WO2005048650A1

WO2005048650A1 - 信号受信装置及び方法

Info

Publication number: WO2005048650A1
Application number: PCT/JP2004/017098
Authority: WO
Inventors: Toshiki Hanyu
Original assignee: Nihon University
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2005-05-26
Also published as: JPWO2005048650A1; JP4780497B2

Abstract

　所定の指向特性を有し、到来してくる信号を受信する受信部（２）と、受信部（２）により受信した信号から、その受信方向における方向情報を抽出する方向情報抽出部と、方向情報抽出部で抽出された方向情報に基づき、方向情報関数を生成する方向情報関数生成部と、受信部（２）の指向特性の方向別感度に基づき、指向特性関数を生成する指向特性関数生成部と、方向情報関数生成部で生成された方向情報関数と、指向特性関数生成部で生成された指向特性関数に基づき、空間デコンボリューション演算を行う空間デコンボリューション演算部とを有する。

Description

明細書

信号受信装置及び方法

技術分野

[0001] 本発明は、到来してくる信号を受信する受信装置及び方法に関し、詳しくは、コンサートホール等の所定位置における音場情報の抽出を行う受信装置及び方法に関する。

本出願は、日本国において 2003年 11月 17日に出願した日本特許出願番号 200 3— 387019を基礎として優先権を主張するものであり、この出願を参照することにより、本出願に援用される。

背景技術

[0002] 信号が到来する音場の所定位置において、所定の方向から到来してくる信号を受信 (受音)する際に、一般的に、所定の間隔で配置された複数の無指向性マイクロホンカもなるマイクロホンアレイ装置を用いる。

無指向性マイクロホンが所定の間隔を経て配置されることにより、鋭、指向特性 (超指向性)を得ることができる。このように、超指向特性を有するマイクロホンアレイ装置によれば、所定の方向から到来してくる信号を受信することができる。

しかし、到来してくる信号が低周数波領域（100Hz程度)の場合には、波長が長波長となるため、マイクロホンの間隔を大きくとる必要がある。したがって、低周波数領域の信号を受信するためには、マイクロホンアレイ装置のサイズが大型化してしまい、小規模な空間領域しか有さない音場に持ち込むことが困難なため、小規模な音場における情報収集ができない問題がある。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] 本発明の目的は、装置サイズの大型化を伴うことなぐ所定の方向から到来してくる高周波数領域の信号から低周波数領域の信号までを受信する信号受信装置及び方法を提供することにある。

本願発明に係る信号受信装置は、所定の指向特性を有し、到来してくる信号を受信する受信部と、受信部により受信した信号から、その受信方向における方向情報を抽出する方向情報抽出部と、方向情報抽出部で抽出された方向情報に基づき、方向情報関数を生成する方向情報関数生成部と、受信部の指向特性の方向別感度に基づき、指向特性関数を生成する指向特性関数生成部と、方向情報関数生成部で生成された方向情報関数と、指向特性関数生成部で生成された指向特性関数に基づき、所定の演算を行う演算手段とを備え、演算部の演算結果は、所定の方向ごとに、到来してくる信号の情報を抽出したものである。

また、本願発明に係る信号受信方法は、所定の指向特性を有し、到来してくる信号を受信する受信工程と、受信工程により受信した信号から、その受信方向における方向情報を抽出する方向情報抽出工程と、方向情報抽出工程により抽出された方向情報に基づき、方向情報関数を生成する方向情報関数生成工程と、受信工程の指向特性の方向別感度に基づき、指向特性関数を生成する指向特性関数生成ェ程と、方向情報関数生成工程により生成された方向情報関数と、指向特性関数生成工程により生成された指向特性関数に基づき、所定の演算を行う演算工程を有し、演算工程の結果は、所定の方向ごとに、到来してくる信号の情報を抽出したものである。

図面の簡単な説明

[図 1]図 1は、本発明を適用した信号受信装置の構造を示すブロック図である。

[図 2]図 2A及び図 2Bは、受信部のマイクロホンの第 1の構成を示す図である。

[図 3]図 3は、受信部のマイクロホンの指向特性を示す図である。

[図 4]図 4A及び図 4Bは、ターンテーブルによりマイクロホンを回転させる際の説明に供する図である。

[図 5]図 5は、受信部を構成する他の例を示す図である。

[図 6]図 6は、受信部のマイクロホンで受信した 2次元の音場の方向情報を示す図である。

[図 7]図 7は、受信部のマイクロホンで受信した 3次元の音場の方向情報を示す図である。

[図 8]図 8は、水平面（2次元）のマイクロホンの指向特性を示す図である。 [図 9]図 9は、 3次元のマイクロホンの指向特性を示す図である。

[図 10]図 10は、マイクロホンの指向特性の影響を含まない 2次元の音場の方向情報を示す図である。

[図 11]図 11は、マイクロホンの指向特性の影響を含まな、3次元の音場の方向情報を示す図である。

[図 12]図 12は、本発明に係る信号受信装置の配置例を示す図である。

[図 13]図 13は、各方向に到来してくる信号を受信した場合の信号波形図である。

[図 14]図 14は、受信部で得られた信号を各方向に抽出し、抽出した信号の方向情報に基づく関数の波形図である。

[図 15]図 15は、発信部 Aのみが存在する場合において、受信部で得られた信号を各方向に抽出し、抽出した信号の方向情報に基づく関数の波形図である。

[図 16]図 16は、発信部 Bのみが存在する場合において、受信部で得られた信号を各方向に抽出し、抽出した信号の方向情報に基づく関数の波形図である。

[図 17]図 17は、マイクロホンの指向特性に基づき、方向情報の指向特性関数の波形図である。

[図 18]図 18は、空間デコンボリューシヨン演算後の方向情報に基づく関数の波形図である。

[図 19]図 19は、空間デコンボリューシヨン演算後の方向情報に基づく各方向の出力波形図である。

[図 20]図 20は、任意の方向の指向特性関数の波形図である。

[図 21]図 21は、本発明に係る信号受信装置により方向別インパルス応答の測定を行う際の説明に供する図である。

[図 22]図 22A及び図 22Bは、図 21を用いて説明した測定方法によって得られたマイクロホンの指向特性を示す図である。

[図 23]図 23は、サイドローブを減衰するための指向特性を示す図である。

[図 24]図 24A及び図 24Bは、空間フィルタリングによる効果を示す図である。

[図 25]図 25は、任意の形の指向特性を示す図である。

圆 26]図 26A及び図 26Bは、本発明に係る信号受信装置により図 25に示す任意の指向特性に基づいて演算を行い、得られた指向特性を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明は、例えば、図 1に示すような構造の信号受信装置 1に適用される。信号受信装置 1は、音場の所定位置において、到来してくる信号を受信 (受音)する受信部 2と、受信部 2で受信された信号に所定の信号処理を行う処理部 3を備えてヽる。受信部 2は、例えば、図 2Aに示すように、 8つのマイクロホン 2a— 2h力それぞれの指向方向を a方向一 h方向に向くように配置されている。なお、マイクロホン 2a— 2h は、例えば、図 3に示すような指向特性 Dを有している。しかし、指向特性 Dによって他方向の信号も、所定方向の信号に混在してしまう。本発明は、混在した他方向の信号を取り除くことを目的とする。また、受信部 2は、上述した構成に限られず、マイク口ホンが複数個、水平方向に任意の間隔で点対称となるように配置され、及び Z又は当該マイクロホンが複数個、垂直方向に任意の間隔で点対称となるように配置、つまり 3次元的に配置されて、ても良ヽ。

また、受信部 2は、図 2Bに示すように、 1つのマイクロホン 2aをターンテーブル 20上に配置し、駆動部 21によりターンテーブル 20を回転させる構成であっても良い。また、ターンテーブル 20によりマイクロホン 2aを回転させる際に、音響中心が問題となる力図 4に示すように、マイクロホン 2aの中心をターンテーブル 20の回転軸 Aと一致させて、水平方向に回転しても良いし（図 4A)、マイクロホン 2aの中心をターンテープル 20の回転軸 Aから一定距離保ちながら、水平方向に回転しても良、（図 4B)。また、予め、おおよその信号の到来方向が分力つている場合、又は任意の方向のみ力到来してくる信号のみを受信する場合には、全方向にマイクロホンを向けずに、ある特定の方向範囲のみに複数のマイクロホンを配置、又はターンテーブルを回転させるように制御しても良い。例えば、前方方向を 0度とした場合、左方向に 30度 (一 30度）力も右方向に 30度（ + 30度）の範囲のみに、点対称にマイクロホンを配置する。

また、受信部 2は、図 5に示すように、マイクロホン 2aを水平方向に回転駆動する水平方向回転駆動部 20と、マイクロホン 2aを垂直方向に回転駆動する垂直方向回転駆動部 21と、水平方向回転駆動部 20及び垂直方向回転駆動部 21を制御する制御部 22からなる構成であっても良い。

水平方向回転駆動部 20は、制御部 22の制御に応じてマイクロホン 2aを水平方向に任意の角度回転駆動する。垂直方向回転駆動部 21は、制御部 22の制御に応じてマイクロホン 2aを垂直方向に任意の角度回転駆動する。

このような構成によれば、マイクロホン 2aを 3次元方向に駆動することが可能となる。つぎに、処理部 3の構成について以下に説明する。処理部 3は、図 1に示すように、受信部 2で受信された信号を方向情報に関してフーリエ変換するフーリエ変換部 11 と、受信部 2のマイクロホンの指向特性を関数ィ匕し、該関数を記憶するデータベース 12と、データベース 12から読み出されたマイクロホンの指向特性関数をフーリエ変換するフーリエ変換部 13と、フーリエ変換部 11によりフーリエ変換された関数 Mlと、フーリエ変換部 13によりフーリエ変換された関数 M2とに基づき、空間デコンボリューシヨン演算を行う空間デコンボリューシヨン部 14と、空間デコンボリューシヨン部 14により空間デコンボリューシヨン演算された関数 S1を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換部 15と、任意の方向に関する指向特性関数を記憶するデータベース 16と、データベース 16から読み出された任意方向指向特性関数をフーリエ変換するフーリエ変換部 17と、空間デコンボリューシヨン部 14により空間デコンボリューシヨン演算された関数 S1と、フーリエ変化部 17によりフーリエ変換された関数 M3とに基づき空間コンボリューシヨン演算を行う空間コンボリューシヨン部 18と、空間コンボリューシヨン部 18により空間コンボリューシヨン演算された関数 S2を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換部 19とを備えている。

フーリエ変換部 11は、受信部 2から供給された信号に基づき、受信方向における方向情報を抽出する。そして、フーリエ変換部 11は、抽出した方向情報に基づき信号をフーリエ変換し、方向情報関数を生成する。

フーリエ変換部 11は、例えば、受信部 2から、図 6に示す、 2次元の音場の方向情報 DIが得られた場合、（1)式のように、方向 0 の方向別時間波形 r( e 、t)を時間

h h

及び方向に関してフーリエ変換する。

式 1 [0006]

ω) = Θ_Η , t)e ^jwte ^3w^ dtdd_h . . . _{( 1 )} なお、 tは、時間（sec)を示し、 Θ は、方位角（rad)を示し、 Θ は、上方向からの角 h V

度 (rad)を示し、 r ( 0 、 t)は、受信部 2のマイクロホンの指向特性の影響を含んだ方向の 0 の方向別時間波形を示し、 R(o) 、 ω)は、受信部 2のマイクロホンの指向特性の影響を含んだ水平方向情報のフーリエ係数をそれぞれ示してレ、る。

また、フーリエ変換部 11は、図 7に示すように、受信部 2から 3次元の音場の方向情報 (実際の方向情報)を取得した場合、例えば、（2)式のように、方向（Θ 、 0 )の方向別時間波形 r(0 、 Θ 、t)を時間及び方向に関してフーリエ変換する。

式 2

[0007]

(ω_/!,ω_ν,ω)= I I r(6_h , θ_ν , t)e ^jtae ^jea"^e" e ^jwA dtdd_hd6_v . . , (2)

J なお、 r(0 、 Θ 、 t)は、受信部 2のマイクロホンの指向特性の影響を含んだ方位角 θ 、 Θ の方向別時間波形を示し、 R(c 、 ω 、 ω)は、受信部 2のマイクロホンの指向特性の影響を含んだ 3次元方向情報のフーリエ係数をそれぞれ示して、る。また、 (2)式は、指向性マイクロホンで測定した 3次元方向情報のフーリエ変換の一例に過ぎず、例えば (3)式、（4)式又は（5)式であっても良ぐその他の式でも良い。

式 3

[0008]

式 4

[0009] " ) :

'，り ^e — ' " · · · ⁽⁴⁾ 式 5

差眷え ^紙 ( Μ26) [0010]

R( _v,w)=「「「ベ (e— e ^Ai¾^sin ,i^_v . . . (5)

Jo J~∞ フーリエ変換部 11は、フーリエ変換した関数 Ml ( (1)式又は (2)式)を空間デコンポリューション部 14に供給する。

データべ一ス 12は、受信部 2のマイクロホンの指向特性の方向別感度に基づき、指向特性関数を記憶している。データベース 12は、例えば、図示しない、受信部 2のマイクロホンに応じて所定の指向特性関数を選択する選択部を有し、選択部により選択された指向特性関数をフーリヱ変換部 13に供給する。

データベース 12は、例えば、マイクロホン 2a〜2hの指向特性として、図 3に示すような、力一ディオイド状の指向特性を記憶してレ、る。

フーリエ変換部 13は、データベース 12から供給されたマイクロホンの指向特性関数をフーリエ変換する。フーリエ変換部 13は、例えば、データベース 12から図 8に示すような指向特性 Dに基づく指向特性関数が供給された場合、（6)式のように、方向

Θ の方向別波形で表されるマイクロホン指向特性 m(0 、t)を時間及び方向に関してフーリエ変換する。

式 6

[0011]

Μ{ω_Ιι,ω)= I I m{e_h,t)e~^jwte-^jad<dtdd_h (6) なお、 Μ(ω 、 ω)は、水平面マイクロホン指向特性のフ一リエ係数を示す。また、図 9に示すように、データベース 12から 3次元のマイクロホン指向特性関数（本来の関数)が供給された場合、（7)式のように、方向、 Θ )の方向別波形で表されるマイクロホン指向特性 m( θ 、 Θ 、 t)を時間及び方向に関してフーリエ変換する。

式 7

[0012]

m(e_h , θ_ν , φ— ゾ " β ^]ωΛ· dtdd_hdd_v (7 )

差替え用弑 (¾|IJ26) なお、 Μ(ω 、 ω 、 ω)は、 3次元マイクロホン指向特性のフーリエ係数を示す。

h

フ一リエ変換部 13は、フーリエ変換した関数 M2 ( (6)式又は（7)式)を空間デコンポリューション部 14に供給する。また、（7)式は、指向性マイクロホンで測定した 3次元方向情報のフーリエ変換の一例に過ぎず、例えば (8)式、（9)式又は（10)式であつても良く、その他の式でも良い。

式 8

Μ(ω,„ω_ν,ω) = Γ m^^ ^ e ^iaAe ^j0}Adtde_h sind_vd0_v · . . ( 8 )

式 9

[0014]

Μ(ω_Ιι,ω_ν,ω) W ί° ^,η-^θ>' ^,θν^^β ~^{ίω e} '^]ω"^θ" ^e '^{Μβν dtd6}" ^άθν . . . ( ⁹ )

. 式 10

[0015]

空間デコンポリューション部 14は、フーリエ変換部 11から供給された関数 Ml ((1) 式)と、フーリエ変換部 13から供給された関数 M2 ( (6)式）に基づき空間デコンポリュ —シヨン演算を行う。なお、本願明細書では、「/」を空間デコンボリューシヨン演算を表す記号とする。

式 11

[0016]

S( _h ,ω)= R(<¾ , ω) I M w_h , ώ) . · · ( ι ι ) なお、 S(o) 、 co)は、受信部 2のマイクロホンの指向特性の影響を含まない水平面

h

方向情報のフーリエ係数を示してレ、る。

また、空間デコンボリュ一シヨン部 14は、フーリエ変換部 11から供給された関数 Ml ( (2)式)と、フーリエ変換部 13から供給された関数 M2( (7)式)に基づき空間デコン

差替え甩鉞画 U26) ボリュ一シヨン演算を行う

式 12

[0017]

^(^ ,ω_ν,ω) = Κ(ω_Ιι ,ω_ν,ω) IM oJ_h , ω_ν , ω) . . - ( 1 2) なお、 S(co 、 ω 、 ω)は、マイクロホンの指向特性の影響を含まない 3次元方向情 h

報のフーリエ係数を示してレ、る。

空間デコンポリューション部 ₁₄は、空間デコンボリューシヨン演算した関数 S1 ((11) 式又は（12)式)を逆フーリエ変換部 15と、空間コンボリューシヨン部 18に供給する。逆フーリエ変換部 15は、空間デコンボリュ一シヨン部 14力も供給された関数 S1 ((1 1)式)を逆フーリエ変換する。

式 13

[0018]

· · - ( 1 3 )

なお、 s( fl 、は、図 10に示すように、 2次元におけるマイクロホンの指向特性の h

影響を含まない方向 0 の音場の方向情報 DIを示している。

h

また、逆フーリエ変換部 15は、空間デコンポリューション部 14力供給された関数 S 1( (12)式)を 3次元指向特性について逆フーリエ変換する。なお、下記の（14)式は、上述した（2)式、（3)式に対応するものである。

式 14

[00191

s(d, ,θ ,t) = _Ύ Γ Γ , ω_ν , ω ^Με^3ωΛ e^M - άωάω„άω_ν . . . ( 1 " ^ν (2π) J— ^J— Γ また、積分区分が 0乃至 πのときには、例えば、下記の（15)式となる（下記式以外の場合であってもよい。 )₀なお、（15)式は、上述した (4)式、（5)式に対応するものである。

式 15

差皆え用弒 [0020]

( 1 5 )

、 " リノ (2πγ なお、 s ( e 、 9 、 t)は、図 11に示すように、 3次元におけるマイクロホンの指向特性の影響を含まない方向 e 、 Θ の方向別波形を示す。

逆フーリヱ変換部 15から出力される信号は、各方向において、受信部 2の一のマイクロホンが受信した信号から、マイクロホンの指向特性の影響によって混在してレ、た他方向の信号を取り除レ、て得られた任意方向のみの信号である。

データベース 16は、任意の方向についての指向特性関数を有している。データべ —ス 16は、例えば、図示しない、データべ一ス 16から一の指向特性関数を選択する選択部を有し、選択部により選択された指向特性関数をフーリエ変換部 17に供給する。データベース 16に格納されている指向特性関数は、任意の関数であるので、例えば、物理的な制約のために現実のマイクロホンでは困難な形式の指向特性関数を指定することが可能である。具体例については後述する。なお、データベース 16は、任意の方向についての指向特性関数を生成する機能を有していても良い。

フーリエ変換部 17は、データベース 16から供給された 2次元の任意の方向に関する指向特性関数 (以下「重み関数」という。）に基づき、（16)式のように、指向特性 w( Φ、 t)を時間及ぴ方向に関してフ一リエ変換する。

式 16

[0021]

ψ(ω ,ω)

· · · ( ι 6 ) なお、 W ( o) 、 ω )は、方向 0 、 0 の水平面方向別重み関数のフーリエ係数を示している。

また、フーリエ変換部 17は、データベース 16から供給された 3次元の重み関数に基づき、（17)式のように、指向特性 w( S 、 Θ 、t)を時間及び方向に関してフーリエ変換する。

式 17

差替え用弒（細 IJ26) [0022] ) = £ 匸 w ( —ゾゾ" ■ · · (") なお、 W(w 、 ω 、 ω)は、方向 0 、 Θ の 3次元方向別重み関数のフ一リエ係数を

h v

示している。また、（17)式は、指向性マイクロホンで測定した 3次元方向情報のフ一リエ変換の一例に過ぎず、例えば（18)式、（19)式又は（20)式であっても良ぐその他の式でも良い。

式 18

[0023]

W{w_h, _v, ) = \ J" Γ w{0_h,0_v,t)e-^jMe~^JwAe'^JuAdtde_hs e_vde_v . · . ( 1 8) 式 19

[0024]

Ψ(ω„,ω_ν,ω) = Γ w(0_h , θ_ν , t)e~^Ja e ~^]ωΛ e - ' dtdd_h άθ_ν · · , (1 9)

JO 一 J— ⁰⁰

式 20

[0025] ( ,w_v, = f : ( Α,Φ一. , trf sin^^,, ... (2。）フーリエ変換部 17は、フーリエ変換した関数 M3((16)式又は（17)式)を空間コンポリューション部 18に供給する。

空間コンボリューシヨン部 18は、空間デコンボリューシヨン部 14から供給された関数 SL((11)式)と、フーリエ変換部 17から供給された関数 M3((16)式)に基づき、 (21 )式に示すように、 2次元の空間コンポリューシヨン演算を行う。

式 21

[0026]

8Ψ{ω_Ιι , ω) = 5(^_Λ , ω) * W{w_h , ώ) · . ' (2 1 ) なお、本願明細書では、「*」を空間コンボリューシヨン演算を表す記号とする。また

差替え用弒（細 IJ26) 、SW(co 、 ω)は、受信部 2で用いられたマイクロホンの指向特性の影響を含まず、 h

任意方向別重み付けされた方向 Θ のフーリエ係数を示している。

h

また、空間コンポリューシヨン部 18は、空間デコンボリューシヨン部 14から供給された関数 S1 ( (12)式)と、フ一リヱ変換部 17から供給された関数 M3 ( (17)式)に基づき、 3次元の空間コンボリューシヨン演算を行う。

式 22

[0027] .

SJV(a;_h , ω_ν , ω) = S{ _h ,ω_ν,ω)^ W( _h , ω_ν , ώ) · · ' ( 2 2 ) なお、 SW(co 、 ω 、 ω)は、受信部 2で用レ、られたマイクロホンの指向特性の影響を含まず、任意方向別重み付けされた 3次元方向情報のフーリエ係数を示している。空間コンボリューシヨン部 18は、フーリエ変換した関数 S2( (21)式又は（22)式)を逆フーリエ変換部 19に供給する。

, 逆フーリエ変換部 19は、空間コンポリューシヨン部 18から供給された関数 S2( (21) 式)を逆フーリエ変換する。 '

式 23

[0028]

り- . . . ( 2 3 )

なお、 sw( θ 、 t)は、受信部 2で用いられたマイクロホンの指向特性の影響を含ま

h

ず、任意方向別重み付けされた方向 0 の方向別波形を示し、 SW(c 、 ω)は、受

h h

信部 2で用レヽられたマイクロホンの指向特性の影響を含まず、任意方向別重み付けされた方向 Θ のフ一リエ係数を示している。

また、逆フーリエ変換部 19は、空間コンボリューシヨン部 18から供給された関数 S2 ((22)式)を 3次元指向特性について逆フーリエ変換する。なお、下記の（24)式は、上述した（17)式、 (18)式に対応するものである。

式 24 [0029] sw{d_b,6_v,t) =—^― 「「 SW( _h,(o_v,o)e^j _e ^{j A} _e dcdaj_hdaj . . . ( 2 4) また、積分区分が 0乃至 πのときには、例えば、下記の (25)式となる (下記式以外の場合であってもよい。 )οなお、（25)式は、上述した（19)式、（20)式に対応するものである。

式 25

[0030] sw{6.,e_v,t) = -^-r-「「「 SW^_h , ω_ν , ω)β^ίωΙβ^ίωΛ e^/aA άωάω,άω_ν . . . (2 5 )

(2^Γ) ^{0 Π Π} なお、 sw(0 、 θ 、t)は、受信部 2で用いられたマイクロホンの指向特性の影響を h

含まず、任意方向別重み付けされた方向 S 、 Θ の方向別波形を示し、 SW(co 、 ω

h v h v、 ω)は、マイクロホンの指向特性の影響を含まず、任意方向別重み付けされた 3次元方向情報のフーリエ係数を示してレ、る。

逆フーリエ変換部 19から出力される信号は、任意の方向において、任意の指向特性で受信した信号である。

ここで、信号受信装置 1の具体的な動作について以下に説明する。なお、信号受信装置 1は、図 12に示すように、部屋の中央に配置され、力、受信部 2のマイクロホン 2a〜2hがそれぞれ a方向〜 h方向に指向方向を向けて配置されているものとし、また、 a方向には、音楽信号を発信する発信部 Aがあり、 c方向には、ノイズを発生する発信部 Bがあるものとする。

受信部 2は、図 13(A)〜； 13(H)に示すように、方向 a〜方向 hから到来してくる信号をマイクロホン 2a~2hでそれぞれ受信する。なお、図 13は、受信開始から約 7秒間の波形表示である。図 13(A)〜図 13(H)から分かるように、各マイクロホン 2a〜2 hは、それ自身の指向特性によって、所定方向の信号に他方向の信号も混ざってしまうことになり、全体的に c方向に配置されている発信部 Bから発信されたノイズが重畳された信号を、それぞれの指向方向に応じて受信している。なお、図 13 (A)は、マイク口ホン 2aにより方向 aから到来してくる信号を受信しょうとしたときの信号波形であ

差替ぇ用弒翻 26) り、図 13 (B)は、マイクロホン 2bにより方向 bから到来してくる信号を受信しょうとしたときの信号波形であり、図 13 (C)は、マイクロホン 2cにより方向 cから到来してくる信号を受信しょうとしたときの信号波形であり、図 13 (D)は、マイクロホン 2dにより方向 d 力も到来してくる信号を受信しょうとしたときの信号波形であり、図 13 (E)は、マイクロホン 2eにより方向 eから到来してくる信号を受信しょうとしたときの信号波形であり、図 13 (F)は、マイクロホン 2fにより方向 fから到来してくる信号を受信しょうとしたときの信号波形であり、図 13 (G)は、マイクロホン 2gにより方向 gから到来してくる信号を受信しょうとしたときの信号波形であり、図 13 (H)は、マイクロホン 2hにより方向 hから到来してくる信号を受信しょうとしたときの信号波形である。

フーリエ変換部 11は、受信部 2で得られた信号を各方向（各マイクロホン）に抽出し、抽出した信号の方向情報に基づく関数を生成する（図 14)。この関数は、発信部 A のみが存在する場合における各マイクロホン 2a— 2hで受信した楽音信号の方向情報に基づく関数（図 15)と、発信部 Bのみが存在する場合における各マイクロホン 2a 一 2hで受信したノイズの方向情報に基づく関数（図 16)とが重ね合わさつたものである。

また、フーリエ変換部 13は、データベース 12に記憶されている受信部 2のマイクロホンの指向特性に基づき、図 17に示すように、方向情報の指向特性関数を生成する空間デコンボリューシヨン部 14は、フーリエ変換部 11で生成した図 14に示す方向関数をフーリエ変換した関数と、フーリエ変換部 13で生成した図 17に示す方向関数をフーリエ変換した関数とに基づき空間デコンボリューシヨン演算を行い、図 18に示すような関数を生成する。図 18は、受信部 2から見て、信号源 (発信部）が方向 aと方向 cだけに存在することを意味して、る。

また、図 19 (A)—図 19 (H)に、空間デコンボリューシヨン演算及び逆フーリエ変換を施した後の各方向 a—方向 hの出力波形を示す。図 19 (A)に示す信号波形から、方向 aにある信号源力も到来する信号 (楽音信号)の振幅、音量、残響、音色、減衰等の情報を知ることができ、また、図 19 (C)に示す信号波形から、方向 cにある信号源力も到来する信号 (ノイズ)の振幅、音量、残響、音色、減衰等の情報を知ることができる。また、図 19 (B)、図 19 (D)—図 19 (H)に示す信号波形から、方向 b、方向 d 一方向 hには信号源が存在しないことが分かる。なお、図 19 (A)は、方向 aのみから到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図 19 (B)は、方向 bのみから到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図 19 (C)は、方向 cのみ力も到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図 19 (D)は、方向 dのみ力も到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図 19 (E)は、方向 eのみ力到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図 19 (F)は、方向 fのみ力到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図 19 (G)は、方向 gのみ力も到来してくる信号を受信したときの信号波形であり、図 19 (H)は、方向 hのみ力到来してくる信号を受信したときの信号波形である。

また、信号受信装置 1は、例えば、図 20に示すような方向 aと方向 eのみ力も到来する信号を抽出する任意方向指向特性関数をデータベース 16の中から選択し、選択した任意方向指向特性関数をフーリエ変換部 17でフーリエ変換する。そして、空間コンボリューシヨン部 18により、図 18に示す関数と図 20に示す関数とに基づき空間コンポリューション演算を行い、方向 aと方向 eのみ力も到来する信号のみを抽出する。すなわち、データベース 16に任意の指向特性パターンの関数を格納することにより、受信部 2を構成しているマイクロホンの指向特性に依存せずに、様々なパターンの指向特性に基づく信号受信が可能となる。

また、図 21に示すように、任意の方向にスピーカ SPを配置し、当該スピーカ SPから発せられる信号を本発明に係る信号受信装置 1によって方向別インパルス応答を測定したときの実験結果を以下に示す。なお、信号受信装置 1は、図 2Bに示す受信部 2 (マイクロホン 2aをターンテーブル 20上で回転させる）を採用し、マイクロホン 2a を水平 64方向（5. 625度ステップ）に回転させながら、それぞれの方向におけるインパルス応答の測定を行った。また、実験では、スピーカ SPから 500Hzのトーンバースト信号と 2kHzのトーンバースト信号を出力させ、それぞれの測定を行った。また、すべてのデータは、時間的な同期をとつている。

本発明に係る信号受信装置 1によって、 500Hzのトーンバースト信号にっ、て測定した結果を図 22Aに示し、 2kHzのトーンバースト信号にっ、て測定した結果を図 22Bに示す。図 22A、図 22B力ら分力るように、スピーカ SP方向（図 22中「1」の方向 )に対してすぐ隣の方向（図 22中「65」の方向及び「2」の方向）でさえ、 10— 15dBの測定レベルの抑制効果が得られており、非常にシャープな指向特性を得ることに成功している。なお、図 22Aでは、処理前のカーディオイド指向特性を「A」で示し、処理後の指向特性を「A'」で示す。また、図 22Bも同様に、処理前のカーディオイド指向特性を「A」で示し、処理後の指向特性を「A'」で示す。

また、—10dB付近に発生している鋭いサイドローブは、空間デコンボリューシヨン部 14で行った空間デコンボリューシヨン演算の解が発散したものと考えられる。そこで、図 23に示すような指向特性を有する空間的なローパスフィルタによって鋭いサイド口ーブを減衰する方法を説明する。なお、以下では、 2次元のモデルで説明を行う。データベース 16に図 23に示す指向特性関数が格納されており、図示しない選択部により当該指向特性関数が選択され、選択された当該指向特性関数がデータべース 16からフーリエ変換部 17に供給される。

フーリエ変換部 17は、データベース 16から供給された指向特性関数に基づき、 (1 6)式のように、指向特性 w( φ、 t)を時間及び方向に関してフーリエ変換する。フーリェ変換部 17は、フーリエ変換によって得られた関数 M3を空間コンボリューシヨン部 1 8に供給する。

空間コンボリューシヨン部 18は、空間デコンボリューシヨン部 14力も供給された関数 S1 (図 22に示すような鋭いサイドローブが発生している関数）と、フーリエ変換部 17 から供給された関数 M3に基づき、（21)式に示すように、 2次元の空間コンボリューシヨン演算を行う。空間コンボリューシヨン部 18は、 2次元の空間コンボリューシヨン演算後の関数 S2を逆フーリエ変換部 19に供給する。

逆フーリエ変換部 19は、空間コンボリューシヨン部 18から供給された関数 S2について逆フーリエ変換を行う。逆フーリエ変換部 19によって得られた結果を図 24A、図 24Bに示す。なお、図 24Aでは、処理前のカーディオイド指向特性を「A」で示し、処理後の指向特性を「A'」で示す。また、図 24Bも同様に、処理前のカーディオイド指向特性を「A」で示し、処理後の指向特性を「A'」で示す。

このような空間フィルタリングにより得られる指向特性は、フィルタリング前の指向特性（図 22)に比べてシャープさは劣る力空間デコンボリューシヨン演算による解の発散と考えられるサイドローブのシャープさを抑えることができる。特に、 2kHzのトーンバースト信号を測定した場合（図 24B)のサイドローブは、空間フィルタリングを行うことにより、ほとんどサイドローブが消失している。

また、空間フィルタリングを応用すると、マイクロホンの指向特性を自在に制御することができる。以下に具体例について説明する。なお、陸では、 2次元のモデルで説明を行う。

例えば、データベース 16には、図 25に示す 45度の指向特性関数 F1と、 90度の指向特性関数 F2と、 180度の指向特性関数 F3が格納されているものとする。図示しない選択部により任意の角度の指向特性関数が選択され、選択された指向特性関数がデータベース 16からフーリエ変換部 17に供給される。

空間コンボリューシヨン部 18は、空間デコンボリューシヨン部 14力も供給された関数 S1と、フーリエ変換部 17から供給された関数 M3に基づき、（21)式に示すように、 2 次元の空間コンボリューシヨン演算を行う。空間コンボリューシヨン部 18は、 2次元の空間コンボリューシヨン演算後の関数 S2を逆フーリエ変換部 19に供給する。

逆フーリエ変換部 19は、空間コンボリューシヨン部 18から供給された関数 S2について逆フーリエ変換を行う。逆フーリエ変換部 19によって得られた結果を図 26A、図 26Bに示す。

図 26Aは、スピーカ SPから 500Hzのトーンバースト信号が出力されている場合の測定結果を示しており、 45度の指向特性関数 F1は、 F1'となり、 90度の指向特性関数 F2は、 F2'となり、 180度の指向特性関数 F3は、 F3'となる。

また、図 26Bは、スピーカ SPから 2kHzのトーンバースト信号が出力されている場合の測定結果を示しており、 45度の指向特性関数 F1は、 F1"となり、 90度の指向特性関数 F2は、 F2"となり、 180度の指向特性関数 F3は、 F3"となる。このようにして、本発明に係る信号受信装置 1は、受信部 2により受信した信号を方向情報に関してフーリエ変換した関数と、受信部 2を構成するマイクロホンの指向特性の方向別感度に基づきフーリエ変換した関数とを空間デコンボリューシヨン演算するので、各方向に到来する信号を抽出し、抽出した信号に基づき、所定の観測点における種々の音場の情報 (信号振幅、音量、残響、音色、減衰等)を得ることができ、また、抽出した信号の周波数ごとの指向特性の違いをキャンセルして各周波数で同一の指向特性を得ることができる。

また、本発明に係る信号受信装置 1は、受信部 2を構成しているマイクロホンの数を多くするか、若しくは、図 2Bに示すターンテーブル 20の角度を細力べ設定することにより、マイクロホンが受信する範囲を限定するとことで例えば、超指向特性を実現し、極めて精密に、信号の発信方向を抽出することができる。したがって、本願発明に係る信号受信装置 1を応用すれば、所定の場所において、特定の信号 (ノイズ)が発せられている発信源を突き止めることができる。また、多くの音源が混在する場合、例えば、オーケストラ演奏の中力も特定の楽器の音だけを抽出して、録音することが可能である。すなわち、本発明に係る信号受信装置 1は、音源探査装置及び集音装置として応用することが可能である。

また、本発明に係る信号受信装置 1は、低周波数帯域の信号を受信する場合においても、従来のように装置のサイズの大型化が伴わないので、小規模な場所にも配置することができ、あらゆる場所における音場情報を収集することができる。

また、本発明に係る信号受信装置 1では、図 21乃至図 26に示したように、任意の形状に指向特性を制御することができる。

なお、上述した本発明を実施するための最良の形態では、受信部 2が受信する信号を可聴周波数帯としたが、可聴周波数帯域外の周波数帯であっても良ぐ電波等の様々な信号に適用ができる。

産業上の利用可能性

以上詳細に説明したように、本発明に係る信号受信装置及び方法は、空間デコンポリューション演算により周波数ごとの指向特性の違いがキャンセルされるので、各周波数で同一の指向特性が得られる。また、本発明に係る信号受信装置及び方法は、使用した元の指向性マイクロホンの指向特性を超える鋭、指向特性を実現できる。

また、本発明に係る信号受信装置及び方法は、音場の任意の一点から方向情報を測定するので空間的な大きさは必要なくなり、小規模なサイズ構成により、特に低周波数領域を対象とした鋭い指向特性を得ることができる。

さらに、本発明に係る信号受信装置及び方法は、空間デコンボリューシヨン結果に対して所望の指向特性を空間コンボリューシヨン演算することにより、所望の指向特性を任意に制御することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 1.所定の指向特性を有し、到来してくる信号を受信する受信手段と、

上記受信手段により受信した信号から、その受信方向における方向情報を抽出する方向情報抽出手段と、

上記方向情報抽出手段で抽出された方向情報に基づき、方向情報関数を生成する方向情報関数生成手段と、

上記受信手段の指向特性の方向別感度に基づき、指向特性関数を生成する指向特性関数生成手段と、

上記方向情報関数生成手段で生成された方向情報関数と、上記指向特性関数生成手段で生成された指向特性関数に基づき、所定の演算を行う演算手段とを備え、上記演算手段の演算結果は、所定の方向ごとに、到来してくる信号の情報を抽出したものであることを特徴とする信号受信装置。

[2] 2.上記方向情報関数生成手段は、上記方向情報抽出手段で抽出された方向情報をフーリエ変換して方向情報関数を生成することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の信号受信装置。

[3] 3.上記指向特性関数生成手段は、上記受信手段の指向特性の方向別感度をフーリエ変換して指向特性関数を生成することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の信号受信装置。

[4] 4.上記演算手段は、上記方向情報関数生成手段で生成された方向情報関数と、上記指向特性関数生成手段で生成された指向特性関数に基づき、空間デコンボリューシヨン演算を行い、

上記演算手段で空間デコンボリューシヨン演算を行った関数を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段を備えることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の信号受信装置。

[5] 5.任意の方向についての指向特性関数を生成する任意方向指向特性関数生成手段と、

上記任意方向指向特性関数生成手段で生成された任意方向指向特性関数と、上記演算手段の演算結果に基づき、空間コンボリューシヨン演算を行う空間コンボリューシヨン演算手段を備え、

上記空間コンボリューシヨン演算手段の演算結果は、任意の方向からのみ到来してくる信号の情報を抽出したものであることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の信号受信装置。

[6] 6.上記空間コンボリューシヨン演算手段で空間コンボリューシヨン演算を行った関数を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段を備えることを特徴とする請求の範囲第 5 項記載の信号受信装置。

[7] 7.上記受信手段は、到来してくる可聴周波数帯域の信号を受信することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の信号受信装置。

[8] 8.上記受信手段は、所定の指向特性を有するマイクロホン力なっており、

到来してくる信号を受信すベぐ上記マイクロホンを回転する駆動する回転駆動手段を備えることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の信号受信装置。

[9] 9.上記回転駆動手段は、上記マイクロホンを水平方向に回転駆動する水平方向回転駆動部と、上記マイクロホンを垂直方向に回転駆動する垂直方向回転駆動部と、上記水平方向回転駆動部及び上記垂直方向回転駆動部を制御する制御部力なり上記水平方向回転駆動部は、上記制御部の制御に応じて上記マイクロホンを水平方向に任意の角度回転駆動し、

上記垂直方向回転駆動部は、上記制御部の制御に応じて上記マイクロホンを垂直方向に任意の角度回転駆動することを特徴とする請求の範囲第 8項記載の信号受信装置。

[10] 10.上記回転駆動手段は、上記マイクロホンの中心を回転軸と一致させ、又は上記マイクロホンの中心を回転軸力一定距離保ちながら回転することを特徴とする請求の範囲第 8項記載の信号受信装置。

[11] 11.上記受信手段は、所定の指向特性を有する複数のマイクロホン力なっており、到来してくる信号を受信すベぐ上記複数のマイクロホンが所定の間隔で配列されていることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の信号受信装置。

[12] 12.上記受信手段は、マイクロホンで構成されており、当該マイクロホンが複数個、水平方向に任意の間隔で点対称となるように配置され、及び Z又は当該マイクロホンが複数個、垂直方向に任意の間隔で点対称となるように配置されていることを特徴とする請求の範囲第 11項記載の信号受信装置。

[13] 13.上記マイクロホンは、中心が同一となるように複数個配置されている、又は、任意の半径の円周上に複数個配置されていることを特徴とする請求の範囲第 8項記載の信号受信装置。

[14] 14.所定の指向特性を有し、到来してくる信号を受信する受信工程と、

上記受信工程により受信した信号から、その受信方向における方向情報を抽出する方向情報抽出工程と、

上記方向情報抽出工程により抽出された方向情報に基づき、方向情報関数を生成する方向情報関数生成工程と、

上記受信工程の指向特性の方向別感度に基づき、指向特性関数を生成する指向特性関数生成工程と、

上記方向情報関数生成工程により生成された方向情報関数と、上記指向特性関数生成工程により生成された指向特性関数に基づき、所定の演算を行う演算工程を有し、

上記演算工程の結果は、所定の方向ごとに、到来してくる信号の情報を抽出したものであることを特徴とする信号受信方法。