JP6661118B2 - 音響レンズおよび収音装置 - Google Patents

Description

本発明は、音源からの音をマイクロホン装置に導く音響レンズおよび前記音響レンズを使用した収音装置に関する。

雑音が存在する環境下で、音声などを収音する技術として、以下の特許文献１，２に記載の技術が従来公知である。
特許文献１（特許第３９２９８６３号公報）には、３つ以上のマイクロホンを３次元空間のｘｙ平面上に原点から等しい距離に配置したマイクロホンアレーにおいて、各マイクロホンの受信信号の遅延時間の差が０となるように補正することで、マイクロホンアレーに対する音源の方向が一定に保って、雑音を低減する技術が記載されている。

特許文献２（特開２０００−２６１８８１号公報）には、無指向性のユニットマイクロホン（２，３１１〜３２５）が一直線上に配列されたマイクロホンアレイ（１）において、各ユニットマイクロホン（３１１〜３２５）に対応して増幅器（４１１〜４２５）を設け、増幅器（４１１〜４２５）の出力を加算器（５）で加算し、１次マイクロホン（２）の出力から加算器（５）の出力を減算器（６）で減算することで、１次マイクロホン（２）と、複数のユニットマイクロホン（３１１〜３２５）からなる２次マイクロホン（３）との感度特性の差を求める構成が記載されている。特許文献２に記載のマイクロホンアレイ（１）では、近距離では感度の差があるが、遠距離では感度が近似することを利用して、近距離に音源が存在する場合には、感度よく音を収音し、ある距離以上離れた場合には、感度が低い。

特許第３９２９８６３号公報（「０００２」、「００１２」、「００３５」） 特開２０００−２６１８８１号公報（「００１５」〜「００２２」）

（従来技術の問題点）
特許文献１に記載の技術のように、特定の方向からの音を捉えやすくする構成、いわゆる、指向性のマイクロホンアレイでは、目的の音源と同じ方向に雑音の音源が存在する場合、目的の音源のみを収音することが困難であるという問題がある。
また、特許文献２に記載の技術のように、マイクロホンアレイと信号処理とによって、特定の音のみを抽出する場合、計算コスト、計算能力が必要となり、リアルタイムでの実装が困難である問題もある。

本発明は、指向性のマイクロホンや信号処理を行う構成に比べて、雑音が存在する環境下において目的の音を収音する精度を向上させることを技術的課題とする。

前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明の音響レンズは、
音を電気信号に変換するマイクロホン装置と音源との間に配置された音響レンズであって、
前記音源からの音波が導入される複数の開口と、
前記各開口と前記マイクロホン装置との間を接続する複数の導波管と、
を備え、
前記複数の開口は、平面状の端面に形成され、前記端面の中央部に配置された第１の開口と、前記第１の開口に対して端面の外側に配置された第２の開口と、を有し、
前記複数の導波管は、前記第１の開口に接続された第１の導波管と、前記第２の開口に接続された第２の導波管とを有し、
前記第１の開口に対して前記端面の法線上に配置された前記音源から前記マイクロホン装置までの音波の経路長が一致するように、前記音源から前記第２の開口と前記音源から前記第１の開口までの距離との差に応じて、前記第２の導波管の長さが、前記第１の導波管の長さよりも短く形成されることで、前記音源から前記各開口までの距離に応じて前記導波管の長さが設定された
ことを特徴とする。

前記技術的課題を解決するために、請求項２に記載の発明の収音装置は、
音を電気信号に変換するマイクロホン装置と、
前記マイクロホン装置と音源との間に配置された音響レンズであって、前記音源からの音波が導入される複数の開口と、前記各開口と前記マイクロホン装置との間を接続する複数の導波管と、を有し、前記複数の開口は、平面状の端面に形成され、前記端面の中央部に配置された第１の開口と、前記第１の開口に対して端面の外側に配置された第２の開口と、を有し、前記複数の導波管は、前記第１の開口に接続された第１の導波管と、前記第２の開口に接続された第２の導波管とを有し、前記第１の開口に対して前記端面の法線上に配置された前記音源から前記マイクロホン装置までの音波の経路長が一致するように、前記音源から前記第２の開口と前記音源から前記第１の開口までの距離との差に応じて、前記第２の導波管の長さが、前記第１の導波管の長さよりも短く形成されることで、前記音源から前記各開口までの距離に応じて前記導波管の長さが設定されことを特徴とする音響レンズと、
を備えたことを特徴とする。

請求項１，２に記載の発明によれば、指向性のマイクロホンや信号処理を行う構成に比べて、雑音が存在する環境下において目的の音を収音する精度を向上させることができる。
また、請求項１，２に記載の発明によれば、第１の開口から端面の法線上にある音源からの音は各導波管を通過すると増幅され、雑音は各導波管を通過した後に合成されると減衰されやすくなり、音源からの目的の音を効率的に収音できる。

図１は本発明の実施例１の収音装置の全体図である。 図２は実施例１の音響レンズの説明図であり、図２Ａは外観図、図２Ｂは導波管部分の説明図である。 図３は実施例１の収音装置の導波管部分の概念説明図である。 図４は実施例１の導波管の入口部分の説明図である。 図５は実施例２の音響レンズの開口部分の説明図である。 図６は実施例２の音響レンズの導波管の部分の説明図であり、図６Ａは斜め上方から見た図、図６Ｂは斜め下方から見た図である。 図７は実施例３の収音装置の説明図である。

次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例（以下、実施例と記載する）を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

図１は本発明の実施例１の収音装置の全体図である。
図２は実施例１の音響レンズの説明図であり、図２Ａは外観図、図２Ｂは導波管部分の説明図である。
図１において、本発明の実施例１の収音装置１は、音源２に対して間隔をあけて配置された音響レンズ３を有する。図１、図２において、実施例１の音響レンズ３は、音源２に対向する平面状の第１の端面４を有する。第１の端面４は円形状に形成されている。また、音響レンズ３は、全体として、頂点が切除された円錐状、いわゆる切頂円錐状に形成されている。したがって、音響レンズ３は、音源２側の第１の端面４に対して、音源２とは反対側の第２の端面６に行くに連れて細くなる錐状に形成されている。

第１の端面４には、複数の開口１１が形成されている。実施例１では、第１の端面４の中央部に第１の開口１１ａが形成されている。また、第１の開口１１ａの外側には、第１の開口１１ａを囲むように６つの第２の開口１１ｂが形成されている。さらに、第２の開口１１ｂの外側には、第２の開口１１ｂを囲むように６つの第３の開口１１ｃが形成されている。実施例１では、開口１１は円形状に形成されている。また、実施例１では、第１の開口１１ａと第２の開口１１ｂは同一径の円形状に形成され、第３の開口１１ｃは、第１の開口１１ａおよび第２の開口１１ｂに比べて大径の円形状に形成されている。

図３は実施例１の収音装置の導波管部分の概念説明図である。
図２、図３において、第２の端面６の内側には、マイクロホン装置１２が収容されている。マイクロホン装置１２は、配線１３を介して、処理装置の一例としてのパーソナルコンピュータＰＣに接続されている。パーソナルコンピュータＰＣは、マイクロホン装置１２が収音した音声信号を音声データとして記録する。なお、処理装置は、パーソナルコンピュータＰＣに限定されず、例えば、音楽レコーダ等の録音機器を使用可能である。

各開口１１（１１ａ〜１１ｃ）と、マイクロホン装置１２との間は、導波管（伝声管）２１で接続されている。図２、図３において、第１の開口１１ａとマイクロホン装置１２とは第１の導波管２１ａで接続されている。また、第２の開口１１ｂのそれぞれとマイクロホン装置１２とは第２の導波管２１ｂで接続されている。さらに、第３の開口１１ｃのそれぞれとマイクロホン装置１２とは第３の導波管２１ｃで接続されている。
図２において、第３の導波管２１ｃは、第３の開口１１ｃからマイクロホン装置１２に向けて直線状の管路で構成されている。また、第２の導波管２１ｂは、第２の開口１１ｂからマイクロホン装置１２に対して、一度外側に張りだした後に、途中で屈曲してマイクロホン装置１２に向かう管路により構成されている。したがって、第２の導波管２１ｂの長さは、第３の導波管２１ｃに比べて長く構成されている。また、第１の導波管２１ａは、第１の開口１１ａからマイクロホン装置１２に対して、第２の導波管２１ｂおよび第３の導波管２１ｃにより囲まれた内側の空間において、２回屈曲してマイクロホン装置１２に向かう管路により構成されている。したがって、第１の導波管２１ａは、第２の導波管２１ｂに比べて長く構成されている。

図３において、実施例１の第１の導波管２１ａ〜第３の導波管２１ｃの長さは、音源２からマイクロホン装置１２までの音波の経路長が一致するように設定されている。実施例１では、第１の開口１１ａの中心に対して、第１の端面４の法線４ａ上に音源２が存在する場合において、第１の開口１１ａと音源２までの距離Ｌ１を予め設定すると、第２の開口１１ｂと音源２との距離は、Ｌ１＋Ｌ２となり、第３の開口１１ｃと音源２との距離は、Ｌ１＋Ｌ３となる。したがって、第１の導波管２１ａの管路の経路長をＬ４とした場合に、音源２からマイクロホン装置１２までの経路長Ｌ１＋Ｌ４に基づいて、第２の導波管２１ｂの経路長は、Ｌ４−Ｌ２となるように設定され、第３の導波管２１ｃの経路長は、Ｌ４−Ｌ３となるように設定される。

図４は実施例１の導波管の入口部分の説明図である。
図４において、実施例１では、各導波管２１ａ〜２１ｃの入口部分は、内表面２２の断面が内部に行くに連れて、指数関数の曲線に沿って構成されている。すなわち、音源２に接近、離間する方向をＸ軸とし、第１の端面４に沿った方向をＹ軸とした場合に、ｙ＝ｅｘｐ（ｘ）の曲線に沿った内表面２２に形成されている。
なお、実施例１の音響レンズ３は、樹脂製であり、市販の３Ｄプリンタにより作製したが、これに限定されない。例えば、音響レンズ３を２つ以上に分割して、導波管２１ａ〜２１ｃを切削加工や型抜きで形成して接合して作製することも可能である。なお、材料も樹脂に限定されず、金属で構成することも可能である。さらに、音響レンズ３は、切頂円錐状に構成したが、これに限定されず、切頂六角錐等の多角錐状にしたり、円柱状、多角柱状等、任意の外形形状とすることも可能である。

（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１の収音装置１では、音響レンズ３から予め設定された距離（特定の距離）Ｌ１離れた位置の音源２からの音は、第１の導波管２１ａ、第２の導波管２１ｂ、第３の導波管２１ｃを通じてマイクロホン装置１２に導かれる。このとき、各導波管２１ａ〜２１ｃを通過した音波は、経路長が同一となるため、マイクロホン装置１２の位置では、同位相の波が合成される。よって、音源２からの音は、増幅されて、マイクロホン装置１２で収音される。ここで、法線４ａ上であり且つ音源２とは異なる位置、すなわち、音源２よりも音響レンズ３に近い位置または遠い位置にある雑音源からの音波では、第１の開口１１ａに対する第２の開口１１ｂ、第３の開口１１ｃまでの各経路差が、Ｌ２，Ｌ３とは異なる。したがって、雑音源からマイクロホン装置１２までの経路長が、各導波管２１ａ〜２１ｃを通過する際に異なり、マイクロホン装置１２では、位相の異なる波が合成されやすい。したがって、雑音源からの音は、増幅はされにくく、減衰されてマイクロホン装置１２で収音されやすい。また、法線４ａ上ではない雑音源からの雑音も、各開口１１ａ〜１１ｃまでの経路差がＬ２，Ｌ３とは異なる。よって、マイクロホン装置１２において、雑音が減衰されて収音されやすい。

指向性マイクロホン装置を使用する場合は、音源２と同じ方向（法線４ａ上）に雑音源が存在する場合に、雑音も収音されるが、実施例１の収音装置１では、音源２と同じ方向に雑音源が存在する場合でも、音源２の音が増幅され、雑音（音源２以外からの音）が減衰された状態で収音される。また、実施例１では、音響レンズ３を音が通過する際に目的の音（音源２からの音）が増幅されるとともに雑音（音源２以外からの音）が減衰されて、マイクロホン装置１２で収音される。したがって、収音された音の信号に対して信号処理を行う必要がなく、計算処理を行うための回路や装置も必要なく、計算処理のための時間的な遅延も無い。よって、指向性マイクロホンを使用する場合や信号処理を行う場合に比べて、実施例１の収音装置１は、雑音が存在する環境下において目的の音（音源２からの音）を収音する精度を向上させることができる。

したがって、例えば、自動車において、運転者の位置を音源２の位置に合わせた音響レンズ３を使用することで、同乗者の発言やラジオ等の音、空調の音等を減衰させつつ運転者の発言のみを効率的に収音することができる。よって、雑音が低減された状態で運転者の発言の音声認識の精度が向上しやすく、ハンズフリー通話やカーナビゲーションの操作の音声指示等の精度も向上させることが可能である。
また、例えば、会議場において、演壇の位置を音源２の位置に合わせた音響レンズ３を使用することで、会議場の観覧者の発言や入退出時の音等を減衰させつつ、演壇での発表者（特定の人）の発言のみを効果的に収音することが可能である。他にも、例えば、野球場において、ホームベースの位置を音源２の位置に合わせた音響レンズ３を使用することで、観客の歓声を減衰させつつバットで球を打つ音を収音させることが可能である。

また、実施例１では、開口１１ａ〜１１ｃの入口部分の内表面２２が、指数関数の曲線にそって構成されている。したがって、開口１１ａ〜１１ｃに到達した音波が導波管２１ａ〜２１ｃの内部に案内されやすくなっている。よって、指数関数の曲線に沿って内表面２２が構成されていない場合に比べて、目的の音を収音する効率、精度を向上させることが可能である。
さらに、実施例１では、導波管２１ａ〜２１ｃは、３種類の長さを有している。導波管の種類が多いほうが、合成可能な波の種類（経路差（時間差）の異なる波の種類）が多くなり、マイクロホン装置１２の位置における波の合成の効果（目的の音の増幅および雑音の減衰の効果）が期待できる。よって、２種類しか無い場合に比べて、実施例１の音響レンズ３では、波の合成の効果が期待できる。なお、導波管の種類（長さの違い）は、前述のように多いほうが望ましく、実施例１のように３種類に限定されず、４種類以上とすることも可能である。なお、導波管の種類が多くなると、３次元空間において、導波管を配置、設計することが困難になり、音響レンズ３が大型化する恐れもあるため、音響レンズ３の大きさと種類の数とのバランスが必要となる。よって、音響レンズ３の大きさを小型化するために、導波管の種類は２種類とすることも可能である。

なお、実施例１では、外側の開口１１ｃが、内側の開口１１ａ，１１ｂよりも大きく形成されており、開口１１ａ〜１１ｃの大きさが同一の場合に比べて、第３の開口１１ｃの中心が、第２の開口１１ｂの中心よりも離れやすい。したがって、開口１１ａ〜１１ｃの大きさが同一の場合に比べて、音源２から第１の開口１１ａまでの経路と、音源２から第３の開口１１ｃまでの経路との経路差Ｌ３が大きくなりやすく、音源２から第２の開口１１ｂまでの経路と音源２から第３の開口１１ｃまでの経路との経路差Ｌ３−Ｌ２も大きくなりやすい。経路差が大きくなると、合成される音波の位相差が大きくなり、位相差（経路差）補正が行われていない音波は合成時に減衰されやすくなる。一方、位相差補正が行われ、同相加算される音波は増幅される。よって、雑音の音波は、位相差が大きくなって減衰されやすくなり、目的の音の音波が選択的に増幅されやすくなる。したがって、実施例１では、開口の大きさが同一の場合に比べて、目的の音を収音する精度を向上させることができる。

図５は実施例２の音響レンズの開口部分の説明図である。
図６は実施例２の音響レンズの導波管の部分の説明図であり、図６Ａは斜め上方から見た図、図６Ｂは斜め下方から見た図である。
図５、図６において、実施例２の音響レンズ３′は、実施例１の音響レンズ３と異なり、すべての開口１１ａ′〜１１ｃ′が六角形状、且つ、同一形状に形成されている。また、第１の導波管２１ａ′および第２の導波管２１ｂ′は、第１の開口１１ａ′の中心を軸とする螺旋状に形成されている。さらに、第３の導波管２１ｃ′は、音源２から離れる方向に延びた後にマイクロホン装置１２に向けて屈曲する形状の管２１ｃ１と、上部が第１の開口１１ａ′の中心を軸とする螺旋状且つ下部がマイクロホン装置１２に向けて直線状に延びる管２１ｃ２とが交互に配置されている。なお、各導波管２１ａ′〜２１ｃ′の長さは、実施例１と同様に構成されている。

（実施例２の作用）
前記構成を備えた実施例２の音響レンズ３′では、実施例１と同様に、予め設定された特定の距離Ｌ１の音が増幅され、且つ、その他の位置の音が減衰されやすい。よって、雑音が存在する環境下において、目的の音を収音する精度を向上させることができる。

図７は実施例３の収音装置の説明図である。
図７において、実施例３の収音装置１″では、音響レンズ３は、第１の端面４が音源２に対向せず、反対側を向いている。そして、音響レンズ３を挟んで、音源２の反対側には、距離変更部材の一例としての反射板３１が配置されている。反射板３１は、放物面状に形成されている。そして、反射板３１の放物面の焦点の位置に対応して、音響レンズ３が配置されている。

（実施例３の作用）
前記構成を備えた実施例３の収音装置１″では、音源２で発生した音は、放物面状の反射板３１で反射され、音響レンズ３の位置に向けて集束される。よって、反射板３１を使用すると、音響レンズ３に向けて音が集束されやすいので、集束されない場合に比べて、目的の音を収音する効果が大きくなることが期待できる。また、音源２との距離に合わせた曲率の放物面を選択することで、音響レンズ３の構成（距離Ｌ１）を変えなくても、任意の位置の音源２の音を収音することが可能である。さらに、距離Ｌ１が異なる音響レンズ３と曲率の異なる反射板３１との組み合わせにより、任意の位置の音源２の音を効率的に収音することも可能である。

（変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ01）〜（Ｈ04）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例では、例示した具体的な数値は、例示した数値に限定されず、設計や仕様等に応じて適宜変更可能である。例えば、音源２までの距離Ｌ１は、任意に設定可能である。
（Ｈ02）前記実施例において、マイクロホン装置１２に対して１つの音響レンズ３を使用する構成を例示したが、これに限定されない。例えば、マイクロホン装置１２と音源２との間に、複数の音響レンズを多段に配置して、１段目の音響レンズで経路差の一部除去し、２段目、３段目、…の音響レンズのすべてを利用して経路差を除去することで、目的の音を効率的に収音する構成とすることも可能である。

（Ｈ03）前記実施例において、反射板の形状をパラボラ状とすることを例示したが、これに限定されない。音響レンズ３との組あわせで最適な反射面とすることが可能であり、例えば、６次非球面や楕円面等に変更することも可能である。
（Ｈ04）前記実施例において、第１の端面４が平面状の構成を例示したが、これに限定されない。凹面状や凸面状、凸球面状、凹球面状等、任意に変更可能である。なお、第１の端面４の形状に応じて、導波管の長さも調整可能であり、例えば、第１の端面４の形状で経路差が除去される場合、導波管の長さがすべて同一の音響レンズとすることも不可能ではない。

１…収音装置、
２…音源、
３…音響レンズ、
４…端面、
１１…開口、
１１ａ…第１の開口、
１１ｂ…第２の開口、
１２…マイクロホン装置、
２１…導波管、
２１ａ…第１の導波管、
２１ｂ…第２の導波管、
Ｌ１，Ｌ１＋Ｌ２，Ｌ１＋Ｌ３…音源から各開口までの距離、
Ｌ１＋Ｌ４…経路長、
Ｌ４，Ｌ４−Ｌ２，Ｌ４−Ｌ３…導波管の長さ。

Claims (2)

1. 音を電気信号に変換するマイクロホン装置と音源との間に配置された音響レンズであって、
   前記音源からの音波が導入される複数の開口と、
   前記各開口と前記マイクロホン装置との間を接続する複数の導波管と、
   を備え、
   前記複数の開口は、平面状の端面に形成され、前記端面の中央部に配置された第１の開口と、前記第１の開口に対して端面の外側に配置された第２の開口と、を有し、
   前記複数の導波管は、前記第１の開口に接続された第１の導波管と、前記第２の開口に接続された第２の導波管とを有し、
   前記第１の開口に対して前記端面の法線上に配置された前記音源から前記マイクロホン装置までの音波の経路長が一致するように、前記音源から前記第２の開口と前記音源から前記第１の開口までの距離との差に応じて、前記第２の導波管の長さが、前記第１の導波管の長さよりも短く形成されることで、前記音源から前記各開口までの距離に応じて前記導波管の長さが設定された
   ことを特徴とする音響レンズ。
2. 音を電気信号に変換するマイクロホン装置と、
   前記マイクロホン装置と音源との間に配置された音響レンズであって、前記音源からの音波が導入される複数の開口と、前記各開口と前記マイクロホン装置との間を接続する複数の導波管と、を有し、前記複数の開口は、平面状の端面に形成され、前記端面の中央部に配置された第１の開口と、前記第１の開口に対して端面の外側に配置された第２の開口と、を有し、前記複数の導波管は、前記第１の開口に接続された第１の導波管と、前記第２の開口に接続された第２の導波管とを有し、前記第１の開口に対して前記端面の法線上に配置された前記音源から前記マイクロホン装置までの音波の経路長が一致するように、前記音源から前記第２の開口と前記音源から前記第１の開口までの距離との差に応じて、前記第２の導波管の長さが、前記第１の導波管の長さよりも短く形成されることで、前記音源から前記各開口までの距離に応じて前記導波管の長さが設定されことを特徴とする音響レンズと、
   を備えたことを特徴とする収音装置。

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