ｙの波形は、指向性マイクロホン装置１０００の出力信号の波形であり、小振幅域ではｘＡ、大振幅域ではｘＢとなるように制御されている。図１０（ｃ）の出力信号ｙの波形より、指向性マイクロホン装置１０００では、熱雑音レベルが低く、かつ指向特性のある出力信号が得られていることが分かる。

図１１および図１２は、本発明の実施の形態１における信号振幅と指向性制御領域の関係図である。

上述のようにして、指向性マイクロホン装置１０００では、図１１中に無指向性領域と示す領域、すなわち、その出力信号の振幅が小さい領域である小振幅領域では無指向性を示し、図１１中に指向性領域で示す領域、すなわち、その出力信号の振幅が小さい領域である大振幅領域では指向性を示すように指向性制御することで、高感度を保ちつつ指向性を得ることができるようになる。

また、実施の形態１では、第２の信号増幅手段６０におけるＧＢの決定を（数４）によって、信号ｘＢの波形振幅レベルを基に一意に決める例を示した。しかし、信号ｘＢの振幅量の変化に伴う信号ｘＢと信号ｘＡとの間の波形の切り替わりに平滑化処理を含めてもよい。その場合には、信号ｘＢの振幅量の変化に伴う信号ｘＢと信号ｘＡとの間の波形の切り替わりの歪みの課題を低減することができる。次式は、平滑化パラメータをβとしたときのＧＢ算出式の例である。

このとき、指向性マイクロホン装置１０００からの出力波形ｙは、図１２のように指向性が鈍く感度が高い状態になる無指向性領域と、感度が低いが指向性が有る指向性領域との間の過渡領域、信号ｘＢの振幅量の変化に伴う信号ｘＢと信号ｘＡとの間の波形の切り替わり期間がより大きくなる。

以上のようにして、小振幅領域を無指向性、大振幅領域を指向性となるように制御を行うことで、高感度（熱雑音レベルが低い）と指向性とを両立した指向性マイクロホン装置１０００が実現できる。

なお、本実施の形態１では、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２と高感度化合成手段２０との構成から指向性はほぼ無指向性であるが絶対感度が高い出力信号ｘＡを得る例を示したが、これに限らない。すなわち、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２と高感度化合成手段２０とを１つのマイクロホンとしてもよく、その１つのマイクロホンから指向性はほぼ無指向性であるが絶対感度が高い出力信号ｘＡを得るとしてもよい。

同様に、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２と指向性合成手段３０との構成から指向性を持つが音圧傾度型の課題である感度の低い出力信号ｘＢを得る例を示したが、これに限らない。すなわち、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２と指向性合成手段３０とを１つの指向性マイクロホンとしてもよく、その１つの指向性マイクロホンから指向性を持つが音圧傾度型の課題である感度の低い出力信号ｘＢを得るとしてもよい。

（実施の形態２）
図１３は、本発明の実施の形態２における指向性マイクロホン装置１００１の構成を示すブロック図である。

指向性マイクロホン装置１００１は、第１のマイクロホンユニット１１、第２のマイクロホンユニット１２、高感度化合成手段２０、指向性合成手段３０、信号減算手段７１、出力端子８０、および雑音抑圧手段１００を備える。

図１３において、第１のマイクロホンユニット１１、第２のマイクロホンユニット１２で、目的音（音源Ａ）に近い方を第１のマイクロホンユニット１１、非目的音（音源Ｂ）に近い方を第２のマイクロホンユニット１２になるように配置されている。

高感度化合成手段２０は、第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号ｍ１と第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号ｍ２とが入力され、指向性マイクロホン装置１００１の音圧感度が高まる信号合成を行う。

指向性合成手段３０は、第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号ｍ１と第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号ｍ２とが入力され、目的音（音源Ａ）方向に指向性の死角が向く指向性が得られる信号合成を行う。

雑音抑圧手段１００は、指向性合成手段３０からの出力信号が入力され、入力された信号の熱雑音成分を除去しながら大振幅部分については熱雑音成分以外の波形を再現する。

信号減算手段７１は、入力された高感度化合成手段２０からの出力信号と雑音抑圧手段１００からの出力信号との信号の減算を行い、出力端子８０に出力する。

以上のように、指向性マイクロホン装置１００１は構成される。

雑音抑圧手段１００および信号減算手段７１は、制御手段４００を構成するとしてもよい。

次に、指向性マイクロホン装置１００１について、動作の説明をする。

上述した実施の形態１においては、目的音（音源Ａ）に対する出力端子８０からの出力信号は、小振幅域と大振幅域とで、それぞれ高感度化合成手段２０からの出力信号ｘＡと指向性合成手段３０からの出力信号ｘＢ間で混合比（ミキシング比）を変化させて合成するため、性質の異なる２つの信号の移り変わり部分での歪みが、目的音（音源Ａ）に対して発生しやすい課題が存在する。

そこで、実施の形態２では、目的音（音源Ａ）に対して歪みを発生させないように、混合比（ミキシング比）を調整しないで低振幅域と大振幅域との指向性を制御する指向性マイクロホン装置１００１の構成を示している。

図１４は、本発明の実施の形態２における指向性合成手段３０の構成を示す図である。

図１５Ａ〜Ｄは、本発明の実施の形態２における各処理ブロックの出力波形信号の例を示す図である。図１５Ａは、高感度化合成手段２０での出力信号ｘＡの波形の例が示され、図１５Ｂでは、指向性合成手段３０での出力信号ｘＢの波形の例が示されている。さらに、図１５Ｃでは、雑音抑圧手段１００からの出力信号ｘＣの波形の例が示されて、図１５Ｄでは、信号減算手段７１からの出力信号ｙの波形の例が示されている。

高感度化合成手段２０は、実施の形態１と同様の構成であり、目的音（音源Ａ）に対してマイクロホンの絶対感度が高まるように（音圧感度に対して熱雑音が低くなるように）、同相加算を行う。出力信号ｘＡの信号波形の例が図１５Ａに示されている。すなわち、音源Ａと音源Ｂに対しての指向性は得られないが、信号振幅の小さい区間で熱雑音レベルが低いという特徴である。

指向性合成手段３０は、図１４に示すように、第２の信号遅延手段３１、信号減算手段３４、および周波数特性補正手段３３を備える。実施の形態１における指向性合成手段３０との違いは、第２の信号遅延手段３１が第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号ｍ１を遅らせる構成となっていることと、信号減算手段３４の減算方向が信号減算手段３２とは逆であるということである。

指向性合成手段３０では、目的音方向に感度死角が向けられるように指向性の合成が行われる。例えば、図１４のように、目的音（音源Ａ）に対して感度が低く、非目的音（音源Ｂ）に対して感度が高くなるような指向性合成が行われるよう音圧傾度型の指向性合成が行われる。

具体的には、マイクロホンユニット間隔をｄとしたときに、第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号ｍ１を、第２の信号遅延手段３１によって、遅延時間τ２＝ｄ／ｃ（ただし、ｃは音速）遅らせて、信号減算手段３４によって、第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号から減算する。

このようにすることで、音圧傾度型の指向性合成が行われ、目的音（音源Ａ）の方向には感度死角が形成される。このとき、図１５Ｂに示すように、指向性合成手段３０からの出力信号ｘＢは、音圧傾度型（減算型）の指向性合成であるために音圧感度が低下しており、音圧感度に対して相対的に熱雑音レベルが高くなる。しかし、指向性合成手段３０からの出力信号ｘＢは、目的音（音源Ａ）を除去して非目的音（音源Ｂ）を指向性によって抽出できた信号出力となる。すなわち非目的音（音源Ｂ）に指向性主軸が向く指向性の信号出力が得られる。

また、図１３に示す雑音抑圧手段１００では、熱雑音レベルの小振幅レベルの波形振幅を抑圧する。例えば、前記の（数４）や（数７）などを用いることによって大振幅レベルの波形情報は維持したまま、小振幅域の信号を抑圧する。

図１５Ｃには、雑音抑圧手段１００の出力信号ｘＣの例が示されている。すなわち、目的音方向の信号成分は、指向性合成手段３０での指向性処理によって抑圧されており、小振幅域の信号は雑音抑圧手段１００の処理によって抑圧されている。その結果、非目的音（音源Ｂ）の大振幅域の信号波形のみが、雑音抑圧手段１００からの出力信号ｘＣとして出力されることになる。

信号減算手段７１は、ほぼ無指向性で絶対感度が高い高感度化合成手段２０からの出力信号ｘＡから、非目的音（音源Ｂ）方向に指向性を持ち、かつ、大振幅域の信号成分が支配的である雑音抑圧手段１００からの出力信号ｘＣを減算する。それにより、信号減算手段７１は、非目的音（音源Ｂ）方向の感度をキャンセルできるので、図１５Ｄに示すように、非目的音（音源Ｂ）の方向に指向性の感度死角を形成することができる。

また、信号減算手段７１は、減算前に雑音抑圧手段１００において小振幅域の信号を抑圧しているために、小振幅域では指向性の合成が行われないため、図１５Ｄに示すように、高感度化合成手段２０からの出力信号ｘＡからの無指向性で絶対感度が高い信号を得ることができる。

以上、実施の形態２における指向性マイクロホン装置１００１の構成によれば、目的音（音源Ａ）に対しては直接的に非線形的な処理が加わることがないので、音質劣化や情報の欠落を発生しにくい。なぜならば、目的音信号成分に対しては、歪みの原因となる雑音抑圧手段１００からの出力信号が十分に小さくなっていて、高感度化合成手段２０からの出力信号ｘＡがそのまま出力されるからである。

また、指向性マイクロホン装置１００１の構成における非線形処理による歪みは、雑音抑圧手段１００の部分で発生し、特に非目的音方向の小振幅域に現れ易い。しかし、雑音抑圧手段１００で非直線増幅特性の適応制御など歪み対策の手法も応用できるため、実施の形態１よりも高音質な指向性マイクロホン装置１００１が実現できることになる。

また、図１６および図１７は、本発明の実施の形態２における雑音抑圧手段１００の別の構成例を示す図である。雑音抑圧手段１００において、（数４）や（数７）のみで小振幅域の信号を抑圧した場合、非直線増幅による雑音抑圧の一般的な課題であるブリージングノイズ（大振幅の信号成分に連動して抑圧していたノイズが背景に出てくる現象）が発生する。しかし、例えば、図１６に示すような、定常雑音抑圧手段１０１（スペクトル減算法など）と非直線増幅手段１０２とで従属の構成とする、または、同時に関数化することで、この問題は解決される。

また、雑音抑圧手段１００において、図１７に示すように、時間周波数領域変換手段１１０（図中ＦＦＴと表記）と周波数時間領域変換手段１１１（図中ＩＦＦＴと表記）によって、周波数成分毎の処理としてもよい。

（実施の形態３）
図１８は、本発明の実施の形態３における指向性マイクロホン装置１００２の構成を示すブロック図である。

図１８において、指向性マイクロホン装置１００２は、第１のマイクロホンユニット１１および第２のマイクロホンユニット１２を備える。また、指向性マイクロホン装置１００２は、信号加算手段２２、信号増幅手段２３、信号減算手段３２、周波数特性補正手段３３、信号遅延手段４１、信号減算手段７１、出力端子８０、および雑音抑圧手段１００を備える。

なお、以降の説明は、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２とを結ぶ直線上において第１のマイクロホンユニット１１側を正面とし、第２のマイクロホンユニット１２側を背面とする。

信号遅延手段４１は、第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号を遅延させて出力する。

信号加算手段２２は、信号遅延手段４１からの出力信号と第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号とを加算する。

信号増幅手段２３は、信号加算手段２２からの出力信号を減衰して信号減算手段７１に出力する。

信号減算手段３２は、第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号と信号遅延手段４１からの出力信号とを減算する。

雑音抑圧手段１００は、信号減算手段３２からの出力信号を非直線増幅することによって小振幅域の信号振幅を抑圧する。

周波数特性補正手段３３は、信号増幅手段２３からの出力信号の背面感度特性と、雑音抑圧手段１００からの出力信号の背面感度特性とが一致するように、雑音抑圧手段１００からの出力信号の周波数特性を補正して信号減算手段７１に出力する。

信号減算手段７１は、信号増幅手段２３からの出力信号と周波数特性補正手段３３からの出力信号とを減算し、出力端子８０に出力する。

以上のように、指向性マイクロホン装置１００２は構成される。

次に、指向性マイクロホン装置１００２について説明する。

図１８に示す指向性マイクロホン装置１００２において、実施の形態２で説明した指向性マイクロホン装置１００１と異なるところは、実施の形態２における高感度化合成手段２０と指向性合成手段３０とを構成していた構成部分における第１の信号遅延手段２１と第２の信号遅延手段３１とを信号遅延手段４１として共用して構成している点である。この構成部分に関する動作は一般的な指向性合成と変わりなく、実施の形態２と同様であるので説明を省略する。

また、実施の形態２では、図１４に示すように周波数特性補正手段３３の後段に雑音抑圧手段１００が設けられていた。実施の形態３では、雑音抑圧手段１００と周波数特性補正手段３３の順番を逆にし、雑音抑圧手段１００の後段に周波数特性補正手段３３を設けている。

このようにすることで、雑音抑圧手段１００が、帯域分割数の少ない非直線増幅特性のみで処理を行う場合、抑圧すべきマイクロホンユニットからの熱雑音スペクトル形状を平坦化する。したがって、雑音抑圧手段１００の処理結果は良好になる。

また、周波数特性補正手段３３の前段の雑音抑圧手段１００で熱雑音スペクトル形状を平坦化することで、周波数特性補正手段３３における性能改善や、帯域分割数などを削減でき、演算量の削減効果を得ることができる。

雑音抑圧手段１００で抑圧すべき雑音を平坦化することが良い理由は、以下である。すなわち、本実施例において、帯域分割などを用いない非直線増幅特性を雑音抑圧の処理に用いる場合、全周波数帯域で抑圧される振幅レベルが同一となるため、入力信号側の雑音スペクトルを平坦化することで、過不足のない雑音の抑圧ができるためである。

また、図１９は、本発明の実施の形態３におけるマイクロホンユニットからの熱雑音スペクトル測定結果を示す図である。図２０は、本発明の実施の形態３における指向性マイクロホン装置１００２の別の構成を示すブロック図である。

図１８において、信号減算手段３２からの出力信号ｘＢ０での実際の熱雑音スペクトルは、図１９に示すようになる。したがって、熱雑音スペクトルをさらに精度よく平坦化するためには、図２０に示す指向性マイクロホン装置１００３のように、信号減算手段３２と雑音抑圧手段１００との間に白色化フィルタ手段２００を設けることが好ましい。また、周波数特性補正手段３３においては、白色化フィルタ手段２００の逆特性も含めて補正を掛ける特性とするとさらに好ましい。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４について、以下、図２１から図２４を用いて説明する。

図２１は、本発明の実施の形態４における指向性マイクロホン装置１００４の構成を示すブロック図である。図２２は、指向性マイクロホン装置１００４における熱雑音抑圧推定手段３００の具体的な構成を示すブロック図である。図２３は、指向性マイクロホン装置１００４における熱雑音抑圧推定手段３００の具体的な機能構成を示すブロック図である。

図２１に示すように、指向性マイクロホン装置１００４は、第１のマイクロホンユニット１１、第２のマイクロホンユニット１２、信号加算手段２２、信号増幅手段２３、信号減算手段３２、周波数特性補正手段３３、信号遅延手段４１、信号減算手段７１、出力端子８０、雑音抑圧手段１００、および熱雑音抑圧推定手段３００を備える。図１８と同様の要素には同一の符号を付しており、これらの構成と動作の原理は、実施の形態３の図１８と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図２１に示す指向性マイクロホン装置１００４は、実施の形態３の図１８に係る指向性マイクロホン装置１００２に対して、熱雑音抑圧推定手段３００が設けられている構成が異なる。

熱雑音抑圧推定手段３００は、信号加算手段２２からの出力信号と信号減算手段３２からの出力信号とが入力されて、入力されたそれら出力信号に基づいて信号減算手段３２から出力される信号の熱雑音レベルを推定する。熱雑音抑圧推定手段３００は、推定した信号減算手段３２から出力される信号の熱雑音レベルについての情報を雑音抑圧手段１００に与える。

図２２では、図２１に示す熱雑音抑圧推定手段３００の具体的な構成例を示している。ここで、信号加算手段２２からの出力信号をｘＡ、信号減算手段３２からの出力信号をｘＢとする。図２３は、熱雑音抑圧推定手段３００の具体的な機能構成を示しており、図２２の構成に対応した機能構成を示している。

第１の信号帯域制限部３２１は、信号加算手段２２からの出力信号ｘＡが入力され、入力された信号の帯域を制限して出力する。

第１の信号パワ演算部３２２は、第１の信号帯域制限部３２１からの出力信号が入力されて信号の二乗を計算して出力する。

第１の信号平滑化部３２３は、第１の信号パワ演算部３２２からの出力信号が入力され、入力されたその信号の平滑化を行い、その信号の短時間平均パワを出力する。

第１の信号変化量抽出部３２４は、第１の信号平滑化部３２３からの出力信号が入力されて、入力されたその信号レベルの変化量を抽出して出力する。

第１の信号絶対値演算部３２５は、第１の信号変化量抽出部３２４からの出力信号が入力されて、入力されたその信号の絶対値を演算して出力する。

第２の信号平滑化部３２６は、第１の信号絶対値演算部３２５からの出力信号が入力されて、入力されたその信号の平滑化を行い出力する。

このようにして、信号加算手段２２からの出力信号ｘＡの変化から特徴を抽出している。

第２の信号帯域制限部３３１は、信号減算手段３２からの出力信号ｘＢが入力され、入力された信号の帯域を制限して出力する。

第２の信号パワ演算部３３２は、第２の信号帯域制限部３３１からの出力信号が入力されて、入力されたその信号の二乗を計算して出力する。

第３の信号平滑化部３３３は、第２の信号パワ演算部３３２からの出力信号が入力されて、入力されたその信号の平滑化を行い信号の短時間平均パワを出力する。

第２の信号変化量抽出部３３４は、第３の信号平滑化部３３３からの出力信号が入力されて、入力されたその信号レベル変化量を抽出して出力する。

第２の信号絶対値演算部３３５は、第２の信号変化量抽出部３３４からの出力信号が入力されて、入力されたその信号の絶対値を演算して出力する。

第４の信号平滑化部３３６は、第２の信号絶対値演算部３３５からの出力信号が入力されて、入力されたその信号の絶対値を演算して出力する。

このようにして、信号減算手段３２からの出力信号ｘＢの変化から特徴を抽出している。

熱雑音レベル判定手段３５０は、第２の信号平滑化部３２６からの出力信号と第４の信号平滑化部３３６からの出力信号とが入力され、入力された２つの入力信号から信号減算手段３２からの出力信号ｘＢが、熱雑音レベルにあるか否かを判定する。熱雑音レベル判定手段３５０は、その判定結果を平滑化および最小値保持手段３６０に出力する。

周波数分析部３４１は、信号減算手段３２からの出力信号ｘＢが入力され、入力されたその信号の周波数成分を分析して、各周波数成分の信号を出力する。

信号パワ演算部３４２は、周波数分析部３４１からの各周波数成分の出力信号が入力され、入力されたその信号の各周波数成分のパワを計算し出力する。

このようにして、信号減算手段３２からの出力信号ｘＢでのノイズレベルを抽出している。

平滑化および最小値保持手段３６０は、熱雑音レベル判定手段３５０からの判定結果から、熱雑音レベル判定手段３５０が熱雑音レベルであると判定した時のみに信号パワ演算部３４２からの出力信号を平滑化し、その最小値を保持する。平滑化および最小値保持手段３６０は、保持する最小値から推定した推定熱雑音レベルＮｃ（ω）を雑音抑圧手段１００に出力する。

このように、熱雑音レベル判定手段３５０は、構成される。

次に、実施の形態４における指向性マイクロホン装置１００１の動作について説明する。

まず、図２１および図２２における熱雑音抑圧推定手段３００の入力信号になる信号加算手段２２からの出力信号ｘＡ、および、信号減算手段３２からの出力信号ｘＢの性質について説明する。

ｘＡ、ｘＢの音波に対する振る舞いに関して説明する。信号加算手段２２からの出力信号をｘＡは、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２とからの出力信号を加算した信号である。そのため、指向特性は、マイクロホンユニット間隔よりも十分長い波長の低周波数領域で、ほぼ無指向性の特性を示す。音圧に対する感度は、マイクロホンユニット単体に対して６ｄＢ上昇したものとなる。

一方、信号減算手段３２からの出力信号ｘＢは、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２とからの出力信号より、第１次音圧傾度型の指向性合成を行った状態である。そのため、指向特性は、マイクロホンユニット間隔よりも十分長い波長の低周波数領域で単一指向性を示すものの、音圧感度はマイクロホンユニット単体に対して、低域ほど感度減衰をしたものとなる。例えばマイクロホンユニット間隔を１０ｍｍとしたとき、１００Ｈｚ付近では、３０ｄＢ近く感度減衰したものとなる。

次に、ｘＡ、ｘＢの熱雑音に対する振る舞いに関して説明する。第１のマイクロホンユニット１１からの出力信号と第２のマイクロホンユニット１２からの出力信号との熱雑音信号は、互いに相関のない独立な信号である。

したがって、信号加算手段２２と信号減算手段３２とにおける信号の加算と減算との演算結果、その信号に含まれる熱雑音信号のレベルは、３ｄＢ上昇して等しいものとなる。ただし、第１のマイクロホンユニット１１と第２のマイクロホンユニット１２の熱雑音とが等しいとする。

以上のことから、信号ｘＡと信号ｘＢの特徴は、両者の熱雑音レベルは等しいことと、低周波数領域の音圧感度において、信号ｘＡ＞信号ｘＢの関係があることである。

次に、指向性マイクロホン装置１００４を通常使用している状態において、信号ｘＡと信号ｘＢの関係に基づいて信号ｘＢの熱雑音レベルを推定する方法を説明する。

指向性マイクロホン装置１００４が実環境で用いられる場合、暗騒音レベル（周囲の騒音レベル）が指向性マイクロホン装置１００４の熱雑音レベルに対して十分に低いとき、信号の熱雑音レベルが特に問題になる。

ここで、暗騒音レベルが十分に低い状態、かつ、指向性マイクロホン装置１００４に低い音圧レベルの音波が到来している状態を想定する。信号ｘＡは音圧感度が高いため、音波の音圧を捕らえて信号が変化するが、信号ｘＢは音圧感度が低いため、音波の音圧レベルが、熱雑音レベルの下に埋もれる状態が発生する。この状態で、信号ｘＡ、ｘＢの信号レベルの変化量を観測すると、信号ｘＡには到来する音波に従った信号レベルの時間変化が観測され、信号ｘＢには到来する音波に無関係に信号レベルの変化が観測されない。

したがって、信号ｘＡと信号ｘＢの信号レベルの時間変化量ＰＡ、ＰＢとしたとき、信号ｘＡに信号レベルの時間変化があり（時間変化量ＰＡ＞０）、信号ｘＢに信号レベルの時間変化がない（時間変化量ＰＢ＝０）のときに、信号ｘＢは熱雑音信号が支配的であると判断できることになる。この前記条件を満たす場合に、信号ｘＢの推定雑音レベルＮｃ（ω）を求めることができる。

図２４は、信号ｘＡ、信号ｘＢの時間変化量ＰＡ、ＰＢの関係を示す図である。

図２４では、上段に信号の状態、すなわち指向性マイクロホンが置かれる音の環境を示し、下段に信号ｘＡ、信号ｘＢの時間変化量ＰＡ、ＰＢの関係を示したものである。図２４では、時間変化量ＰＡ、ＰＢと、周囲の音環境との関係を（Ａ）〜（Ｄ）の４通りに分けた表にしている。

図２４の表の（Ａ）の欄は、暗騒音レベルが十分に低く、信号ｘＡと信号ｘＢが共に熱雑音信号が支配的で、信号の時間変化量ＰＡ、ＰＢが共に０になる状態を示している。図１８の表の（Ｂ）の欄は、暗騒音レベルが十分に低く、非定常性のある音波が到来している場合に、信号の時間変化量ＰＡ、ＰＢがＰＡ≠ＰＢ（ＰＡ＞ＰＢ，ＰＢ＝０）となる状態を示している。

図２４に示す表の（Ｃ）の欄では、暗騒音レベルが高く周囲騒音が定常的なものである場合、信号ｘＡと信号ｘＢは共に到来する定常的な音波を捉えるが、信号の時間変化量ＰＡ、ＰＢが共に０になる状態を示している。図２４に示す表の（Ｄ）の欄では、暗騒音レベルが高い場合に、信号ｘＡと信号ｘＢとが共に到来する音波に従って信号レベル変化を起こし、信号の時間変化量ＰＡ、ＰＢが共に等しく変化する状態を示している。

以上のように、図２４に示す表の（Ｂ）の欄に相当するＰＡ≠ＰＢ（ＰＡ＞ＰＢ，ＰＢ＝０）の状態を捕らえることによって、定常騒音と熱雑音信号とを見分けることが可能となるので、熱雑音レベルの推定が行える。

図２２および図２３は、熱雑音抑圧推定手段３００において、上記の動作を具体的に行えるようにする構成と機能構成の例である。

信号変化量ＰＡを得るために、まず、入力信号ｘＡに対して、第１の信号帯域制限部３２１で、判定に使用する周波数帯域を中低域に制限し、第１の信号パワ演算部３２２で、時間波形を信号パワに変換する。次に、第１の信号平滑化部３２３で信号パワの時間包絡に変換し、第１の信号変化量抽出部３２４で、ハイパスフィルタなどを用いて、時間微分で変化量を抽出する。さらに、第１の信号絶対値演算部３２５と第２の信号平滑化部３２６とによって、変化量をパラメータ化し、信号レベル変化がない場合は０を、信号レベル変化がある場合は信号レベル変化が大きいほど値が大きくなる信号変化量パラメータＰＡを出力する。

入力信号ｘＢに対しても、入力信号ｘＡと同様の処理をする。第２の信号帯域制限部３３１、第２の信号パワ演算部３３２、第３の信号平滑化部３３３、第２の信号変化量抽出部３３４、第２の信号絶対値演算部３３５および第４の信号平滑化部３３６によって、信号レベル変化がない場合は０を、信号レベル変化がある場合は信号レベル変化が大きいほど値が大きくなる信号変化量パラメータＰＢを出力する。

熱雑音レベル判定手段３５０では、信号レベル時間変化量ＰＡと信号レベル時間変化量ＰＢとに基づいて、図２３に示すように、ＰＡ≠ＰＢ（ＰＡ＞ＰＢ，ＰＢ＝０）の条件に合致する場合にｘＢは熱雑音信号レベルを表していると判定する。

ｘＢが熱雑音信号レベルを表していると判定される場合、ｘＢを周波数分析する周波数分析部３４１と、周波数分析された各成分のパワを演算する信号パワ演算部３４２と、信号パワ成分の平滑化とその最小値保持を行う平滑化および最小値保持手段３６０とによって、推定熱雑音レベルＮｃ（ω）が得られる。

このようにして、熱雑音抑圧推定手段３００によって得られた推定熱雑音レベルＮｃ（ω）が、雑音抑圧手段１００の熱雑音レベルＮｃ（ω）として用いられることによって、第１のマイクロホンユニット１１および第２のマイクロホンユニット１２の熱雑音レベルや、感度特性が製造上ばらついてしまう場合でも、実使用環境で補正を行うことができるようになる。そのため、熱雑音抑制効果の改善を行うことが可能となる。

以上、本発明によれば、指向性合成時の熱雑音の上昇の問題（感度低下の問題）を抑制し、高感度な指向性マイクロホン装置を実現することができる。

従来の音圧傾度型指向性マイクロホンは低域の音圧感度が低下するため、相対的に熱雑音レベルが上昇し、アレイサイズに制限がある場合に絶対感度が不足する問題があり、小型化や指向性の狭角度化に限界があった。本発明では、マイクロホンに指向性を持たせる目的が目的音方向以外の音を除去したいことであると考え、除去すべき音は目的音の妨害となる大きな音であると言うことに着目した。本発明では、信号波形の振幅域によって指向性を制御することで、熱雑音の上昇を抑えながら指向性を得る指向性マイクロホン装置を実現することができる。すなわち、指向性を必要とせず高感度を必要とする小振幅域では無指向性となるように、かつ、指向性必要とし高感度を必要としない大振幅域は有指向性となるように、出力される信号の振幅域によって指向性を制御することで、熱雑音の課題を解決し、高感度でありながら指向性を得ることを可能とする指向性マイクロホン装置を実現することができる。

（その他変形例）
なお、本発明を上記実施の形態および変形例に基づいて説明してきたが、本発明は、上記の実施の形態に限定されないのはもちろんである。以下のような場合も本発明に含まれる。

（１）上記、マイクロホンユニットを除く各処理手段（高感度化合成手段２０、指向性合成手段３０等）は、具体的には、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、などから構成されるコンピュータシステムとして実装される。ＲＡＭには、コンピュータプログラムが記憶されている。

マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムにしたがって動作することにより、各装置は、その機能を達成する。ここでコンピュータプログラムは、所定の機能を達成するために、コンピュータに対する指令を示す命令コードが複数個組み合わされて構成されたものである。

（２）上記の各装置を構成する構成要素の一部または全部は、１個のシステムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：大規模集積回路）から構成されているとしてもよい。

システムＬＳＩは、複数の構成部を１個のチップ上に集積して製造された超多機能ＬＳＩである。具体的には、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成されるコンピュータシステムである。ＲＡＭには、コンピュータプログラムが記憶されている。

マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムにしたがって動作することにより、システムＬＳＩは、その機能を達成する。

（３）上記の各装置を構成する構成要素の一部または全部は、各装置に脱着可能なＩＣカードまたは単体のモジュールから構成されているとしてもよい。

ＩＣカードまたはモジュールは、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成されるコンピュータシステムである。ＩＣカードまたは前記モジュールは、上記の超多機能ＬＳＩを含むとしてもよい。

マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムにしたがって動作することにより、前記ＩＣカードまたは前記モジュールは、その機能を達成する。このＩＣカードまたはこのモジュールは、耐タンパ性を有するとしてもよい。

（４）本発明は、上記に示す方法であるとしてもよい。また、これらの方法をコンピュータにより実現するコンピュータプログラムであるとしてもよいし、コンピュータプログラムからなるデジタル信号であるとしてもよい。

また、本発明は、コンピュータプログラムまたはデジタル信号をコンピュータ読み取り可能な記録媒体、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ）、半導体メモリなどに記録したものとしてもよい。また、これらの記録媒体に記録されているデジタル信号であるとしてもよい。

また、本発明は、コンピュータプログラムまたはデジタル信号を、電気通信回線、無線または有線通信回線、インターネットを代表とするネットワーク、データ放送等を経由して伝送するものとしてもよい。

また、本発明は、マイクロプロセッサとメモリを備えたコンピュータシステムであって、メモリは、上記コンピュータプログラムを記憶しており、前記マイクロプロセッサは、前記コンピュータプログラムにしたがって動作するとしてもよい。また、プログラムまたはデジタル信号を前記記録媒体に記録して移送することにより、またはプログラムまたはデジタル信号を、ネットワーク等を経由して移送することにより、独立した他のコンピュータシステムにより実施するとしてもよい。

（５）上記実施の形態および上記変形例をそれぞれ、組み合わせる構成としてもよい。

本発明は、指向性マイクロホン装置に利用でき、特に、音圧傾度型指向性合成で課題となる熱雑音の上昇を抑え、指向特性を得ながら高感度特性を同時に有し、機器内蔵型の小型指向性マイクロホン等として有用である。また、例えば補聴器やカムコーダの指向性マイクロホンなど超指向性でかつ高感度が必要な遠隔収音システムや、通常の指向性マイクロホンの用途にも応用できる。

１、１０、１０００、１００１、１００２、１００３、１００４ 指向性マイクロホン装置
１１ 第１のマイクロホンユニット
１２ 第２のマイクロホンユニット
１３ ハイパスフィルタ
１４、４１ 信号遅延手段
１５、３２、３４、７１ 信号減算手段
１６ 周波数特性補正手段
２０ 高感度化合成手段
２１ 第１の信号遅延手段
２２、７０ 信号加算手段
２３ 信号増幅手段
３０ 指向性合成手段
３１ 第２の信号遅延手段
３３ 周波数特性補正手段
４０ 混合比算出手段
５０ 第１の信号増幅手段
６０ 第２の信号増幅手段
８０ 出力端子
１００ 雑音抑圧手段
１０１ 定常雑音抑圧手段
１０２ 非直線増幅手段
１１０ 時間周波数領域変換手段
１１１ 周波数時間領域変換手段
２００ 白色化フィルタ手段
３００ 熱雑音抑圧推定手段
３２１ 第１の信号帯域制限部
３２２ 第１の信号パワ演算部
３２３ 第１の信号平滑化部
３２４ 第１の信号変化量抽出部
３２５ 第１の信号絶対値演算部
３２６ 第２の信号平滑化部
３３１ 第２の信号帯域制限部
３３２ 第２の信号パワ演算部
３３３ 第３の信号平滑化部
３３４ 第２の信号変化量抽出部
３３５ 第２の信号絶対値演算部
３３６ 第４の信号平滑化部
３４１ 周波数分析部
３４２ 信号パワ演算部
３５０ 熱雑音レベル判定手段
３６０ 平滑化および最小値保持手段

Claims (9)

1. 指向性マイクロホン装置であって、
   目的音方向に感度を持つ第１のマイクロホンと、
   第１のマイクロホンに比較して指向性が鋭く、目的音方向に指向性死角が向けられた第２のマイクロホンと、
   前記第２のマイクロホンから出力される信号における熱雑音レベルの雑音成分を抑圧する雑音抑圧手段と、
   前記第１のマイクロホンから出力される信号から、前記雑音抑圧手段から出力される信号を減算することで、出力信号を生成する減算手段と、
   前記減算手段で生成された前記出力信号を出力する出力部とを備える
   ことを特徴とする指向性マイクロホン装置。
2. 前記出力信号は、前記第１のマイクロホンおよび前記第２のマイクロホンから出力される信号の信号振幅が熱雑音レベル相当の小振幅領域では指向性が鈍く感度が高い状態になるように、かつ前記信号振幅が熱雑音レベルより大きい大振幅領域では感度が低いが指向性が鋭い
   ことを特徴とする請求項１記載の指向性マイクロホン装置。
3. 前記雑音抑圧手段は、前記出力信号の小振幅域のみの増幅率を低減させる非直線増幅特性に従い、熱雑音レベルの雑音成分を抑制する
   ことを特徴とする請求項２記載の指向性マイクロホン装置。
4. 前記第２のマイクロホンと前記雑音抑圧手段との間に前記第２のマイクロホンから出力される信号の熱雑音成分を白色化する白色化フィルタ手段と、
   前記雑音抑圧手段と前記減算手段との間に前記雑音抑圧手段から出力される信号が入力される前記白色化フィルタの逆特性を持つ白色化逆フィルタ手段とを備える
   ことを特徴とする請求項１記載の指向性マイクロホン装置。
5. 前記第１のマイクロホンと前記第２のマイクロホンとはそれぞれ、同一特性の第１のマイクロホンユニットと第２のマイクロホンユニットとから出力される信号の合成によって得られるマイクロホンであり、
   前記第１のマイクロホンは、前記第１のマイクロホンユニットおよび前記第２のマイクロホンユニットから出力される信号のいずれかから、または、前記第１のマイクロホンユニットおよび前記第２のマイクロホンユニットから出力される信号から、高感度になる加算型の合成によって得られ、
   前記第２のマイクロホンは、前記第１のマイクロホンユニットおよび前記第２のマイクロホンユニットから出力される信号から、目的音に近い側の信号を遅延させて減算して目的音方向に感度死角を形成する信号の合成によって得られる
   ことを特徴とする請求項１記載の指向性マイクロホン装置。
6. 前記第１のマイクロホンから出力される信号と前記第２のマイクロホンから出力される信号とのレベル変化量の違いに基づいて、前記第２のマイクロホンから出力される信号の熱雑音レベルを推定する熱雑音推定手段を備え、
   前記雑音抑圧手段は、前記熱雑音推定手段で推定される熱雑音レベルに基づいて、前記第２のマイクロホンから出力される信号における熱雑音レベルの雑音成分を抑圧する処理をする
   ことを特徴とする請求項１記載の指向性マイクロホン装置。
7. 前記雑音抑圧手段は、目的音に対して前記第１のマイクロホンより前記第２のマイクロホンの方での感度が低くなる低域のみを雑音抑圧周波数帯域とし、前記雑音抑圧周波数帯域に対して熱雑音レベルの雑音成分を抑圧する
   ことを特徴とする請求項１記載の指向性マイクロホン装置。
8. 指向性マイクロホン装置を制御する方法であって、
   前記指向性マイクロホン装置は、目的音方向に感度を持つ第１のマイクロホンと、
   第１のマイクロホンに比較して指向性が鋭く、目的音方向に指向性死角が向けられた第２のマイクロホンとを有し、
   前記第２のマイクロホンから出力される信号における熱雑音レベルの雑音成分を抑圧する雑音抑圧ステップと、
   前記第１のマイクロホンから出力される信号から、前記雑音抑圧手段から出力される信号を減算することで、出力信号を生成する減算ステップと、
   前記減算ステップで生成された前記出力信号を出力する出力ステップとを含む
   ことを特徴とする方法。
9. 指向性マイクロホン装置を制御するためのプログラムであって、
   前記指向性マイクロホン装置は、目的音方向に感度を持つ第１のマイクロホンと、
   第１のマイクロホンに比較して指向性が鋭く、目的音方向に指向性死角が向けられた第２のマイクロホンとを有し、
   前記第２のマイクロホンから出力される信号における熱雑音レベルの雑音成分を抑圧する雑音抑圧ステップと、
   前記第１のマイクロホンから出力される信号から、前記雑音抑圧手段から出力される信号を減算することで、出力信号を生成する減算ステップと、
   前記減算ステップで生成された前記出力信号を出力する出力ステップとを含む
   ことをコンピュータに実行させるためのプログラム。

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