JP6982966B2 - Sound source exploration device - Google Patents

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Description

本発明は、音源探査装置に関する。 The present invention also relates to the sound source exploration equipment.

従来、MUSIC(Multiple Signal Classification)法を用いて、音源の到来方向を推定することが一般的に行われている。MUSIC法は、周波数推定や波源推定に用いられるアルゴリズムであり、一般的に広く知られている。 Conventionally, it is generally performed to estimate the arrival direction of a sound source by using the MUSIC (Multiple Signal Classification) method. The MUSIC method is an algorithm used for frequency estimation and wave source estimation, and is generally widely known.

例えば、MUSIC法の技術を用いて、人間との会話によるコミュニケーションを行うことを目的としたロボットが開発されている(特許文献1参照)。特許文献1に記載された発明は、マイクロホンアレイを構成する各マイクロホン間の位置関係と、マイクロホンアレイから出力される複数チャンネルの音源信号とに基づいて、MUSICアルゴリズムにより音源の方位を推定する。 For example, a robot has been developed for the purpose of communicating with humans by conversation using the technology of the MUSIC method (see Patent Document 1). The invention described in Patent Document 1 estimates the direction of a sound source by a MUSIC algorithm based on the positional relationship between the microphones constituting the microphone array and the sound source signals of a plurality of channels output from the microphone array.

特開2011−220701号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-22701

しかし、特許文献1に記載された発明では、マイクロホンの配置に関する考察がなされていなかった。その為、各マイクロホン間の位置関係により、音源の探査を行い難い方向が発生してしまったり、4π空間のあらゆる方向から到来する音源を探査できたとしても、必要以上に多くのマイクロホンを要するなどの問題があった。 However, in the invention described in Patent Document 1, no consideration has been given to the arrangement of microphones. Therefore, depending on the positional relationship between each microphone, it may be difficult to search for a sound source, or even if a sound source coming from any direction in the 4π space can be searched, more microphones than necessary are required. There was a problem.

このような観点から、本発明は、音源の到来方向を効率的に探査することができる音源探査装置を提供する。 From this point of view, the present invention provides a sound source localization equipment capable of the direction of arrival of the sound source to efficiently exploration.

前記課題を解決するため、本発明に係る音源探査装置は、MUSIC法を用いて音源の位置を探査する音源探査装置である。音源探査装置は、複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイと、前記複数のマイクロホンから音源信号を受け付け、MUSICアルゴリズムにより音源の到来方向を推定する信号処理部と、を備える。前記マイクロホンは、C80フラーレン分子構造の相似モデルにおける複数の階層に配置されることにより、半径が異なるとともに中心軸の方向に中心点をずらした複数の同心円上に各々配置されるものである。前記相似モデルに対して、前記同心円の中心軸を基準として上側の階層から昇順の番号を付し、また、同一階層の節に対して時計回りに昇順の番号を付した場合に、第一階層の一番目、三番目、四番目の節と、第二階層の一番目、三番目、四番目の節と、第五階層の一番目、五番目、七番目の節との位置に前記マイクロホンが配置され、それ以外の位置には前記マイクロホンが配置されていない。 In order to solve the above problems, the sound source search device according to the present invention is a sound source search device that searches the position of a sound source by using the MUSIC method. The sound source search device includes a microphone array composed of a plurality of microphones, and a signal processing unit that receives sound source signals from the plurality of microphones and estimates the arrival direction of the sound source by a MUSIC algorithm. By arranging the microphones in a plurality of layers in the similar model of the C80 fullerene molecular structure, the microphones are arranged on a plurality of concentric circles having different radii and shifting the center point in the direction of the central axis. When the similarity model is numbered in ascending order from the upper layer with respect to the central axis of the concentric circles, and the nodes in the same layer are numbered in ascending order clockwise, the first layer is assigned. The microphone is located at the positions of the first, third, and fourth sections, the first, third, and fourth sections of the second layer, and the first, fifth, and seventh sections of the fifth layer. The microphone is arranged, and the microphone is not arranged at any other position.

前記課題を解決するため、本発明に係る音源探査装置は、MUSIC法を用いて音源の位置を探査する音源探査装置である。音源探査装置は、複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイと、前記複数のマイクロホンから音源信号を受け付け、MUSICアルゴリズムにより音源の到来方向を推定する信号処理部と、を備える。前記マイクロホンは、C80フラーレン分子構造の相似モデルにおける複数の階層に配置されることにより、半径が異なるとともに中心軸の方向に中心点をずらした複数の同心円上に各々配置されるものである。前記相似モデルに対して、前記同心円の中心軸を基準として上側の階層から昇順の番号を付し、また、同一階層の節に対して時計回りに昇順の番号を付した場合に、第一階層の一番目、三番目、四番目の節と、第二階層の一番目、三番目、四番目の節と、第三階層の一番目、五番目、七番目の節と、第四階層の二番目、六番目、八番目の節との位置に前記マイクロホンが配置され、それ以外の位置には前記マイクロホンが配置されていない。In order to solve the above problems, the sound source search device according to the present invention is a sound source search device that searches the position of a sound source by using the MUSIC method. The sound source search device includes a microphone array composed of a plurality of microphones, and a signal processing unit that receives sound source signals from the plurality of microphones and estimates the arrival direction of the sound source by a MUSIC algorithm. By arranging the microphones in a plurality of layers in a similar model of the C80 fullerene molecular structure, the microphones are arranged on a plurality of concentric circles having different radii and shifting the center point in the direction of the central axis. When the similarity model is numbered in ascending order from the upper layer with respect to the central axis of the concentric circles, and the nodes in the same layer are numbered in ascending order clockwise, the first layer is assigned. The first, third, and fourth sections, the first, third, and fourth sections of the second layer, the first, fifth, and seventh sections of the third layer, and the second of the fourth layer. The microphone is arranged at the positions of the sixth, sixth, and eighth nodes, and the microphone is not arranged at other positions.

本発明においては、全てのマイクロホンが同一平面上に位置することがなく、マイクロホンが3次元的に配置される。その為、音源の到来方向を推定できないという問題が生じ難く、4π空間のあらゆる方向に存在する音源を探査することができる。In the present invention, not all microphones are located on the same plane, and the microphones are arranged three-dimensionally. Therefore, the problem that the arrival direction of the sound source cannot be estimated is unlikely to occur, and it is possible to search for a sound source existing in all directions in the 4π space.

本発明によれば、音源の到来方向を効率的に探査することができる。 According to the present invention, the arrival direction of the sound source can be efficiently searched.

本発明の第1実施形態に係る音源探査装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the sound source exploration apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 3次元座標系を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a three-dimensional coordinate system. 本発明の第1実施形態に係るマイクロホンアレイの構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the microphone array which concerns on 1st Embodiment of this invention. マイクロホンの配置の基準となる基準円を説明するための図であり、(a)は基準円が円錐に基づく場合を示し、(b)基準円が半球に基づく場合を示す。It is a figure for demonstrating the reference circle which becomes the reference of the arrangement of a microphone, (a) shows the case where a reference circle is based on a cone, and (b) shows the case where a reference circle is based on a hemisphere. マイクロホンの第1配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the 1st arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. マイクロホンの第2配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the 2nd arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. マイクロホンの第3配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the 3rd arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. マイクロホンの第4配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the 4th arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. 本発明の第1実施形態に係る音源探査装置の効果を説明するための図であり、(a)は本実施形態に係るマイクロホンの配置を示し、(b)は比較例としての従来のマイクロホンの配置を示す。It is a figure for demonstrating the effect of the sound source exploration apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention, (a) shows the arrangement of the microphone which concerns on this Embodiment, (b) is the conventional microphone as a comparative example. Shows the placement. 本発明の第1実施形態に係る音源探査装置の効果を説明するための図であり、(a)は本実施形態に係るマイクロホンのCRLB値を示し、(b)は比較例としての従来のマイクロホンのCRLB値を示す。It is a figure for demonstrating the effect of the sound source exploration apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention, (a) shows the CRLB value of the microphone which concerns on this embodiment, (b) is the conventional microphone as a comparative example. The CRLB value of is shown. 本発明の第2実施形態に係るマイクロホンアレイの基になるC80フラーレン分子構造の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the C80 fullerene molecular structure which is the basis of the microphone array which concerns on 2nd Embodiment of this invention. C80フラーレン分子構造の相似モデルであり、(a)は平面図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は側面図を示す。It is a similar model of the C80 fullerene molecular structure, (a) shows a plan view, (b) shows a front view, and (c) shows a side view. マイクロホンの第5配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the 5th arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. マイクロホンの第6配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the sixth arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. マイクロホンの第7配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the 7th arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. マイクロホンの第8配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the 8th arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. マイクロホンの第9配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the 9th arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. 推定実験でスピーカから放射した信号の周波数特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the frequency characteristic of the signal radiated from a speaker in an estimation experiment. 推定実験でスピーカから放出した信号の時間波形を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the time waveform of the signal emitted from a speaker in an estimation experiment. マイクロホンの第5配置パターンの推定結果を説明するための図であり、(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。It is a figure for demonstrating the estimation result of the 5th arrangement pattern of a microphone, (a) shows the estimation result of the frequency 90Hz, (b) shows the estimation result of the frequency 270Hz. マイクロホンの第6配置パターンの推定結果を説明するための図であり、(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。It is a figure for demonstrating the estimation result of the 6th arrangement pattern of a microphone, (a) shows the estimation result of the frequency 90Hz, (b) shows the estimation result of the frequency 270Hz. マイクロホンの第7配置パターンの推定結果を説明するための図であり、(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。It is a figure for demonstrating the estimation result of the 7th arrangement pattern of a microphone, (a) shows the estimation result of the frequency 90Hz, (b) shows the estimation result of the frequency 270Hz. マイクロホンの第8配置パターンの推定結果を説明するための図であり、(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。It is a figure for demonstrating the estimation result of the 8th arrangement pattern of a microphone, (a) shows the estimation result of the frequency 90Hz, (b) shows the estimation result of the frequency 270Hz. マイクロホンの第9配置パターンの推定結果を説明するための図であり、(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。It is a figure for demonstrating the estimation result of the 9th arrangement pattern of a microphone, (a) shows the estimation result of the frequency 90Hz, (b) shows the estimation result of the frequency 270Hz. マイクロホンの第10配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the tenth arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. マイクロホンの第11配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the eleventh arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. マイクロホンの第12配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the twelfth arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. マイクロホンの第13配置パターンを説明するための図であり、(a)は斜視図を示し、(b)は正面図を示し、(c)は平面図を示す。It is a figure for demonstrating the thirteenth arrangement pattern of a microphone, (a) shows the perspective view, (b) shows the front view, (c) shows the plan view. マイクロホンの第10配置パターンの推定結果を説明するための図であり、(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。It is a figure for demonstrating the estimation result of the tenth arrangement pattern of a microphone, (a) shows the estimation result of the frequency 90Hz, (b) shows the estimation result of the frequency 270Hz. マイクロホンの第11配置パターンの推定結果を説明するための図であり、(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。It is a figure for demonstrating the estimation result of the eleventh arrangement pattern of a microphone, (a) shows the estimation result of the frequency 90Hz, (b) shows the estimation result of the frequency 270Hz. マイクロホンの第12配置パターンの推定結果を説明するための図であり、(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。It is a figure for demonstrating the estimation result of the twelfth arrangement pattern of a microphone, (a) shows the estimation result of the frequency 90Hz, (b) shows the estimation result of the frequency 270Hz. マイクロホンの第13配置パターンの推定結果を説明するための図であり、(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。It is a figure for demonstrating the estimation result of the 13th arrangement pattern of a microphone, (a) shows the estimation result of the frequency 90Hz, (b) shows the estimation result of the frequency 270Hz.

以下、本発明の実施をするための形態を、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
Each figure is merely schematically shown to the extent that the present invention can be fully understood. Therefore, the present invention is not limited to the illustrated examples. In each figure, common components and similar components are designated by the same reference numerals, and duplicate description thereof will be omitted.

[第1実施形態]
(第1実施形態に係る音源探査装置の構成)
図1を参照して、第1実施形態に係る音源探査装置1の構成について説明する。音源探査装置1は、音源の到来方向を探査する装置であり、例えば、室内(4π空間)で異音が発生した場合に、異音の発生方向を推定するものである。
音源探査装置1は、主に、マイクロホンアレイ3と、A/D変換器4と、信号処理部10とを備えて構成される。信号処理部10は、CPU(Central Processing Unit)によるプログラム実行処理や、専用回路等により実現される。
[First Embodiment]
(Configuration of sound source exploration device according to the first embodiment)
The configuration of the sound source exploration device 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. The sound source exploration device 1 is a device for exploring the arrival direction of a sound source, and estimates, for example, the generation direction of an abnormal sound when an abnormal sound is generated in a room (4π space).
The sound source search device 1 mainly includes a microphone array 3, an A / D converter 4, and a signal processing unit 10. The signal processing unit 10 is realized by a program execution process by a CPU (Central Processing Unit), a dedicated circuit, or the like.

マイクロホンアレイ3は、無指向性のマイクロホンMを3次元的に複数配置したものである。マイクロホンMの数や配置方法の詳細は後記する。各々のマイクロホンMは、観測信号(音源信号を含む)をA/D変換器4に出力する。つまり、マイクロホンアレイ3は、マイクロホンMの数分だけのアナログ観測信号をA/D変換器4に出力する。
A/D変換器4は、マイクロホンアレイ3からマイクロホンMの数分のアナログ観測信号を受け付け、受けたアナログ観測信号に対してアナログ/デジタル変換を行う。そして、A/D変換器4は、デジタル観測信号を信号処理部10に出力する。
The microphone array 3 is a three-dimensional arrangement of a plurality of omnidirectional microphones M. Details of the number of microphones M and the arrangement method will be described later. Each microphone M outputs an observation signal (including a sound source signal) to the A / D converter 4. That is, the microphone array 3 outputs analog observation signals for the number of microphones M to the A / D converter 4.
The A / D converter 4 receives analog observation signals for the number of microphones M from the microphone array 3 and performs analog / digital conversion on the received analog observation signals. Then, the A / D converter 4 outputs the digital observation signal to the signal processing unit 10.

信号処理部10は、A/D変換器4からマイクロホン数分のデジタル観測信号を受け付け、MUSICアルゴリズムにより音源の到来方向を推定する。そして、信号処理部10は、音源の到来方向の推定値(水平角φ、仰角θ)を外部に出力する。
信号処理部10は、MUSICアルゴリズムにより音源の到来方向を推定することができる一般的な構成であってよい。ここでの信号処理部10は、フレーム処理部20と、FFT(Fast Fourier Transformation)21と、観測空間相関行列算出部22と、固有値分解部23と、MUSICスペクトル算出部24と、到来方向推定部25と、モデル空間相関行列記憶部30と、到来方向記憶部31とからなる。なお、ここでの信号処理部10の構成は、あくまで例示である。
The signal processing unit 10 receives digital observation signals for the number of microphones from the A / D converter 4 and estimates the arrival direction of the sound source by the MUSIC algorithm. Then, the signal processing unit 10 outputs an estimated value (horizontal angle φ, elevation angle θ) in the arrival direction of the sound source to the outside.
The signal processing unit 10 may have a general configuration capable of estimating the arrival direction of the sound source by the MUSIC algorithm. The signal processing unit 10 here includes a frame processing unit 20, an FFT (Fast Fourier Transformation) 21, an observation space correlation matrix calculation unit 22, an eigenvalue decomposition unit 23, a MUSIC spectrum calculation unit 24, and an arrival direction estimation unit. It includes 25, a model space correlation matrix storage unit 30, and an arrival direction storage unit 31. The configuration of the signal processing unit 10 here is merely an example.

フレーム処理部20は、A/D変換器4から出力されるデジタル観測信号をフレーム長でフレーム化する(例えば、1フレームは4ミリ秒)。
FFT21は、FFT処理を施し、フレーム化された各々のデジタル観測信号から観測信号ベクトルを算出する。
観測空間相関行列算出部22は、FFT21から得られた観測信号ベクトルと、過去の相関行列とに基づいて現在の観測空間相関行列を算出する。
固有値分解部23は、現在の観測空間相関行列を固有値分解し、値の大きな固有値以外の固有値に対応するノイズレベル固有ベクトルを求める。
The frame processing unit 20 frames the digital observation signal output from the A / D converter 4 by the frame length (for example, one frame is 4 milliseconds).
The FFT 21 performs FFT processing and calculates an observation signal vector from each framed digital observation signal.
The observation space correlation matrix calculation unit 22 calculates the current observation space correlation matrix based on the observation signal vector obtained from the FFT 21 and the past correlation matrix.
The eigenvalue decomposition unit 23 decomposes the current observation space correlation matrix into eigenvalues and obtains a noise level eigenvector corresponding to an eigenvalue other than a large eigenvalue.

MUSICスペクトル算出部24は、事前にモデル空間相関行列記憶部30に保存されたモデル空間相関行列と、固有値分解部23で算出したノイズレベル固有ベクトルとに基づいてMUSICスペクトルを算出する。
到来方向推定部25は、各周波数領域(ビン)で求められる推定方向を平均し、そのピーク値を最終的な到来方向推定値とする。
モデル空間相関行列記憶部30には、モデル空間相関行列が記憶される。モデル空間相関行列は、一つのマイクロホンMを基準とした各マイクロホンMの出力の位相差により得られる行列である。
到来方向記憶部31には、推定した到来方向推定値が記憶される。
The MUSIC spectrum calculation unit 24 calculates the MUSIC spectrum based on the model space correlation matrix previously stored in the model space correlation matrix storage unit 30 and the noise level eigenvector calculated by the eigenvalue decomposition unit 23.
The arrival direction estimation unit 25 averages the estimation directions obtained in each frequency domain (bin), and sets the peak value as the final arrival direction estimation value.
The model space correlation matrix is stored in the model space correlation matrix storage unit 30. The model space correlation matrix is a matrix obtained by the phase difference of the output of each microphone M with respect to one microphone M.
The arrival direction storage unit 31 stores the estimated arrival direction estimated value.

次に、マイクロホンアレイ3の構成について説明する。本実施形態のマイクロホンアレイ3は、複数個のマイクロホンMを3次元的に配置したものである。ここでの3次元的とは、全てのマイクロホンMが同一平面上に位置しないことを意味する。
ここでは、図2に示す3次元座標系を用いてマイクロホンMの配置を説明する。図2に示す3次元座標系は、4π空間の任意の点(例えば、マイクロホンアレイ3の中心)を原点Oとし、鉛直方向をz軸とし、水平方向の任意の方向(例えば、緯度方向)をx軸とし、z軸とx軸とに直交する方向(例えば、経度方向)をy軸とするものである。図中の符号「φ」は水平角であり、符号「θ」は仰角である。なお、当該3次元座標系は、説明の便宜上定めるものであり、本発明を限定するものではない。
Next, the configuration of the microphone array 3 will be described. The microphone array 3 of the present embodiment is a three-dimensional arrangement of a plurality of microphones M. Three-dimensional here means that not all microphones M are located on the same plane.
Here, the arrangement of the microphone M will be described using the three-dimensional coordinate system shown in FIG. In the three-dimensional coordinate system shown in FIG. 2, an arbitrary point in 4π space (for example, the center of the microphone array 3) is set as the origin O, the vertical direction is set as the z-axis, and an arbitrary direction in the horizontal direction (for example, the latitude direction) is set. The x-axis is used, and the direction orthogonal to the z-axis and the x-axis (for example, the longitude direction) is the y-axis. In the figure, the symbol “φ” is a horizontal angle, and the symbol “θ” is an elevation angle. The three-dimensional coordinate system is defined for convenience of explanation, and does not limit the present invention.

図3に示すように、3次元座標系には、複数個の基準円が設定されている。基準円は、マイクロホンMの配置の基準になる仮想的な図形であり、z軸上に中心が位置する円からなる。複数の基準円は、z軸方向に中心をずらした半径が異なる同心円である。基準円の数は、複数であればよく、特に限定されるものではない。ここでは、第一基準円、第二基準円および第三基準円の三つが設定されている。第一基準円は、z軸上の点Q1を中心とする半径R1の円である。第二基準円は、z軸上の点Q2を中心とする半径R2の円である。第三基準円は、z軸上の点Q3を中心とする半径R3の円である。なお、ここでの点Q3の座標は、原点Oの座標と同じである。 As shown in FIG. 3, a plurality of reference circles are set in the three-dimensional coordinate system. The reference circle is a virtual figure that serves as a reference for the arrangement of the microphone M, and is composed of a circle whose center is located on the z-axis. The plurality of reference circles are concentric circles having different radii offset in the z-axis direction. The number of reference circles may be plural, and is not particularly limited. Here, three reference circles, a first reference circle, a second reference circle, and a third reference circle are set. The first reference circle is a circle having a radius R 1 centered on the point Q 1 on the z-axis. The second reference circle is a circle having a radius R 2 centered on the point Q 2 on the z-axis. The third reference circle is a circle with a radius R 3 centered on the point Q 3 on the z-axis. Here, the coordinates of the point Q 3 are the same as the origin O coordinates.

第一基準円の中心点Q1と第二基準円の中心点Q2との距離dz12と、第二基準円の中心点Q2と第三基準円の中心点Q3との距離dz23とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。つまり、各々の基準円のz軸方向(中心軸方向)のずれ量dzは、等間隔であってもよいし、異なっていてもよい。なお、基準円のずれ量dzを広くし過ぎると高い周波数の音を発生させる音源の位置を推定するのが難しくなるので、基準円のずれ量dzの最大幅は、音源の波長によって決定されるのがよい。 First center point of the reference circle Q 1 and the distance dz 12 between the center Q 2 of the second reference circle, the distance dz 23 of the center point of the second reference circle Q 2 and the center point Q 3 of the third reference circle May be the same or different. That is, the deviation amount dz of each reference circle in the z-axis direction (central axis direction) may be evenly spaced or different. If the deviation amount dz of the reference circle is made too wide, it becomes difficult to estimate the position of the sound source that generates high frequency sound. Therefore, the maximum width of the deviation amount dz of the reference circle is determined by the wavelength of the sound source. Is good.

第一基準円の半径R1と第二基準円の半径R2との差(R1−R2)と、第二基準円の半径R2と第三基準円の半径R3との差(R2−R3)とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。各々の基準円の半径Rは、任意に設定することができ、好ましくは同じ値でないのがよい。基準円は、例えば、xy平面上に設定した円錐(図4(a)参照)や半球(図4(b)参照)を、底面(xy平面)と平行な面で切断した切断面の外周であってよい。その場合には、半径Rは、切断面の位置によって決定される。 The difference between the radius R 1 of the first reference circle and the difference between the radius R 2 of the second reference circle (R 1 -R 2), the radius R 3 of the radius R 2 of the second reference circle third reference circle ( It may be the same as or different from R 2- R 3). The radius R of each reference circle can be set arbitrarily, and preferably not the same value. The reference circle is, for example, the outer circumference of a cut surface obtained by cutting a cone (see FIG. 4 (a)) or a hemisphere (see FIG. 4 (b)) set on the xy plane on a plane parallel to the bottom surface (xy plane). It may be there. In that case, the radius R is determined by the position of the cut surface.

図3に示すように、マイクロホンMは、各々の基準円の周上に配置される。本実施形態では、基準円とマイクロホンMとの関係から、基準円に配置されたマイクロホンMを「マイクロホンMij」で表すことにする。符号「i」は、基準円を識別する正の整数であり、ここでは、原点Oに遠い基準円から昇順の番号(i=1,2,・・・)を付している。また、符号「j」は、同一基準円上におけるマイクロホンMを識別する正の整数であり、ここでは、任意のマイクロホンMから時計回りに昇順の番号(j=1,2,・・・)を付している。なお、原点Oに近い基準円から昇順の番号(i=1,2,・・・)を付してもよいし、また、任意のマイクロホンMから反時計回りに昇順の番号(j=1,2,・・・)を付してもよい。 As shown in FIG. 3, the microphone M is arranged on the circumference of each reference circle. In the present embodiment, the microphone M arranged in the reference circle is represented by "microphone M ij" from the relationship between the reference circle and the microphone M. The symbol "i" is a positive integer that identifies the reference circle, and here, the origin O is numbered in ascending order from the reference circle far from the reference circle (i = 1, 2, ...). Further, the symbol "j" is a positive integer that identifies the microphone M on the same reference circle, and here, a number (j = 1, 2, ...) In ascending order clockwise from any microphone M is used. It is attached. In addition, ascending numbers (i = 1, 2, ...) may be assigned from the reference circle near the origin O, or ascending numbers (j = 1, ...) counterclockwise from any microphone M. 2, ...) may be added.

マイクロホンMの総数やマイクロホンMを配置する位置は、マイクロホンMを3次元的に配置することができればよく、少なくとも二つの基準円に合計で四個のマイクロホンMを配置するとよい。
また、マイクロホンMを配置する位置は、音源の到来方向を推定する精度にも関わってくるので、マイクロホンMは均等に配置されるのが望ましい。つまり、各々の基準円上に配置されるマイクロホンMの数は、同じであることが好ましい。また、同一基準円上におけるマイクロホンMは、等間隔で配置されるのが好ましい。
The total number of microphones M and the position where the microphones M are arranged may be such that the microphones M can be arranged three-dimensionally, and a total of four microphones M may be arranged on at least two reference circles.
Further, since the position where the microphones M are arranged is related to the accuracy of estimating the arrival direction of the sound source, it is desirable that the microphones M are arranged evenly. That is, it is preferable that the number of microphones M arranged on each reference circle is the same. Further, the microphones M on the same reference circle are preferably arranged at equal intervals.

図5ないし図8を参照して、マイクロホンMの配置パターンを説明する。図5ないし図7は、円錐から作成された同心円上(円錐の表面上)にマイクロホンMを配置した場合を示し、図8は、半球から作成された同心円上(半球の球面上)にマイクロホンMを配置した場合を示す。
図5に示す第1配置パターンでは、3次元座標系に第一基準円および第二基準円の二つが設定されており、各々の基準円には三個(合計六個)のマイクロホンMが配置されている。図5(c)に示すように、マイクロホンM11,M12,M13は、第一基準円上に等間隔で配置されており、マイクロホンM21,M22,M23は、第二基準円上に等間隔で配置されている。また、マイクロホンM11とマイクロホンM21とは対応する位置に配置されており、z軸を中心にしてx軸からマイクロホンM11までの角度(水平角φ)と、x軸からマイクロホンM21までの角度(水平角φ)とは同じである。マイクロホンM12とマイクロホンM22との関係、およびマイクロホンM13とマイクロホンM23との関係についても同様である。
The arrangement pattern of the microphone M will be described with reference to FIGS. 5 to 8. 5 to 7 show the case where the microphone M is arranged on the concentric circles created from the cone (on the surface of the cone), and FIG. 8 shows the microphone M on the concentric circles created from the hemisphere (on the spherical surface of the hemisphere). Shows the case where.
In the first arrangement pattern shown in FIG. 5, two reference circles, a first reference circle and a second reference circle, are set in the three-dimensional coordinate system, and three microphones M (six in total) are arranged in each reference circle. Has been done. As shown in FIG. 5 (c), the microphones M 11 , M 12 , and M 13 are arranged at equal intervals on the first reference circle, and the microphones M 21 , M 22 , and M 23 are the second reference circles. They are evenly spaced on top. In addition, the microphone M 11 and the microphone M 21 are arranged at corresponding positions, and the angle (horizontal angle φ) from the x-axis to the microphone M 11 and the angle from the x-axis to the microphone M 21 with the z-axis as the center. It is the same as the angle (horizontal angle φ). The same applies to the relationship between the microphone M 12 and the microphone M 22, and the relationship between the microphone M 13 and the microphone M 23.

図6に示す第2配置パターンでは、3次元座標系に第一基準円、第二基準円および第三基準円の三つが設定されている。第一基準円と第二基準円との距離dz12と、第二基準円と第三基準円の距離dz23とは、同じである(距離dz12=距離dz23)。各々の基準円には二個(合計六個)のマイクロホンMが配置されている。図6(c)に示すように、マイクロホンM11,M12は、第一基準円上に等間隔で配置されており、マイクロホンM21,M22は、第二基準円上に等間隔で配置されており、マイクロホンM31,M32は、第三基準円上に等間隔で配置されている。マイクロホンM21は、マイクロホンM11をz軸を中心にして所定角度だけ時計回りに回転した位置に配置され、マイクロホンM31は、マイクロホンM21をz軸を中心にして所定角度だけ時計回りにさらに回転した位置に配置される。つまり、マイクロホンM21は、z軸(中心軸)およびマイクロホンM11を含む基準面に対して水平角φが異なっており、マイクロホンM31は、z軸およびマイクロホンM21を含む基準面に対して水平角φが異なっている。マイクロホンM12とマイクロホンM22とマイクロホンM32との関係も同様である。各マイクロホンM間の回転角度(水平角φのずれ量)は同じであっても、異なっていてもよい。これにより、図6(c)に示すように、対応する一群のマイクロホンM11,M21,M31およびマイクロホンM12,M22,M32は、螺旋状に配置される。 In the second arrangement pattern shown in FIG. 6, three reference circles, a first reference circle, a second reference circle, and a third reference circle are set in the three-dimensional coordinate system. The distance dz 12 between the first reference circle and the second reference circle and the distance dz 23 between the second reference circle and the third reference circle are the same (distance dz 12 = distance dz 23 ). Two microphones M (six in total) are arranged in each reference circle. As shown in FIG. 6 (c), the microphones M 11 and M 12 are arranged at equal intervals on the first reference circle, and the microphones M 21 and M 22 are arranged at equal intervals on the second reference circle. The microphones M 31 and M 32 are arranged at equal intervals on the third reference circle. Microphone M 21 is a microphone M 11 around the z axis is arranged at a position rotated clockwise a predetermined angle, the microphone M 31 is further a microphone M 21 only clockwise a predetermined angle about the z axis It is placed in the rotated position. That is, the microphone M 21 has a different horizontal angle φ with respect to the reference plane including the z-axis (central axis) and the microphone M 11 , and the microphone M 31 has a reference plane including the z-axis and the microphone M 21. The horizontal angle φ is different. The same applies to the relationship between the microphone M 12 and the microphone M 22 and the microphone M 32. The rotation angle (the amount of deviation of the horizontal angle φ) between the microphones M may be the same or different. As a result, as shown in FIG. 6 (c), the corresponding group of microphones M 11 , M 21 , M 31 and the microphones M 12 , M 22 , M 32 are arranged in a spiral.

図7に示す第3配置パターンでは、3次元座標系に第一基準円、第二基準円、第三基準円および第四基準円の四つが設定されている。第一基準円と第二基準円との距離dz12と、第二基準円と第三基準円の距離dz23と、第三基準円と第四基準円の距離dz34とは、同じである(距離dz12=距離dz23=距離dz34)。各々の基準円には一個(合計四個)のマイクロホンMが配置されている。マイクロホンM11は第一基準円上に配置されており、マイクロホンM21は第二基準円上に配置されており、マイクロホンM31は第三基準円上に配置されており、マイクロホンM41は第四基準円上に配置されている。マイクロホンM21は、マイクロホンM11をz軸を中心にして所定角度だけ時計回りに回転した位置に配置される。マイクロホンM31は、マイクロホンM21をz軸を中心にして所定角度だけ時計回りにさらに回転した位置に配置される。マイクロホンM41は、マイクロホンM31をz軸を中心にして所定角度だけ時計回りにさらに回転した位置に配置される。各マイクロホンM間の回転角度(水平角φのずれ量)は同じであっても、異なっていてもよい。これにより、図7(c)に示すように、対応する一群のマイクロホンM11,M21,M31,M41は、螺旋状に配置される。 In the third arrangement pattern shown in FIG. 7, four reference circles, a first reference circle, a second reference circle, a third reference circle, and a fourth reference circle are set in the three-dimensional coordinate system. The distance dz 12 between the first reference circle and the second reference circle, the distance dz 23 between the second reference circle and the third reference circle, and the distance dz 34 between the third reference circle and the fourth reference circle are the same. (Distance dz 12 = Distance dz 23 = Distance dz 34 ). One microphone M (four in total) is arranged in each reference circle. The microphone M 11 is located on the first reference circle, the microphone M 21 is located on the second reference circle, the microphone M 31 is located on the third reference circle, and the microphone M 41 is located on the third reference circle. It is arranged on the four reference circles. The microphone M 21 is arranged at a position where the microphone M 11 is rotated clockwise by a predetermined angle about the z-axis. The microphone M 31 is arranged at a position where the microphone M 21 is further rotated clockwise by a predetermined angle about the z-axis. The microphone M 41 is arranged at a position where the microphone M 31 is further rotated clockwise by a predetermined angle about the z-axis. The rotation angle (the amount of deviation of the horizontal angle φ) between the microphones M may be the same or different. As a result, as shown in FIG. 7 (c), the corresponding group of microphones M 11 , M 21 , M 31 and M 41 are arranged in a spiral shape.

図8に示す第4配置パターンでは、3次元座標系に第一基準円、第二基準円、第三基準円および第四基準円の四つが設定されている。図7に示す第3配置パターンの基準円が円錐の切断面から作成されているのに対して、図8に示す第4配置パターンの基準円は、半球の切断面から作成されている点で異なる。第一基準円と第二基準円との距離dz12と、第二基準円と第三基準円の距離dz23と、第三基準円と第四基準円の距離dz34とは、同じである(距離dz12=距離dz23=距離dz34)。各々の基準円には一個(合計四個)のマイクロホンMが配置されている。マイクロホンM11は第一基準円上に配置されており、マイクロホンM21は第二基準円上に配置されており、マイクロホンM31は第三基準円上に配置されており、マイクロホンM41は第四基準円上に配置されている。マイクロホンM21は、マイクロホンM11をz軸を中心にして所定角度だけ時計回りに回転した位置に配置される。マイクロホンM31は、マイクロホンM21をz軸を中心にして所定角度だけ時計回りにさらに回転した位置に配置される。マイクロホンM41は、マイクロホンM31をz軸を中心にして所定角度だけ時計回りにさらに回転した位置に配置される。各マイクロホンM間の回転角度は同じであっても、異なっていてもよい。これにより、図8(c)に示すように、対応する一群のマイクロホンM11,M21,M31,M41は、螺旋状に配置される。 In the fourth arrangement pattern shown in FIG. 8, four reference circles, a first reference circle, a second reference circle, a third reference circle, and a fourth reference circle are set in the three-dimensional coordinate system. The reference circle of the third arrangement pattern shown in FIG. 7 is created from the cut surface of the cone, whereas the reference circle of the fourth arrangement pattern shown in FIG. 8 is created from the cut surface of the hemisphere. different. The distance dz 12 between the first reference circle and the second reference circle, the distance dz 23 between the second reference circle and the third reference circle, and the distance dz 34 between the third reference circle and the fourth reference circle are the same. (Distance dz 12 = Distance dz 23 = Distance dz 34 ). One microphone M (four in total) is arranged in each reference circle. The microphone M 11 is located on the first reference circle, the microphone M 21 is located on the second reference circle, the microphone M 31 is located on the third reference circle, and the microphone M 41 is located on the third reference circle. It is arranged on the four reference circles. The microphone M 21 is arranged at a position where the microphone M 11 is rotated clockwise by a predetermined angle about the z-axis. The microphone M 31 is arranged at a position where the microphone M 21 is further rotated clockwise by a predetermined angle about the z-axis. The microphone M 41 is arranged at a position where the microphone M 31 is further rotated clockwise by a predetermined angle about the z-axis. The rotation angle between the microphones M may be the same or different. As a result, as shown in FIG. 8 (c), the corresponding group of microphones M 11 , M 21 , M 31 and M 41 are arranged in a spiral shape.

(第1実施形態に係る音源探査装置の効果)
第1実施形態に係る音源探査装置1の効果について説明する。ここでは、音源の到来方向の推定精度をクラメール・ラオ下限(CRLB)として規定して考察する。クラメール・ラオ下限とは、推定問題における統計的な推定限界であり、例えば、以下の文献において解説されている。
・守屋,市毛ほか、「Improving Elevation Estimation Accuracy in DOA Estimation: How Planner Arrays Can Be Modified into 3-D Configuration」、IEICE TRANS. FUNDAMENTALS、2012年、Vol.E95.A、No.10、p.1667- p.1675
クラメール・ラオ下限を音源到来方向推定に適用することで、クラメール・ラオ下限による計算結果は、任意のマイクロホンアレイに到来する音源方向の推定値の二乗平均誤差と同等の数値と考えられる。つまり、任意のマイクロホンアレイ配置にある方向から任意の周波数の音波が到来する場合、MUSIC法による推定値と真の到来方向との二乗平均誤差はクラメール・ラオ下限により与えられる。その為、マイクロホン配置、到来音源周波数、到来音源方向などを考察することができる。
(Effect of sound source exploration device according to the first embodiment)
The effect of the sound source exploration device 1 according to the first embodiment will be described. Here, the estimation accuracy of the arrival direction of the sound source is defined as the Cramér-Rao lower limit (CRLB) and considered. The Cramér-Rao lower limit is a statistical estimation limit in an estimation problem, and is explained, for example, in the following literature.
・ Moriya, Ichige et al., "Improving Elevation Optimization Accuracy in DOA Optimization: How Planner Arrays Can Be Modified into 3-D Configuration", IEICE TRANS. FUNDAMENTALS, 2012, Vol.E95.A, No.10, p.1667 --p.1675
By applying the Kramer-Lao lower limit to the sound source arrival direction estimation, the calculation result by the Kramer-Lao lower limit is considered to be a numerical value equivalent to the root mean square error of the estimated value of the sound source direction coming to any microphone array. That is, when a sound wave of an arbitrary frequency arrives from a direction in an arbitrary microphone array arrangement, the root mean square error between the estimated value by the MUSIC method and the true arrival direction is given by the Cramér-Rao lower limit. Therefore, it is possible to consider the microphone arrangement, the incoming sound source frequency, the incoming sound source direction, and the like.

(推定精度の評価に用いる式)
最初に、マイクロホンアレイに入力される信号モデルについて説明する。図2に示す座標系において、無相関なK個の波が無限遠からP個の要素のマイクロホンアレイにホワイトノイズ環境下で到来すると仮定する。p番目の要素の位置ベクトルr(p=1,・・・,P)、アレイステアリングベクトルa(p=1,・・・,P)は、以下の式(1)のように表される。
(Estimation used to evaluate estimation accuracy)
First, the signal model input to the microphone array will be described. In the coordinate system shown in FIG. 2, it is assumed that K uncorrelated waves arrive at the microphone array of P elements from infinity under a white noise environment. The position vector r p (p = 1, ..., P) of the p- th element and the array steering vector a p (p = 1, ..., P) are expressed by the following equation (1). The vector.

Figure 0006982966
Figure 0006982966

また、時間波形とk番目の波の到来方向とは、s(t)と(θ,φ)とで与えられる。アレイステアリングベクトルa(θ,φ)=[a(θ,φ),・・・,a(θ,φ)]で、アレイ入力ベクトルx(t)は、以下の式(2)のように表される。式(2)のベクトルn(t)は、熱雑音ベクトルである。 Further, the time waveform and the arrival direction of the kth wave are given by sk (t) and (θ k , φ k). Array steering vector a (θ k , φ k ) = [a 1k , φ k ), ..., a Pk , φ k )] T , and the array input vector x (t) is as follows. It is expressed as the equation (2) of. The vector n (t) in the equation (2) is a thermal noise vector.

Figure 0006982966
Figure 0006982966

続いて、CRLBの導出方法について説明する。複素振幅s(t)であるk番目の到来信号が(θ,φ)から到来すると仮定する。推定されたθ,φのCRLBは、以下の式(3)に示す結合で表される。 Subsequently, a method for deriving CRLB will be described. It is assumed that the kth arrival signal having a complex amplitude sk (t) comes from (θ k, φ k). The estimated CRLB of θ and φ is represented by the coupling shown in the following equation (3).

Figure 0006982966
Figure 0006982966

1つの音源の場合、仰角θのCRLBは以下の式(4)のように表される。複数音源のCRLBは、式(4)から算出される。水平角φのCRLBも同様に導かれる。 In the case of one sound source, the CRLB of the elevation angle θ is expressed by the following equation (4). The CRLB S of the plurality of sound sources is calculated from the equation (4). CRLB with a horizontal angle φ is also derived.

Figure 0006982966
Figure 0006982966

(推定精度の計算条件)
ここでは、本実施形態に係るマイクロホンアレイ3として、図9(a)に示すマイクロホンMの配置(立体螺旋形状)を想定した。また、比較例として、図9(b)に示すマイクロホンMの配置(平面螺旋形状)を想定した。
(Calculation conditions for estimation accuracy)
Here, as the microphone array 3 according to the present embodiment, the arrangement (three-dimensional spiral shape) of the microphones M shown in FIG. 9A is assumed. Further, as a comparative example, the arrangement (planar spiral shape) of the microphone M shown in FIG. 9B was assumed.

図9(a)に示すマイクロホンアレイ3は、九つのマイクロホンMにより構成されており、マイクロホンMの配置は、第一基準円〜第三基準円に基づいて決められている。第一基準円の半径R1は「67.5(mm)」であり、z軸方向の距離dz1は「135.0(mm)」である。第二基準円の半径R2は「130.5(mm)」であり、z軸方向の距離dz2は「67.5(mm)」である。第三基準円の半径R3は「168.0(mm)」であり、z軸方向の距離dz3は「0.0(mm)」である。
第一基準円〜第三基準円には、それぞれ三つのマイクロホンMが等間隔に配置されている。また、隣り合う基準円上のマイクロホンMは、水平角方向に位置をずらして配置されている。つまり、第二基準円上のマイクロホンMは、第一基準円上のマイクロホンMに対して時計回りに40°だけ回転した位置に配置されている。さらに、第三基準円上のマイクロホンMは、第二基準円上のマイクロホンMに対して時計回りに40°だけ回転した位置に配置されている。
The microphone array 3 shown in FIG. 9A is composed of nine microphones M, and the arrangement of the microphones M is determined based on the first reference circle to the third reference circle. The radius R 1 of the first reference circle is "67.5 (mm)", and the distance dz 1 in the z-axis direction is "135.0 (mm)". The radius R 2 of the second reference circle is "130.5 (mm)", and the distance dz 2 in the z-axis direction is "67.5 (mm)". The radius R 3 of the third reference circle is "168.0 (mm)", and the distance dz 3 in the z-axis direction is "0.0 (mm)".
Three microphones M are arranged at equal intervals in each of the first reference circle to the third reference circle. Further, the microphones M on the adjacent reference circles are arranged so as to be displaced in the horizontal angle direction. That is, the microphone M on the second reference circle is arranged at a position rotated by 40 ° clockwise with respect to the microphone M on the first reference circle. Further, the microphone M on the third reference circle is arranged at a position rotated by 40 ° clockwise with respect to the microphone M on the second reference circle.

図9(b)に示すマイクロホンアレイ103は、九つのマイクロホンMにより構成されており、マイクロホンMの配置は、第一基準円〜第三基準円に基づいて決められている。第一基準円の半径R1は「67.5(mm)」であり、第二基準円の半径R2は「130.5(mm)」であり、第三基準円の半径R3は「168.0(mm)」であり、全ての基準円のz軸方向の距離dz1,dz2,dz3は「0.0(mm)」である。
第一基準円〜第三基準円には、それぞれ三つのマイクロホンMが等間隔に配置されている。また、隣り合う基準円上のマイクロホンMは、水平角方向に位置をずらして配置されている。つまり、第二基準円上のマイクロホンは、第一基準円上のマイクロホンMに対して時計回りに40°だけ回転した位置に配置されている。さらに、第三基準円上のマイクロホンは、第二基準円上のマイクロホンMに対して時計回りに40°だけ回転した位置に配置されている。
The microphone array 103 shown in FIG. 9B is composed of nine microphones M, and the arrangement of the microphones M is determined based on the first reference circle to the third reference circle. The radius R 1 of the first reference circle is "67.5 (mm)", the radius R 2 of the second reference circle is "130.5 (mm)", and the radius R 3 of the third reference circle is "168.0 (mm)". , And the distances dz 1 , dz 2 , and dz 3 in the z-axis direction of all the reference circles are "0.0 (mm)".
Three microphones M are arranged at equal intervals in each of the first reference circle to the third reference circle. Further, the microphones M on the adjacent reference circles are arranged so as to be displaced in the horizontal angle direction. That is, the microphone on the second reference circle is arranged at a position rotated by 40 ° clockwise with respect to the microphone M on the first reference circle. Further, the microphone on the third reference circle is arranged at a position rotated by 40 ° clockwise with respect to the microphone M on the second reference circle.

そして、到来方向の水平角φを任意の値に固定し、仰角θを「0°,20°,45°,75°,90°」と変化させてCRLBを算出した。その他の諸条件は、下に示す[表1]の通りである。 Then, the horizontal angle φ in the arrival direction was fixed to an arbitrary value, and the elevation angle θ was changed to “0 °, 20 °, 45 °, 75 °, 90 °” to calculate the CRLB. Other conditions are as shown in [Table 1] below.

Figure 0006982966
Figure 0006982966

推定精度の計算結果を図10に示す。図10に示す横軸は仰角θを表し、縦軸はCRLBの値を表している。そして、グラフは、各周波数「63Hz、125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz」ごとの仰角θとCRLBとの関係を示している。図10(a)は、図9(a)に示すマイクロホンMの配置における推定精度の計算結果であり、図10(b)は、図9(b)に示すマイクロホンMの配置における推定精度の計算結果である。
このグラフから分かるように、図10(b)に示す比較例の配置(平面螺旋形状)では、水平面(仰角θ=90°)に近づくにつれて推定誤差が大きくなっている。一方、図10(a)に示す本実施形態の配置(立体螺旋形状)では、水平面(仰角θ=90°)の近くにおける推定誤差の増大が抑えられている。なお、真上付近(仰角θが0°付近)からの到来については、比較例の配置と同等の高い推定精度が得られている。
The calculation result of the estimation accuracy is shown in FIG. The horizontal axis shown in FIG. 10 represents the elevation angle θ, and the vertical axis represents the value of CRLB. The graph shows the relationship between the elevation angle θ and CRLB for each frequency “63Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1000Hz, 2000Hz”. 10 (a) is a calculation result of the estimation accuracy in the arrangement of the microphone M shown in FIG. 9 (a), and FIG. 10 (b) is a calculation of the estimation accuracy in the arrangement of the microphone M shown in FIG. 9 (b). The result.
As can be seen from this graph, in the arrangement of the comparative example (planar spiral shape) shown in FIG. 10B, the estimation error increases as the angle approaches the horizontal plane (elevation angle θ = 90 °). On the other hand, in the arrangement (three-dimensional spiral shape) of the present embodiment shown in FIG. 10A, an increase in estimation error near the horizontal plane (elevation angle θ = 90 °) is suppressed. As for the arrival from directly above (the elevation angle θ is near 0 °), the same high estimation accuracy as the arrangement of the comparative example is obtained.

以上のように、第1実施形態に係る音源探査装置1は、マイクロホンMを3次元的に配置することが容易であり、全てのマイクロホンMが同一平面上に位置する可能性を低くすることができる。つまり、マイクロホンMの数を増加することにより、音源の到来方向を推定しづらい領域を無くすことが可能である。その為、音源の到来方向を推定できないという問題が生じ難く、4π空間のあらゆる方向に存在する音源を必要最小限のマイクロホンを用いて効率的に探査することができる。
また、図5ないし図8に示す第1〜第4配置パターンでは、全てのマイクロホンMが同一平面上に位置することがなく、マイクロホンMが3次元的に配置される。その為、音源の到来方向を推定できないという問題が生じる可能性は極めて低い。
As described above, in the sound source exploration device 1 according to the first embodiment, it is easy to arrange the microphones M three-dimensionally, and it is possible to reduce the possibility that all the microphones M are located on the same plane. can. That is, by increasing the number of microphones M, it is possible to eliminate a region where it is difficult to estimate the arrival direction of the sound source. Therefore, the problem that the arrival direction of the sound source cannot be estimated is unlikely to occur, and the sound source existing in all directions of the 4π space can be efficiently searched using the minimum necessary microphone.
Further, in the first to fourth arrangement patterns shown in FIGS. 5 to 8, not all the microphones M are located on the same plane, and the microphones M are arranged three-dimensionally. Therefore, it is extremely unlikely that the problem of not being able to estimate the direction of arrival of the sound source will occur.

[第2実施形態]
第2実施形態に係る音源探査装置1A(図示せず)のマイクロホンアレイ3A(図示せず)は、C80フラーレン分子構造に基づいてマイクロホンMを配置したものである。C80フラーレン分子構造は、一般的には、80個の炭素原子で構成されるクラスターとして定義することができる。ここでは、その構造に着目して、C80フラーレン分子構造を模擬した相似モデルを用いて、炭素原子の位置に相当する位置にマイクロホンMを配置する。C80フラーレン分子構造を図11に示す。C80フラーレン分子構造は、炭素原子を頂点とする六角形と五角形との組み合わせにより構成され、略球状をなしている。C80フラーレン分子構造は、図11に示すように、対向する一対の五角形を上下に配置した状態において、z軸を回転軸として72°だけ回転しても炭素原子の位置が同じになる回転対称になっている。相似モデルでは、C80フラーレン分子構造の炭素原子を代表点で表すことにし、この代表点を「節」と呼ぶことにする。代表点は、例えば、炭素原子の中心であってよい。C80フラーレン分子構造の相似モデルを図12に示す。
[Second Embodiment]
The microphone array 3A (not shown) of the sound source exploration device 1A (not shown) according to the second embodiment has a microphone M arranged based on the C80 fullerene molecular structure. The C80 fullerene molecular structure can generally be defined as a cluster composed of 80 carbon atoms. Here, paying attention to the structure, the microphone M is arranged at a position corresponding to the position of the carbon atom by using a similar model simulating the C80 fullerene molecular structure. The molecular structure of C80 fullerene is shown in FIG. The C80 fullerene molecular structure is composed of a combination of a hexagon and a pentagon having a carbon atom as an apex, and has a substantially spherical shape. As shown in FIG. 11, the C80 fullerene molecular structure has a rotational symmetry in which the positions of carbon atoms are the same even when rotated by 72 ° with the z-axis as the rotation axis in a state where a pair of opposing pentagons are arranged vertically. It has become. In the similarity model, the carbon atom of the C80 fullerene molecular structure is represented by a representative point, and this representative point is referred to as a “node”. The representative point may be, for example, the center of a carbon atom. A similar model of the C80 fullerene molecular structure is shown in FIG.

図12に示すように、対向する一対の五角形を上下に配置した状態において、C80フラーレン分子構造の相似モデルにおける節Fは、上下方向(z軸方向)を基準として複数の階層に分類される。つまり、ここでの階層とは、z値が同じ節Fの集合を表す名称である。本実施形態では、階層との関係から、節Fを「節Fvw」で表すことにする。符号「v」は、階層を識別する正の整数であり、ここでは、上側の階層から下側の階層に向かって昇順の番号(v=1,2,・・・)を付している。また、符号「w」は、同一階層における節Fを識別する正の整数であり、ここでは、任意の節Fから時計回りに昇順の番号(w=1,2,・・・)を付している。なお、下側の階層から上側の階層に向かって昇順の番号(v=1,2,・・・)を付してもよいし、また、任意の節Fから反時計回りに昇順の番号(w=1,2,・・・)を付してもよい。 As shown in FIG. 12, in a state where a pair of opposing pentagons are arranged vertically, the node F in the similarity model of the C80 fullerene molecular structure is classified into a plurality of layers based on the vertical direction (z-axis direction). That is, the hierarchy here is a name representing a set of clauses F having the same z value. In the present embodiment, the section F is represented by "section F vw " in relation to the hierarchy. The symbol "v" is a positive integer that identifies the hierarchy, and here, numbers in ascending order (v = 1, 2, ...) Are assigned from the upper hierarchy to the lower hierarchy. Further, the symbol "w" is a positive integer that identifies the clause F in the same layer, and here, a number in ascending order (w = 1, 2, ...) Is added clockwise from any clause F. ing. In addition, ascending numbers (v = 1, 2, ...) may be assigned from the lower layer to the upper layer, or ascending numbers (counterclockwise from any section F). w = 1, 2, ...) may be added.

図12(a)に示すように、第一階層には、5個の節F11〜F15がある。同様に、図12(b)に示すように、第二階層には、5個の節F21〜F25の5個があり、第三階層には、10個の節F31〜F310があり、第四階層には、10個の節F41〜F410があり、第五階層には、10個の節F51〜F510がある。また、第六階層には、10個の節F61〜F610があり、第七階層には、10個の節F71〜F710があり、第八階層には、10個の節F81〜F810があり、第九階層には、5個の節F91〜F95があり、第十階層には、5個の節F101〜F105がある。 As shown in FIG. 12 (a), there are five sections F 11 to F 15 in the first layer. Similarly, as shown in FIG. 12 (b), the second layer has five sections F 21 to F 25 , and the third layer has ten sections F 31 to F 310. There are 10 sections F 41 to F 410 in the 4th layer, and 10 sections F 51 to F 510 in the 5th layer. The sixth layer has ten sections F 61 to F 610 , the seventh layer has ten sections F 71 to F 710 , and the eighth layer has ten sections F 81. There are ~ F 810, there are five sections F 91 ~ F 95 in the ninth layer, and there are five sections F 101 ~ F 105 in the tenth layer.

ここで、図12(a)に示すように、第一階層の節F11〜F15は、xy平面においてz軸から同じ距離にあるので、z軸を中心にした円上に位置していると言える。また、第二階層の節F21〜F25は、xy平面においてz軸から同じ距離にあるので、z軸を中心にした円上に位置していると言える。このように、同一階層の節Fは、xy平面においてz軸から同じ距離にあるので、全ての節Fは、z軸を中心軸とし、z軸方向に中心をずらした半径が異なる十個の同心円(図12の太い破線)上の何れかに存在する。 Here, as shown in FIG. 12 (a), the nodes F 11 to F 15 of the first layer are located at the same distance from the z axis in the xy plane, and thus are located on a circle centered on the z axis. It can be said that. Further, since the sections F 21 to F 25 of the second layer are at the same distance from the z-axis in the xy plane, it can be said that they are located on a circle centered on the z-axis. In this way, since the nodes F in the same layer are at the same distance from the z-axis in the xy plane, all the nodes F have the z-axis as the central axis and ten different radii shifted in the z-axis direction. It exists on any of the concentric circles (thick dashed line in FIG. 12).

図13ないし図17を参照して、C80フラーレン分子構造に基づくマイクロホンMの配置パターンを説明する。前記説明した通り、第2実施形態に係る音源探査装置1Aは、C80フラーレン分子構造の相似モデルにおける節FvwにマイクロホンMを配置したものであるので、節Fvwとの関係からマイクロホンMを「マイクロホンMvw」で表すことにする。 The arrangement pattern of the microphone M based on the C80 fullerene molecular structure will be described with reference to FIGS. 13 to 17. As above described, sound source localization apparatus 1A according to the second embodiment, since those of arranging the microphone M to a node F vw in similar models of C80 fullerene molecular structure, the microphone M from the relationship between the nodes F vw " It will be represented by "microphone M vw".

図13に示す第5配置パターンは、C80フラーレン分子構造に対応する全ての節FvwにマイクロホンMを配置したものである。つまり、マイクロホンMvwは、第一階層〜第十階層までの合計で80個(80チャネル(ch))が存在する。なお、マイクロホンアレイ3Aのサイズは、上下左右方向「約0.2m」である。第2実施形態の他の配置パターンについても、サイズは同様である。 In the fifth arrangement pattern shown in FIG. 13, the microphone M is arranged in all the nodes F vw corresponding to the C80 fullerene molecular structure. That is, there are a total of 80 microphones M vw (80 channels (ch)) from the first layer to the tenth layer. The size of the microphone array 3A is "about 0.2 m" in the vertical and horizontal directions. The size is the same for the other arrangement patterns of the second embodiment.

図14に示す第6配置パターンは、C80フラーレン分子構造に対応する第一階層〜第六階層までの合計で50個の節FvwにマイクロホンMvwを配置したものである。具体的には、第一階層のマイクロホンM11〜M15と、第二階層のマイクロホンM21〜M25と、第三階層のマイクロホンM31〜M310と、第四階層のマイクロホンM41〜M410と、第五階層のマイクロホンM51〜M510と、第六階層のマイクロホンM61〜M610とからなる。 In the sixth arrangement pattern shown in FIG. 14, the microphone M vw is arranged in a total of 50 nodes F vw from the first layer to the sixth layer corresponding to the C80 fullerene molecular structure. Specifically, the microphones M 11 to M 15 of the first layer, the microphones M 21 to M 25 of the second layer, the microphones M 31 to M 310 of the third layer, and the microphones M 41 to M of the fourth layer. It consists of 410, fifth-tier microphones M 51 to M 510, and sixth-tier microphones M 61 to M 610 .

図15に示す第7配置パターンは、C80フラーレン分子構造に対応する第一階層〜第五階層まで(すなわち、半球)の合計で40個の節FvwにマイクロホンMvwを配置したものである。具体的には、第一階層のマイクロホンM11〜M15と、第二階層のマイクロホンM21〜M25と、第三階層のマイクロホンM31〜M310と、第四階層のマイクロホンM41〜M410と、第五階層のマイクロホンM51〜M510とからなる。 In the seventh arrangement pattern shown in FIG. 15, the microphone M vw is arranged in a total of 40 nodes F vw from the first layer to the fifth layer (that is, the hemisphere) corresponding to the C80 fullerene molecular structure. Specifically, the first-tier microphones M 11 to M 15 , the second-tier microphones M 21 to M 25 , the third-tier microphones M 31 to M 310 , and the fourth-tier microphones M 41 to M. It consists of 410 and fifth-level microphones M 51 to M 510 .

図16に示す第8配置パターンは、C80フラーレン分子構造に対応する第一階層〜第五階層まで(すなわち、半球)の節Fvwの一部にマイクロホンMvwを配置したものである。具体的には、第一階層のマイクロホンM11,M13,M14と、第二階層のマイクロホンM21,M23,M24と、第五階層のマイクロホンM51,M55,M57とからなる。第8配置パターンは、図16(a)に示すように、C80フラーレン分子構造の表面に、マイクロホンMvwをY字状に配置するものである。 In the eighth arrangement pattern shown in FIG. 16, the microphone M vw is arranged in a part of the node F vw from the first layer to the fifth layer (that is, the hemisphere) corresponding to the C80 fullerene molecular structure. From Specifically, the microphone M 11, M 13, M 14 of the first layer, a microphone M 21, M 23, M 24 of the second layer, the microphone M 51 of the fifth hierarchy, M 55, M 57 Prefecture Become. In the eighth arrangement pattern, as shown in FIG. 16A, the microphone M vw is arranged in a Y shape on the surface of the C80 fullerene molecular structure.

図17に示す第9配置パターンは、C80フラーレン分子構造に対応する第一階層〜第五階層まで(すなわち、半球)の節Fvwの一部にマイクロホンMvwを配置したものである。具体的には、第一階層のマイクロホンM11,M13,M14と、第二階層のマイクロホンM21,M23,M24と、第三階層のマイクロホンM31,M35,M37と、第四階層のマイクロホンM42,M46,M48とからなる。第9配置パターンは、図17(a)に示すように、C80フラーレン分子構造の表面に、マイクロホンMvwを螺旋状に配置するものである。 In the ninth arrangement pattern shown in FIG. 17, the microphone M vw is arranged in a part of the node F vw from the first layer to the fifth layer (that is, the hemisphere) corresponding to the C80 fullerene molecular structure. Specifically, the microphone M 11, M 13, M 14 of the first layer, a microphone M 21, M 23, M 24 of the second layer, a microphone M 31, M 35, M 37 of the third hierarchy, It consists of the fourth level microphones M 42 , M 46 , and M 48 . In the ninth arrangement pattern, as shown in FIG. 17A, the microphone M vw is spirally arranged on the surface of the C80 fullerene molecular structure.

(第2実施形態に係る音源探査装置の効果)
第2実施形態に係る音源探査装置1Aの効果について説明する。ここでは、衝撃性の異音を騒音源とした到来方向の推定実験を行った。異音の収録には、図13ないし図17に示す第5〜第9配置パターンのマイクロホンアレイ3Aを用いた。直径2m、高さ2mの小規模な実験室において、室の中心付近にマイクロホンアレイ3Aを設置し、マイクロホンアレイ3Aの中心である原点から水平角φ=233°、仰角θ=35°、距離「1.05m」に設置したスピーカから衝撃性の異音を放射した。実験室は、壁および天井を厚さ「120mm」のポリウールで吸音処理を施されており、暗騒音レベルは「24.4db」であった。スピーカから放射した信号は、図18に示す周波数特性と、図19に示す時間波形であり、マイクロホンアレイ3Aの中央で騒音レベルが「44.2db」になるように調整した。
(Effect of sound source exploration device according to the second embodiment)
The effect of the sound source exploration device 1A according to the second embodiment will be described. Here, an experiment was conducted to estimate the direction of arrival using impact-induced abnormal noise as a noise source. The microphone array 3A of the 5th to 9th arrangement patterns shown in FIGS. 13 to 17 was used for recording the abnormal sound. In a small laboratory with a diameter of 2 m and a height of 2 m, a microphone array 3A is installed near the center of the chamber, and the horizontal angle φ = 233 °, elevation angle θ = 35 °, and distance “from the origin, which is the center of the microphone array 3A. A shocking abnormal noise was emitted from the speaker installed at "1.05m". In the laboratory, the walls and ceiling were sound-absorbed with "120 mm" thick polywool, and the background noise level was "24.4db". The signal radiated from the speaker has the frequency characteristics shown in FIG. 18 and the time waveform shown in FIG. 19, and was adjusted so that the noise level was "44.2db" at the center of the microphone array 3A.

マイクロホンの第5配置パターン(80ch)の推定結果を図20に示す。図20(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。図20(b)に示すように、270Hzの領域においては、推定結果がぼやけておらず、真の音源方向(水平角φ=233°、仰角θ=35°)に近い方向にMUSICスペクトルのピークが形成されている。一方、図20(a)に示すように、90Hzの低域においては、周波数270Hzに比べて推定結果が全体的にぼやける傾向にあり、真の音源方向(水平角φ=233°、仰角θ=35°)とは異なる方向にMUSICスペクトルのピークが形成されやすい。その為、マイクロホンの第5配置パターン(80ch)は、周波数270Hz付近の音源の探査に有効である。 FIG. 20 shows the estimation result of the fifth arrangement pattern (80ch) of the microphone. FIG. 20A shows the estimation result of the frequency 90Hz, and FIG. 20B shows the estimation result of the frequency 270Hz. As shown in FIG. 20 (b), in the region of 270 Hz, the estimation result is not blurred, and the peak of the MUSIC spectrum is in the direction close to the true sound source direction (horizontal angle φ = 233 °, elevation angle θ = 35 °). Is formed. On the other hand, as shown in FIG. 20A, in the low frequency range of 90 Hz, the estimation result tends to be blurred as a whole compared to the frequency of 270 Hz, and the true sound source direction (horizontal angle φ = 233 °, elevation angle θ =). The peak of the MUSIC spectrum is likely to be formed in a direction different from 35 °). Therefore, the fifth arrangement pattern (80ch) of the microphone is effective for searching for a sound source near a frequency of 270 Hz.

マイクロホンの第6配置パターン(50ch)の推定結果を図21に示す。図21(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。図21(b)に示すように、270Hzの領域においては、推定結果がぼやけておらず、真の音源方向(水平角φ=233°、仰角θ=35°)に近い方向にMUSICスペクトルのピークが形成されている。一方、図21(a)に示すように、90Hzの低域においては、周波数270Hzに比べて推定結果が全体的にぼやける傾向にあり、真の音源方向(水平角φ=233°、仰角θ=35°)とは異なる方向にMUSICスペクトルのピークが形成されやすい。その為、マイクロホンの第6配置パターン(50ch)は、周波数270Hz付近の音源の探査に有効である。なお、マイクロホンの第6配置パターンの推定結果は、第5配置パターンの推定結果に比べると、各領域を通じて良好であると言える。 FIG. 21 shows the estimation result of the sixth arrangement pattern (50ch) of the microphone. FIG. 21A shows the estimation result of the frequency 90Hz, and FIG. 21B shows the estimation result of the frequency 270Hz. As shown in FIG. 21 (b), in the region of 270 Hz, the estimation result is not blurred, and the peak of the MUSIC spectrum is in the direction close to the true sound source direction (horizontal angle φ = 233 °, elevation angle θ = 35 °). Is formed. On the other hand, as shown in FIG. 21 (a), in the low frequency range of 90 Hz, the estimation result tends to be blurred as a whole compared to the frequency of 270 Hz, and the true sound source direction (horizontal angle φ = 233 °, elevation angle θ =). The peak of the MUSIC spectrum is likely to be formed in a direction different from 35 °). Therefore, the sixth arrangement pattern (50ch) of the microphone is effective for searching for a sound source near a frequency of 270 Hz. It can be said that the estimation result of the sixth arrangement pattern of the microphone is better than the estimation result of the fifth arrangement pattern throughout each region.

マイクロホンの第7配置パターン(40ch)の推定結果を図22に示す。図22(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。図22(b)に示すように、270Hzの領域においては、推定結果がぼやけておらず、真の音源方向(水平角φ=233°、仰角θ=35°)に近い方向にMUSICスペクトルのピークが形成されている。一方、図22(a)に示すように、90Hzの低域においては、周波数270Hzに比べて推定結果が全体的にぼやける傾向にあり、真の音源方向(水平角φ=233°、仰角θ=35°)とは異なる方向にMUSICスペクトルのピークが形成されやすい。その為、マイクロホンの第7配置パターン(40ch)は、周波数270Hz付近の音源の探査に有効である。なお、マイクロホンの第7配置パターンの推定結果は、第6配置パターンの推定結果に比べると、各領域を通じて良好であると言える。 FIG. 22 shows the estimation result of the seventh arrangement pattern (40ch) of the microphone. FIG. 22A shows the estimation result of the frequency 90Hz, and FIG. 22B shows the estimation result of the frequency 270Hz. As shown in FIG. 22 (b), in the region of 270 Hz, the estimation result is not blurred, and the peak of the MUSIC spectrum is in the direction close to the true sound source direction (horizontal angle φ = 233 °, elevation angle θ = 35 °). Is formed. On the other hand, as shown in FIG. 22A, in the low frequency range of 90 Hz, the estimation result tends to be blurred as a whole compared to the frequency of 270 Hz, and the true sound source direction (horizontal angle φ = 233 °, elevation angle θ =). The peak of the MUSIC spectrum is likely to be formed in a direction different from 35 °). Therefore, the seventh arrangement pattern (40ch) of the microphone is effective for searching for a sound source near a frequency of 270 Hz. It can be said that the estimation result of the 7th arrangement pattern of the microphone is better than the estimation result of the 6th arrangement pattern throughout each region.

マイクロホンの第8配置パターン(立体Y字)の推定結果を図23に示す。図23(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。図23(a),(b)に示すように、第5,6,7配置パターンに比べて、90Hzおよび270Hzの領域において、真の音源方向(水平角φ=233°、仰角θ=35°)に近い方向にMUSICスペクトルのピークが形成されている。その為、第8配置パターン(立体Y字)は、第5,6,7配置パターンに比べてよい分解能であると言える。なお、第8配置パターン(立体Y字)において、MUSICスペクトルが最大となる推定方向は、以下の通りであった。
・「90Hz」の場合
水平角φは「242°(+9°)」、仰角θは「19°(-16°)」
・「270Hz」の場合
水平角φは「240°(+7°)」、仰角θは「18°(-17°)」
FIG. 23 shows the estimation result of the eighth arrangement pattern (three-dimensional Y-shape) of the microphone. FIG. 23A shows the estimation result of the frequency 90Hz, and FIG. 23B shows the estimation result of the frequency 270Hz. As shown in FIGS. 23 (a) and 23 (b), the true sound source direction (horizontal angle φ = 233 °, elevation angle θ = 35 °) in the 90 Hz and 270 Hz regions as compared with the fifth, sixth, and seventh arrangement patterns. ), The peak of the MUSIC spectrum is formed. Therefore, it can be said that the eighth arrangement pattern (three-dimensional Y-shape) has a better resolution than the fifth, sixth, and seventh arrangement patterns. In the eighth arrangement pattern (three-dimensional Y-shape), the estimation direction in which the MUSIC spectrum is maximized is as follows.
・ In the case of "90Hz", the horizontal angle φ is "242 ° (+ 9 °)" and the elevation angle θ is "19 ° (-16 °)".
・ In the case of "270Hz", the horizontal angle φ is "240 ° (+ 7 °)" and the elevation angle θ is "18 ° (-17 °)".

マイクロホンの第9配置パターン(立体螺旋)の推定結果を図24に示す。図24(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。図24(a),(b)に示すように、第5,6,7配置パターンに比べて、90Hzおよび270Hzの領域において、真の音源方向(水平角φ=233°、仰角θ=35°)に近い方向にMUSICスペクトルのピークが形成されている。その為、第9配置パターン(立体螺旋)は、第5,6,7配置パターンに比べてよい分解能であると言える。なお、第9配置パターン(立体螺旋)において、MUSICスペクトルが最大となる推定方向は、以下の通りであった。
・「90Hz」の場合
水平角φは「231°(-2°)」、仰角θは「24°(-11°)」
・「270Hz」の場合
水平角φは「227°(-5°)」、仰角θは「40°(+5°)」
FIG. 24 shows the estimation result of the ninth arrangement pattern (three-dimensional spiral) of the microphone. FIG. 24A shows the estimation result of the frequency 90Hz, and FIG. 24B shows the estimation result of the frequency 270Hz. As shown in FIGS. 24 (a) and 24 (b), the true sound source direction (horizontal angle φ = 233 °, elevation angle θ = 35 °) in the 90 Hz and 270 Hz regions as compared with the fifth, sixth, and seventh arrangement patterns. ), The peak of the MUSIC spectrum is formed. Therefore, it can be said that the 9th arrangement pattern (three-dimensional spiral) has a better resolution than the 5th, 6th, and 7th arrangement patterns. In the ninth arrangement pattern (stereoscopic spiral), the estimation direction in which the MUSIC spectrum is maximum is as follows.
・ In the case of "90Hz", the horizontal angle φ is "231 ° (-2 °)" and the elevation angle θ is "24 ° (-11 °)".
・ In the case of "270Hz", the horizontal angle φ is "227 ° (-5 °)" and the elevation angle θ is "40 ° (+ 5 °)".

これから分かるように、第9配置パターン(立体螺旋)は、第8配置パターン(立体Y字)に比べて、同一周波数において誤差角が小さいので、真の音源方向により近い推定結果を得られる。その為、マイクロホンの第9配置パターン(立体螺旋)は、第8配置パターン(立体Y字)よりもさらによい分解能であると言える。 As can be seen, the ninth arrangement pattern (three-dimensional spiral) has a smaller error angle at the same frequency than the eighth arrangement pattern (three-dimensional Y-shape), so that an estimation result closer to the true sound source direction can be obtained. Therefore, it can be said that the ninth arrangement pattern (three-dimensional spiral) of the microphone has a better resolution than the eighth arrangement pattern (three-dimensional Y-shape).

次に、図25ないし図28を参照して、C80フラーレン分子構造に基づく他のマイクロホンMの配置パターンを説明する。
図25に示す第10配置パターンは、C80フラーレン分子構造に対応する第一階層の合計で5個の節FvwにマイクロホンMvwを配置したものである。具体的には、第一階層のマイクロホンM11〜M15からなる。
図26に示す第11配置パターンは、C80フラーレン分子構造に対応する第二階層の合計で5個の節FvwにマイクロホンMvwを配置したものである。具体的には、第二階層のマイクロホンM21〜M25からなる。
Next, the arrangement pattern of another microphone M based on the C80 fullerene molecular structure will be described with reference to FIGS. 25 to 28.
In the tenth arrangement pattern shown in FIG. 25, the microphone M vw is arranged in a total of five nodes F vw in the first layer corresponding to the C80 fullerene molecular structure. Specifically, it consists of first-level microphones M 11 to M 15 .
In the eleventh arrangement pattern shown in FIG. 26, the microphone M vw is arranged in a total of five nodes F vw in the second layer corresponding to the C80 fullerene molecular structure. Specifically, it consists of microphones M 21 to M 25 of the second layer.

図27に示す第12配置パターンは、C80フラーレン分子構造に対応する第三階層の合計で10個の節FvwにマイクロホンMvwを配置したものである。具体的には、第三階層のマイクロホンM31〜M310からなる。
図28に示す第13配置パターンは、C80フラーレン分子構造に対応する第四階層の合計で10個の節FvwにマイクロホンMvwを配置したものである。具体的には、第四階層のマイクロホンM41〜M410からなる。
In the twelfth arrangement pattern shown in FIG. 27, the microphone M vw is arranged in a total of 10 nodes F vw in the third layer corresponding to the C80 fullerene molecular structure. Specifically, it consists of microphones M 31 to M 310 on the third layer.
In the thirteenth arrangement pattern shown in FIG. 28, the microphone M vw is arranged in a total of ten nodes F vw in the fourth layer corresponding to the C80 fullerene molecular structure. Specifically, it consists of fourth-level microphones M 41 to M 410 .

マイクロホンの第10配置パターン(第一階層)の推定結果を図29に示す。図29(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。図29(a)に示すように、90Hzの低域においては、推定結果が全体的にぼやけてしまっており、また、図29(a),(b)を通じて、真の音源方向(水平角φ=233°、仰角θ=35°)とは逆の方向にも推定値が出ている。 FIG. 29 shows the estimation result of the tenth arrangement pattern (first layer) of the microphone. FIG. 29A shows the estimation result of the frequency 90Hz, and FIG. 29B shows the estimation result of the frequency 270Hz. As shown in FIG. 29 (a), the estimation result is totally blurred in the low frequency range of 90 Hz, and the true sound source direction (horizontal angle φ) is shown through FIGS. 29 (a) and 29 (b). = 233 °, elevation angle θ = 35 °) The estimated value is also obtained in the opposite direction.

マイクロホンの第11配置パターン(第二階層)の推定結果を図30に示す。図30(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。マイクロホンの第11配置パターン(第二階層)の推定結果は、概ね第10配置パターン(第一階層)と同様である。つまり、図30(a)に示すように、90Hzの低域においては、推定結果が全体的にぼやけてしまっており、また、図30(a),(b)を通じて、真の音源方向(水平角φ=233°、仰角θ=35°)とは逆の方向にも推定値が出ている。なお、第10配置パターン(第一階層)に比べて、90Hzの低域における分解能が良くなっている。 FIG. 30 shows the estimation result of the eleventh arrangement pattern (second layer) of the microphone. FIG. 30A shows the estimation result of the frequency 90Hz, and FIG. 30B shows the estimation result of the frequency 270Hz. The estimation result of the eleventh arrangement pattern (second layer) of the microphone is substantially the same as that of the tenth arrangement pattern (first layer). That is, as shown in FIG. 30 (a), the estimation result is totally blurred in the low frequency range of 90 Hz, and the true sound source direction (horizontal) is shown through FIGS. 30 (a) and 30 (b). Estimated values are also obtained in the direction opposite to the angle φ = 233 ° and elevation angle θ = 35 °). It should be noted that the resolution in the low frequency range of 90 Hz is better than that of the tenth arrangement pattern (first layer).

マイクロホンの第12配置パターン(第三階層)の推定結果を図31に示す。図31(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。マイクロホンの第12配置パターン(第三階層)の推定結果は、概ね第10配置パターン(第一階層)および第11配置パターン(第二階層)と同様である。つまり、図31(a)に示すように、90Hzの低域においては、推定結果が全体的にぼやけてしまっており、また、図31(a),(b)を通じて、真の音源方向(水平角φ=233°、仰角θ=35°)とは逆の方向にも推定値が出ている。なお、第11配置パターン(第二階層)に比べて、90Hzの低域における分解能がより良くなっている。 FIG. 31 shows the estimation result of the twelfth arrangement pattern (third layer) of the microphone. FIG. 31 (a) shows the estimation result of the frequency 90 Hz, and FIG. 31 (b) shows the estimation result of the frequency 270 Hz. The estimation result of the twelfth arrangement pattern (third layer) of the microphone is substantially the same as the tenth arrangement pattern (first layer) and the eleventh arrangement pattern (second layer). That is, as shown in FIG. 31 (a), the estimation result is totally blurred in the low frequency range of 90 Hz, and the true sound source direction (horizontal) is obtained through FIGS. 31 (a) and 31 (b). Estimated values are also obtained in the direction opposite to the angle φ = 233 ° and elevation angle θ = 35 °). It should be noted that the resolution in the low frequency range of 90 Hz is better than that of the 11th arrangement pattern (second layer).

マイクロホンの第13配置パターン(第四階層)の推定結果を図32に示す。図32(a)は周波数90Hzの推定結果を示し、(b)は周波数270Hzの推定結果を示す。マイクロホンの第13配置パターン(第四階層)の推定結果は、概ね第10配置パターン(第一階層)〜第12配置パターン(第三階層)と同様である。つまり、図32(a)に示すように、90Hzの低域においては、推定結果が全体的にぼやけてしまっており、また、図32(a),(b)を通じて、真の音源方向(水平角φ=233°、仰角θ=35°)とは逆の方向にも推定値が出ている。なお、第12配置パターン(第三階層)に比べて、90Hzの低域における分解能がより良くなっている。 FIG. 32 shows the estimation result of the thirteenth arrangement pattern (fourth layer) of the microphone. FIG. 32A shows the estimation result of the frequency 90Hz, and FIG. 32B shows the estimation result of the frequency 270Hz. The estimation result of the thirteenth arrangement pattern (fourth layer) of the microphone is substantially the same as the tenth arrangement pattern (first layer) to the twelfth arrangement pattern (third layer). That is, as shown in FIG. 32 (a), the estimation result is totally blurred in the low frequency range of 90 Hz, and the true sound source direction (horizontal) is obtained through FIGS. 32 (a) and 32 (b). Estimated values are also obtained in the direction opposite to the angle φ = 233 ° and elevation angle θ = 35 °). It should be noted that the resolution in the low frequency range of 90 Hz is better than that of the twelfth arrangement pattern (third layer).

このように、C80フラーレン分子構造の相似モデルの節FvwにマイクロホンMを配置したものであっても、2次元平面的な配置パターン(第10配置パターン〜第13配置パターン)では、真の音源方向と逆の方向にも推定値が大きくなってしまう。これは、仰角θが「90°」だけ回転した位置も回転前と同じ条件になるために、逆方向にも推定値が出てしまうものである。その為、C80フラーレン分子構造の相似モデルの節FvwにマイクロホンMを配置したものであっても、2次元平面的な配置パターン(第10配置パターン〜第13配置パターン)は、好ましくない。
また、第10配置パターンから第13配置パターンに向かうにつれて、90Hzの低域における分解能が良くなっている。その為、低音域の音源の到来方向の推定では、特にマイクロホンMの配置の基準になる基準円(同心円)の半径を大きくするのがよい。
In this way, even if the microphone M is arranged in the section F vw of the similar model of the C80 fullerene molecular structure, the true sound source is the two-dimensional planar arrangement pattern (10th arrangement pattern to 13th arrangement pattern). The estimated value also increases in the direction opposite to the direction. This is because the position where the elevation angle θ is rotated by “90 °” is under the same conditions as before the rotation, so that the estimated value is also obtained in the opposite direction. Therefore, even if the microphone M is arranged in the section F vw of the similar model of the C80 fullerene molecular structure, the two-dimensional planar arrangement pattern (10th arrangement pattern to 13th arrangement pattern) is not preferable.
Further, the resolution in the low frequency range of 90 Hz improves from the 10th arrangement pattern to the 13th arrangement pattern. Therefore, in estimating the arrival direction of the sound source in the low frequency range, it is particularly preferable to increase the radius of the reference circle (concentric circle) which is the reference for the arrangement of the microphone M.

以上のように、第2実施形態に係る音源探査装置1Aによれば、第1実施形態に係る音源探査装置1と略同様の効果を得ることができる。
また、第2実施形態に係る音源探査装置1Aでは、マイクロホンMがC80フラーレン分子構造の相似モデルの節Fに配置するので、マイクロホンMを配置する位置を簡単に決定することができる。
また、図13ないし図17に示す第5〜第9配置パターンでは、全てのマイクロホンMが同一平面上に位置することがなく、マイクロホンMが3次元的に配置される。その為、音源の到来方向を推定できないという問題が生じる可能性は極めて低い。
As described above, according to the sound source exploration device 1A according to the second embodiment, it is possible to obtain substantially the same effect as the sound source exploration device 1 according to the first embodiment.
Further, in the sound source exploration device 1A according to the second embodiment, since the microphone M is arranged in the section F of the similarity model of the C80 fullerene molecular structure, the position where the microphone M is arranged can be easily determined.
Further, in the fifth to ninth arrangement patterns shown in FIGS. 13 to 17, all the microphones M are not located on the same plane, and the microphones M are arranged three-dimensionally. Therefore, it is extremely unlikely that the problem of not being able to estimate the direction of arrival of the sound source will occur.

[変形例]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を変えない範囲で実施することができる。実施形態の変形例を以下に示す。
[Modification example]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to this, and can be carried out without changing the gist of the claims. A modification of the embodiment is shown below.

第1実施形態では、円錐(図4(a)参照)や半球(図4(b)参照)を切断した切断面の外周上にマイクロホンMを配置していた。しかしながら、マイクロホンMを3次元的に配置することができればよく、円錐や半球以外の図形から作成される同心円上にマイクロホンMを配置してもよい。 In the first embodiment, the microphone M is arranged on the outer periphery of the cut surface obtained by cutting a cone (see FIG. 4 (a)) or a hemisphere (see FIG. 4 (b)). However, it suffices if the microphone M can be arranged three-dimensionally, and the microphone M may be arranged on a concentric circle created from a figure other than a cone or a hemisphere.

第2実施形態では、C80フラーレン分子構造の上側半球にマイクロホンMを配置していた。しかしながら、マイクロホンMを3次元的に配置することができればよく、下側半球や全体にマイクロホンMを配置してもよい。また、他の分子構造(例えば、C60フラーレン分子構造)に基づいてマイクロホンMを配置してもよい。 In the second embodiment, the microphone M is arranged in the upper hemisphere of the C80 fullerene molecular structure. However, it suffices if the microphone M can be arranged three-dimensionally, and the microphone M may be arranged in the lower hemisphere or in the entire area. Further, the microphone M may be arranged based on another molecular structure (for example, C60 fullerene molecular structure).

1 音源探査装置
3 マイクロホンアレイ
4 A/D変換器
10 信号処理部
M マイクロホン
F 節
1 Sound source search device 3 Microphone array 4 A / D converter 10 Signal processing unit M Microphone F section

Claims (2)

MUSIC法を用いて音源の位置を探査する音源探査装置であって、
複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイと、
前記複数のマイクロホンから音源信号を受け付け、MUSICアルゴリズムにより音源の到来方向を推定する信号処理部と、を備え、
前記マイクロホンは、C80フラーレン分子構造の相似モデルにおける複数の階層に配置されることにより、半径が異なるとともに中心軸の方向に中心点をずらした複数の同心円上に各々配置されるものであり、
前記相似モデルに対して、前記同心円の中心軸を基準として上側の階層から昇順の番号を付し、また、同一階層の節に対して時計回りに昇順の番号を付した場合に、第一階層の一番目、三番目、四番目の節と、第二階層の一番目、三番目、四番目の節と、第五階層の一番目、五番目、七番目の節との位置に前記マイクロホンが配置され、それ以外の位置には前記マイクロホンが配置されていない、
ことを特徴とする音源探査装置。
A sound source search device that searches for the position of a sound source using the MUSIC method.
With a microphone array consisting of multiple microphones,
It is equipped with a signal processing unit that receives sound source signals from the plurality of microphones and estimates the arrival direction of the sound source by the MUSIC algorithm.
By arranging the microphones in a plurality of layers in a similar model of the C80 fullerene molecular structure, the microphones are arranged on a plurality of concentric circles having different radii and shifting the center point in the direction of the central axis.
When the similarity model is numbered in ascending order from the upper layer with respect to the central axis of the concentric circles, and the nodes in the same layer are numbered in ascending order clockwise, the first layer is assigned. The microphone is located at the positions of the first, third, and fourth sections, the first, third, and fourth sections of the second layer, and the first, fifth, and seventh sections of the fifth layer. The microphone is placed, and the microphone is not placed at any other position.
A sound source exploration device characterized by this.
MUSIC法を用いて音源の位置を探査する音源探査装置であって、
複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイと、
前記複数のマイクロホンから音源信号を受け付け、MUSICアルゴリズムにより音源の到来方向を推定する信号処理部と、を備え、
前記マイクロホンは、C80フラーレン分子構造の相似モデルにおける複数の階層に配置されることにより、半径が異なるとともに中心軸の方向に中心点をずらした複数の同心円上に各々配置されるものであり、
前記相似モデルに対して、前記同心円の中心軸を基準として上側の階層から昇順の番号を付し、また、同一階層の節に対して時計回りに昇順の番号を付した場合に、第一階層の一番目、三番目、四番目の節と、第二階層の一番目、三番目、四番目の節と、第三階層の一番目、五番目、七番目の節と、第四階層の二番目、六番目、八番目の節との位置に前記マイクロホンが配置され、それ以外の位置には前記マイクロホンが配置されていない、
ことを特徴とする音源探査装置。
A sound source search device that searches for the position of a sound source using the MUSIC method.
With a microphone array consisting of multiple microphones,
It is equipped with a signal processing unit that receives sound source signals from the plurality of microphones and estimates the arrival direction of the sound source by the MUSIC algorithm.
By arranging the microphones in a plurality of layers in a similar model of the C80 fullerene molecular structure, the microphones are arranged on a plurality of concentric circles having different radii and shifting the center point in the direction of the central axis.
When the similarity model is numbered in ascending order from the upper layer with respect to the central axis of the concentric circles, and the nodes in the same layer are numbered in ascending order clockwise, the first layer is assigned. The first, third, and fourth sections, the first, third, and fourth sections of the second layer, the first, fifth, and seventh sections of the third layer, and the second of the fourth layer. The microphone is placed at the position of the sixth, sixth, and eighth nodes, and the microphone is not placed at other positions.
A sound source exploration device characterized by this.
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