JP5309953B2 - 収音装置 - Google Patents

Description

この発明は、筐体周囲の音を収音する収音装置に関する。

従来、筐体周囲の音を収音する装置として、例えば特許文献１のようなものがある。特許文献１の装置は、四面体の各面にマイクロホン（以下、単にマイクと言う。）を備え、全周方向の音を収音することができるものである。

また、３つの単一指向性マイクの収音方向を外向きに１２０度ずつずらして配置し、全周方向の音を収音して、それぞれの単一指向性マイクの収音レベルから音源の方向を探知する装置も提案されている（例えば特許文献２）。

さらに、複数のマイクを用いて任意の方向の音を収音する装置も提案されている（例えば特許文献３）。
特開昭５１−３２３１９号公報 特開２００１−１５３９４１号公報 特開２００８−４８３５５号公報

特許文献２においては、１２０度ずつ３方向で任意の音を収音することができるものであるが、それ以上の角度分解能はなく、所望の方向に自由に指向性を形成することはできなかった。

また、特許文献１〜３の装置は、各マイクの振動面が離れているため、特に１ｋＨｚ以上のような高い周波数帯域では所望の指向性に対する誤差が大きくなるという問題があった。

そこで、この発明は、所望の指向性に対する誤差が小さい収音装置を提供することを目的とする。

この発明の収音装置は、複数の単一指向性マイクを有した収音装置である。これら複数の単一指向性マイクは、１つの平面上に配列されている。また、各単一指向性マイクの感度極大の方向を配列内側方向に向けて配列されている。さらに、収音装置は、各単一指向性マイクの収音した音のゲインを調整する複数のゲイン調整部と、ゲイン調整後の音を加算する加算部と、を備えている。そして、複数の単一指向性マイクロホンは、一体成型されたマイク枠体にはめ込まれ１ユニットとして固定されている。

このように、本発明の収音装置は、各マイクの感度極大の方向を、配列の内側方向に向けることで、外側に向けるよりも振動面を近接させて配置することができる。よって、加算部にて信号が加算される場合、異なるマイクの振動面にて得られる信号同士の時間ずれが小さくなり、所望の指向性に対する誤差を小さくすることができる。

よって、本発明の収音装置によれば、１ｋＨｚ以上のような高い周波数帯域においても、所望の指向性に対する誤差を小さくすることができる。

また、前記複数の単一指向性マイクより形成される１つの平面と異なる位置に、当該平面に向かう方向と反対方向に感度極大の方向を向けた垂直方向単一指向性マイクをさらに配列してもよい。

この場合、上記平面上に加えて、垂直方向単一指向性マイクが配置されている方向にも指向性を形成することができ、立体方向（全球方向）にも所望の方向に自由な指向性を形成することができる。

また、各単一指向性マイクの指向軸（感度極大となる方向の軸）が１つの点でクロスするように、前記複数の単一指向性マイクを、前記１つの点を中心とした円周上に配列した態様としてもよい。
また、マイク枠体は、隣接する二つの単一指向性マイクロホンを連結する連結部を有し、他の単一指向性マイクロホンの感度極大の方向を当該連結部に向けている。

この発明によれば、複数の指向性マイクの収音面を近接させて配置することができ、所望の指向性に対する誤差を小さくすることができる。

図１〜図４は、本実施形態の収音装置の構成を示す外観図である。図１は正面図、図２は背面図、図３は左側面図、図４は平面図である。図１〜図４において、収音装置の右側面側をＸ、左側面側を−Ｘ、上面側をＹ、下面側を−Ｙ、正面側をＺ、背面側を−Ｚとする。

収音装置１の土台となる筐体１１は、上下方向に薄い直方体形状からなり、例えば樹脂材質からなる。筐体１１の上面には、３本の支柱１３Ａ、支柱１３Ｂ、および支柱１３Ｃが筐体上面に垂直に取り付けられている。各支柱も例えば樹脂材質からなる。

支柱１３Ａは、装置正面側に取り付けられ、支柱１３Ｂは、装置右背面側に取り付けられ、支柱１３Ｃは、装置左背面側に取り付けられている。図４の平面図に示すように、各支柱は、筐体中心位置から等距離に、それぞれ１２０度間隔で均等に配置されている。

支柱１３Ａ、支柱１３Ｂ、および支柱１３Ｃの最上面には、それぞれ上下方向に薄い板状の弾性ゴム１３１Ａ、弾性ゴム１３１Ｂ、および弾性ゴム１３１Ｃが取り付けられている。弾性ゴム１３１Ａ、弾性ゴム１３１Ｂ、および弾性ゴム１３１Ｃは、それぞれ、筐体中心に向けて延びており、マイク枠体１４Ａ、マイク枠体１４Ｂ、およびマイク枠体１４Ｃの下部に設けられたジョイント部１４１Ａ、ジョイント部１４１Ｂ、およびジョイント部１４１Ｃに取り付けられる。

マイク枠体１４Ａ、マイク枠体１４Ｂ、およびマイク枠体１４Ｃは、円筒形状からなり、その中空内部に円柱形状のマイク（単一指向性マイク）をはめ込むことが可能となっている。各マイク枠体の円筒底面の開放部分は、収音装置を平面視した状態において、それぞれ１２０度ずつずれた方向に向いている。

すなわち、マイク枠体１４Ａの円筒底面の開放部分は、装置正面および背面方向に向いており、単一指向性マイクの指向性を装置正面または背面方向に向けて設置することができるようになっている。図４に示すように、本実施形態では、マイク枠体１４Ａにはめ込む単一指向性マイク１２Ａの感度極大の方向（最大感度方向）を装置背面側に向けている。この単一指向性マイク１２Ａの最大感度方向を０度とする。

また、マイク枠体１４Ｂの円筒底面の開放部分は、装置右背面および左正面方向に向いている。本実施形態では、マイク枠体１４Ｂにはめ込む単一指向性マイク１２Ｂの最大感度方向を装置左正面側に向けている。すなわち、筐体を平面視して上記０度から左回転１２０度の角度（＋１２０度の方向）に向けている。

また、マイク枠体１４Ｃの円筒底面の開放部分は、装置左背面および右正面方向に向いている。本実施形態では、マイク枠体１４Ｃにはめ込む単一指向性マイク１２Ｃの最大感度方向を装置右正面側に向けている。すなわち、筐体を平面視して上記０度から右回転１２０度の角度（−１２０度または＋２４０度の方向）に向けている。

さらに、収音装置１を平面視した状態において、各マイク枠体の筐体中心側（各指向性マイクの最大感度方向）には、同じく円筒形状のマイク枠体１４Ｌが設けられている。マイク枠体１４Ｌは、図１〜図３に示すように、マイク枠体１４Ａ〜マイク枠体１４Ｃよりも上面側に設けられており、円筒底面の開放部分は装置上面側および下面側に向いている。本実施形態では、マイク枠体１４Ｌにはめ込む単一指向性マイク１２Ｌの最大感度方向を装置上面側に向けている。

マイク枠体１４Ａ、マイク枠体１４Ｂ、マイク枠体１４Ｃ、およびマイク枠体１４Ｌは、樹脂金型の一体成型からなり、それぞれの枠体にはめ込まれる４つのマイクを１ユニットとして固定することができるようになっている。

一体成型される枠体は、収音装置を平面視した状態において、単一指向性マイク１２Ａ、単一指向性マイク１２Ｂ、および単一指向性マイク１２Ｃの指向軸（最大感度方向の軸）が１つの点でクロスするように形成されている。なお、本実施形態の収音装置では、上記３本の支柱、弾性ゴム、およびジョイント部の形状、設置位置を調整することにより、収音装置１の筐体中心位置と指向軸がクロスする点とを等しくしている。

この構造により、１つの平面（筐体上面と平行する面）上に単一指向性マイク１２Ａ、単一指向性マイク１２Ｂ、および単一指向性マイク１２Ｃが配列され、各単一指向性マイクの最大感度方向が配列内側方向に向けられる。すなわち、上記指向軸がクロスする点を中心とした円周上に各単一指向性マイクが内向きに配列される。このように、各マイクの最大感度方向を配列の内側方向に向けることで、外側に向けるよりも振動面を近接させて配置することができる。その結果、各単一指向性マイクの振動面の位置を上記指向軸がクロスする点で近似することができる。よって、上記平面上における指向性制御を１ｋＨｚ以上のような高い周波数帯域においても小さな誤差で実現することができる。

また、４つのマイクは、支柱、弾性ゴム、およびジョイント部により、筐体１１の上面から離れて中空に浮いた状態で固定される。特に、垂直方向の単一指向性マイク１４Ｌは、上記単一指向性マイク１２Ａ、単一指向性マイク１２Ｂ、および単一指向性マイク１２Ｃにより形成される平面よりも上面側に配置され、筐体１１の上面から最も離れた位置に配置される。このため、単一指向性マイク１４Ｌの背面も音響的に開放される。

次に、収音装置１の指向性制御について説明する。図５（Ａ）は、収音装置の音声信号処理系統の構成を示すブロック図である。図６は、指向性制御の態様を示す概要図である。なお、図６に示す特性は、説明のために理想的な特性を示したものであり、実特性を示した図ではない。

収音装置１は、信号処理系統の構成として、ゲイン調整部３１Ａ、ゲイン調整部３１Ｂ、ゲイン調整部３１Ｃ、ゲイン調整部３１Ｌ、および加算部３２からなる信号処理部３を備えている。

各単一指向性マイクが出力する音声信号は、信号処理部３の各ゲイン調整部でゲイン調整され、その後、加算部３２で加算される。収音装置１は、各ゲイン調整部のゲインを制御することで、装置周囲に任意の指向性を形成することができる。

ゲイン調整部３１Ａ、ゲイン調整部３１Ｂ、ゲイン調整部３１Ｃの各ゲイン（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）は、指向性を形成する方向（最大感度方向の角度）をθ、マイクの重み係数をｆとすると、以下のように決定される。
Ｇ１＝２／３×｛１−ｆ（１−２ｃｏｓθ）｝
Ｇ２＝２／３×｛１−ｆ（１−２ｃｏｓ（θ−１２０°））｝
Ｇ３＝２／３×｛１−ｆ（１−２ｃｏｓ（θ＋１２０°））｝
なお、重み係数ｆは、指向性の形を決める係数であり、０以上１以下の値である。例えば、ｆ＝０で無指向性、ｆ＝０．５で単一指向性、ｆ＝１で双指向性となる。ここで、θの値を任意に決定することで、任意の方向に指向性を形成することができる。例えば、図６（Ａ）に示すように、θ＝１８０度、すなわち装置正面側（Ｚ方向）に単一指向性を形成する場合、重み係数ｆ＝０．５として、各ゲインの値は、
（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）＝（−１／３，２／３，２／３）
となる。出力する信号Ｍは、単一指向性マイク１２Ａ、単一指向性マイク１２Ｂ、単一指向性マイク１２Ｃの出力信号であるＭ１，Ｍ２，Ｍ３を用いて、
Ｍ＝Ｇ１×Ｍ１＋Ｇ２×Ｍ２＋Ｇ３×Ｍ３＝−１／３×Ｍ１＋２／３×Ｍ２＋２／３×Ｍ３
で表される。これにより、図６（Ｂ）に示すように、３つのマイクの合成特性の最大感度方向の角度を１８０度、最小感度の方向を０度方向に向けることができる。すなわち、θ＝１８０度の方向に単一指向性を形成することができる。

本実施形態の収音装置は、上述したように各マイクの最大感度方向を配列の内側方向に向けることで、各単一指向性マイクの振動面の位置を上記指向軸がクロスする点（中心位置）で近似することができ、上記ゲインの計算式により１ｋＨｚ以上のような高い周波数帯域においても所望の指向性に対する誤差を十分に小さくすることができる。

図７は、中心位置からマイク収音面の距離を変更した時に得られる指向特性（角度毎の利得）を示した図である。同図においては、中心位置からマイク振動面までの距離を３ｍｍ、６ｍｍ、および１０ｍｍとした場合に得られる１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、４ｋＨｚ、および８ｋＨｚの指向特性を示している。

同図に示すように、中心位置からマイク振動面までの距離が小さいほど、高い周波数においても０度付近の感度の最小値が小さくなる。すなわち、高い周波数まで単一指向性としての特性が得られる。

例えば、各単一指向性マイクの厚みが３ｍｍ程度であるとすると、各マイクの最大感度方向を配列の外側方向に向けた場合と内側方向に向けた場合とで、中心位置からマイク振動面までの距離が３ｍｍ程度異なる。すなわち、図７に示した３ｍｍの特性と６ｍｍの特性程度の差が生じる（感度の最小値で６ｄＢ程度の差が生じる）。

よって、各マイクの最大感度方向を配列の内側方向に向けることが、１ｋＨｚ以上のような高い周波数帯域においても指向性形成を実現するために効果的であることが言える（各マイクの振動面の位置を中心位置で近似できると言える）。

なお、本実施形態の収音装置においては、垂直方向の単一指向性マイク１４Ｌを用いることで、単一指向性マイク１２Ａ、単一指向性マイク１２Ｂ、および単一指向性マイク１２Ｃが配列される平面上だけでなく、装置上面側にも任意の方向に指向性を形成することができる。例えば図８に示すように、θ＝１８０度の方向に単一指向性を形成した水平方向マイク（単一指向性マイク１２Ａ、単一指向性マイク１２Ｂ、単一指向性マイク１２Ｃの合成）による音声信号に対するゲインと、垂直方向の単一指向性マイク１４Ｌの音声信号に対するゲインを同一となるようにゲイン調整すると、装置正面上側（Ｙ，Ｚ方向）に指向軸を形成することができる。

なお、単一指向性マイク１２Ａ、単一指向性マイク１２Ｂ、および単一指向性マイク１２Ｃについては、実際には筐体下面側にも感度を有するものであるため、本実施形態の収音装置では、立体方向（全球方向）に自由に指向性を形成することができる。

なお、各単一指向性マイクの上記の配列態様は、上記の例に限るものではない。例えば、図５（Ｂ）に示すような配列態様でもよい。

図５（Ｂ）は、単一指向性マイク１２Ｂおよび単一指向性マイク１２Ｃを対向させる配列の例を示している。この場合、単一指向性マイク１２Ｂの最大感度方向は、装置左面側（θ＝９０度の方向）であり、単一指向性マイク１２Ｃの最大感度方向は、放置右側（θ＝−９０度の方向）である。このように、単一指向性マイク１２Ｂおよび単一指向性マイク１２Ｃを対向させる場合であっても、任意の方向に指向性を形成することができる。図５（Ｂ）に示す例では、ゲイン調整部３１Ａ、ゲイン調整部３１Ｂ、ゲイン調整部３１Ｃの各ゲイン（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）は、以下のように設定される。

この場合、θ＝１８０度、すなわち装置正面側に単一指向性を形成する場合、指向係数ｆ＝０．５とすると、各ゲインの値は、
（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）＝（−１，１，１）
となる。このように、１つの平面上に３つ以上の複数の単一指向性マイクを配列し、各単一指向性マイクの最大感度方向を配列内側方向に向ける態様であれば、どのような配列態様であっても本発明の収音装置を実現することが可能である。

なお、上記の例では、同一平面内で３つのマイクを配列する例について説明したが、無論、同一平面内でさらに多数のマイクを配列するようにしてもよい。また、垂直方向の単一指向性マイクも１つに限らず、さらに複数備えていてもよい。例えば、上記垂直方向の単一指向性マイク１４Ｌと反対方向に指向性を有するマイクをさらに備えていてもよい。

収音装置の正面図である。 収音装置の背面図である。 収音装置の左側面図である。 収音装置の平面図である。 収音装置の音声信号処理系統の構成を示すブロック図である。 指向性制御の態様を示す概要図である。 中心位置からマイク収音面の距離を変更した時に得られる指向特性を示した図である。 上面方向の指向性制御の態様を示す概要図である。

符号の説明

１−収音装置

Claims (4)

1. 複数の単一指向性マイクロホンを有した収音装置であって、
   １つの平面上に前記複数の単一指向性マイクロホンを配列し、各単一指向性マイクロホンの感度極大の方向を配列内側方向に向け、
   各単一指向性マイクロホンの収音した音のゲインを調整する複数のゲイン調整部と、
   ゲイン調整後の音を加算する加算部と、を備え、
   前記複数の単一指向性マイクロホンは、一体成型されたマイク枠体にはめ込まれ１ユニットとして固定されている収音装置。
2. 各単一指向性マイクロホンの指向軸が１つの点でクロスするように、前記複数の単一指向性マイクロホンを、前記１つの点を中心とした円周上に配列した請求項１に記載の収音装置。
3. 前記マイク枠体は、隣接する二つの単一指向性マイクロホンを連結する連結部を有し、
   他の単一指向性マイクロホンの感度極大の方向を当該連結部に向けている
   請求項１または請求項２に記載の収音装置。
4. 前記平面上と異なる位置に、当該平面に向かう方向と反対方向に感度極大の方向を向けた垂直方向単一指向性マイクロホンをさらに配列した請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の収音装置。

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