JP5776863B2 - 音源探査用マイクロホン支持装置 - Google Patents

Description

本発明は、音源探査システムにおいて二次元のマイクロホンアレイを構築するための音源探査用マイクロホン支持装置に関する。

ビームフォーミング理論を用いた音源探査システムは、複数のマイクロホンを用いてマイクロホンアレイを構築し、それぞれのマイクロホンに入力される振幅、位相を操作し合成することで、鋭い指向性を実現し、目的方向のみの音を抽出する技術である。そして、このような音源探査システムに用いられるマイクロホンアレイとして、例えば特許文献１および特許文献２に記載されたものが提案されている。

これらの特許文献１，２に記載されたマイクロホンアレイでは、複数の放射線上にそれぞれ複数のマイクロホンを所定のピッチで配置し、結果として複数の同心円上のそれぞれにマイクロホンが位置するようにするも、複数の放射線のそれぞれが同心円の中心を指向しないように考慮したものである。これにより、音響ビームフォーミング技術では好ましいとされている疑似ランダムなマイクロホン分布を持つ円形のマイクロホンアレイとすることができる。

音源探査システムで位相を制御するにあたり、位相差を十分に確保できない場合には、音源探査をする際のビーム特性の指向性が鈍くなり、音源探査の精度が下がることになる。これは、音源探査をしたい周波数の波長に対して、アレイサイズ、マイクロホン間隔が小さい場合に起こる。一方、マイクロホン間隔を広くし、位相差を十分に確保しようとすると、逆に高周波領域では位相が３６０度以上回ってしまい、差がつきすぎてしまうことで、サイドローブレベルが上昇してしまうという問題が生じる。

言い換えるならば、上記特許文献１，２に代表されるようなマイクロホンアレイを例えば自動車の電動パワートレーンユニットの音響探査システムに適用した場合、車両では数Ｈｚ〜数ＫＨｚ程度の広い周波数のノイズが発生するため、単一サイズのマイクロホンアレイではこれらの広い周波数のノイズの音響探査には対応できないことになる。

特表２００５−５２１２８３号公報 特開２０１１−１５０５０号公報

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、円形の二次元のマイクロホンアレイを構築するにあたって、そのサイズを容易に変更可能とすることで、広い周波数の音響探査に対応できるようにした音源探査用マイクロホン支持装置を提供するものである。

本発明は、二次元のマイクロホンアレイを形成するためのマイクロホン支持装置として、リング状のフレームと、上記フレームから当該フレームの内側に向けてそのフレームの中心以外を指向するように突出形成された複数の固定式アームと、上記フレームから当該フレームの内側に向けてそのフレームの中心以外を指向するように放射状に突出し且つ上記各固定式アームと干渉することのない格納位置と、上記フレームから当該フレームの外側に向けて放射状に突出し且つその延長軸線がフレームの中心以外を指向する展開位置とに選択切換可能な複数の可動式アームと、上記フレームと各固定式アームとの交差部および各固定式アームの先端部に形成された固定側マイク取付部と、上記各可動式アームの先端部に形成された可動側マイク取付部と、を備えるものとして構成したものである。

本発明によれば、可動式アームを格納位置と展開位置とに選択的に切り換えることで、疑似ランダムなマイクロホン分布を持つ円形のマイクロホンアレイのサイズを変更して、いわゆるスモールサイズのマイクロホンアレイとラージサイズのマイクロホンアレイのいずれも実現することができるため、一台のマイクロホン支持装置で広範囲にわたる周波数の音源探査に対応することができる。

本発明に係るマイクロホン支持装置の好ましい実施の形態を示す図で、スモールサイズのマイクロホンアレイを形成するべく格納状態としたマイクロホン支持装置の斜視図。 ラージサイズのマイクロホンアレイを形成するべく展開状態としたマイクロホン支持装置の斜視図。 図１，２に示した固定式アームを含むリング状のフレームの詳細を示す正面説明図。 図３に示したフレームに適用される可動式アームを詳細を示す図で、（Ａ）は底面図、（Ｂ）は正面図。 図３に示したフレームに適用されるマイクホルダーを詳細を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は底面図。 図２に示した展開状態のマイクロホン支持装置においてマイクロホンを装着した状態を示す要部拡大図。 図１，２に示したスタンドの詳細を示す図で、（Ａ）は正面、（Ｂ）は側面図。 （Ａ）は図１の格納状態のマイクロホン支持装置によって構築されるスモールサイズのマイクロホンアレイを示す説明図、（Ｂ）は図２の展開状態のマイクロホン支持装置によって構築されるラージサイズのマイクロホンアレイを示す説明図。

図１，２は本発明に係る音源探査用マイクロホン支持装置を実施するためのより具体的な形態を示す図で、図１は二次元の円形のマイクロホンアレイとして、スモールサイズ（小径）のマイクロホンアレイを構築するために、マイクロホン支持装置を格納（非展開）した状態を示していて、同様に図２は二次元の円形のマイクロホンアレイとして、ラージサイズ（大径）のマイクロホンアレイを構築するために、マイクロホン支持装置を展開した状態を示している。

図１，２に示したマイクロホン支持装置１は円形リング状のフレーム２を主要素として構成され、このフレーム２はスタンド３に着脱可能に支持されるとともに、そのスタンド３の基部１８が図示しない三脚等に固定支持される。

フレーム２は所定幅寸法のアルミニウム合金製のものであり、図３に示すように、フレーム２の円周方向の８等分位置には当該フレーム２の内周側に向けてそれぞれに固定式アーム４を放射状に一体的に突出形成してある。そして、それぞれの固定式アーム４の先端部は極太化することで円筒状のソケット４ａとしてある。また、それぞれの固定式アーム４は放射状のものではあっても、その軸線がフレーム２の中心Ｃを指向することがないように、言い換えるならば各固定式アーム４の軸線がフレーム２の中心Ｃと交差することがないように、各固定式アーム４の軸線がフレーム２側の接線（後述するように、固定式アーム４の根元部の取付穴５の中心を通る接線）Ｆに対して時計回り方向で鋭角θをなすように同一方向に傾斜させて配置してある。この角度θは各固定式アーム４ごとに統一してあっても良く、相互に異なっていても良い。

そして、それぞれの固定式アーム４とフレーム２との交差部（固定式アーム４の根元部）も固定式アーム４の先端部と同様に極太のソケット部２ａとなっている。これらのソケット部２ａは固定式アーム４側のソケット部４ａとともに固定側マイク取付部となっていて、その固定側マイク取付部として円形の取付穴５をそれぞれに形成してある。

また、フレーム２のうち固定式アーム４同士の間であって且つそれらの固定式アーム４と干渉しない円周方向の８等分位置には、可動式アーム取付部としてその内外周面には四角形の内側取付座６ａと外側取付座６ｂとを互いに対向するように形成してあるとともに、それらの内外周の内側取付座６ａと外側取付座６ｂとを貫通する円形の貫通穴７を形成してある。

そして、後述するように、スモールサイズのマイクロホンアレイを構築するべくマイクロホン支持装置１を図１の格納（非展開）状態とする際には、それぞれの内側取付座６ａに対して、図４に示す可動式アーム８が着脱可能に装着される。逆に、ラージサイズのマイクロホンアレイを構築するべくマイクロホン支持装置１を図２の展開状態とする際には、それぞれの外側取付座６ｂに対して、図４に示す可動式アーム８が着脱可能に装着される。

図４は上記可動式アーム８の詳細を示している。この可動式アーム８はリング状のフレーム２と同じアルミニウム合金製のもので、その全長が固定式アーム４よりも大きく形成されているとともに、先端部には極太化した円筒状のソケット部８ａが可動式アーム８自体の軸線方向に沿って二つ並べて形成されている。それらのソケット部８ａには可動側マイク取付部として二つの円形の取付穴９を所定のピッチで並べて形成してある。また、可動式アーム８の根元部は、先に述べたフレーム２側の内側取付座６ａおよび外側取付座６ｂに装着する際の着座フランジ部１０となっていて、その着座フランジ部１０には内側取付座６ａおよび外側取付座６ｂに着座可能な四角形の座面１０ａを形成してあるとともに、フレーム２側の貫通穴７（図３参照）に挿入可能な軸部１１を形成してある。軸部１１にはＯリング１２を装着してある。

そして、スモールサイズのマイクロホンアレイを構築するべくマイクロホン支持装置１を図１の格納（非展開）状態とする際には、フレーム２側のそれぞれの内側取付座６ａに対して、図４に示す可動式アーム８の根元部の着座フランジ部１０の座面１０ａを着座させながら、Ｏリング１２付きの軸部１１を内側取付座６ａ側の貫通穴７に挿入する。これにより、各可動式アーム８はＯリング１２の圧縮変形力をもって所定位置に保持されることになる。

逆に、ラージサイズのマイクロホンアレイを構築するべくマイクロホン支持装置１を図２の展開状態とする際には、フレーム２側のそれぞれの外側取付座６ｂに対して、図８に示す可動式アーム８の根元部の着座フランジ部１０の座面１０ａを着座させながら、Ｏリング１２付きの軸部１１を外側取付座６ｂ側の貫通穴７に挿入する。これにより、各可動式アーム８はＯリング１２の圧縮変形力をもって所定位置に保持されることになる。

この場合において、フレーム２側の内側取付座６ａに可動式アーム８を装着した場合、および外側取付座６ｂに可動式アーム８を装着した場合のいずれの場合でも、可動式アーム８の軸線または延長軸線がフレーム２の中心Ｃ（図３参照）を指向することがないように、言い換えるならば各可動式アーム８の軸線がフレーム２の中心Ｃと交差することがないように、フレーム２側の内側取付座６ａおよび外側取付座６ｂの向きを予め微妙に調整してある。なお、フレーム２に対する各可動式アーム８の保持力は、先に述べたようにＯリング１２の圧縮変形力に依存しているので、可動式アーム８の脱着に際しては特別な工具等を用いる必要はない。

ここで、リング状のフレーム２とそれぞれの固定式アーム４との交差部および各固定式アーム４の先端には固定側マイク取付部として円形の取付穴５をそれぞれに形成してあり、同様に可動式アーム８の先端部には可動側マイク取付部として二つの円形の取付穴９を所定のピッチで並べて形成してあることは先に述べたとおりである。

すわわち、固定側マイク取付部としての取付穴５および可動側マイク取付部としての取付穴９に直接マイクロホンを取り付けることも可能ではあるが、本実施の形態では、図５，６に示すように、固定側マイク取付部としての取付穴５および可動側マイク取付部としての取付穴９にそれぞれエクステンションバーとして樹脂材料製で棒状のマイクホルダー、例えばポリアセタール製のマイクホルダー１３の挿入基部１３ａを挿入支持させ、そのマイクホルダー１３の先端に所定のマイクロホン１４を同軸状に装着するようにしてある。このマイクホルダー１３は固定側マイク取付部としての取付穴５および可動側マイク取付部としての取付穴９への装着状態では、その軸線がリング状のフレーム２の軸心と平行となるように設定されている。

なお、図６はラージサイズのマイクロホンアレイを構築するべくマイクロホン支持装置１を図２の展開状態とした場合の要部拡大図を示していて、図面の錯綜化を避けるために、固定側マイク取付部としての取付穴５に装着されるマイクロホン１４の図示を省略している。

図７は図１，２に示したスタンド３の詳細を示している。基部１８を有するスタンド本体１５の上下二箇所には受けフランジ部１６，１７が突出形成されていて、これらの受けフランジ部１６，１７をリング状のフレーム２に内接させることでフレーム２を支持することになる。また、スタンド本体１５のうち当該スタンド本体１５が支えたフレーム２の中心と一致する位置には取付穴１９を形成してある。この取付穴１９には音源を可視化するための撮像手段として所定のブラケットを介してカメラが装着されることになるが、ここでは図示省略してある。

ここで、上記それぞれの可動式アーム８についてはリング状のフレーム２に対して着脱可能としているが、格納展開可能な構造としては必ずしもこの構造に限定されない。例えば、それぞれの可動式アーム８をリング状のフレーム２の接線相当部を回転中心として旋回可能な構造として、これらの可動式アーム８の旋回動作によって格納展開可能な構造としても良い。

したがって、このように構成されたマイクロホン支持装置１によれば、スモールサイズ、例えばφ３００ｍｍ程度の３２個のマイクロホンを用いたマイクロホンアレイを構築するべくマイクロホン支持装置１を格納（非展開）状態とする際には、フレーム２側のそれぞれの内側取付座６ａに対して、それぞれに図４に示す可動式アーム８が装着されることになるので、図１の状態となる。他方、ラージサイズ、例えばφ５００ｍｍ程度の３２個のマイクロホンを用いたマイクロホンアレイを構築するべくマイクロホン支持装置１を展開状態とする際には、フレーム２側のそれぞれの外側取付座６ｂに対して、図４に示す可動式アーム８が装着されることになるので、図２の状態となる。

ぞして、マイクロホン支持装置１が格納状態であるか展開状態であるかにかかわらず、図６に示すように、固定側マイク取付部である取付穴５および可動側マイク取付部である取付穴９にはもマイクホルダー１３を介してそれぞれにマイクロホン１４が装着される。

図８の（Ａ）は上記マイクロホン支持装置１によって構築されたスモールサイズのマイクロホンアレイを、同図（Ｂ）は同じくラージサイズのマイクロホンアレイをそれぞれに示している。

図８の（Ａ）に示すスモールサイズのマイクロホンアレイでは、図１の格納状態に対応していて、フレーム２そのもののほか固定式アーム４および格納状態とされた可動式アーム８にそれぞれに装着された多数のマイクロホン１４によって、リング状のフレーム２そのものを最大円とする四つの同心円上に多数のマイクロホン１４が配置されている。この場合において、先に述べたように、各固定式アーム４および各可動式アーム８の軸線がリング状のフレーム２の中心を指向することがないように予め調整してあるので、フレーム２の中心から径方向に放射状に延びる軸線上にマイクロホン１４が配置されることなく微妙にずれた配置となることで、サイドローブレベルを低減させ、探査精度の向上に寄与できることになる。

その一方、図８の（Ｂ）に示すスモールサイズのマイクロホンアレイでは、図２の展開状態に対応していて、フレーム２そのもののほか固定式アーム４および展開状態とされた可動式アーム８にそれぞれ装着された多数のマイクロホン１４によって、各可動式アーム８の先端を最大円とする四つの同心円上に多数のマイクロホン１４が配置されている。この場合において、各固定式アーム４および各可動式アーム８の軸線がリング状のフレーム２の中心を指向することがないように予め調整してあることはスモールサイズの場合と同様であるので、スモールサイズの場合と同等の探査レベルを実現できることが確認できた。

したがって、本実施の形態では、スモールサイズのマイクロホンアレイであるかラージサイズのマイクロホンアレイであるかを問わずに、全体として精度の高い音源探査が可能であることはもちろんのこと、マイクロホンアレイのサイズを選択的に切り換えることで一段と広い周波数範囲での音源探査が可能となる。

すなわち、本実施の形態によれば、スモールサイズのマイクロホンアレイとした場合に、サイドローブレベルにおいてゲインレベルが低く、きわめて好適であることが確認できた。また、ラージサイズのマイクロホンアレイとした場合に、特に低周波領域で指向特性の鋭いビームが構築できていることが確認できた。

また、樹脂材料製のマイクホルダー１３を併用することで、固定式アーム４や可動式アーム８を含む金属製のフレーム２と各マイクロホン１４との間の絶縁を図り、ノイズに対してより強い構造のものとすることができる。

Claims (6)

1. 音源探査のための二次元のマイクロホンアレイを形成するべく複数のマイクロホンを支持するための支持装置であって、
   リング状のフレームと、
   上記フレームから当該フレームの内側に向けてそのフレームの中心以外を指向するように突出形成された複数の固定式アームと、
   上記フレームから当該フレームの内側に向けてそのフレームの中心以外を指向するように放射状に突出し且つ上記各固定式アームと干渉することのない格納位置と、上記フレームから当該フレームの外側に向けて放射状に突出し且つその延長軸線がフレームの中心以外を指向する展開位置とに選択切換可能な複数の可動式アームと、
   上記フレームと各固定式アームとの交差部および各固定式アームの先端部に形成された固定側マイク取付部と、
   上記各可動式アームの先端部に形成された可動側マイク取付部と、
   を備えている音源探査用マイクロホン支持装置。
2. 上記各可動式アームは、格納位置と展開位置との選択切り換えに対応可能なようにフレームに対し着脱可能に構成されている請求項１に記載の音源探査用マイクロホン支持装置。
3. 上記各可動式アームの先端部にはその軸線方向に沿って二つの可動側マイク取付部が並設されている請求項２に記載の音源探査用マイクロホン支持装置。
4. 上記各固定式アームは、フレームの接線に対して鋭角をなして同一方向に傾斜している請求項３に記載の音源探査用マイクロホン支持装置。
5. 上記固定側マイク取付部および可動側マイク取付部には、フレームの軸心と平行なマイクホルダーがそれぞれに着脱可能に装着されていて、
   そのマイクホルダーの先端部にマイクロホンが装着されるようになっている請求項４に記載の音源探査用マイクロホン支持装置。
6. 上記フレーム、固定式アームおよび可動式アームのそれぞれが金属製のものであるのに対して、上記マイクホルダーが樹脂材料製のものである請求項５に記載の音源探査用マイクロホン支持装置。

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