JPH11298988A - マイクロフォンの指向特性を制御する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動車に使用される音声認識装置に設けられ
るマイクロフォンの制御方法及び装置に関する。 【解決手段】 騒音下で話者の音声を抽出するマイクロ
フォンの指向特性を制御する装置において、直線的で等
間隔に配置され、且つ平面音波を入力する複数のマイク
ロフォンＭＩＣ１、２、３と、複数のマイクロフォンの
出力信号を処理して各マイクロフォンに入力する平面音
波の位相の相違に基づいて話者の方向に感度がピークと
なり且つ騒音の到来する方向に感度がディップとなるよ
うにマイクロフォンの指向特性を制御するマイクロフォ
ン回路１０とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自動車に使用される
音声認識装置に設けられるマイクロフォンの制御方法及
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】音声認識装置は、話者が発した単語、文
章を認識するものであり、音声認識装置に対する音声の
入力には認識率の向上のためにヘッドセットのマイクロ
フォンが使用される。近年、自動車にも音声認識装置が
搭載され、例えば、の音声ダイアル等に使用するために
種々の開発が行われている。このハンズフリー電話シス
テムでは、運転手がヘッドセットを付けると、運転に支
障があるので、一定の場所に固定されたマイクロフォン
が使用される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、固定されたマ
イクロフォンには話者と固定マイクロフォンとの間に一
定の距離が生じるため自動車の走行時に発生する車室内
の騒音が入って来て音声認識装置の認識率の向上が困難
になるという問題がある。この問題の解決方法として指
向特性のあるマイクロフォンが使用されるが、必ずしも
必要な指向性が得られず、特に、話者に対して感度がピ
ークとなり、車室内の騒音に対して感度がディップとな
る条件のマイクロフォンを得ることができない。

【０００４】さらに、複数のマイクロフォンより入力さ
れた信号をデジタル的に信号処理することにより、ノイ
ズの除去する方法もあるが、高性能なＣＰＵ（中央演算
装置）を必要とするため、コスト的に実現段階で問題が
発生する。したがって、本発明は、上記問題点に鑑み、
騒音到来方向に感度がディップとなり、話者方向に感度
がピークとなるように指向特性を制御してＳ／Ｎを改善
しつつ低廉なコストを実現できるマイクロフォン指向特
性の制御方法及び装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決するために、騒音下で話者の音声を抽出するマイク
ロフォンの指向特性を制御する装置において、直線的で
等間隔に配置され、且つ平面音波を入力する複数のマイ
クロフォンと、前記複数のマイクロフォンの出力信号を
処理して各マイクロフォンに入力する平面音波の位相の
相違に基づいて話者の方向に感度がピークとなり且つ騒
音の到来する方向に感度がディップとなるようにマイク
ロフォンの指向特性を制御するマイクロフォン回路とを
具備することを特徴とするマイクロフォンの指向特性を
制御する装置を提供する。具体的には、前記マイクロフ
ォン回路は、３つのマイクロフォンのうち２つの左右マ
イクロフォンの出力信号の差を取ることにより、前記２
つの左右マイクロフォン間の中央の対称軸で８の字型で
正負極を有する８の字型指向特性を形成する差動増幅器
と、前記差動増幅器により得られた結果を積分して前記
差動増幅器により得られる低周波数での指向特性の低下
を回復する積分器と、前記積分器の出力信号と前記３つ
のマイクロフォンのうち１つの中央マイクロフォンの出
力信号を加算して前記差動増幅器で得られる前記８の字
型の正負極の指向特性の一方の極を消去して他方の極を
強調して指向特性を鋭くする加算器とを備える。この手
段により、音声認識に使用される周波数の範囲で指向特
性を先鋭化することが可能になった。複数のマイクロフ
ォンの取り付け位置、各マイクロフォンの利得制御によ
り、話者に対して感度がピークになり、騒音に対して感
度がディップとなるように、指向特性の制御が可能にな
る。これにより、Ｓ／Ｎが改善され、音声認識率が向上
する。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態に係るマイク
ロフォン指向特性の制御方法及び装置は、前述のよう
に、自動車に使用される音声認識装置に適用され、例え
ば、周波数範囲３００Ｈｚから５ｋＨｚまでの音放射に
関して、複数の、例えば、２〜３個のマイクロフォンを
等間隔に直線配置にして、話者方向に対しては感度をピ
ークにし自動車の床方向に対しては感度をディップにす
る指向特性を有することにより、１個のマイクロフォン
の使用と比較して、以下のように、Ｓ／Ｎの改善を行
う。

【０００７】マイクロフォン２ペアの指向特性 図１は本発明に係る２個のマイクロフォンの直線配置の
指向特性例を説明する図である。本図に示す如く、距離
ｄだけ離れた２つのマイクロフォンＭＩＣ１及びＭＩＣ
２が直線上に配置され、角度θ方向から平面波が到来し
ているとする。２つのマイクロフォンＭＩＣ１及びＭＩ
Ｃ２の間の中心位置Ｏを基準点（注目点）、各マイクロ
フォンＭＩＣ１及びＭＩＣ２の音圧は、次式（１）のよ
うに、示される。Ｒは距離、またｋ＝（ω／ｃ）は波長
定数である（ｃは音速）。

【０００８】

【数１】

【０００９】２つのマイクロフォンの出力の和 マイクロフォンＭＩＣ１とＭＩＣ２の各出力の和を、次
式（２）のように、全体の出力とする場合を考える。こ
こで、マイクロフォンＭＩＣ１とＭＩＣ２の感度の大き
さは特に指定しないで両者は等しいとする。

【００１０】

【数２】

【００１１】したがって、指向性関数Ｄは次式（３）の
ようになる。

【００１２】

【数３】

【００１３】図２は式（３）の指向特性の概略を説明す
る図である。本図に示すｋｄは、ｄ＝４ｃｍ、ｃ＝３４
０ｍ／ｓとすると、次式（４）で示される。

【００１４】

【数４】

【００１５】上式（４）から、それぞれの周波数のｋｄ
の値は下記表１のようになる。

【００１６】

【表１】

【００１７】したがって、上記表１からも分かるよう
に、単純加算の場合、周波数ｆ＝１５００Ｈｚ以上では
指向特性が強い楕円になるが、周波数ｆ＝１５００Ｈｚ
未満の低周波では一方向の指向特性が弱い円になり一方
向の指向特性を強くすることが困難である。２つのマイクロフォンの出力の差 マイクロフォンＭＣ２の出力からマイクロフォンＭＣ１
の出力の差を全体の出力とする場合を考える。この場合
の指向性関数Ｄは、次式（５）で与えられる。

【００１８】

【数５】

【００１９】図３は式（５）の指向特性の概略を説明す
る図である。本図に示すように、上記式（５）は８の字
型で対称軸に対して正負極の指向特性を有するが、指向
特性の大きさは低い周波数域では、周波数に比例して小
さくなる。それゆえ、２つのマイクロフォンの出力差を
取る方式では、その後に積分器が不可欠となる。１／ｊ
ωτの利得の積分器を用いると、指向性関数Ｄは次式
（６）のようになる。

【００２０】

【数６】

【００２１】ビームフォーマ 以上の式（３）、式（６）の２つの指向性関数Ｄが、以
下にビームフォーマを考えるときの基本要素といえる。一方に位相器を付加した２つのマイクロフォンの出力の
和 図４は、指向性形成のブロックダイヤグラム１であっ
て、２つのマイクロフォンの出力の和を取る方式に位相
器を付加した構成例を示す図である。本図に示す如く、
マイクロフォン回路１０ではマイクロフォンＭＩＣ２の
出力にAll Pass（全域通過）の遅延回路を付加してその
出力とマイクロフォンＭＩＣ１の出力との和が取られ
る。この場合の指向特性関数Ｄは次式（７）、（８）で
示される。

【００２２】

【数７】

【００２３】図５、図６は、図４の指向特性について、
ｄ＝４ｃｍ、τ＝１３５μｓｅｃとして、式（８）の各
周波数の数値計算結果例を説明する図である。図５、図
６に示す如く、本方式では、低周波数で、特定方向への
指向性は実現不可能である。構成が簡単であるが、｜Ｄ
｜＝２ｃｏｓ｛（ｋｄ／２）ｃｏｓθ＋ｔａｎ^-1ωτ｝
の形であるから低い周波数でのある特定方向への指向特
性を大きく取れない欠点がある。この方式により、広い
周波数範囲で、図５（ｄ）のような指向特性を実現する
には、AllPassによる位相推移でなく、各周波数に対し
て、それぞれ適切な位相推移を与える必要がある。

【００２４】一方に位相器を付加した２つのマイクロフ
ォンの出力の差に積分器の付加 図７は、指向性形成のブロックダイヤグラム２であっ
て、図５、６に式（６）を基本として位相推移を付加し
た構成例を示す図である。本図のマイクロフォン回路１
０より得られる指向特性Ｄは、次式（９）、（１０）で
示される。

【００２５】

【数８】

【００２６】ここで、図４、式（７）、（８）に用いら
れているτをτ＝ＣＲとして示す。図８、図９は、図７
の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、ＣＲ＝６３μｓｅ
ｃ、τ＝８７μｓｅｃとして、式（１０）の各周波数で
の数値計算結果例を説明する図である。ＣＲの値は、θ
＝４５°で、Ｄがディップを有するように設定してい
る。

【００２７】この（１／ωτ）ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃ
ｏｓθ−ｔａｎ^-1ωＣＲ〕の形は、ｃｏｓ〔（ｋｄ／
２）ｃｏｓθ＋ｔａｎ^-1ωτ〕よりは、低周波数で良好
な指向性が得やすい。２つのマイクロフォンの出力の差の特性に正値を加算 図１０は指向性形成のブロックダイヤグラム３を示す図
である。式（６）は、図３に示すように、原点を中心と
する対称軸に対して横８の字の指向性を有するので、図
４、図７の位相器を使わずに、本図に示すマイクロフォ
ン回路１０では、８の字のマイナス（負）側を正値で打
ち消し、プラス（正）側を強調したビームフォーマが考
えられる。

【００２８】図１０において、Ｄは次式（１１）とな
る。

【００２９】

【数９】

【００３０】図１１、図１２は、図１０の指向特性につ
いて、ｄ＝６ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとして、式（１
１）の各周波数での数値計算結果例を説明する図であ
る。なお、τの値は、θ＝４５°でＤがディップを有す
るように設定している。本図により、図１０の本方式
は、本方式を含めて、図４、図７との３通りの方式中
で、低い周波数からかなり高い周波数まで最も良好な指
向性が実現可能であることがわかる。

【００３１】３マイクロフォン直線配置積分方式 図１０で示した３マイクロフォン積分方式が低い周波数
からかなり高い周波数まで、広範囲に良好な指向特性が
得られるから、これについて以下に詳細に検討を行う。
図１３は３マイクロフォン直線配置積分方式を採用する
基本構成を説明する図である。本図に示すように、３つ
のマイクロフォンが等間隔に直線配置され、マイクロフ
ォン回路１０では、それぞれの出力は積分器、加算器を
用いて、合成して所望の出力が得られる。後述するよう
に、利得を適当に調整することにより感度のディップ点
は任意に設定できる。なお、ＬＰＦ（低域通過フィル
タ）は、後述するように、高い周波数での指向特性の劣
化を補償するものである。説明の都合上、ＬＰＦを用い
ない場合について、再度、詳しく述べる。図１３でＬＰ
Ｆを用いない場合の指向性関数Ｄは、次式（１２）のよ
うになる。

【００３２】

【数１０】

【００３３】ｋｄ／２≪１、すなわち、低い周波数で
は、指向性関数Ｄは次式（１３）のようになる。

【００３４】

【数１１】

【００３５】図１４は式（１３）の概略を説明する図で
ある。τ＝ｃ／ｄとすると、θに対する式（１３）の指
向性関数｜Ｄ｜の分布は本図に示すようになる。図１５
はωに対する２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτ
の変化を説明する図である。ωに対する２ｓｉｎ〔（ｋ
ｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτの変化を各θにおいて調べる
と、本図に示すようになる。ただし、ここではτの値は
θ＝０°で｜Ｄ｜が零となるように設定している。

【００３６】図１５の１）ｄ＝４ｃｍにおいて、θ＝０
°で２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτは１で式
（１２）は０となる。そして、周波数が１ｋＨｚ弱まで
は、各θに対する値はｆ＝０のときとほぼ同じであるか
ら、その指向特性は図１４のようになる。図１６は指向
特性の劣化の概要を説明する図である。しかし、さら
に、上記周波数１ｋＨｚよりも高くなると、｜Ｄ｜の分
布は、概略、図１６（ａ）のように劣化する。

【００３７】また、図１５の３）ｄ＝８ｃｍにおいて、
周波数４ｋＨｚ以上になると、図１６（ｂ）のように、
さらに指向特性が劣化する。したがって、ｄを大きくす
るほど、高い周波数の指向特性は劣化が生じ易くなる。
次にＬＰＦを用いて、高い周波数での指向特性を補償す
ることを考える。図１４の目標とする指向特性を高い周
波数で実現するには、各θでの２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）
ｃｏｓθ〕／ωτの値をθ＝０のときの値にそろえるこ
とが必要である。そこで、ここでは、図１３に示す如く
ＬＰＦを設けて、高い周波数での２ｓｉｎ〔（ｋｄ／
２）ｃｏｓθ〕／ωτの値の大きさの低下を、ＬＰＦの
共振特性によるピーキングで補償する考えを取る。

【００３８】上記のＬＰＦの伝達関数は次式（１４）の
ようになる。

【００３９】

【数１２】

【００４０】したがって、周波数が低い方からｆ₀ まで
の大きさの拡大を利用して、指向特性の補償が行われ
る。しかしながら、図１４の３）ｄ＝８ｃｍの場合は、
周波数約４ｋＨｚ以上では、本方法をもってしても、補
償は不可能である。図１７は式（１４）の振幅特性を説
明する図である。ＬＰＦを用いた場合は、本図に示すよ
うに、指向性関数Ｄは次式（１５）のようになる。

【００４１】

【数１３】

【００４２】もともとの低周波数において、（ｃ：音
速）次の関係の式（１６）のように、

【００４３】

【数１４】

【００４４】とすればよい。指向特性の数値計算例 ＬＰＦを用いない場合のｄ＝６ｃｍについて、指向特性
を計算した結果は、前述の図１１、図１２に掲げてい
る。ただし、θ＝４５°でディップをもたせるためにτ
＝１２０μｓｅｃとしている。

【００４５】図１８、図１９は、ｄ＝６ｃｍにおいて、
ＬＰＦを用い周波数での特性改善を図った計算結果例を
説明する図である。本図（ａ）から（ｇ）の結果から、
ＬＰＦによる特性改善がよく分かる。ここに、ＬＰＦに
おいて、ｆ₀ ＝６８００Ｈｚ、Ｑ＝２０、ｄ＝６ｃｍ、
τ＝１２０μｓｅｃである。次に、ｄ＝４ｃｍとして、
θ＝０°でディップを与える場合を取り上げる。式（１
６）からτ≒１２０μｓｅｃと求まる。この場合のＬＰ
Ｆを用いて高周波補償を施した。

【００４６】図２０、図２１は図１３の指向性関数Ｄの
数値計算結果例を説明する図である。本図に示すよう
に、ｄ＝６ｃｍからｄ＝４ｃｍに変更したことによっ
て、かなり高い周波数まで良好な指向特性が得られてい
る。図２２は、ｄ＝６ｃｍ、θ＝４５°ディップ又はｄ
＝４ｃｍ、θ＝０°ディップの場合に図１３の基本的構
成を具体化したマイクロフォン回路１０の構成例を示す
図である。ただし、図１３の基本構成の各経路に−１を
乗じた形となっている。本図に示すマイクロフォン回路
１０は、マイクロフォンＭＣ２とＭＣ３とからの出力信
号を入力してこれらの差を形成する差動増幅器１１と、
差動増幅器１１の出力に接続されて高周波補償を行うＬ
ＰＦ１２と、ＬＰＦ１２に接続されて積分を行う積分器
１３と、積分１３の出力とマイクロフォンＭＣ１の出力
とを加算する加算器１４とからなる。図２２に示される
差動増幅器１１、ＬＰＦ１２、積分器１３、加算器１４
を形成する、トランジスタ、オペアンプの種類、抵抗、
コンデンサ等の値は一例である。ここで、ｄ＝６ｃｍ、
θ＝４５°でディップをもたせるものとして、τ＝１２
０μｓｅｃである（ｄ＝４ｃｍ、θ＝０°でディップの
場合も本回路構成となる）。

【００４７】次に、積分器１３として、従来の積分器を
そのまま使用すると、その構成には、２つの問題があっ
た。積分器１３を構成するオペアンプ（ＯＰ）のオフセ
ットを取るための帰還抵抗は、理想に近い積分特性実現
のために高抵抗値を与えている。しかし、 それでも低周波（３００Ｈｚ付近以下）では、理想
の積分特性を実際に得ることが相当に難しい。他方、帰
還抵抗大である。

【００４８】 そのため、前段の僅かなオフセット誤
差（差動増幅器１１を構成するＯＰ１に積分特性をもた
せた場合は、直流差動誤差）によっても、積分器１３の
出力に大きな直流誤差を生ずる。 以上の問題点の解決方法として、図２２の回路図に示す
ように、積分器１３の帰還抵抗の中間点と接地間を交流
点に短絡するにしてある。ただし、Ｒ_C2、Ｒ_C3に比べ
て、短絡用容量（インピーダンス）は十分に小さくする
必要がある。

【００４９】次に、図２２のマイクロフォン回路の各回
路の動作を説明する。図２３は図２２の差動増幅回路１
１を説明する図である。本図の点Ｐにおいて、次式（１
７）、（１８）が成立する。

【００５０】

【数１５】

【００５１】上式において、次式（１９）：

【００５２】

【数１６】

【００５３】の条件が満足されるとすれば、次式（２
０）が成立する。

【００５４】

【数１７】

【００５５】ここで、Ｒ_A1＝Ｒ_A2 Ｒ_A3＝Ｒ_A4とする
と、次式（２１）が成立する。

【００５６】

【数１８】

【００５７】図２４は図２２の高ＱのＬＰＦ１２を説明
する図である。本図に、安定な動作が期待できる多重帰
還形ＬＰＦが示される。ここで、Ｃ_B4とＣ_B5の容量分割
回路を用いることによって、従来、困難であったＱの高
Ｑ化が実現できる。本構成の場合、有限ＧＢ積の影響は
無視できない。図２４において、次式（２２）が成立す
る。

【００５８】

【数１９】

【００５９】また、図２４の点Ｐにおいて、次式（２
３）が成立する。

【００６０】

【数２０】

【００６１】それゆえ、本ＬＰＦ１２の伝達関数は次式
（２４）の通りになる。

【００６２】

【数２１】

【００６３】そして、周波数域を分母３次の項が無視で
きる範囲とするならば、次式（２５）のように簡略化さ
れる。

【００６４】

【数２２】

【００６５】ただし、式（２６）の関係がある。

【００６６】

【数２３】

【００６７】図２５は図２２の低周波数域まで動作可能
な積分回路１３を説明する図である。本図の積分回路１
３において、本来、Ｃ’は電界コンデンサの大きな容量
を用い、交流的には零インピーダンスを目標としてい
る。しかしながら、ここで、この容量Ｃ’の影響を、以
下に、調査する。有限ＧＢ積を無視して、点Ｐの電流の
連続性を取ると、次式（２７）、（２８）が成立する。

【００６８】

【数２４】

【００６９】したがって、次式（２９）：

【００７０】

【数２５】

【００７１】の理想の積分特性を得るための十分条件
は、次式（３０）：

【００７２】

【数２６】

【００７３】となる。図２６は図２２の加算回路１４を
説明する図である。本図のＰ点において、次式（３
１）、（３２）が成立する。

【００７４】

【数２７】

【００７５】したがって、次式（３３）、（３４）が成
立する。

【００７６】

【数２８】

【００７７】以上の各回路を結合した図２２において、
式（３５）、（３６）が成立する。

【００７８】

【数２９】

【００７９】ただし、ω₀ とＱは式（２６）に表示して
いる。このように、複数のマイクロフォンとアナログ回
路を用いることで、低コストで所望のマイクロフォンの
指向特性を得ることが可能になる。ビームフォーマの尖鋭化 基本的考え方 図２７は自由空間内の半分に指向特性をもつマルチマイ
クロフォンのシステムとして３マイクロフォン直線配置
積分方式の例を示す図である。本図に示すマイクロフォ
ン回路１０では、自由空間内の半分に指向特性を有する
マルチマイクロフォンのシステム、例えば、図１３（図
２７に再掲）の指向特性にｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）、つ
まり横８の字を掛けることにより、さらにビームを鋭く
することを考えた。なお、低い周波数ではｓｉｎ（ｋｄ
ｃｏｓθ）の値が小さくなるから、指向特性が小さくな
る。したがって、その後には積分器を用いて増幅させる
ことが必要となる。

【００８０】この場合、指向性関数Ｄは次式（３７）と
なる。

【００８１】

【数３０】

【００８２】図２８、図２９は式（３７）の指向特性を
示す図である。本図に示すように、式（３７）の指向特
性が示される。式（３７）をさらに展開すると次式（３
８）となる。

【００８３】

【数３１】

【００８４】実数部の値が零で、この式の値が虚数部の
値となるマイクロフォン配置を考え、この結果に基づく
次式（３９）を示す。

【００８５】

【数３２】

【００８６】図３０は式（３９）の指向特性を実現する
マイクロフォンの配置を示す図である。本図に示すよう
に、式（３９）を完全に満足するように５つのマイクロ
フォンの直列配置が行われる。尖鋭化したビームの３マイクロフォンによる実現 しかし、図３０のようにマイクロフォンを５つも使用す
ることは望ましくない。そこで、 〔１〕マイクロフォンＭＩＣ２とＭＩＣ３を右にｄだけ
移動して３マイクロフォンを実現する； 〔２〕マイクロフォンＭＩＣ２とＭＩＣ３を左にｄだけ
移動して３マイクロフォンを実現する； 〔３〕マイクロフォンＭＩＣ５を右にｄだけ、ＭＩＣ４
を左にｄだけ移動して３マイクロフォンを実現する；こ
とを考えることにした。

【００８７】図３１は〔１〕のマイクロフォン配置で尖
鋭化した指向特性を実現する図である。本図に示すマイ
クロフォン回路１０により得られる指向特性は次式（４
０）のようになる。

【００８８】

【数３３】

【００８９】〔２〕の場合には、指向特性は次式（４
１）のようになる。

【００９０】

【数３４】

【００９１】指向特性の絶対値は、〔１〕のときと同じ
である。図３２は〔３〕のマイクロフォン配置で尖鋭化
した指向特性を実現する図である。本図に示すマイクロ
フォン回路１０により得られる指向特性は次式（４２）
のようになる。

【００９２】

【数３５】

【００９３】さらに式（４２）を変形すると、次式（４
３）のようになる。

【００９４】

【数３６】

【００９５】となり、式（３７）にかなり近い形となっ
ていることが分かる。以上、３通りの３マイクロフォン
化を考えたが、その中で〔３〕の場合について、さらに
検討していく。なお、実際には、図３２の出力には、さ
らなる積分回路を必要となる。図３３、図３４は〔３〕
の場合の指向特性を示す図である。ただし、ｄ＝２．５
ｃｍ、τ＝３０μｓｅｃとする。本図に示すように、ｆ
＝２０００Ｈｚ以上から、指向特性の鋭さが減少し始め
る。そこで、式（４３）に注目し、ｃｏｓ（ｋｄ／２ｃ
ｏｓθ）、１／ωτｓｉｎ（ｋｄ／２）ｃｏｓθの周波
数に対する変化を調べる。

【００９６】図３５は式（４３）のｃｏｓ（ｋｄ／２）
ｃｏｓθ、１／ωτｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）の数値
計算結果を示す図である。図３５（ｂ）から、式（４
３）の１／ωτｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）によって、
周波数が低いときは、指向特性が鋭くなることが分か
る。また、図３５（ｂ）の各大きさの周波数に対する減
少は、ｆ＝４０００Ｈｚくらいまでは少ない。しかし、
それ以上の周波数では、指向特性鈍化の原因となる。

【００９７】ところが、式（４３）の〔〕内のｃｏｓ
（ｋｄ／２ｃｏｓθ）は図３５（ａ）に示すごとく、か
なり低い周波数から減少し始めている。また、高い周波
数で、左側に指向特性が表れ始めているのも、ｃｏｓ
（ｋｄ／２ｃｏｓθ）が減少することにある。図３６、
図３７は図３２で、ｄ＝２．５ｃｍから２ｃｍに変更し
た指向特性を示す図である。本図に示すように、ｆ＝５
０００Ｈｚまで良好な指向特性の鋭さが維持され、かな
り高い周波数まで尖鋭化が実現される。ただし、τ＝３
０μｓｅｃである。

【００９８】図３８は図３２の出力に１／ｊωτ’を付
加してビームを鋭くした構成例を示す図である。式（４
３）を参照すると、図３８に示すマイクロフォン回路１
０により得られる指向性関数Ｄは次式（４４）のごとく
表される。

【００９９】

【数３７】

【０１００】それゆえに、次の関係の式（４５）が成立
する。

【０１０１】

【数３８】

【０１０２】図３９は図３２、図３８を基にした具体的
なマイクロフォン回路１０の構成例を示す図である。本
図に示す回路素子値は、図２２のおおよその参考とし
て、設定されている。本図において、回路素子間には、
次の条件（４６）を必要とする。

【０１０３】

【数３９】

【０１０４】ここで、オペアンプ（ｏｐ）の理想形とし
て、図３９の回路において、次式（４７）が成立する。

【０１０５】

【数４０】

【０１０６】そして、式（４６）の条件が満足すると、
式（４７）は次式（４８）、（４９）のようになる。

【０１０７】

【数４１】

【０１０８】図４０、４１、４２は図３９の回路に各入
力に対する伝送｜Ｖ₀ ／Ｖ_iM｜、｜Ｖ₀ ／Ｖ_iL｜、｜Ｖ
₀ ／Ｖ_iR｜の大きさのシミュレーション結果をそれぞれ
示す図である。なお、オペアンプはＴＬ−０６１であ
る。ｆ＝３００Ｈｚ以上では、ほぼ目標の特性が得られ
ている。実際には、利得水準を２０から３０ｄＢダウン
となるように回路素子値を設定してもよい。

【０１０９】なお、図４０、４１、４２の３００Ｈｚ以
下の低域で積分特性の劣化は、積分回路の電界コンデン
サのインピーダンスによる。しかし、特に問題とはなら
ない。５マイクロフォンによるビームの尖鋭化 前述した自由空間の半分に感度を有する指向特性に、１
−ｃｏｓ（ｋｄｃｏｓθ）を掛け算すると、以下に説明
するように、その指向特性はより尖鋭化する。しかし、
この場合は、５マイクロフォンの入力となる。

【０１１０】式（１２）に１−ｃｏｓ（ｋｄｃｏｓθ）
を掛け算した指向性関数Ｄは次式（５０）のようにな
る。

【０１１１】

【数４２】

【０１１２】式（５０）を変形すると、次式（５１）の
ようになる。

【０１１３】

【数４３】

【０１１４】図４３は、式（５１）の指向特性を満足す
る５つのマイクロフォンの直線配置を示す図である。本
図に示すように、５つのマイクロフォンが等間隔で直線
に配置され、マイクロフォン回路１０の構成が形成され
る。図４４、図４５は図４３で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝１２
０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。本図に示す
ように、指向特性は３マイクロフォンよりも尖鋭化され
る。

【０１１５】さらに、前述の式（１０）に１−ｃｏｓ
（ｋｄｃｏｓθ）を掛け算した指向性関数Ｄは次式（５
２）のようになる。

【０１１６】

【数４４】

【０１１７】式（５２）を変形すると、次式（５３）の
ようになる。

【０１１８】

【数４５】

【０１１９】図４６は式（５３）の指向特性を満足する
５つのマイクロフォンの直線配置を示す図である。本図
に示すように、５つのマイクロフォンが等間隔で直線に
配置され、マイクロフォン回路１０の構成が形成され
る。図４７、図４８は図４６で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝５０
μｓｅｃ、ＣＲ＝３０μｓｅｃとした指向特性を示す図
である。本図に示すように、指向特性は３マイクロフォ
ンよりも尖鋭化される。

【０１２０】図４９は、本発明に係る直線配置のマルチ
マイクロフォンを自動車に配置する例を示す図である。
本図に示すように、自動車において話者の前方に位置
し、垂直に対して、例えば、４５°の角度をなすＡピラ
ー（前方のピラー）に直線配置の複数の（マルチ）マイ
クロフォンを取り付ける場合には、複数のマイクロフォ
ンの高さを話者の口元の高さに合わせ、マルチマイクロ
フォンの指向特性のピークを方向を１３５°とし、マル
チマイクロフォンの指向特性のディップ方向を自動車の
床方向の４５°方向とする。自動車ごとに、マイクロフ
ォンの指向特性を最適化することで、音声認識装置に入
力される音声のＳ／Ｎを確保できる。

【０１２１】図５０は、図１３の構成を例として、マイ
クロフォンに対する利得の制御により指向特性のディッ
プを制御する例を示す図である。本図（ａ）に示すよう
に、マイクロフォン１、２、３が直線配置されて、それ
ぞれに利得Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の初期値が設定され、本図
（ｂ）の左側に示す下方向にディップが向いているとす
る。この場合、利得Ｇ２を初期値よりも小さくすると、
本図（ｂ）の右側示すように、ディップの向きが上方向
に移動する。このようにして、話者の口元の位置に合わ
せて、マイクロフォンの指向特性のディップ位置を変え
ることで、話者が変わっても、音声認識装置に入力され
る音声のＳ／Ｎレベルを保持でき、安定した音声認識処
理が行える。

【０１２２】図５１は、複数の（マルチ）マイクロフォ
ンの配置の別の例を示す図である。本図に示すように、
自動車の運転に使用するルームミラーの裏側に複数のマ
イクロフォンを取り付けてもよい。このようにして、複
数のマイクロフォンの取付けスペースの制約を拡大でき
る。また、車内側から見た場合のマイクロフォンの取付
けによる内装へのデザイン的影響を軽減できる。

【０１２３】なお、上記の複数のマイクロフォンの各々
は無指向特性であってもよい。

【０１２４】

【発明の効果】以上の説明により本発明によれば、音声
認識に使用される周波数の範囲でマイクロフォンの指向
特性を尖鋭化することが可能になり、さらに、話者に対
して感度がピークになり、騒音に対して感度がディップ
となるように指向特性を制御することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る２個のマイクロフォンの直線配置
の指向特性例を説明する図である。

【図２】式（３）の指向特性の概略を説明する図であ
る。

【図３】式（５）の指向特性の概略を説明する図であ
る。

【図４】指向性形成のブロックダイヤグラム１であっ
て、２つのマイクロフォンの出力の和を取る方式に位相
器を付加した構成例を示す図である。

【図５】図４の指向特性について、ｄ＝４ｃｍ、τ＝１
３５μｓｅｃとして、式（８）の各周波数の数値計算結
果例を説明する図である。

【図６】図４の指向特性について、ｄ＝４ｃｍ、τ＝１
３５μｓｅｃとして、式（８）の各周波数の数値計算結
果例を説明する図である。

【図７】指向性形成のブロックダイヤグラム２であっ
て、図５、６に式（６）を基本として位相推移を付加し
た構成例を示す図である。

【図８】図７の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、ＣＲ＝
６３μｓｅｃ、τ＝８７μｓｅｃとして、式（１０）の
各周波数での数値計算結果例を説明する図である。

【図９】図７の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、ＣＲ＝
６３μｓｅｃ、τ＝８７μｓｅｃとして、式（１０）の
各周波数での数値計算結果例を説明する図である。

【図１０】指向性形成のブロックダイヤグラム３を示す
図である。

【図１１】図１０の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、τ
＝１２０μｓｅｃとして、式（１１）の各周波数での数
値計算結果例を説明する図である。

【図１２】図１０の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、τ
＝１２０μｓｅｃとして、式（１１）の各周波数での数
値計算結果例を説明する図である。

【図１３】３マイクロフォン直線配置積分方式を採用す
る基本構成を説明する図である。

【図１４】式（１３）の概略を説明する図である。

【図１５】ωに対する２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓ
θ〕／ωτの変化を説明する図である。

【図１６】指向特性の劣化の概要を説明する図である。

【図１７】式（１４）の振幅特性を説明する図である。

【図１８】ｄ＝６ｃｍにおいて、ＬＰＦを用い周波数で
の特性改善を図った計算結果例を説明する図である。

【図１９】ｄ＝６ｃｍにおいて、ＬＰＦを用い周波数で
の特性改善を図った計算結果例を説明する図である。

【図２０】図１３の指向性関数Ｄの数値計算結果例を説
明する図である。

【図２１】図１３の指向性関数Ｄの数値計算結果例を説
明する図である。

【図２２】ｄ＝６ｃｍ、θ＝４５°ディップ又はｄ＝４
ｃｍ、θ＝０°ディップの場合に図１３の基本的構成を
具体化したマイクロフォン回路１０の構成例を示す図で
ある。

【図２３】図２２の差動増幅回路１１を説明する図であ
る。

【図２４】図２２の高ＱのＬＰＦ１２を説明する図であ
る。

【図２５】図２２の低周波数域まで動作可能な積分回路
１３を説明する図である。

【図２６】図２２の加算回路１４を説明する図である。

【図２７】自由空間内の半分に指向特性をもつマルチマ
イクロフォンのシステムとして３マイクロフォン直線配
置積分方式の例を示す図である。

【図２８】式（３７）の指向特性を示す図である。

【図２９】式（３７）の指向特性を示す図である。

【図３０】式（３９）の指向特性を実現するマイクロフ
ォンの配置を示す図である。

【図３１】〔１〕のマイクロフォン配置で尖鋭化した指
向特性を実現する図である。

【図３２】〔３〕のマイクロフォン配置で尖鋭化した指
向特性を実現する図である。

【図３３】〔３〕の場合の指向特性を示す図である。

【図３４】〔３〕の場合の指向特性を示す図である。

【図３５】式（４３）のｃｏｓ（ｋｄ／２）ｃｏｓθ、
１／ωτｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）の数値計算結果を
示す図である。

【図３６】図３２で、ｄ＝２．５ｃｍから２ｃｍに変更
した指向特性を示す図である。

【図３７】図３２で、ｄ＝２．５ｃｍから２ｃｍに変更
した指向特性を示す図である。

【図３８】図３２の出力に１／ｊωτ’を付加してビー
ムを鋭くした構成例を示す図である。

【図３９】図３２、図３８を基にした具体的なマイクロ
フォン回路１０の構成例を示す図である。

【図４０】図３９の回路に各入力に対する伝送｜Ｖ₀ ／
Ｖ_iM｜、｜Ｖ₀ ／Ｖ_iL｜、｜Ｖ₀／Ｖ_iR｜の大きさのシ
ミュレーション結果をそれぞれ示す図である。

【図４１】図３９の回路に各入力に対する伝送｜Ｖ₀ ／
Ｖ_iM｜、｜Ｖ₀ ／Ｖ_iL｜、｜Ｖ₀／Ｖ_iR｜の大きさのシ
ミュレーション結果をそれぞれ示す図である。

【図４２】図３９の回路に各入力に対する伝送｜Ｖ₀ ／
Ｖ_iM｜、｜Ｖ₀ ／Ｖ_iL｜、｜Ｖ₀／Ｖ_iR｜の大きさのシ
ミュレーション結果をそれぞれ示す図である。

【図４３】式（５１）の指向特性を満足する５つのマイ
クロフォンの直線配置を示す図である。

【図４４】図４３で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃ
とした指向特性を示す図である。

【図４５】図４３で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃ
とした指向特性を示す図である。

【図４６】式（５３）の指向特性を満足する５つのマイ
クロフォンの直線配置を示す図である。

【図４７】図４６で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝５０μｓｅｃ、
ＣＲ＝３０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。

【図４８】図４６で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝５０μｓｅｃ、
ＣＲ＝３０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。

【図４９】本発明に係る直線配置のマルチマイクロフォ
ンを自動車に配置する例を示す図である。

【図５０】図１３の構成を例として、マイクロフォンに
対する利得の制御により指向特性のディップを制御する
例を示す図である。

【図５１】複数の（マルチ）マイクロフォンの配置の別
の例を示す図である。

【符号の説明】

ＭＩＣ１、２、３、４、５…マイクロフォン １０…マイクロフォン回路

フロントページの続き (72)発明者 北尾 英樹 兵庫県神戸市兵庫区御所通１丁目２番28号 富士通テン株式会社内 (72)発明者 神谷 昌宏 兵庫県神戸市兵庫区御所通１丁目２番28号 富士通テン株式会社内 (72)発明者 中村 正孝 広島県廿日市市佐方本町４−６ (72)発明者 河野 勝人 広島県広島市佐伯区五日市駅前３丁目６− 11

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 騒音下で話者の音声を抽出するマイクロ
   フォンの指向特性を制御する装置において、 直線的で等間隔に配置され、且つ平面音波を入力する複
   数のマイクロフォンと、 前記複数のマイクロフォンの出力信号を処理して各マイ
   クロフォンに入力する平面音波の位相の相違に基づいて
   話者の方向に感度がピークとなり且つ騒音の到来する方
   向に感度がディップとなるようにマイクロフォンの指向
   特性を制御するマイクロフォン回路とを具備することを
   特徴とするマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
2. 【請求項２】 前記マイクロフォン回路は前記複数のマ
   イクロフォンから出力される信号のうち音声認識処理の
   対象となる周波数帯域の信号のみを処理することを特徴
   とする、請求項１に記載のマイクロフォンの指向特性を
   制御する装置。
3. 【請求項３】 前記周波数帯域は３００Ｈｚ〜５ｋＨｚ
   であることを特徴とする、請求項２に記載のマイクロフ
   ォンの指向特性を制御する装置。
4. 【請求項４】 前記マイクロフォン回路は、２つのマイ
   クロフォンの出力信号の差を取ることにより、２つのマ
   イクロフォン間の中央の対称軸で８の字型の正負極を有
   する８の字型指向特性を形成するとき、その出力信号の
   差に対して積分処理を加えることを特徴とする、請求項
   １に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
5. 【請求項５】 積分処理が加えれる前記８の字型指向特
   性Ｄは、 Ｄ＝（−２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ） ここにｋ＝ω／ｃ、ω；角周波数、ｃ；音速、ｄ；マイ
   クロフォンの間隔、θ；平面音波の入力角度、τ；積分
   定数、で表現されることを特徴とする、請求項４に記載
   のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
6. 【請求項６】 前記マイクロフォン回路は、２つのマイ
   クロフォンの出力信号の差を取ることにより、２つのマ
   イクロフォンの中央の対称軸で８の字型の正負極を有す
   る８の字型指向特性を形成するとき、その出力信号の差
   に位相推移を付加することを特徴とする、請求項１に記
   載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
7. 【請求項７】 位相推移が付加される前記８の字型指向
   特性Ｄは、 Ｄ＝（−２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ−ｔａｎ
   ^-1ωＣＲ） ここに、ＣＲ；遅延定数、で表現されることを特徴とす
   る、請求項５に記載のマイクロフォンの指向特性を制御
   する装置。
8. 【請求項８】 前記マイクロフォン回路は、３つのマイ
   クロフォンのうち２つの左右マイクロフォンの出力信号
   の差を取ることにより、前記２つの左右マイクロフォン
   間の中央の対称軸で８の字型で正負極を有する８の字型
   指向特性を形成する差動増幅器と、 前記差動増幅器により得られた結果を積分して前記差動
   増幅器により得られる低周波数での指向特性の低下を回
   復する積分器と、 前記積分器の出力信号と前記３つのマイクロフォンのう
   ち１つの中央マイクロフォンの出力信号を加算して前記
   差動増幅器で得られる前記８の字型の正負極の指向特性
   の一方の極を消去して他方の極を強調して指向特性を鋭
   くする加算器とを備えることを特徴とする、請求項１に
   記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
9. 【請求項９】 前記差動増幅器と前記積分器との間に低
   域通過フィルタを設け、前記差動増幅器により得られた
   指向特性の高周波数の補償を行うことを特徴とする、請
   求項８に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装
   置。
10. 【請求項１０】 前記低域通過フィルタの共振特性のピ
    ークによって高周波の指向特性を補正することを特徴と
    する、請求項８に記載のマイクロフォンの指向特性を制
    御する装置。
11. 【請求項１１】 前記積分器に含まれるオペアンプの帰
    還抵抗の中間点と接地との間を交流的に短絡することを
    特徴とする、請求項８に記載のマイクロフォンの指向特
    性を制御する装置。
12. 【請求項１２】 前記低域通過フィルタに含まれるオペ
    アンプの容量帰還部を容量分割回路にすることを特徴と
    する、請求項８に記載のマイクロフォンの指向特性を制
    御する装置。
13. 【請求項１３】 前記差動増幅器から出力される前記８
    の字型の正負極の指向特性Ｄは： Ｄ＝−２ｊｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ） ここに、ｊ；虚数、で表現されることを特徴とする、請
    求項８に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装
    置。
14. 【請求項１４】 前記積分器から出力される指向特性Ｄ
    は： Ｄ＝−（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ） で表現されることを特徴とする、請求項８に記載のマイ
    クロフォンの指向特性を制御する装置。
15. 【請求項１５】 前記加算器から出力される指向特性Ｄ
    は： Ｄ＝１−（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ） で表現されることを特徴とする、請求項８に記載のマイ
    クロフォンの指向特性を制御する装置。
16. 【請求項１６】 前記マイクロフォン回路は、１つの中
    央マイクロフォン、これを挟む２つの左右マイクロフォ
    ン、これらの外側に位置する２つの左右外側マイクロフ
    ォンからなり、且つ各々に平面音波が入力される５つの
    マイクロフォンの出力信号を処理して、８の字型で且つ
    対称軸で正負極を有する第１の８の字型指向特性を形成
    し、前記第１の８の字型の正負極の指向特性の一方の極
    を消去して他方の極を強調し、さらに、消去、強調した
    指向特性に第２の８の字型指向特性を掛けた新たな指向
    特性を形成する、請求項１に記載のマイクロフォンの指
    向特性を制御する装置。
17. 【請求項１７】 前記新たな指向特性Ｄは： Ｄ＝｛１−（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）｝・ｓ
    ｉｎ（ｋｄｃｏｓθ） で表現されることを特徴とする、請求項１６に記載のマ
    イクロフォンの指向特性を制御する装置。
18. 【請求項１８】 前記マイクロフォン回路は、前記新た
    な指向特性に積分処理を行うことを特徴とする、請求項
    １６に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装
    置。
19. 【請求項１９】 前記左マイクロフォンと前記中央マイ
    クロフォンとの平面音波を共通にし、且つ前記右マイク
    ロフォンと前記右外側マイクロフォンの平面音波を共通
    にし、前記マイクロフォン回路は３つのマイクロフォン
    の出力信号を処理して、前記新たな指向特性を近似的に
    求めることを特徴とする、請求項１６に記載のマイクロ
    フォンの指向特性を制御する装置。
20. 【請求項２０】 前記右マイクロフォンと前記中央マイ
    クロフォンとの平面音波を共通にし、且つ前記左マイク
    ロフォンと前記左外側マイクロフォンの平面音波を共通
    にし、前記マイクロフォン回路は３つのマイクロフォン
    の出力信号を処理して、前記新たな指向特性を近似的に
    求めることを特徴とする、請求項１６に記載のマイクロ
    フォンの指向特性を制御する装置。
21. 【請求項２１】 前記右外側マイクロフォンと前記右マ
    イクロフォンとの平面音波を共通にし、且つ前記左外側
    マイクロフォンと前記左マイクロフォンの平面音波を共
    通にし、前記マイクロフォン回路は３つのマイクロフォ
    ンの出力信号を処理して、前記新たな指向特性を近似的
    に求めることを特徴とする、請求項１６に記載のマイク
    ロフォンの指向特性を制御する装置。
22. 【請求項２２】 前記マイクロフォン回路は１つの中央
    マイクロフォンと２つの左右マイクロフォンからなる前
    記３つのマイクロフォンのうち前記１つの中央のマイク
    ロフォンの出力信号に利得２を掛け、前記２つの左右の
    マイクロフォンの各々の出力信号に利得−１を掛け、こ
    れらの結果を加算した第１の加算に対して第１の積分処
    理を行い、左のマイクロフォンの出力に利得１を掛け、
    右のマイクロフォンに利得−１を掛け、これらの結果を
    第１の積分結果に加算した第２の加算に対して第２の積
    分を行うことを特徴とする、請求項２１に記載のマイク
    ロフォンの指向特性を制御する装置。
23. 【請求項２３】 前記新たな指向特性Ｄは： Ｄ＝｛１−（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）｝・
    ｛１−ｃｏｓ（ｋｄｃｏｓθ）｝ で表現されることを特徴とする、請求項１６に記載のマ
    イクロフォンの指向特性を制御する装置。
24. 【請求項２４】 前記新たな指向特性Ｄは： Ｄ＝（−ｊ４／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ−ｔａ
    ｎ^-1ωＣＲ）・｛１−ｃｏｓ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）｝ で表現されることを特徴とする、請求項１６に記載のマ
    イクロフォンの指向特性を制御する装置。
25. 【請求項２５】 前記マイクロフォンの相互の間隔を狭
    めることにより高周波数の指向特性を高めることを特徴
    とする、請求項８、１６及び２１のいずれか１つに記載
    のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
26. 【請求項２６】 前記マイクロフォンの相互の間隔を２
    ｃｍとすることを特徴とする、請求項２５に記載のマイ
    クロフォンの指向特性を制御する装置。
27. 【請求項２７】 自動車内の前記複数のマイクロフォン
    の取付位置によって、マイクロフォンの指向特性のディ
    ップ方向を特定することを特徴とする、請求項１に記載
    のマイクロフォンの指向特性を制御する装置。
28. 【請求項２８】 前記マイクロフォン回路は、前記３つ
    のマイクロフォンの利得を変えることにより、マイクロ
    フォンの指向特性のディップの方向を可変にすることを
    特徴とする、請求項８に記載のマイクロフォンの指向特
    性を制御する装置。
29. 【請求項２９】 前記複数のマイクロフォンは自動車の
    ルームミラーの裏に取り付けることを特徴とする、請求
    項１に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装
    置。
30. 【請求項３０】 前記複数のマイクロフォンの各々は無
    指向性のマイクロフォンであることを特徴とする、請求
    項１に記載のマイクロフォンの指向特性を制御する装
    置。