WO2020031719A1 - 集音装置 - Google Patents

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microphone
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sound collection
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櫻子 矢澤
小林　和則
賢一 野口
翔一郎 齊藤
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS 
    • H04S2400/00—Details of stereophonic systems covered by H04S but not provided for in its groups
    • H04S2400/15—Aspects of sound capture and related signal processing for recording or reproduction

Definitions

  • Patent Literature 1 describes a technique for estimating and extracting information (target sound source signal and position) on an arbitrary target sound source by linear filtering using an acoustic array device (sound collecting device) including a plurality of microphones. I have.
  • the present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to accurately collect omnidirectional sounds without increasing the size of the sound collecting device.
  • a sound collecting apparatus having at least a base of a substantially spherical body having N concave portions on a surface thereof at predetermined intervals, and N microphones.
  • N is an integer of 2 or more.
  • Each of the microphones is provided one by one on the inner bottom surface side of each of the concave portions, and the intervals between the sound collecting portions of the microphones adjacent to each other are substantially the same.
  • FIG. 1 is a front view for illustrating the sound collecting device of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a rear view illustrating the sound collecting device of the first embodiment.
  • FIG. 3A is a plan view illustrating the concave portion of the first embodiment.
  • FIG. 3B is a sectional view taken along line 3B-3B in FIG. 3A.
  • FIG. 4A is a front view illustrating the arrangement of the microphones according to the first embodiment.
  • FIG. 4B is a rear view illustrating the arrangement of the microphones of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a bottom view for illustrating the sound collecting device of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a bottom view illustrating the arrangement of the support areas according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a front view for illustrating the sound collecting device of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a rear view illustrating the sound collecting device of the first embodiment.
  • FIG. 3A is a plan view illustrating the concave portion of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a front view for illustrating a state where the support members are attached to the support areas in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a rear view illustrating a state where the support member is attached to the support area in the first embodiment.
  • FIG. 9 is a front view for illustrating the sound collection device of the second embodiment.
  • FIG. 10 is a rear view illustrating the sound collection device of the second embodiment.
  • FIG. 11 is a front view for illustrating the sound collection device of the third embodiment.
  • FIG. 12 is a rear view illustrating the sound collecting device of the third embodiment.
  • FIG. 13 is a bottom view illustrating the sound collection device of the third embodiment.
  • FIG. 14 is a front view for illustrating the sound collection device of the fourth embodiment.
  • FIG. 32 is a diagram illustrating an example of an impulse response when the depth of the concave portion is determined so that the sound collecting portion of the microphone is located at a position 20 mm from the center of the base.
  • FIG. 33 is a diagram illustrating an example of an impulse response in a case where the depth of the concave portion is determined so that the sound collecting portion of the microphone is located at a position 30 mm from the center of the base.
  • FIG. 34 is a diagram illustrating an example of an impulse response in a case where the shape of the concave portion is the shape of an exponential horn.
  • FIG. 35 is a diagram illustrating an example of an impulse response when the shape of the concave portion is a bowl shape.
  • FIG. 36 is a diagram illustrating an example of an impulse response when the shape of the concave portion is substantially a truncated cone.
  • An example of a substantially spherical body is a three-dimensional body whose surface shape other than the concave portions 111-1,..., 111-N matches or almost matches the surface shape of the spherical body.
  • the number of the recesses 111-1,..., 111-N is, for example, the same as the number of the microphones 12-1,.
  • N is an integer of 2 or more.
  • the base 11 is made of, for example, a material (for example, synthetic resin, metal, wood, or the like) that sufficiently reflects sound.
  • D in is less than D out
  • the inner wall surface between the edge portions 111a-i and 111c-i is formed in a slope shape
  • the inner bottom surface 111b-i has a smooth surface. linked.
  • the depth d of the concave portion 111-i is less than half the diameter (for example, the diameter) D out of the edge 111a-i of the open end of the concave portion 111-i.
  • D out and D in are larger than the diameter (for example, the diameter) of the sound collection unit 121-i of the microphones 12-1,..., 12-N.
  • An example of D out and D in is twice or near twice the diameter (eg, diameter) of the sound collection unit 121-i of the microphones 12-1,..., 12-N.
  • the sound collection unit 121-i is a part including a mechanism (for example, a diaphragm or a metal foil) that converts air vibration of sound into an electric signal.
  • the sound collection unit 121-i is provided, for example, on one end side of the microphone 12-i.
  • One example of d is 2 mm.
  • the shapes of the N concave portions 111-1,..., 111-N are substantially the same (the same or substantially the same). As a result, it is possible to reduce variations in sound pickup due to the direction of arrival of the sound.
  • the recesses 111-1,..., 111-N are provided at predetermined intervals from each other, and the edges 111a-1,. Are away from each other. That is, the recesses 111-1,..., 111-N are provided at positions where they do not interfere with each other, and are independent of each other. As a result, the resolution can be improved, and variations in sound pickup due to the direction of arrival of the sound can be reduced.
  • the intervals between each sound collecting unit 121-i and four other sound collecting units 121-i 'adjacent thereto are substantially the same.
  • the intervals between the sound collecting units 121-1 and 121-6 are substantially the same (FIG. 1).
  • ⁇ and ⁇ are substantially the same means that ⁇ and ⁇ are the same or that ⁇ and ⁇ are substantially the same.
  • ⁇ 2 1, 3, 5, 10, 20, 30, 40, and 50.
  • a sound collecting section 121-i provided on one end side of the microphone 12-i is arranged on the inner bottom surface 111b-i side of each concave section 111-i, and each sound collecting section 121-i is arranged.
  • the front end of i or the vicinity of the front end is arranged on the same plane as the inner bottom surface 111b-i.
  • the sound collection unit 121-i of each microphone 12-i is arranged near the center of the inner bottom surface 111b-i of the concave portion 111-i or near the center of the inner bottom surface 111b-i.
  • the sound collection units 121-i of the microphones 12-i are arranged at substantially the same distance from the inner wall surface between the edge 111a-i and the edge 111c-i. Thereby, improvement in resolution can be expected.
  • the sound collecting unit 121-i is arranged in the vicinity of ⁇ means that, for example, the deviation width of the sound collecting unit 121-i from ⁇ is ⁇ 3% of the diameter (for example, the diameter) of the sound collecting unit 121-i.
  • ⁇ 3 1, 3, 5, 10, 20, 30, 40, and 50.
  • each of the sound collection units 121-i of the microphones 12-i has a positive number having N vertexes. What is necessary is just to arrange
  • the regular polyhedron has only regular tetrahedron, regular hexahedron, regular octahedron, regular dodecahedron, regular icosahedron. The relationship among the constituent faces, the number of faces, the number of sides, and the number of vertices of each regular polyhedron is shown below.
  • FIG. 4A and FIG. 4B illustrate a front view and a rear view illustrating the positional relationship of the sound collection unit 121-i illustrated in FIG. 1 and FIG.
  • the sound pickup of the microphone 12-i is provided at each vertex of the regular polyhedron (octahedron) 100 having six vertices or near the vertex.
  • the sound collection units 121-i arranged at or near each vertex are arranged, for example, in a direction from the center of the regular polyhedron toward the vertex or its vicinity.
  • Each support member 13-j supports a support area 112-j located below the base 11. For example, one end of each support member 13-j is attached to the support region 112-j, and supports the base 11 from below.
  • the presence of the support member 13-j affects the spatial environment, and the sound is received by the microphone 12-i existing near the support member 13-j. The sound may be adversely affected.
  • the support member 13-j supports the base 11 from the side where the target sound source does not exist, and reduces the adverse effect.
  • the target sound source does not often exist below the base 11. Therefore, it can be expected that supporting the base 11 from below can reduce this adverse effect more than supporting the base 11 from above or horizontally.
  • the distance between each support region 112-j and the sound collection unit 121-i of the microphone 12-i adjacent (surrounding) to the support region 112-j is substantially uniform.
  • substantially uniform means uniform or substantially uniform.
  • the influence of the support member 13-j on the observation at the sound collection unit 121-i disposed around the support region 112-j can be made uniform, and the above-described adverse effects can be further suppressed.
  • the shape of the support member 13-j is not limited, and for example, a rod-shaped support member 13-j may be used. However, when M ⁇ 2, it is desirable that the shapes of the support members 13-j are substantially the same as each other. Thus, the influence of the support member 13-j on the sound observed by the sound collection unit 121-i can be made uniform, so that the above-mentioned adverse effects can be further suppressed.
  • each of the sound collection units 121-i of the microphone 12-i is divided into N vertexes in order to make the intervals between the sound collection units 121-i of the microphones 12-i adjacent to each other substantially the same.
  • An example has been shown in which one is arranged at each vertex of the regular polyhedron having or the vicinity of the vertex.
  • N 2
  • 9 and 10 illustrate a front view and a rear view of the sound collection device 2 having such a configuration, respectively.
  • the recesses 111-1 and 111-2 are provided on a straight line Lv (on a vertical axis) passing through the center of the base 21 or near the center of the base 21.
  • the recess 111-1 is provided above the base 21, and the recess 111-2 is provided below the base 21.
  • the distance between the sound collecting units 121-1 and 121-2 thus arranged is substantially the same regardless of the direction in which the measurement is performed.
  • the third embodiment is a modification of the first embodiment, and differs from the first embodiment in that a rod-shaped support member is fixed to a base while penetrating the base.
  • FIGS. 11, 12, and 13 respectively illustrate a front view, a rear view, and a bottom view of the sound collecting device 3 of the third embodiment.
  • the distance from one side portion 331 arranged outside the base portion 31 of the support member 33 to the sound collection portions 121-3, 121-4, 121-7, 121-8 of the microphones arranged in the vicinity thereof. are substantially the same as each other.
  • the distance from the other side portion 332 disposed outside the base portion 31 of the support member 33 to the sound collection portions 121-1, 121-2, 121-5, 121-6 of the microphones disposed therearound. are substantially the same as each other.
  • One support member 33 is disposed at each of the vertexes or near the vertices of the regular polyhedron 300, and the support member 33 is located at the center or the set of surfaces 301 of a pair of parallel surfaces 301-5 and 301-6 of the regular polyhedron 300. -5 and 301-6 are arranged on a straight line L3 (third straight line) passing near the center of each. Accordingly, the distance from the portion 331 to the sound collecting portion of the microphone arranged therearound is equal to each other, and the distance from the portion 332 to the sound collecting portion of the microphone arranged therearound is equal to each other. As a result, the adverse effect based on the support member 33 as described in the first embodiment can be reduced. Further, the camera can be attached to the portion 332 of the support member 33 while the portion 331 of the support member 33 is fixed to the ground or held by the user.
  • the fourth embodiment is a modification of the second and third embodiments.
  • N 2
  • the rod-shaped support member is fixed to the base while penetrating the base.
  • 14 and 15 illustrate a front view and a right side view of a sound collection device 4 of the fourth embodiment, respectively.
  • the distances from the one side portion 331 arranged outside the base 41 of the support member 33 to the microphones 121-1 and 121-2 of the microphone are substantially the same.
  • the distance from the other portion 332 disposed outside the base 41 of the support member 33 to the sound collecting units 121-1 and 121-2 of the microphones is also substantially the same.
  • the microphones 121-1 and 121-2 of the microphone are arranged on a straight line Lh (first straight line) passing through the center of the base 41 or near the center of the base 41, and the support member 33 is connected to the base 41.
  • Lh first straight line
  • Lv second straight line
  • ⁇ and ⁇ represent the angular frequency and the index of the frame time, respectively.
  • W k, i represents the element of the linear filter.
  • the sound collection unit 121-i of the microphone 12-i reflects not only the direct sound emitted from the sound source 110-k, but also the inner wall surface of the recess 121-i. A reflected sound arrives. As a result, more information on the sound emitted from the sound source 110-k can be collected without increasing the number of microphones 12-i per unit area. By suppressing the number of microphones 12-i per unit area, it becomes possible to sufficiently detect the phase difference between the sounds emitted from the same sound source 110-k observed by the adjacent microphones 12-i.
  • each microphone 12-i can acquire a large amount of sound information by the function of the concave portion 121-i, the number of the microphones 12-i can be reduced, and the sound collection device can be downsized.
  • FIG. 18 shows the sensitivity when the estimated value of Y k ( ⁇ , ⁇ ) of each sound source 110-k is obtained by performing the linear filtering using the linear filter calculated as described above using the sound pickup device 1. sensitivity).
  • the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents sensitivity.
  • This sensitivity represents the level [dB] of the estimated value of Y k ( ⁇ , ⁇ ) based on the actual Y k ( ⁇ , ⁇ ).
  • the thick solid line in FIG. 18 represents the sensitivity of the estimated value of Y I ( ⁇ , ⁇ ) of the target sound source, and the thin solid line represents another sound source whose direction viewed from the sound pickup device 1 is shifted by 30 degrees from the target sound source.
  • the thick solid line represents the sensitivity of the target sound source component (sound component emitted from the target sound source) to be extracted
  • the thin solid line represents the sensitivity of the sound source component (sound component emitted from the sound source) adjacent to the target sound source.
  • the broken line represents the sensitivity of the estimated value of Y k ′′ ( ⁇ , ⁇ ) of the other sound sources, where k ′, k ′′ ⁇ 1,..., K ⁇ . That is, the broken line indicates the sensitivity of the sound source component to be suppressed.
  • FIG. 18 it can be seen that the use of the sound pickup device 1 sufficiently suppresses components other than the target sound source component to be extracted from the low band (particularly around 100 Hz) to the high band.
  • each sound source 110-k is subjected to linear filtering by using a linear filter calculated as described above using a sound collecting device in which a microphone is arranged on the surface of a sphere having no concave portion instead of the sound collecting device 1.
  • the sensitivity when an estimated value of Y k ( ⁇ , ⁇ ) is obtained is shown below. As illustrated in FIG. 19, in this case, it can be seen that components other than the target sound source component to be extracted particularly on the low frequency side are not sufficiently suppressed.
  • the use of the sound pickup device 1 improves the accuracy of estimating and extracting information on the target sound source as compared with the case where the sound pickup device in which the microphone is arranged on the surface of a sphere having no concave portion is used. .
  • the sound collection devices 1 to 4 of the embodiments each include at least the substantially spherical bases 11 to 41 having N concave portions on the surface thereof at predetermined intervals and the N microphones 12-41. 1 to 12-N.
  • N is an integer of 2 or more.
  • Each of the microphones 12-1 to 12-N is provided one by one on the inner bottom surface side of each of the recesses 111-1 to 111-N, and a sound collecting unit of the microphones 12-1 to 12-N adjacent to each other.
  • the intervals between 121-1 to 121-N are substantially the same.
  • the resolution is reduced, but the sound collecting units 121-1 to 12-N of the microphones 12-1 to 12-N are reduced. If the interval between 121-N is increased, the information collected will decrease. It is not preferable that the resolution and the information to be collected vary depending on the direction viewed from the sound collectors 1 to 4. In each embodiment, since the intervals between the sound collecting units 121-1 to 121-N of the microphones 12-1 to 12-N adjacent to each other are substantially the same, such variation due to the azimuth can be reduced. As described above, it is possible to accurately collect sounds in all directions without increasing the size of the sound collecting devices 1 to 4.
  • the recesses 111-i are not limited to those described above.
  • the inner wall surface between the edge portions 111a-i and the edge portions 111c-i is formed in a slope shape and is smoothly connected to the inner bottom surface 111b-i.
  • the inner wall surface between the edge portion 111c-i and the edge portion 111c-i may have a truncated cone side surface shape. That is, the cross-sectional shape (shape of the cross section 3B-3B) of the concave portion 111-i may be a trapezoid.
  • the case where the inner wall surface between the edge portions 111a-i and the edge portions 111c-i has a side surface shape of a truncated cone will be described in more detail.
  • N sound pickup units 121-i are required. Are arranged one by one at the vertices of the regular polyhedron having the vertices of. However, if the intervals between the sound collecting units 121-i are not exactly the same, the sound collecting units 121-i may be arranged at positions other than the vertices of the regular polyhedron. Further, the inner bottom surface 111b of the sound collection unit 121-i may be a curved surface instead of a flat surface.
  • the fifth embodiment is an embodiment in which the shape of the concave portion 111-i is formed so that the microphone 12-i has directivity.
  • the shape of the concave portion 111-i may be a substantially truncated cone.
  • the edge of the concave portion 111-i is chamfered. In the fifth embodiment, this chamfered portion becomes the edge 111a-i.
  • FIG. 20 is a perspective view of the sound collector 1 in the case where the number of the recesses 111-1,..., 111-8 is 8, and the shape of the recess 111-i is a substantially truncated cone.
  • FIG. 21A is a plan view of an example of the concave portion 111-i having a substantially truncated conical shape.
  • FIG. 21B is a sectional view taken along line 21B-21B of FIG. 21A.
  • the shape of the recess 111-i may be substantially conical. That is, the recess 111-i may not have the edge 111c-i and the inner bottom surface 11b-i.
  • concave portion 111-i having a substantially conical shape and the concave portion 111-i having a substantially frustoconical shape may coexist.
  • the shape of the concave portion 111-i may be the shape of an exponential horn.
  • the shape of the recess 111-i may be formed such that the rate of change in the diameter of the recess 111-i decreases from the open end to the bottom.
  • the edge of the concave portion 111-i is chamfered. As in Example 1 of the shape of the concave portion 111-i, the chamfered portion becomes the edge portion 111a-i.
  • FIG. 23 is a perspective view of the sound collecting device 1 in the case where the number of the recesses 111-1,..., 111-8 is 8, and the shape of the recess 111-i is an exponential horn.
  • FIG. 24A is a plan view of an example of the concave portion 111-i having an exponential horn shape.
  • FIG. 24B is a sectional view taken along line 24B-24B of FIG. 24A.
  • the cross section from the edge portion 111a-i to the edge portion 111ci has a curved shape protruding inward.
  • the shape of the recess 111-i may be a bowl shape.
  • the shape of the concave portion 111-i may be formed such that the rate of change in the diameter of the concave portion 111-i increases from the open end side to the bottom surface side.
  • the edge of the concave portion 111-i is chamfered. As in Example 1 of the shape of the concave portion 111-i, the chamfered portion becomes the edge portion 111a-i.
  • FIG. 25 is a perspective view of the sound collector 1 in the case where the number of the recesses 111-1,..., 111-8 is 8, and the shape of the recess 111-i is a bowl shape.
  • FIG. 26A is a plan view of an example of the recess 111-i having a bowl shape.
  • FIG. 26B is a sectional view taken along line 26B-26B of FIG. 26A.
  • the cross section from the edge portion 111a-i to the edge portion 111ci has a curved shape that protrudes outward.
  • the sound collection unit 121-i of the microphone 12-i is located at the center of the base or in the vicinity of the center of the base, and at the center of the outer periphery or the bottom of the recess 111-i where the microphone 12-i is installed. Or it is installed on a straight line L passing substantially through the center.
  • the sound collecting unit 121-i of the microphone 12-i is installed so that the distance between the sound collecting unit 121-i of the microphone 12-i and the center of the base is smaller than the radius of the base.
  • the distance between the sound collection unit 121-i of the microphone 12-i and the center of the base becomes smaller, the directivity of the microphone 12-i becomes stronger, and the width of the directivity of the microphone 12-i becomes narrower. For this reason, the distance between the sound collection unit 121-i of the microphone 12-i and the center of the base is appropriately determined according to the directivity required for the microphone 12-i.
  • the sound collecting unit 121-i of the microphone 12-i is configured such that the distance between the sound collecting unit 121-i of the microphone 12-i and the center of the base is smaller than 1/2 (half) of the radius of the base. Will be installed.
  • the sound collecting unit 121-i of the microphone 12-i is installed such that the distance between the sound collecting unit 121-i of the microphone 12-i and the center of the base is larger than 1/2 of the radius of the base. Is also good.
  • the directivity of the sound collecting device 1 can be set to a desired directivity.
  • the microphone 12-i may be installed so as to be in contact with the inner bottom surface 11b-i of the recess 111-i, or may be installed so as not to be in contact with the inner bottom surface 11bi of the recess 111-i.
  • the sound collecting unit 121-i is located at the center of the base or in the vicinity of the center of the base and the outer periphery of the concave part 111-i where the microphone 12-i is installed. What is necessary is just to install on the straight line L which passes through the center of a bottom part or substantially center.
  • the diameter of the recess 111-i is determined so that the recess 111-i does not overlap with the adjacent recess 111-i.
  • the diameter of the base is 80 mm and the number of the recesses 111-1,..., 111-8 is 8, as illustrated in FIGS. 20, 23 and 25, the diameter of the recess 111-i Is set to 40 mm or less.
  • the diameter of the recess 111-i is the diameter of the outer periphery of the recess 111-i.
  • a regular hexahedron having eight vertices inscribed in a sphere having the same size as the base is formed by connecting four parallel sides of the 12 sides of the regular hexahedron.
  • the upper side of the regular hexahedron or the lower part of the regular hexahedron obtained by dividing each of the two sides by a dividing plane that is a plane that bisects each of the sides is rotated 45 degrees along the dividing plane while maintaining the state inscribed in the sphere .., 111-8 are provided at the positions of the eight vertices (see FIG. 27B).
  • Three microphones 121-1, 121-2, and 121-3 were provided on the surface of a base having a diameter of 80 mm.
  • the sound collecting units 121-1 and 121-2 of the microphone are provided at positions at 90 degrees to each other, and the sound collecting units 121-2 and 121-3 of the microphone are provided at positions at 90 degrees to each other.
  • the sound collection units 121-1 and 121-3 of the microphone are provided at positions forming 180 degrees from each other.
  • a certain sound collection part and another sound collection part different from this certain sound collection part are provided at positions forming x degrees with each other means that a straight line passing through the center of the certain sound collection part and the base part And a straight line passing through the center of the base and the other sound collecting units, and these lines form x degrees.
  • the sound collection units 121-1, 121-2, 121-3 of the microphone are provided at the positions shown in FIG.
  • FIG. 29A shows the impulse response of each microphone in this case.
  • FIG. 29B the inner bottom surfaces 11b-1, 11b-2, and 11b-3 of the three concave portions 111-1, 111-2, and 111-3 each having a substantially frustoconical shape, not the surface of the base.
  • the depths of the recesses 111-1, 111-2, 111-3 are determined so that the sound collecting sections 121-1, 121-2, 121-3 of the microphone are arranged at a position 20 mm from the center of the base. I have.
  • the other experimental conditions in FIG. 29B are the same as those in FIG. 29A.
  • the solid line represents the impulse response of the microphone 12-1
  • the dotted line represents the impulse response of the microphone 12-2
  • the dashed line represents the impulse response of the microphone 12-3. This is the same for other figures.
  • the difference between the maximum sound pressure of the microphone 12-1 and the maximum sound pressure of the microphones 12-2, 12-3 is It is larger than in the case of FIG. 29A.
  • FIGS. 30A and 30B show the impulse response of each microphone when the frequency of the sound wave generated from the point sound source P is 1500 Hz.
  • the other experimental conditions in FIG. 30A are the same as those in FIG. 29A.
  • the other experimental conditions in FIG. 30B are the same as those in FIG. 29B.
  • FIG. 31 shows the depths of the recesses 111-1, 111-2, 111-3 such that the sound collecting units 121-1, 121-2, 121-3 of the microphone are arranged at a position 10 mm from the center of the base. Represents the impulse response of each microphone when is defined.
  • FIG. 32 shows the depths of the recesses 111-1, 111-2, 111-3 such that the sound collecting sections 121-1, 121-2, 121-3 of the microphone are arranged at a position 20 mm from the center of the base. Represents the impulse response of each microphone when is defined.
  • FIG. 33 shows the depths of the recesses 111-1, 111-2, 111-3 such that the sound collecting sections 121-1, 121-2, 121-3 of the microphone are arranged at a position 30 mm from the center of the base. Represents the impulse response of each microphone when is defined.
  • FIGS. 31 to 33 are the same as those of FIG. 29B.
  • the maximum sound pressure of the microphones 12-2 and 12-3 is suppressed to be lower than the maximum sound pressure of the microphone 12-1. This indicates that directivity is obtained regardless of the depth when the concave portions 111-1, 111-2, and 111-3 are provided.
  • FIG. 34 shows the impulse response of each microphone when the shape of the concave portions 111-1, 111-2, and 111-3 is the shape of an exponential horn.
  • FIG. 35 shows the impulse response of each microphone when the concave portions 111-1, 111-2, and 111-3 are bowl-shaped.
  • FIG. 36 shows the impulse response of each microphone when the shapes of the recesses 111-1, 111-2, and 111-3 are substantially truncated cones.
  • FIGS. 34 to 36 are the same as those of FIG. 29B.
  • the maximum sound pressure of the microphones 12-2 and 12-3 is relatively smaller than the maximum sound pressure of the microphone 12-1. Accordingly, when the shapes of the recesses 111-1, 111-2, and 111-3 are substantially truncated cones, the shape of the recesses 111-1, 111-2, and 111-3 is the shape of the exponential horn or It can be said that higher directivity can be obtained than in the case of a bowl shape.
  • the sound collecting device 1 according to the fourth embodiment of the first embodiment includes N microphones 12-1,..., 12-N, the same number as the number of the recesses 111-1,. .
  • the sound collection device 1 of the fifth embodiment may further include at least one microphone.
  • each of these at least one microphone is installed in any of the N recesses 111-1,..., 111-N.
  • two or more microphone holons may be provided in at least one of the recesses 111-1,..., 111-N.

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Abstract

少なくとも、互いに所定の間隔をおいたＮ個の凹部を表面に備えた略球体の基部と、Ｎ個のマイクロホンと、を有する集音装置が提供される。ただし、Ｎが２以上の整数であり、マイクロホンのそれぞれは、凹部のそれぞれの内底面側に１個ずつ設置されており、互いに隣接するマイクロホンの集音部間の間隔は略同一である。

Description

集音装置
　本発明は、集音技術に関し、特に複数の方向から到来する音を観測する技術に関する。
　特許文献１には、複数のマイクロホンで構成された音響アレイ装置（収音装置）を用い、線形フィルタリングによって任意の目標音源に関する情報（目標音源信号や位置）を推定・抽出する技術が記載されている。
特開２０１６－８２４１４号公報
　特許文献１の収音装置で全方位の音を集音するためには多くのマイクロホンが必要となる。一方、隣接するマイクロホンの間隔が狭いと、それらで観測された同じ音源から発せられた音の位相差が小さくなり、目標音源に関する情報の推定・抽出精度（すなわち分解能）が低下してしまう。この精度を向上させるために隣接するマイクロホンの間隔を広くすると収音装置も大型化してしまう。
　本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、集音装置の大きさをさほど大きくすることなく、全方位の音を精度よく集音することを目的とする。
　本発明では、少なくとも、互いに所定の間隔をおいたＮ個の凹部を表面に備えた略球体の基部と、Ｎ個のマイクロホンと、を有する集音装置が提供される。ただし、Ｎは２以上の整数である。マイクロホンのそれぞれは、凹部のそれぞれの内底面側に１個ずつ設置されており、互いに隣接するマイクロホンの集音部間の間隔は略同一である。
　これにより、集音装置の大きさをさほど大きくすることなく、全方位の音を精度よく集音できる。
図１は、第１実施形態の集音装置を例示するための正面図である。 図２は、第１実施形態の集音装置を例示するための背面図である。 図３Ａは、第１実施形態の凹部を例示するための平面図である。図３Ｂは、図３Ａの３Ｂ－３Ｂ断面図である。 図４Ａは、第１実施形態のマイクロホンの配置を例示するための正面図である。図４Ｂは、第１実施形態のマイクロホンの配置を例示するための背面図である。 図５は、第１実施形態の集音装置を例示するための底面図である。 図６は、第１実施形態の支持領域の配置を例示するための底面図である。 図７は、第１実施形態において支持領域に支柱部材が取り付けられた様子を例示するための正面図である。 図８は、第１実施形態において支持領域に支柱部材が取り付けられた様子を例示するための背面図である。 図９は、第２実施形態の集音装置を例示するための正面図である。 図１０は、第２実施形態の集音装置を例示するための背面図である。 図１１は、第３実施形態の集音装置を例示するための正面図である。 図１２は、第３実施形態の集音装置を例示するための背面図である。 図１３は、第３実施形態の集音装置を例示するための底面図である。 図１４は、第４実施形態の集音装置を例示するための正面図である。 図１５は、第４実施形態の集音装置を例示するための右側面図である。 図１６は、複数の音源の中に配置された集音装置の様子を例示した図である。 図１７Ａおよび図１７Ｂは、実施形態において音源から発生された音が観測される様子を例示するための断面図である。 図１８は、凹部の形状と各周波数での感度との関係を例示したグラフである。 図１９は、凹部を有しない収音装置を用いた場合の各周波数での感度との関係を例示したグラフである。 図２０は、凹部の形状が略円錐台形である場合の集音装置の斜視図である。 図２１Ａは、形状が略円錐台形である凹部の例の平面図である。図２１Ｂは、図２１Ａの２１Ｂ－２１Ｂ断面図である。 図２２Ａは、形状が略円錐である凹部の例の平面図である。図２２Ｂは、図２２Ａの２２Ｂ－２２Ｂ断面図である。 図２３は、凹部の形状がエクスポーネンシャルホーンの形状である場合の集音装置の斜視図である。 図２４Ａは、形状がエクスポーネンシャルホーンの形状である凹部の例の平面図である。図２４Ｂは、図２４Ａの２４Ｂ－２４Ｂ断面図である。 図２５は、凹部の形状が椀形状である場合の集音装置の斜視図である。 図２６Ａは、形状が椀形状である凹部の例の平面図である。図２６Ｂは、図２６Ａの２６Ｂ－２６Ｂ断面図である。 図２７Ａ及び図２７Ｂは、凹部の位置の例を説明するため図である。 図２８は、実験例のマイクロホンの集音部の位置を説明するための図である。 図２９Ａは、基部の表面に３個のマイクロホンの集音部を設けた場合のインパルス応答の例を表す図。図２９Ｂは、基部に形状が略円錐台形である３個の凹部の内底面にそれぞれマイクロホンの集音部を設置した場合のインパルス応答の例を表す図である。 図３０Ａ及び図３０Ｂは、点音源から発生する音波の周波数が1500Hzである場合のインパルス応答の例を表す図である。 図３１は、マイクロホンの集音部が基部の中央から10mmの位置に配置されるように、凹部の深さが定められている場合のインパルス応答の例を表す図である。 図３２は、マイクロホンの集音部が基部の中央から20mmの位置に配置されるように、凹部の深さが定められている場合のインパルス応答の例を表す図である。 図３３は、マイクロホンの集音部が基部の中央から30mmの位置に配置されるように、凹部の深さが定められている場合のインパルス応答の例を表す図である。 図３４は、凹部の形状をエクスポーネンシャルホーンの形状とした場合のインパルス応答の例を表す図である。 図３５は、凹部の形状を椀形状とした場合のインパルス応答の例を表す図である。 図３６は、凹部の形状を略円錐台形とした場合のインパルス応答の例を表す図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
　［第１実施形態］
　図１および図２に本実施形態の集音装置１の正面図および背面図をそれぞれ例示する。図１および図２に例示するように、本実施形態の集音装置１は、互いに所定の間隔をおいたＮ個の凹部１１１－１，…，１１１－Ｎを表面に備えた略球体の基部１１と、Ｎ個のマイクロホン１２－１，…，１２－Ｎとを有する。略球体とは、厳密には球体ではないものの球体に近い形状を持つ立体（ほぼ球体）を意味する。略球体の例は、凹部１１１－１，…，１１１－Ｎ以外の部分の表面形状が球体の表面形状に一致またはほぼ一致する立体である。凹部１１１－１，…，１１１－Ｎの個数は、例えば、マイクロホン１２－１，…，１２－Ｎの個数と同じＮ個である。ただしＮは２以上の整数である。第１実施形態ではＮ＝６の例を図示するが、これは本発明を限定するものではない。また、基部１１は、例えば、音を十分に反射する材質（例えば、合成樹脂、金属、木など）で構成されている。
　図３Ａは、本実施形態の凹部１１１－ｉ（ただし、ｉ＝１，…，Ｎ）を例示するための平面図であり、図３Ｂは、図３Ａの３Ｂ－３Ｂ断面図である。図３Ａおよび図３Ｂに例示するように、本実施形態で例示する凹部１１１－ｉは、皿状の内壁面形状を持ったくぼみである。すなわち、本実施形態で例示する凹部１１１－ｉの開放端側（表面側）の縁部１１１ａ－ｉの形状は略円形であり、凹部１１１－ｉの内底面１１１ｂ－ｉ（凹部１１１－ｉの内部の底面）は略円形の略平面（内底面１１１ｂ－ｉの縁部１１１ｃ－ｉが略円形の略平面）である。ただし、略円形とは、円形または円形に近い形状（ほぼ円形）を意味する。円形に近い形状の例は、短軸に対する長軸の比率が所定値γ１以下の楕円、線対称又は点対称となる多角形である。ただし、γ１は１より大きな実数である。γ１の例はγ１＝１．１，１．２，１．３，１．４，１．５などである。略平面とは、平面または平面に近い面（ほぼ平面）を意味する。ほぼ平面は、例えば、多少の凹凸を持つ面であってもよいし、わずかに湾曲した面であってもよい。内底面１１１ｂ－ｉの縁部１１１ｃ－ｉの径（例えば、直径）Ｄｉｎは、凹部１１１－ｉの開放端側の縁部１１１ａ－ｉの径（例えば、直径）Ｄｏｕｔ以下であり、例えば、ＤｉｎはＤｏｕｔ未満である。縁部１１１ａ－ｉと縁部１１１ｃ－ｉとの間の領域は凹部１１１－ｉの内壁面である。図３Ａおよび図３Ｂの例では、ＤｉｎはＤｏｕｔ未満であり、縁部１１１ａ－ｉと縁部１１１ｃ－ｉとの間の内壁面はスロープ状に形成され、内底面１１１ｂ－ｉに滑らかにつながっている。凹部１１１－ｉの深さｄは、凹部１１１－ｉの開放端の縁部１１１ａ－ｉの径（例えば、直径）Ｄｏｕｔの半分未満であることが望ましい。例えば、図３Ｂに例示するように、凹部１１１－ｉの深さｄが、凹部１１１－ｉの開放端の縁部１１１ａ－ｉの直径Ｄｏｕｔ＝２ｒの半分未満であることが望ましい（０＜ｄ＜ｒ）。これにより、分解能を向上させることができるからである（詳細は後述する）。ＤｏｕｔおよびＤｉｎは、マイクロホン１２－１，…，１２－Ｎの集音部１２１－ｉの径（例えば、直径）よりも大きい。ＤｏｕｔおよびＤｉｎの一例は、マイクロホン１２－１，…，１２－Ｎの集音部１２１－ｉの径（例えば、直径）の２倍または２倍の近傍である。なお、集音部１２１－ｉは、音の空気振動を電気信号に変換する機構（例えば、振動板や金属箔）を含む部位である。集音部１２１－ｉは、例えばマイクロホン１２－ｉの一端側に設けられている。ｄの一例は２ｍｍである。Ｎ個の凹部１１１－１，…，１１１－Ｎの形状は互いに略同一（同一またはほぼ同一）であることが望ましい。これにより、音の到来方向による収音ばらつきを低減できる。また図１および図２に例示するように、凹部１１１－１，…，１１１－Ｎは互いに所定の間隔をおいて設けられており、開放端側の縁部１１１ａ－１，…，１１１ａ－Ｎは互いに離れている。すなわち、凹部１１１－１，…，１１１－Ｎは互いに干渉しない位置に設けられており、互いに独立している。これにより、分解能を向上させることができるとともに、音の到来方向による収音ばらつきを低減させることができる。
　図１、図２、図３Ａおよび図３Ｂに例示するように、各マイクロホン１２－ｉ（ただし、ｉ＝１，…，Ｎ）は、各凹部１１１－ｉ（ただし、ｉ＝１，…，Ｎ）の内底面１１１ｂ－ｉ側に１個ずつ設置（固定）されている。ただし、互いに隣接するマイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉ間の間隔（距離）は略同一である。すなわち、互いに隣接するマイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉ間の間隔は所定値またはその近傍である。図１および図２の例の場合、各集音部１２１－ｉとそれに隣り合っている４個の他の集音部１２１－ｉ’との間隔は互に略同一である。例えば、集音部１２１－１と集音部１２１－２との間隔、集音部１２１－１と集音部１２１－４との間隔、集音部１２１－１と集音部１２１－５との間隔、集音部１２１－１と集音部１２１－６との間隔は、すべて略同一である（図１）。なお、αとβとが略同一とは、αとβとが同一であること、またはαとβとがほぼ同一であることを意味する。αとβとがほぼ同一とは、αとβとの差分δ＝｜α－β｜がαに対して０％よりも大きくγ２％以下であることを意味する。γ２の例はγ２＝１，３，５，１０，２０，３０，４０，５０である。図１および図２の例の場合、マイクロホン１２－ｉの一端側に設けられた集音部１２１－ｉが各凹部１１１－ｉの内底面１１１ｂ－ｉ側に配置され、各集音部１２１－ｉの先端または当該先端の近傍が内底面１１１ｂ－ｉと同一の面上に配置されている。図３Ａおよび図３Ｂに例示するように、各マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉは、各凹部１１１－ｉの内底面１１１ｂ－ｉの中央または内底面１１１ｂ－ｉの中央の近傍に配置されることが望ましい。すなわち、各マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉは、縁部１１１ａ－ｉと縁部１１１ｃ－ｉとの間の内壁面から略同一距離の位置に配置されることが望ましい。これにより、分解能の向上を期待できる。なお、集音部１２１－ｉがαの近傍に配置されるとは、例えば、集音部１２１－ｉのαからのずれ幅が集音部１２１－ｉの径（例えば、直径）のγ３％以下となる位置に集音部１２１－ｉが配置されることを意味する。γ３の例はγ３＝１，３，５，１０，２０，３０，４０，５０である。
　互いに隣接するマイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉ間の間隔を略同一にするためには、例えば、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉのそれぞれを、Ｎ個の頂点を持つ正多面体の頂点または当該頂点の近傍のそれぞれに１個ずつ配置すればよい。正ｎ面体のすべての頂点が外接する球で、その頂点部分にマイクロホン１２－ｉを配置することで均一性を担保する。正多面体は、正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体しか存在しない。以下に各正多面体の構成面、面数、辺数、頂点数の関係を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　
　このように、各集音部１２１－ｉを正多面体の頂点または当該頂点の近傍のそれぞれに１個ずつ配置する場合、Ｎは４，６，８，１２，２０の何れかとなる。図４Ａおよび図４Ｂに、図１および図２に例示した集音部１２１－ｉの位置関係を表す正面図および背面図を例示する。図４Ａおよび図４Ｂに例示するように、図１および図２の例の場合、６個の頂点を持つ正多面体（正八面体）１００の各頂点または当該頂点の近傍にマイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉ（ｉ＝１，…，６）を１個ずつ配置すればよい。各頂点またはその近傍に配置される集音部１２１－ｉは、例えば、正多面体の中央からその頂点またはその近傍に向かう方向に向けて配置される。
　図５から８に例示するように、集音装置１が基部１１を下方側（基部１１が配置された際に下に配置される側）から支持する支持部材１３－ｊ（ただし、ｊ＝１，…，Ｍ）を有していてもよい。Ｍは１以上の整数である。図５から８ではＭ＝４の場合を例示するが、これは本発明を限定するものではない。各支持部材１３－ｊは、基部１１の下方側に位置する支持領域１１２－ｊを支持する。例えば、各支持部材１３－ｊの一端が支持領域１１２－ｊに取り付けられ、基部１１を下方側から支持する。基部１１が支持部材１３－ｊに支持される場合、その支持部材１３－ｊの存在が空間環境に影響を与え、その支持部材１３－ｊの近くに存在するマイクロホン１２－ｉで受音される音に悪影響を及ぼす場合がある。目標音源方向から到来した音の観測に悪影響があると、目標音源に関する情報の推定・抽出精度にも悪影響を与えてしまう。そのため、目標音源が存在しない側から支持部材１３－ｊが基部１１を支持し、この悪影響を低減させることが望ましい。通常、目標音源は基部１１の下方に存在しないことが多い。そのため、上方側や水平方向から基部１１を支持するよりも、下方側から基部１１を支持した方がこの悪影響を低く抑えることができると期待できる。また、各支持領域１１２－ｊと当該支持領域１１２－ｊに隣接する（周囲に存在する）マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉとの間隔は略均一であることが望ましい。なお、略均一とは、均一またはほぼ均一であることを意味する。すなわち、支持領域１１２－ｊは、それに隣接するマイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉから略同一の距離に設けられることが望ましい。例えば、図５および図６の例の場合、支持領域１１２－１は、集音部１２１－１，１２１－４，１２１－６から略同一の距離に配置され、支持領域１１２－２は、集音部１２１－１，１２１－２，１２１－６から略同一の距離に配置され、支持領域１１２－３は、集音部１２１－２，１２１－３，１２１－６から略同一の距離に配置され、支持領域１１２－４は、集音部１２１－３，１２１－４，１２１－６から略同一の距離に配置されることが望ましい。例えば、集音部１２１－ｉのそれぞれが正多面体１００の頂点または当該頂点の近傍のそれぞれに１個ずつ配置される場合、この正多面体１００の下方側（基部１１が配置された際に下に配置される側）に存在する面１０１－ｊ（ただし、ｊ＝１，…，Ｍ）に支持領域１１２－ｊが設けられ、面１０１－ｊのすべての頂点から当該支持領域１１２－ｊまでの距離が略同一となるように当該支持領域１１２－ｊが配置されることが望ましい（図６）。これにより、支持部材１３－ｊが当該支持領域１１２－ｊの周囲に配置された集音部１２１－ｉでの観測に与える影響を均一化でき、上述した悪影響をより抑えることができる。なお、支持部材１３－ｊの形状に限定はなく、例えば棒状の支持部材１３－ｊを用いてもよい。ただし、Ｍ≧２の場合、支持部材１３－ｊの形状は互いに略同一であることが望ましい。これにより、支持部材１３－ｊが集音部１２１－ｉで観測される音に与える影響を均一化できるため、上述した悪影響をより一層抑えることができる。
　［第２実施形態］
　第１実施形態では、互いに隣接するマイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉ間の間隔を略同一にするために、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉのそれぞれを、Ｎ個の頂点を持つ正多面体の頂点または当該頂点の近傍のそれぞれに１個ずつ配置する例を示した。ここで２個の頂点を持つ正多面体は存在しないが、Ｎ＝２の場合には、マイクロホン１２－ｉ（ただし、ｉ＝１，２）の集音部１２１－ｉを基部の中央または当該基部の中央の近傍を通る直線上に配置すればよい。図９および図１０に、このような構成の集音装置２の正面図および背面図をそれぞれ例示する。以降、これまでに説明した事項との相違点を中心に説明し、既に説明した事項については同じ参照番号を用いて説明を簡略化する。
　図９および図１０に例示するように、第２実施形態の集音装置２は、互いに所定の間隔をおいた２個の凹部１１１－１，１１１－２を表面に備えた略球体の基部２１と、２個のマイクロホン１２－１，１２－２と、基部２１を支持する支持部材１３－ｊ（ｊ＝１，…，Ｍ）とを有する。図９および図１０ではＭ＝４の場合を例示するが、これは本発明を限定するものではない。例えば、Ｍ＝３であってもよいし、Ｍ≧５であってもよい。凹部１１１－１，１１１－２は、基部２１の中央または基部２１の中央の近傍を通る直線Ｌｖ上（垂直軸上）に設けられている。凹部１１１－１は基部２１の上方側に設けられ、凹部１１１－２は基部２１の下方側に設けられている。各マイクロホン１２－ｉ（ただし、ｉ＝１，２）は、各凹部１１１－ｉ（ただし、ｉ＝１，２）の内底面１１１ｂ－ｉ側に１個ずつ設置（固定）されている。この際、各集音部１２１－ｉ（ただし、ｉ＝１，２）はこの直線Ｌｖ上に配置されている。このように配置された集音部１２１－１と集音部１２１－２との間の間隔は、どの方向に測定しても略同一である。各支持部材１３－ｊ（ただし、ｊ＝１，…，Ｍ）は基部２１の下方側に位置する支持領域１１２－ｊを支持し、基部２１を下方側から支持する。ここで、基部２１の下方側に配置された集音部１２１－２から各支持領域１１２－ｊまでの距離は互いに略同一であることが望ましい。これにより、各方向から集音部１２１－２に到達する音が各支持領域１１２－ｊから受ける影響を均一化できる。
　［第３実施形態］
　第３実施形態は第１実施形態の変形例であり、棒状の支持部材が基部を貫通した状態で基部に固定される点が第１実施形態と相違する。図１１，図１２および図１３に、第３実施形態の集音装置３の正面図、背面図、および底面図をそれぞれ例示する。図１１から図１３に例示するように、第３実施形態の集音装置３は、互いに所定の間隔をおいたＮ個の凹部１１１－ｉ（ただし、ｉ＝１，…，Ｎ）を表面に備えた略球体の基部３１と、Ｎ個のマイクロホン１２－１，…，１２－Ｎと、基部３１を貫通した状態で基部３１に固定されている棒状の支持部材３３とを有する。なお、図１１から図１３ではＮ＝８の場合を例示するが、これは本発明を限定するものではない。
　ここで、支持部材３３の基部３１の外部に配置された一方側の部分３３１からその近隣に配置されるマイクロホンの集音部１２１－３，１２１－４，１２１－７，１２１－８までの距離は、互いに略同一とされる。同様に、支持部材３３の基部３１の外部に配置された他方側の部分３３２からその周囲に配置されるマイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２，１２１－５，１２１－６までの距離は、互いに略同一とされる。例えば、Ｎが６，８，１２，２０の何れかであり、かつ、マイクロホンの集音部１２１－ｉ（ただし、ｉ＝１，…，Ｎ）のそれぞれが、Ｎ個の頂点を持つ正多面体３００の頂点または頂点の近傍のそれぞれに１個ずつ配置されており、支持部材３３が当該正多面体３００の互いに平行な一組の面３０１－５，３０１－６それぞれの中央または一組の面３０１－５，３０１－６それぞれの中央の近傍を通る直線Ｌ３（第３直線）上に配置される。これにより、部分３３１からその周囲に配置されるマイクロホンの集音部までの距離が互いに同一となり、かつ、部分３３２からその周囲に配置されるマイクロホンの集音部までの距離が互いに同一となる。その結果、第１実施形態で説明したような支持部材３３に基づく悪影響を低減できる。さらに、支持部材３３の部分３３１を地面に対して固定したり、利用者が把持したりするとともに、支持部材３３の部分３３２にカメラを取り付けることもできる。
　［第４実施形態］
　第４実施形態は第２，３実施形態の変形例である。本実施形態では、Ｎ＝２であり、かつ、棒状の支持部材が基部を貫通した状態で基部に固定される。図１４および図１５に、第４実施形態の集音装置４の正面図および右側面図をそれぞれ例示する。図１４および図１５に例示するように、第４実施形態の集音装置４は、互いに所定の間隔をおいた２個の凹部１１１－ｉ（ただし、ｉ＝１，２）を表面に備えた略球体の基部４１と、２個のマイクロホン１２－１，１２－２と、基部４１を貫通した状態で基部４１に固定されている棒状の支持部材３３とを有する。ここで、支持部材３３の基部４１の外部に配置された一方側の部分３３１からマイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２までの距離は、互いに略同一とされる。同様に、支持部材３３の基部４１の外部に配置された他方側の部分３３２からマイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２までの距離も、互いに略同一とされる。例えば、マイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２が基部４１の中央または基部４１の中央の近傍を通る直線Ｌｈ（第１直線）上に配置されており、かつ、支持部材３３が基部４１の中央または基部の中央の近傍を通り直線Ｌｈ（第１直線）と略直交する直線Ｌｖ（第２直線）上に配置されている。例えば、直線Ｌｈは水平方向に沿った直線であり、直線Ｌｖは鉛直方向に沿った直線である。なお略直交とは、直交またはほぼ直交することを意味する。これにより、部分３３１からマイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２までの距離が互いに同一となり、かつ、部分３３２からマイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２までの距離が互いに同一となる。その結果、第１実施形態で説明したような支持部材３３に基づく悪影響を低減できる。
　［集音装置の使用例］
　次に、上述した収音装置１～４を用い、線形フィルタリングによって目標音源に関する情報を推定・抽出する例を説明する（例えば、特許文献１等参照）。図１６に例示するように、空間内にＫ個の音源１１０－１，…，１１０－Ｋ、および、収音装置１が配置されているとする。ここでは一例として収音装置１を用いるが、その他の収音装置２～４が用いられてもよい。この環境では以下のような関係を近似できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
ただし、Ｘｉ（ω，τ）（ただし、ｉ＝１，…，Ｍ）はマイクロホン１２－ｉで観測された時間領域の観測信号（混合信号）を時間周波数領域に変換（例えば、短時間フーリエ変換等）して得られる時間周波数領域の観測信号を表す。ここでω、τはそれぞれ角周波数、フレーム時間のインデックスを表す。Ｙｋ（ω，τ）は音源１１０－ｋ（ただし、ｋ＝１，…，Ｋ）で発せられた時間領域の音源信号を時間周波数領域に変換して得られる時間周波数領域の音源信号を表す。Ｗｋ，ｉは線形フィルタの要素を表す。例えば、事前に特定の音源１１０－Ｉのみから特定の音（例えば、インパルス）が発せられた環境を収音装置１で観測（例えば、インパルス応答を観測）してＸｉ（ω，τ）（ただし、ｉ＝１，…，Ｍ）を得、これらのＸｉ（ω，τ）と、当該特定の音源１１０－Ｉのみから特定の音のみが発生られた状態に対応するＹｋ（ω，τ）（ただし、ｋ＝１，…，Ｋ）とを式（１）に代入して連立方程式を解くことで、当該特定の音源１１０－Ｉ（目標音源）から発せられた音を抽出するためのＷｋ，ｉを得ることができる。また、音源１１０－１，…，１１０－Ｋのそれぞれを音源１１０－Ｉとして同様な計算を行うことで、音源１１０－１，…，１１０－Ｋのそれぞれを目標音源とするＷｋ，ｉを得ることができる。このように事前にＷｋ，ｉを求めておけば、上記の式（１）に従い、マイクロホン１２－ｉで観測された時間領域の観測信号（混合信号）に対応するＸｉ（ω，τ）から特定の音源１１０－Ｉ（ただし、Ｉ∈｛１，…，Ｋ｝）（目標音源）のＹＩ（ω，τ）の推定値を計算できる。
　上述した収音装置１（２，３，４）を用いることで、従来よりも高い分解能で、任意の目標音源から発せられた音を抽出することができる。すなわち、図１７Ａおよび図１７Ｂに例示するように、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉには、音源１１０－ｋから発せられた直接音だけではなく、凹部１２１－ｉの内壁面で反射した反射音も届く。これにより、単位面積当たりのマイクロホン１２－ｉの数を増やすことなく、音源１１０－ｋから発せられた音の情報をより多く集めることができる。単位面積当たりのマイクロホン１２－ｉの個数を抑えることにより、隣接するマイクロホン１２－ｉでそれぞれ観測される同じ音源１１０－ｋから発せられた音の位相差を十分検出することも可能になる。結果として目標音源に関する情報の推定・抽出精度が向上すると期待できる。また、凹部１２１－ｉの働きによって各マイクロホン１２－ｉが多くの音情報を取得できるため、マイクロホン１２－ｉの個数を抑えることができ、収音装置を小型化できる。
　図１８に、収音装置１を用いて上述のように計算した線形フィルタを用い、線形フィルタリングを行って各音源１１０－ｋのＹｋ（ω，τ）の推定値を得た場合の感度（sensitivity）を例示する。横軸が周波数を表し、縦軸が感度を表す。なお、この感度は実際のＹｋ（ω，τ）を基準としたＹｋ（ω，τ）の推定値のレベル［ｄＢ］を表す。図１８における太い実線は目標音源のＹＩ（ω，τ）の推定値の感度を表し、細い実線は収音装置１から見た方向が目標音源から３０度ずれた位置に存在する他の音源の音源のＹｋ’（ω，τ）の推定値の感度を表す。すなわち、太い実線は抽出しようとする目標音源成分（目標音源から発せられた音の成分）の感度を表し、細い実線は目標音源に隣接する音源成分（当該音源から発せられた音の成分）の感度を表す。破線はその他の音源のＹｋ”（ω，τ）の推定値の感度を表す。ただし、ｋ’，ｋ”∈｛１，…，Ｋ｝である。すなわち、破線は抑制しようとする音源成分の感度を表す。図１８に例示するように、収音装置１を用いることで、低域（特に１００Ｈｚあたり）から高域に至るまで、抽出しようとする目標音源成分以外が十分に抑圧されていることが分かる。
　図１９に、収音装置１に代え、凹部を有しない球体の表面にマイクロホンを配置した収音装置を用いて上述のように計算した線形フィルタを用い、線形フィルタリングを行って各音源１１０－ｋのＹｋ（ω，τ）の推定値を得た場合の感度を例示する。図１９に例示するように、この場合には、特に低域側で抽出しようとする目標音源成分以外が十分に抑圧されていないことが分かる。
　以上のように、収音装置１を用いることにより、凹部を有しない球体の表面にマイクロホンを配置した収音装置を用いる場合に比べ、目標音源に関する情報の推定・抽出精度が向上することが分かる。
　［まとめ］
　以上のように、各実施形態の集音装置１～４は、少なくとも、互いに所定の間隔をおいたＮ個の凹部を表面に備えた略球体の基部１１～４１と、Ｎ個のマイクロホン１２－１～１２－Ｎと、を有する。ただし、Ｎは２以上の整数である。マイクロホン１２－１～１２－Ｎのそれぞれは、凹部１１１－１～１１１－Ｎのそれぞれの内底面側に１個ずつ設置されており、互いに隣接するマイクロホン１２－１～１２－Ｎの集音部１２１－１～１２１－Ｎ間の間隔は略同一である。前述のように、凹部１２１－ｉの働きにより、従来よりも高い分解能で、任意の目標音源から発せられた音を抽出することができる。また、マイクロホン１２－１～１２－Ｎの集音部１２１－１～１２１－Ｎ間の間隔が近すぎると分解能が低下するが、マイクロホン１２－１～１２－Ｎの集音部１２１－１～１２１－Ｎ間の間隔が離れると収音される情報が低下する。集音装置１～４から見た方位によって分解能や収音される情報にばらつきがあることは好ましくない。各実施形態では、互いに隣接するマイクロホン１２－１～１２－Ｎの集音部１２１－１～１２１－Ｎ間の間隔を略同一とするため、このような方位によるばらつきを低減できる。以上により、集音装置１～４の大きさをさほど大きくすることなく、全方位の音を精度よく集音できる。
　［その他の変形例等］
　凹部１１１－ｉは上述したものに限定されない。例えば、図３Ｂの例では、縁部１１１ａ－ｉと縁部１１１ｃ－ｉとの間の内壁面はスロープ状に形成され、内底面１１１ｂ－ｉに滑らかにつながっていたが、縁部１１１ａ－ｉと縁部１１１ｃ－ｉとの間の内壁面形状が円錐台の側面形状であってもよい。すなわち、凹部１１１－ｉの断面形状（３Ｂ－３Ｂ断面の形状）が台形であってもよい。後述する第５実施形態において、縁部１１１ａ－ｉと縁部１１１ｃ－ｉとの間の内壁面形状が円錐台の側面形状である場合について、より詳細に説明する。
　また、隣接するマイクロホン１２－ｉ（ただし、ｉ＝１，…，Ｎ）の集音部１２１－ｉ間の間隔をすべて厳密に同一にする場合には、各集音部１２１－ｉをＮ個の頂点を持つ正多面体の頂点に１個ずつ配置することになる。しかし、集音部１２１－ｉ間の間隔をすべて厳密に同一にしない場合には、各集音部１２１－ｉが正多面体の頂点以外に配置されてもよい。また、集音部１２１－ｉの内底面１１１ｂが平面ではなく曲面であってもよい。
　［第５実施形態］
　第５実施形態は、マイクロホン１２－ｉが指向性を持つように、凹部１１１－ｉの形状を形成した実施形態である。
　以下、第１実施形態から第４実施形態と異なる部分を中心に説明する。第１実施形態から第４実施形態と同じ部分については重複説明を省略する。
　<凹部１１１－ｉの形状の例１>
　図２０、図２１Ａ及び図２１Ｂに例示するように、凹部１１１－ｉの形状は、略円錐台形であってもよい。
　図２０、図２１Ａ及び図２１Ｂに示すように、凹部１１１－ｉの縁は面取りされている。第５実施形態では、この面取りされている部分が、縁部１１１ａ－ｉとなる。
　図２０は、凹部１１１－１，…，１１１－８の個数が８であり、凹部１１１－ｉの形状が略円錐台形である場合の集音装置１の斜視図である。
　図２１Ａは、形状が略円錐台形である凹部１１１－ｉの例の平面図である。図２１Ｂは、図２１Ａの２１Ｂ－２１Ｂ断面図である。
　この例では、図２１Ｂの凹部１１１－ｉの断面図において、縁部１１１ａ－ｉから縁部１１１ｃ－ｉの断面が直線形になっている。
　また、図２２Ａ及び図２２Ｂに例示するように、凹部１１１－ｉの形状は、略円錐であってもよい。すなわち、凹部１１１－ｉは、縁部１１１ｃ－ｉ、内底面１１ｂ－ｉを有していなくてもよい。
　なお、形状が略円錐である凹部１１１－ｉと、形状が略円錐台形である凹部１１１－ｉとが混在していてもよい。
　<凹部１１１－ｉの形状の例２>
　図２３、図２４Ａ及び図２４Ｂに例示するように、凹部１１１－ｉの形状は、エクスポーネンシャルホーンの形状であってもよい。言い換えれば、凹部１１１－ｉの形状は、開放端側から底面側に向かうに従って、凹部１１１－ｉの径の変化率が小さくなるように形成されていてもよい。
　図２３、図２４Ａ及び図２４Ｂに示すように、凹部１１１－ｉの縁は面取りされている。凹部１１１－ｉの形状の例１と同様に、この面取りされている部分が、縁部１１１ａ－ｉとなる。
　図２３は、凹部１１１－１，…，１１１－８の個数が８であり、凹部１１１－ｉの形状がエクスポーネンシャルホーンの形状である場合の集音装置１の斜視図である。
　図２４Ａは、形状がエクスポーネンシャルホーンの形状である凹部１１１－ｉの例の平面図である。図２４Ｂは、図２４Ａの２４Ｂ－２４Ｂ断面図である。
　この例では、図２４Ｂの凹部１１１－ｉの断面図において、縁部１１１ａ－ｉから縁部１１１ｃ－ｉの断面が内側に凸になる曲線形になっている。
　<凹部１１１－ｉの形状の例３>
　図２５、図２６Ａ及び図２６Ｂに例示するように、凹部１１１－ｉの形状は、椀形状であってもよい。言い換えれば、凹部１１１－ｉの形状は、開放端側から底面側に向かうに従って、凹部１１１－ｉの径の変化率が大きくなるように形成されていてもよい。
　図２５、図２６Ａ及び図２６Ｂに示すように、凹部１１１－ｉの縁は面取りされている。凹部１１１－ｉの形状の例１と同様に、この面取りされている部分が、縁部１１１ａ－ｉとなる。
　図２５は、凹部１１１－１，…，１１１－８の個数が８であり、凹部１１１－ｉの形状が椀形状である場合の集音装置１の斜視図である。
　図２６Ａは、形状が椀形状である凹部１１１－ｉの例の平面図である。図２６Ｂは、図２６Ａの２６Ｂ－２６Ｂ断面図である。
　この例では、図２６Ｂの凹部１１１－ｉの断面図において、縁部１１１ａ－ｉから縁部１１１ｃ－ｉの断面が外側に凸になる曲線形になっている。
　以下、<凹部１１１－ｉの形状の例１から例３に共通する第５実施形態の構成について説明する。第５実施形態においては、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉは、基部の中央または当該基部の中央の近傍と、マイクロホン１２－ｉが設置される凹部１１１－ｉの外周若しくは底部の中心ないし略中心を通る直線Ｌ上に設置される。
　また、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉは、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉと基部の中央との距離が基部の半径よりも小さくなるように設置される。
　マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉと基部の中央との距離が小さくなるほど、マイクロホン１２－ｉの指向性は強くなり、マイクロホン１２－ｉの指向性の幅は狭くなる。このため、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉと基部の中央との距離は、マイクロホン１２－ｉに求める指向性に応じて適宜定められる。
　例えば、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉは、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉと基部の中央との距離が基部の半径の１／２（半分）よりも小さくなるように設置される。
　もちろん、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉは、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉと基部の中央との距離が基部の半径の１／２よりも大きくなるように設置されてもよい。
　このように、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉと基部の中央との距離を変えることで、集音装置１の指向性を所望の指向性にすることができる。
　マイクロホン１２－ｉは、凹部１１１－ｉの内底面１１ｂ－ｉに接するように設置されてもよいし、凹部１１１－ｉの内底面１１ｂ－ｉに接しないように設置されてもよい。接しないように設置される場合は、マイクロホン１２－ｉの集音部１２１－ｉは、基部の中央または当該基部の中央の近傍と、マイクロホン１２－ｉが設置される凹部１１１－ｉの外周若しくは底部の中心ないし略中心を通る直線Ｌ上に設置されればよい。
　凹部１１１－ｉは隣接する凹部１１１－ｉに重ならないように、凹部１１１－ｉの直径は定められる。例えば、基部の直径が80mmであり、図２０、図２３及び図２５に例示したように、凹部１１１－１，…，１１１－８の個数が８である場合には、凹部１１１－ｉの直径を40mm以下とする。なお、凹部１１１－ｉの直径とは、凹部１１１－ｉの外周の直径のことである。
　図２０、図２３及び図２５では、基部と同じ大きさの球に内接する８個の頂点を持つ正六面体（図２７Ａ参照。）を、正六面体の１２個の辺の中の互いに平行な４個の辺のそれぞれを２等分する平面である分割面で２分割することにより得られる正六面体の上部または正六面体の下部を球に内接する状態を維持したまま分割面に沿って４５度回転させたときの８個の頂点の位置（図２７Ｂ参照。）に凹部１１１－１，…，１１１－８が設けられている。
　<実験例>
　直径が80mmの球である基部の表面に３個のマイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２，１２１－３を設けた。マイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２は互いに90度を成す位置に設けられており、マイクロホンの集音部１２１－２，１２１－３は互いに90度を成す位置に設けられており、マイクロホンの集音部１２１－１，１２１－３は互いに180度を成す位置に設けられている。ここで、ある集音部と、このある集音部とは異なる他の集音部とが、互いにx度を成す位置に設けられているとは、ある集音部と基部の中心を通る直線と、他の集音部と基部の中心を通る直線との両方を含む平面上で、これらの直線がx度を成すことを意味する。
例えば、マイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２，１２１－３は、図２８の位置に設けられる。
　マイクロホン１２－１から80cm離れた位置にある点音源Pで発生した450Hzの音波を各マイクロホンで集音する。図２９Ａは、この場合の各マイクロホンのインパルス応答を表す。
　一方、図２９Ｂに、基部の表面ではなく、基部に形状が略円錐台形である３個の凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３の内底面１１ｂ－１，１１ｂ－２，１１ｂ－３にそれぞれマイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２，１２１－３を設置した場合の各マイクロホンのインパルス応答を表す。マイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２，１２１－３が基部の中央から20mmの位置に配置されるように、凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３の深さが定められている。図２９Ｂの他の実験条件は、図２９Ａと同様である。
　図２９Ａ及び図２９Ｂにおいて、実線はマイクロホン１２－１のインパルス応答を表し、点線はマイクロホン１２－２のインパルス応答を表し、破線はマイクロホン１２－３のインパルス応答を表す。これは、他の図についても同様である。
　凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３を設けた場合（図２９Ｂの場合）には、マイクロホン１２－１の最大音圧とマイクロホン１２－２，１２－３の最大音圧との差が図２９Ａの場合よりも大きくなっている。
　このため、凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３を設けた場合（図２９Ｂの場合）の方が指向性が高いことがわかる。なお、音源P以外の音源はない若しくは無視できる程度であるため、音圧の差は指向性の差と推定できる。
　また、図３０Ａ及び図３０Ｂに、点音源Pから発生する音波の周波数が1500Hzである場合の各マイクロホンのインパルス応答を表す。図３０Ａの他の実験条件は、図２９Ａと同様である。また、図３０Ｂの他の実験条件は、図２９Ｂと同様である。
　周波数が1500Hzである場合も、周波数が450Hzである場合と同様に、凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３を設けた場合（図３０Ｂの場合）の方が指向性が高いことがわかる。
　また、図２９Ｂと図３０Ｂを比較すると、図３０Ｂの方が、マイクロホン１２－１の最大音圧とマイクロホン１２－２，１２－３の最大音圧との差が大きい。このため、周波数が高い方が高い指向性が得られると言える。
　図３１に、マイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２，１２１－３が基部の中央から10mmの位置に配置されるように、凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３の深さが定められている場合の各マイクロホンのインパルス応答を表す。
　図３２に、マイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２，１２１－３が基部の中央から20mmの位置に配置されるように、凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３の深さが定められている場合の各マイクロホンのインパルス応答を表す。
　図３３に、マイクロホンの集音部１２１－１，１２１－２，１２１－３が基部の中央から30mmの位置に配置されるように、凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３の深さが定められている場合の各マイクロホンのインパルス応答を表す。
　図３１から図３３の他の実験条件は、図２９Ｂと同様である。
　図３１から図３３では、マイクロホン１２－２，１２－３の最大音圧がマイクロホン１２－１の最大音圧よりも小さく抑えられている。このことから、凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３が設けられている場合には、その深さによらず指向性が得られていることがわかる。
　図３４に、凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３の形状をエクスポーネンシャルホーンの形状とした場合の各マイクロホンのインパルス応答を表す。
　図３５に、凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３の形状を椀形状とした場合の各マイクロホンのインパルス応答を表す。
　図３６に、凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３の形状を略円錐台形とした場合の各マイクロホンのインパルス応答を表す。
　図３４から図３６の他の実験条件は、図２９Ｂと同様である。
　図３４及び図３５の場合と比較すると図３６の場合には、マイクロホン１２－２，１２－３の最大音圧がマイクロホン１２－１の最大音圧よりも相対的に小さく抑えられている。このことから、凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３の形状が略円錐台形である場合には、凹部１１１－１，１１１－２，１１１－３の形状がエクスポーネンシャルホーンの形状又は椀形状である場合よりも高い指向性が得られると言える。
　<第５実施形態の変形例>
　第１実施形態の第４実施形態の集音装置１は、凹部１１１－１，…，１１１－Ｎの個数と同じ個数であるＮ個のマイクロホン１２－１，…，１２－Ｎを備えていた。
　これに対して、第５実施形態の集音装置１は、更に少なくとも１つのマイクロホンを有していてもよい。この場合、これらの少なくとも１つのマイクロホンのそれぞれは、Ｎ個の凹部１１１－１，…，１１１－Ｎの中の何れかの凹部に設置される。言い換えれば、凹部１１１－１，…，１１１－Ｎの中の少なくとも１つの凹部に、２個以上のマイクホロンが設けられていてもよい。
１～４　収音装置
１１～４１　基部
１１１－ｉ　凹部
１２－ｉ　マイクロホン
１２１－ｉ　集音部

Claims (10)

  1. 　少なくとも、互いに所定の間隔をおいたＮ個の凹部を表面に備えた略球体の基部と、
    　Ｎ個のマイクロホンと、を有し、
    　Ｎが２以上の整数であり、前記マイクロホンのそれぞれは、前記凹部のそれぞれの内底面側に１個ずつ設置されており、互いに隣接する前記マイクロホンの集音部間の間隔は略同一である、集音装置。
  2. 　請求項１の集音装置であって、
    　前記凹部の開放端側の縁部の形状は略円形であり、前記凹部の内底面は略円形の略平面であり、
    　前記マイクロホンの集音部は、前記凹部の内底面の中央または前記内底面の中央の近傍に配置されている、集音装置。
  3. 　請求項１または２の集音装置であって、
    　前記凹部の開放端側の縁部の形状は略円形であり、
    　前記凹部の深さは、前記凹部の開放端の縁部の直径の半分未満である、集音装置。
  4. 　請求項１から３の何れかの集音装置であって、
    　Ｎ個の前記凹部の形状は互いに略同一である、集音装置。
  5. 　請求項１から４の何れかの集音装置であって、
    　Ｎが２であり、かつ、前記マイクロホンの集音部が前記基部の中央または前記基部の中央の近傍を通る直線上に配置されている、または、
    　Ｎが４，６，８，１２，２０の何れかであり、かつ、前記マイクロホンの集音部のそれぞれが、Ｎ個の頂点を持つ正多面体の頂点または前記頂点の近傍のそれぞれに１個ずつ配置されている、集音装置。
  6. 　請求項１から５の何れかの集音装置であって、
    　前記基部を下方側から支持する支持部材を有し、
    　前記支持部材は前記基部の下方側に位置する支持領域を支持し、
    　前記支持領域と前記支持領域に隣接する前記マイクロホンの集音部との間隔は略均一である、集音装置。
  7. 　請求項１から５の何れかの集音装置であって、
    　前記基部を貫通した状態で前記基部に固定されている棒状の支持部材を有し、
    　Ｎが２であり、かつ、前記マイクロホンの集音部が前記基部の中央または前記基部の中央の近傍を通る第１直線上に配置されており、かつ、前記支持部材が前記基部の中央または前記基部の中央の近傍を通り前記第１直線と略直交する第２直線上に配置されている、または、
    　Ｎが６，８，１２，２０の何れかであり、かつ、前記マイクロホンの集音部のそれぞれが、Ｎ個の頂点を持つ正多面体の頂点または前記頂点の近傍のそれぞれに１個ずつ配置されており、前記支持部材が前記正多面体の互いに平行な一組の面それぞれの中央または前記一組の面それぞれの中央の近傍を通る第３直線上に配置されている、集音装置。
  8. 　請求項１の集音装置であって、
    　前記凹部の形状は、略円錐又は略円錐台形である、集音装置。
  9. 　請求項８の集音装置であって、
    　前記マイクロホンの集音部と前記基部の中央との距離が、前記基部の半径の半分よりも小さくなるように、前記マイクロホンは設置されている、集音装置。
  10. 　請求項９の集音装置であって、
    　前記マイクロホンの集音部は、前記基部の中央または前記基部の中央の近傍と、前記マイクロホンの集音部が設置される凹部の外周若しくは底部の中心ないし略中心とを通る直線上に配置されている、集音装置。
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