JPWO2007007414A1 - Delay and sum sensor array device - Google Patents
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Abstract
【課題】 センサの数を増やすことなく、鋭い指向性を有する遅延和型センサアレイ装置を提供する。【解決手段】 複数のマイクロホンM1,M2,…,MNを配置したマイクロホンアレイ1と、マイクロホンアレイ1にとって目的方向の利得が最大となる指向特性を生成する第1信号処理手段3と、マイクロホンアレイ1にとって目的方向の利得が最小となると共にサイドローブが第1信号処理手段3による指向特性と類似する指向特性を生成する第2信号処理手段4と、第1信号処理手段3で生成された指向特性と第2信号処理手段4で生成された指向特性との差分を算出する演算処理手段8を備えた。PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a delay sum type sensor array device having a sharp directivity without increasing the number of sensors. SOLUTION: A microphone array 1 in which a plurality of microphones M1, M2,..., MN are arranged, a first signal processing means 3 for generating a directional characteristic that maximizes a gain in a target direction for the microphone array 1, and a microphone array 1. The second signal processing unit 4 generates a directivity characteristic similar to the directivity characteristic by the first signal processing unit 3 and the directivity generated by the first signal processing unit 3 while the gain in the target direction is minimized. And arithmetic processing means 8 for calculating a difference between the directivity characteristics generated by the second signal processing means 4.
Description
本発明は、センサアレイの指向特性を可変にした遅延和型センサアレイ装置に関する。 The present invention relates to a delay-and-sum type sensor array apparatus in which the directivity of the sensor array is variable.
一般的な遅延和型マイクロホンアレイ装置としては、図3に示すように、直線状に配置された複数のマイクロホンM1,M2,…,MN(以下「直線配置マイクロホンアレイ」という)個々の出力に適当な遅延量d1,d2,…,dNを遅延器100により乗じ、これら乗算器100の出力の和を加算器101で計算して実現されることが知られている。指向性の性能は、図4に示すように、メインローブMの幅とサイドローブSの大きさで特徴付けられ、メインローブMの幅が狭く、且つサイドローブSの大きさが小さいほど指向性は鋭いと表現される。なお、図4はマイクロホンが5本の場合で到来信号周波数が1kHzの指向特性の一例を示す。 As a general delay sum type microphone array apparatus, as shown in FIG. 3, a plurality of microphones M1, M2,..., MN (hereinafter referred to as “linearly arranged microphone array”) arranged in a straight line are suitable. It is known that this is realized by multiplying the delay amounts d1, d2,..., DN by the delay device 100 and calculating the sum of the outputs of these multipliers 100 by the adder 101. As shown in FIG. 4, the directivity performance is characterized by the width of the main lobe M and the size of the side lobe S, and the directivity becomes smaller as the width of the main lobe M is narrower and the size of the side lobe S is smaller. Is expressed as sharp. FIG. 4 shows an example of directivity characteristics when the number of microphones is five and the incoming signal frequency is 1 kHz.
しかし、鋭い指向性を実現するためには、図3に示すマイクロホンM1,M2,…,MNの数を多くすればよいが、指向性は目的とする音波の波長にも依存するため、低い周波数において鋭い指向性を得るには多くのマイクロホンM1,M2,…,MNを必要とするばかりでなく、直線配置マイクロホンアレイ102の長さも長くなるという問題がある。 However, in order to realize sharp directivity, the number of microphones M1, M2,..., MN shown in FIG. 3 may be increased, but the directivity also depends on the wavelength of the target sound wave, so that the low frequency In order to obtain a sharp directivity, not only a large number of microphones M1, M2,..., MN are required, but also the length of the linearly arranged microphone array 102 is increased.
本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、センサの数を増やすことなく、鋭い指向性を有する遅延和型センサアレイ装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a delay-and-sum type sensor array device having sharp directivity without increasing the number of sensors. It is something to be offered.
上記課題を解決すべく請求項1に係る発明は、複数のセンサを配置したセンサアレイと、このセンサアレイの指向特性を各種生成する複数の信号処理手段と、これらの信号処理手段で生成された各種の指向特性について演算処理する演算処理手段を備えたものである。 In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 is generated by a sensor array in which a plurality of sensors are arranged, a plurality of signal processing means for generating various directional characteristics of the sensor array, and the signal processing means. An arithmetic processing unit that performs arithmetic processing on various directional characteristics is provided.
請求項2に係る発明は、複数のセンサを配置したセンサアレイと、このセンサアレイにとって目的方向の利得が最大となる指向特性を生成する第1信号処理手段と、前記センサアレイにとって目的方向の利得が最小となると共にサイドローブが前記第1信号処理手段による指向特性と類似する指向特性を生成する第2信号処理手段と、この第2信号処理手段で生成された指向特性と前記第1信号処理手段で生成された指向特性との差分を算出する演算処理手段を備えたものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a sensor array in which a plurality of sensors are arranged, first signal processing means for generating a directional characteristic that maximizes the gain in the target direction for the sensor array, and gain in the target direction for the sensor array. , The second signal processing means for generating a directivity characteristic similar to the directivity characteristic of the first signal processing means, and the directivity characteristics generated by the second signal processing means and the first signal processing. Arithmetic processing means for calculating a difference from the directivity generated by the means is provided.
請求項3に係る発明は、請求項1又は2記載の遅延和型センサアレイ装置において、前記センサをマイクロホンとした。 The invention according to claim 3 is the delay sum type sensor array device according to claim 1 or 2, wherein the sensor is a microphone.
請求項1に係る発明によれば、指向特性を変更する信号処理手段により、指向特性を強調することができる。例えば、遅延回路のパラメータの設定、各センサの出力の重み付け変更や空間フィルタの使用による零点や極の設定などにより、指向特性を変更することができる。また、センサの数を増やすことなく、鋭い指向性を得ることができる。 According to the first aspect of the present invention, the directivity can be emphasized by the signal processing means that changes the directivity. For example, the directivity can be changed by setting parameters of the delay circuit, changing the weight of the output of each sensor, or setting the zero and pole by using a spatial filter. In addition, sharp directivity can be obtained without increasing the number of sensors.
請求項2に係る発明によれば、目的方向に最大利得を有する第1信号処理手段の出力信号と、目的方向に最小利得を有すると共に第1信号処理手段と類似のサイドローブを有する第2信号処理手段の出力信号の差分を求めることで、サイドローブ成分を抑制し、メインローブ成分を鋭くすることができる。また、センサの数を増やすことなく、鋭い指向性を得ることができる。 According to the second aspect of the present invention, the output signal of the first signal processing means having the maximum gain in the target direction, and the second signal having the minimum gain in the target direction and similar side lobes to the first signal processing means. By calculating the difference between the output signals of the processing means, the side lobe component can be suppressed and the main lobe component can be sharpened. In addition, sharp directivity can be obtained without increasing the number of sensors.
請求項3に係る発明によれば、センサをマイクロホンにすることによって、各方向に指向特性を有するマイクロホンアレイを作ることができるので、異なる方向、または移動する音源の動きを捉えることができる。 According to the third aspect of the present invention, a microphone array having directivity characteristics in each direction can be created by using a microphone as a sensor, so that it is possible to capture a different direction or movement of a moving sound source.
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図1は本発明に係る遅延和型センサアレイ装置のブロック構成図、図2は指向特性図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Here, FIG. 1 is a block diagram of a delay sum type sensor array device according to the present invention, and FIG. 2 is a directional characteristic diagram.
本発明に係る遅延和型センサアレイ装置は、図1に示すように、N個のマイクロホンM1,M2,…,MNを配置したマイクロホンアレイ1と、各マイクロホンM1,M2,…,MNの出力信号をデジタル信号に変換するN個のA/D変換器2と、各A/D変換器2の出力信号から所定の指向特性を生成する第1信号処理手段3と、各A/D変換器2の出力信号から第1信号処理手段3と異なる指向特性を生成する第2信号処理手段4と、第1信号処理手段3と第2信号処理手段4を制御する制御部5と、第1信号処理手段3の出力信号の位相をπ/2シフトする位相シフト器6と、第2信号処理手段4の出力信号に係数kを乗ずる乗算器7と、位相シフト器6の出力信号と乗算器7の出力信号の差分を算出する演算処理手段8を備えている。 As shown in FIG. 1, the delay sum type sensor array apparatus according to the present invention includes a microphone array 1 in which N microphones M1, M2,... N A / D converters 2 for converting the signals into digital signals, first signal processing means 3 for generating predetermined directivity characteristics from the output signals of the respective A / D converters 2, and the respective A / D converters 2 Second signal processing means 4 for generating a directivity characteristic different from that of the first signal processing means 3 from the output signal, a control unit 5 for controlling the first signal processing means 3 and the second signal processing means 4, and first signal processing A phase shifter 6 for shifting the phase of the output signal of the means 3 by π / 2, a multiplier 7 for multiplying the output signal of the second signal processing means 4 by a coefficient k, an output signal of the phase shifter 6 and the multiplier 7 Arithmetic processing means 8 for calculating the difference between the output signals is provided.
なお、各A/D変換器2の出力信号から所定の指向特性を生成する信号処理手段としては、第1信号処理手段3や第2信号処理手段4に限られず、3つ以上設けることができる。そして、それらの出力信号を演算処理手段8により演算処理してもよい。 The signal processing means for generating a predetermined directivity characteristic from the output signal of each A / D converter 2 is not limited to the first signal processing means 3 and the second signal processing means 4, and three or more signal processing means can be provided. . Then, these output signals may be arithmetically processed by the arithmetic processing means 8.
第1信号処理手段3は、N個のデジタルフィルタFa(1),Fa(2),…,Fa(N)と、N個のデジタルフィルタFa(1),Fa(2),…,Fa(N)の出力信号を加算して出力する加算器10からなる。デジタルフィルタFa(1),Fa(2),…,Fa(N)は、周波数バンドをオクターブ、1/2オクターブ、1/3オクターブなど、目的に応じて分割する機能と、空間フィルタ機能を有する。 The first signal processing means 3 includes N digital filters Fa (1), Fa (2),..., Fa (N) and N digital filters Fa (1), Fa (2),. The adder 10 adds and outputs the output signals of N). The digital filters Fa (1), Fa (2),..., Fa (N) have a function of dividing the frequency band according to the purpose, such as octave, 1/2 octave, 1/3 octave, and a spatial filter function. .
また、第2信号処理手段4も、N個のデジタルフィルタFb(1),Fb(2),…,Fb(N)と、N個のデジタルフィルタFb(1),Fb(2),…,Fb(N) の出力信号を加算して出力する加算器11からなる。デジタルフィルタFb(1),Fb(2),…,Fb(N)は、周波数バンドを1オクターブ、1/2オクターブ、1/3オクターブなど、目的に応じて分割する機能と、空間フィルタ機能を有する。 The second signal processing means 4 also includes N digital filters Fb (1), Fb (2),..., Fb (N) and N digital filters Fb (1), Fb (2),. It comprises an adder 11 for adding and outputting the output signal of Fb (N). The digital filters Fb (1), Fb (2),..., Fb (N) have a function to divide the frequency band according to the purpose, such as 1 octave, 1/2 octave, 1/3 octave, and a spatial filter function. Have.
制御部5は、デジタルフィルタFa(1),Fa(2),…,Fa(N)及びデジタルフィルタFb(1),Fb(2),…,Fb(N)のパラメータを設定する。また、制御部5は、乗算器7が乗ずべき適切な係数kを指示する。位相シフト器6を加算器10の後段に設けているが、位相シフト器6を設けずにπ/2位相シフト機能をデジタルフィルタFa(1),Fa(2),…,Fa(N)に組み込むことも可能である。乗算器7は、第2信号処理手段4の出力信号に適切な係数kを乗ずることで、演算処理手段8へ入力される信号の大きさを最適化する。乗算器7には、係数kのテーブルが予め作成されて設定されてある。 The control unit 5 sets parameters of the digital filters Fa (1), Fa (2),..., Fa (N) and the digital filters Fb (1), Fb (2),. In addition, the control unit 5 instructs an appropriate coefficient k to be multiplied by the multiplier 7. Although the phase shifter 6 is provided at the subsequent stage of the adder 10, the π / 2 phase shift function is provided to the digital filters Fa (1), Fa (2), ..., Fa (N) without providing the phase shifter 6. It can also be incorporated. The multiplier 7 optimizes the magnitude of the signal input to the arithmetic processing means 8 by multiplying the output signal of the second signal processing means 4 by an appropriate coefficient k. In the multiplier 7, a table of coefficient k is created and set in advance.
以上のように構成した本発明に係る遅延和型センサアレイ装置の動作について説明する。先ず、マイクロホンアレイ1で取り込んだ音圧信号が、A/D変換器2でデジタル信号にされる。ここで、計測対象となるエネルギー源が光であればセンサアレイとして光電素子アレイを用い、電波であればセンサアレイとしてアンテナを用いることができる。要は、計測対象となるエネルギー源に合ったセンサに置き換えることができる。 The operation of the delay sum type sensor array apparatus according to the present invention configured as described above will be described. First, the sound pressure signal captured by the microphone array 1 is converted into a digital signal by the A / D converter 2. Here, if the energy source to be measured is light, a photoelectric element array can be used as the sensor array, and if it is a radio wave, an antenna can be used as the sensor array. In short, it can be replaced with a sensor suitable for the energy source to be measured.
次いで、A/D変換器2でデジタル化された信号は、第1信号処理手段3と第2信号処理手段4に供給される。第1信号処理手段3では、デジタルフィルタFa(1),Fa(2),…,Fa(N)がデジタル信号を1/3オクターブ毎に周波数を分割し、空間フィルタにより各信号を処理する。同様に、第2信号処理手段4でも、デジタルフィルタFb(1),Fb(2),…,Fb(N)がデジタル信号を1/3オクターブ毎に周波数を分割し、空間フィルタにより各信号を処理する。 Next, the signal digitized by the A / D converter 2 is supplied to the first signal processing means 3 and the second signal processing means 4. In the first signal processing means 3, the digital filters Fa (1), Fa (2),..., Fa (N) divide the frequency of the digital signal every 1/3 octave and process each signal by a spatial filter. Similarly, in the second signal processing means 4, the digital filters Fb (1), Fb (2),..., Fb (N) divide the frequency of the digital signal every 1/3 octave, and each signal is divided by a spatial filter. Process.
周波数バンドは、目的に応じて1オクターブ、1/2オクターブなどに分割することができる。また、空間フィルタを用いることで、零点及び極の設定により、指向特性を可変することができる。また、処理する周波数バンドによって、使用するマイクロホンの組み合わせを選択する。制御部5は、デジタルフィルタFa(1),Fa(2),…,Fa(N)及びデジタルフィルタFb(1),Fb(2),…,Fb(N)のパラメータの設定を変更することで、加算器10,11に入力させる信号を選択することができる。 The frequency band can be divided into 1 octave, 1/2 octave, etc. according to the purpose. Further, by using the spatial filter, the directivity can be varied by setting the zero and the pole. Further, the combination of microphones to be used is selected depending on the frequency band to be processed. The control unit 5 changes the parameter settings of the digital filters Fa (1), Fa (2), ..., Fa (N) and the digital filters Fb (1), Fb (2), ..., Fb (N). Thus, a signal to be input to the adders 10 and 11 can be selected.
第1信号処理手段3では、目的方向の利得が最大になる指向特性が得られるよう空間フィルタが設定されている。また、第2信号処理手段4では、目的方向の利得が最小になると共にサイドローブが第1信号処理手段3と類似するよう空間フィルタが設定されている。 In the first signal processing means 3, a spatial filter is set so as to obtain a directional characteristic that maximizes the gain in the target direction. In the second signal processing unit 4, the spatial filter is set so that the gain in the target direction is minimized and the side lobe is similar to that of the first signal processing unit 3.
次いで、デジタルフィルタFa(1),Fa(2),…,Fa(N)の出力信号が、加算器10で加算され、デジタルフィルタFb(1),Fb(2),…,Fb(N)の出力信号が、加算器11で加算される。更に、位相シフト器6が加算器10の出力信号の位相をπ/2シフトし、乗算器7が加算器11の出力信号に適切な係数kを乗じて演算処理手段8へ入力される信号の大きさを最適化する。図2に示す波形Aは位相シフト器6の出力信号を示し、波形Bは乗算器7の出力信号を示す。 Next, the output signals of the digital filters Fa (1), Fa (2),..., Fa (N) are added by the adder 10, and the digital filters Fb (1), Fb (2),. Are added by an adder 11. Further, the phase shifter 6 shifts the phase of the output signal of the adder 10 by π / 2, and the multiplier 7 multiplies the output signal of the adder 11 by an appropriate coefficient k and inputs the signal to the arithmetic processing means 8. Optimize the size. A waveform A shown in FIG. 2 shows an output signal of the phase shifter 6, and a waveform B shows an output signal of the multiplier 7.
次いで、演算処理手段8において、位相シフト器6の出力信号と乗算器7の出力信号の差分が算出される。すると、サイドローブ成分は類似するので減少し、メインローブ成分は目的方向の成分に抑制効果が働かないので、演算処理手段8の出力信号は、図2に示す波形Cのように、目的方向に対して鋭い特性を有するようになる。
従って、各方向に指向特性を作れば、移動する音源の動きを捉えることができる。Next, the arithmetic processing means 8 calculates the difference between the output signal of the phase shifter 6 and the output signal of the multiplier 7. Then, since the side lobe components are similar, they are reduced and the main lobe component does not have a suppression effect on the components in the target direction. Therefore, the output signal of the arithmetic processing means 8 is in the target direction as shown by the waveform C shown in FIG. On the other hand, it has sharp characteristics.
Therefore, if the directivity is created in each direction, the movement of the moving sound source can be captured.
センサの数や長さをあまり大きくすることなく、指向特性を容易に設定することが可能になるため、使用目的に応じた所望な指向特性を有するセンサアレイ装置を作ることができ、あらゆる計測分野への利用拡大が期待される。 The directivity can be easily set without increasing the number and length of sensors so much that a sensor array device having a desired directivity according to the purpose of use can be created. Expected to expand usage.
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