JPH05111090A - 受音装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロホンの近傍に存在する雑音源に対し
て有効な高品質の出力信号を得る。 【構成】 Ｍ個のマイクロホン素子２１₁ 〜２１_M のマ
イクロホンアレー２２は例えばビデオカメラに実際に撮
影する時の状態に取付けられ、撮影者からの発声音やビ
デオカメラ内からの発生騒音などのマイクロホン素子２
１₁ 〜２１_M よりの出力を用いて適応形アレーマイクロ
ホンの原理を利用して、前記発声音や騒音に対する感度
が最小となるフィルタ係数を計算し、このフィルタ係数
を、マイクロホン素子２１₁ 〜２１_M の出力がそれぞれ
供給されるディジタルフィルタ５２ ₁ 〜５２_M に固定的
に設定する。フィルタ５２₁ 〜５２_M の出力を加算器２
４で加算して出力信号とする。前記フィルタ係数を不揮
発メモリ５５に記憶しておき、ビデオカメラの電源を停
止後再びビデオカメラを使用する時は、メモリ５５のフ
ィルタ係数をフィルタ５２₁ 〜５２_M に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、複数のマイクロホン
の出力をそれぞれディジタルフィルタに通し、その出力
を加算器で加算して、雑音と音声が混在する音場におい
て、ＳＮ比の良い音声を受音する受音装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】周囲雑音の混入を防ぐための従来技術と
しては指向性マイクロホンがよく知られている。その代
表例として単一指向性マイクロホンの指向特性を図３Ａ
に示す。曲線１はマイクロホンの感度指向特性（以下、
単に指向特性と称する）を表しており、円２の中心から
曲線１までの距離が、円２の中心をマイクロホン位置と
みなした時の各方向に対する感度の大きさを表してい
る。また、目的信号の方向３が指向特性１の最大感度方
向と一致させると、単一指向性マイクロホンは目的信号
方向３に向かって±９０°以上の角度方向から到来する
雑音は大きく抑圧してＳＮ比改善効果が得られることが
わかる。

【０００３】しかし、このような効果が得られるのは雑
音源がある程度以上離れた位置にあって、音波の波面が
平面波とみなせる場合に限定されるため、雑音源がマイ
クロホンの近傍にある場合には良好なＳＮ比改善効果が
得られないという問題点があった。雑音源が近傍に存在
する例としてはビデオカメラに付属したマイクロホンの
例があげられる。ビデオ撮影においては所望の音は被写
体の音であり、撮影者の指示音声やビデオ撮影装置から
発生する騒音は通常は雑音とみなされる（以下、不要な
音のことを雑音と総称する）。しかしながら、このよう
にマイクロホンの近傍に存在する雑音に対しては、通常
の指向性マイクロホンでは抑圧効果は小さいという問題
点があった。

【０００４】また、この問題を解決するために、音響理
論に基づいた設計法や各種の提案がなされているが、ビ
デオカメラなどの障害物が存在する場合の近傍音場に対
するマイクロホン設計理論は極めて複雑なものであっ
て、結局はおおまかな近似を用いずには適用することが
できず、また、各種の提案も試行錯誤的であって最適解
を与えるものではなかった。その結果、雑音抑圧効果は
十分なものとはならないという問題点があった。

【０００５】一方、近年、適応形アレーと呼ばれている
受音方式が提案されている。図３Ｂに適応形アレーの指
向特性を示す。曲線１は適応形アレーの感度指向特性の
例を示す。適応形アレーは、雑音の方向４を検出して、
その方向の感度を自動的に低下させることにより雑音抑
圧効果を得るものである（例えば、文献：Ｍｏｎｚｉｎ
ｇｏ ａｎｄ Ｍｉｌｌｅｒ，“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉ
ｏｎ ｔｏＡｄａｐｔｉｖｅ Ａｒｒａｙｓ，”Ｊｏｈ
ｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，１９８０）。

【０００６】図４に適応形アレーの構成例を示す。Ｍ個
のマイクロホン素子２１₁ 〜２１_M はマイクロホンアレ
ー２２を構成し、マイクロホン素子２１₁ 〜２１_M の各
出力はそれぞれフィルタ２３₁ 〜２３_M へ供給され、フ
ィルタ２３₁ 〜２３_M の出力は加算器２４で加算されて
出力信号２６として出力される。フィルタ制御部２５
は、出力信号２６に含まれる雑音パワーＰＮが最小にな
るようにフィルタ２３₁ 〜２３_M を制御する。但し、そ
の際、単純に雑音パワーＰＮの最小化を行うとフィルタ
係数が全て零となり、ＰＮは零となるが目的信号も出力
されない、という意味の無い結果となってしまう。そこ
で、通常は、フィルタ係数にある拘束条件を与えてＰＮ
の最小化を行う。

【０００７】この拘束条件の例としては、無歪拘束条
件（目的信号を全く歪ませないという条件）、２次拘
束条件（目的信号にある許容範囲以上の歪を生じさせな
いという条件）などが知られている。このような拘束条
件のもとで雑音パワーを最小化するということは、即
ち、目的信号方向の感度を保ちながら雑音方向の感度を
低下させることと等価であり、図３Ｂに示したような指
向特性が実現される。具体的なフィルタ係数算出手段に
ついては、例えば、前記文献や、金田：“ＡＭＮＯＲ
（適応形雑音抑圧マイクロホンアレー）”、電子通信学
会電気音響研究会資料、ＥＡ８５−３６，（１９８
５）、などに述べられている。

【０００８】この適応形アレーの特徴は、与えられた動
作環境において一つまたは複数の雑音源の位置を自動的
に検出し、その雑音条件に対して最適な指向特性を自動
的に形成するという適応動作にある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、適応形
アレーの現在の問題点として、１）使用条件によって
は、目的信号を雑音と誤認識し、目的信号に対する感度
を低下させてしまう（Ｄ．Ｖ．Ｃｏｍｐｅｒｎｏｌｌ
ｅ，“Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｄａｐｔｉｖｅ ｆｉｌ
ｔｅｒｓ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｎｏｉｓｙ
ａｎｄ ｒｅｖｅｒｂｅｒａｎｔ ｓｐｅｅｃｈ ｆｒ
ｏｍ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ ａｒｒａｙ ｒｅｃｏｒ
ｄｉｎｇｓ，”Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ／ＩＣＡＳＳＰ ９
０，ｐｐ．８３３−８３６，（１９９０））、２）適応
速度が遅いため、非定常雑音の立ち上がり部分に対する
効果が小さい（浅野、“適応マイクロホンアレイを用い
た補聴器のための雑音抑圧手法に関する一考察”，信学
会，応用音響研資，ＥＡ９０−６８，（１９９０））、
３）現在のＬＳＩ技術ではハードウェア規模が大変大き
くなる、などが指摘されている。

【００１０】この発明の目的は、上記したような、従来
の受音装置の問題を解決し、特にマイクロホンの近傍に
存在する雑音源に対して有効な高品質の出力信号を得る
ことができる受音装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明によれば複数の
マイクロホンの出力がそれぞれディジタルフィルタへ供
給され、これらディジタルフィルタの出力が加算器で加
算され、各ディジタルフィルタの係数は、想定される近
傍位置に雑音源を設置してマイクロホンアレーにより受
音を行い、適応形アレーの原理を利用して最適なフィル
タ係数をオフラインで計算し、この計算された最適フィ
ルタ係数を受音装置に転送し、ディジタルフィルタに設
定し、フィルタ係数を固定的に使用して受音動作を行
う。

【００１２】このように、この発明による受音装置は固
定係数のディジタルフィルタにより動作するものであっ
て、適応機能は有しない。従ってこの発明は、変化する
雑音の位置に応じた最適指向特性の形成という従来の適
応形アレーの持つ本質的な利点を失うため、従来技術よ
りは後退した技術と考えられるかもしれない。しかし、
この発明によれば、位置がほぼ固定的と考えられる雑音
に対しては、適応形アレーと同様に最適性が保証される
とともに、次に説明するように、前述した適応形アレー
の問題点を克服するものとなっている。

【００１３】まず第一に、目的信号を雑音と誤認識する
問題は、目的信号の発生時に適応動作を行う場合に発生
するものであるので、フィルタを固定し、適応動作を行
わないこの発明では、この問題は生じない。第二に、非
定常雑音の立ち上がり部分に対する効果が小さいという
問題について考えてみる。生起期間と休止期間とが不規
則に連続する非定常雑音に対する適応形アレーの動作
は、生起期間には図３Ｂに示すように雑音方向に低感度
な指向特性を形成し、休止期間には、周囲一様方向から
到来する暗騒音に対して最適化された、図３Ｂのものと
は異なった指向特性を形成する。そして、再度雑音が生
起した時に、再度適応動作を行って図３Ｂの指向特性を
形成する。この適応動作の途中においては十分な雑音低
減が行えないという問題点があり、これを改善するため
には、適応速度の向上が必須であると考えられている。
しかし、雑音源の移動がきわめてゆるやかと考えた場合
には、逆に、適応速度を遅くするということが効果的で
あると考えられる。即ち、一旦生起期間で最適化された
指向特性は、適応速度（指向特性の変化速度）が遅いた
め、休止期間においても大きくは変化せず、次の雑音生
起時刻までほぼ維持され、その結果前述の問題が回避さ
れる。この考え方を極端に押し進めると、位置がほぼ固
定的な非定常雑音に対しては、適応を行わない固定フィ
ルタの利用は、上記問題点の解決手段を与える。

【００１４】第三に、適応部分を有しないこの発明で
は、ハードウェア規模が大幅に減少でき、現在のＤＳＰ
１チップで実現が可能な規模となる。一方、指向特性が
固定であるという点では、この発明は、従来の指向性マ
イクロホン技術と同一機能である。しかし、前述したよ
うに、従来の指向性マイクロホン設計理論では、障害物
の存在する近傍音場の雑音に対する最適指向性を設計す
ることはほぼ不可能であった。一方、適応形アレーで
は、そのような近傍音場の雑音に対しても最適指向性を
実現することが可能である。このことに着目し、適応形
アレーの理論をマイクロホン設計理論として利用したこ
の発明によれば、従来の指向性マイクロホンでは困難で
あった近傍音場の雑音に対して大きな抑圧効果を持つと
いう特徴を有する。

【００１５】以上述べたことより、この発明は、適応形
アレーの理論を固定特性を持つマイクロホン設計理論と
して適用したことが特徴である。その結果、従来の適応
形マイクロホンの持つ問題点を回避することができ、従
来の受音装置では実現困難であった、近傍の雑音源に対
して大きな雑音抑圧効果のある受音装置を提供すること
ができることが明らかとなった。

【００１６】

【実施例】図１はこの発明の主旨をビデオカメラ用のマ
イクロホンとして実現する実施例を説明する図であっ
て、ビデオカメラ４１上にマイクロホンアレー２２が取
付けられ、マイクロホンアレー２２には受音装置フィル
タ部４３が取付けられている。４４は撮影者であり、マ
イクロホンアレー２２にフィルタ係数計算装置４５が信
号線４６で接続されている。

【００１７】この実施例を動作させるためには、まず、
図１に示すように、マイクロホンアレー２２を実使用状
態にビデオカメラ４１にとりつける。次に、撮影者４４
が実使用状態で発声を行う。この時にマイクロホンアレ
ー２２に受音される雑音または不要音（撮影者４４の音
声およびビデオカメラ４１の騒音など）は、信号線４６
を経てフィルタ係数計算装置４５に転送される。フィル
タ係数計算装置４５は、パーソナルコンピュータなどの
演算機能を有する装置である。このフィルタ係数計算装
置４５において、転送された雑音データを用いて、先に
述べた適応形アレー受音方式の原理に基づいて最適フィ
ルタ係数を計算する。次にフィルタ係数計算装置４５で
計算されたフィルタ係数は信号線４６を通して受音装置
フィルタ部４３に転送する。

【００１８】図２はこの発明受音装置の構成例を示し、
図１と対応する部分に同一符号を付けてある。マイクロ
ホンアレー２２のＭ個のマイクロホン素子２１₁ 〜２１
_M の出力はそれぞれディジタルフィルタ５２₁〜５２_M
へ供給され、ディジタルフィルタ５２₁ 〜５２_M の出力
は加算器２４で加算されて出力信号５４として出力され
る。フィルタ部４３には不揮発メモリ５５が設けられて
いる。不揮発メモリ５５はディジタルフィルタ５２₁ 〜
５２_M に接続されている。

【００１９】図１に示すフィルタ係数計算装置４５で計
算されたフィルタ係数は信号線４６を通して受音装置フ
ィルタ部４３に転送された後、各フィルタ５２₁ 〜５２
_M に供給される。以上の操作の後、信号線４６をこの受
音装置から取り外し、マイクロホンアレー２２、受音装
置フィルタ部４３のみで、指向性マイクロホンとしての
動作を行う。

【００２０】この時、フィルタ係数としては、撮影者の
音声およびビデオカメラの騒音が最小となるような最適
フィルタ係数を用いている。ビデオ撮影時においては、
マイクロホンアレー２２とそれら雑音源との位置関係は
ほぼ固定的であるとみなせるため、この受音装置の指向
特性はそれらの近傍雑音に対してきわめて感度の低いも
のとなり、良好な高品質受音を実現する。

【００２１】さらに、フィルタ係数計算装置４５より転
送されたフィルタ係数を不揮発メモリ５５に記憶するな
らば、ビデオカメラの電源を停止しても消去されること
はなく、係数の転送は一度行えば十分である。また、フ
ィルタ係数の転送は信号線４６を介して行うのではな
く、フィルタ係数計算装置４５内部においてフィルタ係
数を不揮発メモリに書き込み、その不揮発メモリをこの
受音装置に取付けることで、フィルタ係数の転送は実現
される。

【００２２】以上、代表的な応用例として、ビデオカメ
ラに付属したマイクロホンの例を説明してきたが、この
発明装置は、マイクロホンと雑音源の位置関係がほぼ固
定的であるという各種状況での受音装置として適用が可
能である。そして、特に雑音源がマイクロホンの近傍に
存在する場合には、従来の指向性マイクロホンに比べて
大幅な雑音低減が実現される。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明は近傍に
存在する音源からの雑音をマイクロホンアレーでまず受
音し、受音した雑音に対する最適な指向特性を形成する
フィルタ係数を、付加装置（フィルタ係数計算装置４５
および信号線４６）において適応形アレーの原理に基づ
いて計算し、計算されたフィルタ係数を受音装置内に転
送して使用することを特徴とする。この発明によれば、
従来良好な抑圧効果の得られなかった近傍雑音に対し
て、良好な抑圧効果の持つ指向性マイクロホンが実現で
きる。

【００２４】従って、この発明はビデオカメラ付属用の
受音装置などの適用を始めとして大変利用範囲の広い受
音装置を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明をビデオカメラ用のマイクロホンとし
て実現した実施例を示す外観図。

【図２】この発明の受音装置の実施例を示すブロック
図。

【図３】Ａは指向性マイクロホンの指向特性を示す図、
Ｂは適応形アレーの指向特性を示す図である。

【図４】従来の適応形マイクロホンアレーの構成例を示
すブロック図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のマイクロホンと、 これら複数のマイクロホンの後段に設けられた複数のデ
   ィジタルフィルタと、 これら複数のディジタルフィルタの出力を加算して出力
   する加算器と、 を持つ受音装置において、 上記ディジタルフィルタの係数は固定量であって、 かつ、目的とする音に対する感度を維持しながら不要な
   音の出力を最小化するという適応形アレー方式の原理に
   基づいてあらかじめ計算された係数であることを特徴と
   する受音装置。