WO2022102311A1 - 収音装置 - Google Patents

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WO2022102311A1
WO2022102311A1 PCT/JP2021/037473 JP2021037473W WO2022102311A1 WO 2022102311 A1 WO2022102311 A1 WO 2022102311A1 JP 2021037473 W JP2021037473 W JP 2021037473W WO 2022102311 A1 WO2022102311 A1 WO 2022102311A1
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WO
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microphone
microphone elements
signal
dimensional arrangement
arrangement example
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French (fr)
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成悟 榎本
良文 廣瀬
慎一 杠
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パナソニック インテレクチュアル プロパティ コーポレーション オブ アメリカ
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    • H04R2430/20—Processing of the output signals of the acoustic transducers of an array for obtaining a desired directivity characteristic
    • H04R2430/21—Direction finding using differential microphone array [DMA]

Definitions

  • This disclosure relates to a sound collecting device for performing beamforming.
  • Non-Patent Document 1 discloses a generalized sidelobes canceller (GSC) as an example of a beam former using an adaptive filter.
  • GSC generalized sidelobes canceller
  • the present disclosure provides a sound collecting device capable of effectively suppressing sounds other than the target sound.
  • the sound collecting device includes a plurality of microphone elements three-dimensionally distributed, and two of a microphone pair composed of any two microphone elements included in the plurality of microphone elements.
  • the total number of effective microphone pairs in which the distance between the microphone elements is less than the distance D is larger than the total number of the plurality of microphone elements, and the distance D sets the frequency of the target sound obtained from the plurality of microphone elements to f and the sound velocity.
  • D c / 2f
  • the straight line connecting the two microphone elements constituting the effective microphone pair is not parallel to any of the straight lines connecting the two microphone elements constituting the other effective microphone pair.
  • the sound collecting device can effectively suppress sounds other than the target sound.
  • FIG. 1 is an external perspective view of the sound collecting device according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of the sound collecting device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a calculation formula of an output signal based on the sensitivity characteristics of the main signal, the reference signal, and the output signal.
  • FIG. 4 is a diagram showing a three-dimensional arrangement example 1 of a plurality of microphone elements.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of planar arrangement of a plurality of microphone elements.
  • FIG. 6 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the reference signal generated by the sound collecting device in which the three-dimensional arrangement example 1 is adopted in the direction along the XZ plane.
  • FIG. 1 is an external perspective view of the sound collecting device according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of the sound collecting device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a calculation formula of an output signal based on the sensitivity characteristics of
  • FIG. 7 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the reference signal generated by the sound collecting device in which the planar arrangement example is adopted in the direction along the XZ plane.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a method of calculating the sensitivity characteristics of FIGS. 6 and 7.
  • FIG. 9 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XZ plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device in which the three-dimensional arrangement example 1 is adopted.
  • FIG. 10 is a diagram showing a three-dimensional arrangement example 2 of a plurality of microphone elements.
  • FIG. 11 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XZ plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device in which the three-dimensional arrangement example 2 is adopted.
  • FIG. 12 is a diagram showing a three-dimensional arrangement example 3 of a plurality of microphone elements.
  • FIG. 13 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XZ plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device in which the three-dimensional arrangement example 3 is adopted.
  • FIG. 14 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the reference signal generated by the sound collecting device in which the three-dimensional arrangement example 1 is adopted in the direction along the XY plane.
  • FIG. 15 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the reference signal generated by the sound collecting device in which the planar arrangement example is adopted in the direction along the XY plane.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining a method of calculating the sensitivity characteristics of FIGS. 14 and 15.
  • FIG. 17 is a diagram showing a three-dimensional arrangement example 4 of a plurality of microphone elements.
  • FIG. 18 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the reference signal generated by the sound collecting device in which the three-dimensional arrangement example 4 is adopted in the direction along the XY plane.
  • FIG. 19 is a diagram showing a three-dimensional arrangement example 5 of a plurality of microphone elements.
  • FIG. 20 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the reference signal generated by the sound collecting device in which the three-dimensional arrangement example 5 is adopted in the direction along the XY plane.
  • FIG. 21 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XY plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device in which the plane arrangement example is adopted.
  • FIG. 22 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XY plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device in which the three-dimensional arrangement example 1 is adopted.
  • FIG. 23 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XY plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device in which the three-dimensional arrangement example 4 is adopted.
  • FIG. 24 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XY plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device in which the three-dimensional arrangement example 5 is adopted.
  • FIG. 25 is a diagram showing an example in which a plurality of microphone elements are arranged at the positions of the vertices of a quadrangular pyramid.
  • FIG. 26 is a diagram showing an example in which a plurality of microphone elements are arranged on the circumference of the bottom surface of the cone and at the apex.
  • each figure is a schematic diagram and is not necessarily exactly illustrated. Further, in each figure, the same reference numerals may be given to substantially the same configurations, and duplicate explanations may be omitted or simplified.
  • the direction is expressed as the target sound direction
  • the sound is expressed as the target sound.
  • sounds other than the target sound may be expressed as noise.
  • FIG. 1 is an external perspective view of the sound collecting device according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of the sound collecting device according to the embodiment.
  • the sound collecting device 10 is a substantially disk-shaped device.
  • the sound collecting device 10 is installed on a desk, for example, and is used for acquiring voice in a telephone conference or the like.
  • the shape of the sound collecting device 10 is not limited to a substantially disk shape.
  • the sound collecting device 10 includes a plurality of microphone elements 20a to 20d and a signal processing unit 30 inside the main body as shown in FIG.
  • the plurality of microphone elements 20a to 20d constitute a microphone array 20. It is not essential that the sound collecting device 10 includes the signal processing unit 30, and the signal processing unit 30 may be realized as a device different from the sound collecting device 10.
  • the plurality of microphone elements 20a to 20d are microphone arrays 20 for generating main signals Xm and reference signals Xr1 to Xr6 used for beamforming.
  • the plurality of microphone elements 20a to 20d are used by the signal processing unit 30, which is a beamformer, to acquire an audio signal.
  • the plurality of microphone elements 20a to 20d are arranged on the same plane.
  • the sound collecting device 10 includes four microphone elements 20a to 20d, but the total number of microphone elements is not particularly limited. The total number of microphone elements may be an even number or an odd number.
  • the sound collecting device 10 may include, for example, four or more microphone elements.
  • the signal processing unit 30 is a beamformer that performs beamforming using audio signals obtained from each of the plurality of microphone elements 20a to 20d.
  • Beamforming of the signal processing unit 30 is signal processing that forms directivity so that noise becomes a blind spot while ensuring sensitivity in the direction of the target sound. That is, according to the beamforming of the signal processing unit 30, noise coming from a direction other than the target sound direction is suppressed.
  • Each of the plurality of microphone elements 20a to 20d is an omnidirectional microphone element, but the sound collecting device 10 has high sensitivity in the target sound direction due to the beamforming of the signal processing unit 30.
  • the signal processing unit 30 has the same configuration as the generalized sidelobes canceller.
  • the signal processing unit 30 is realized by a processor such as a DSP (Digital Signal Processor), for example, but may be realized by a microcomputer or a circuit. Further, the signal processing unit 30 may be realized by a combination of two or more of a processor, a microcomputer, and a circuit.
  • the signal processing unit 30 includes delay devices 31a to 31d, a main signal generation unit 31, reference signal generation units 32a to 32f, adaptive filter units 33a to 33f, a subtraction unit 34, and a coefficient updating unit 35.
  • the delay devices 31a to 31d have a one-to-one correspondence with the audio signals obtained from each of the plurality of microphone elements 20a to 20d.
  • the delay devices 31a to 31d give a delay according to the target sound direction to the audio signals obtained from the plurality of microphone elements 20a to 20d, and output them as output signals.
  • the main signal generation unit 31 is an example of the first signal generation unit, and is an audio signal obtained from each of the plurality of microphone elements 20a to 20d, and the delay devices 31a to 31d delay according to the target sound direction.
  • the main signal X m is generated by adding the given audio signals.
  • the main signal X m is an example of the first signal.
  • Each of the reference signal generation units 32a to 32f is an example of the second signal generation unit.
  • the reference signal generation units 32a to 32f correspond one-to-one to six sets of microphone pairs composed of any two microphone elements included in the plurality of microphone elements 20a to 20d.
  • One reference signal generation unit is an audio signal obtained from each of the microphone elements constituting one set of microphone pairs, and subtracts an audio signal to which a delay corresponding to a target sound direction is given by delayers 31a to 31d. By doing so, a reference signal is generated.
  • Each of the reference signals X r1 to X r6 is an example of the second signal.
  • the adaptive filter units 33a to 33f correspond to the reference signal generation units 32a to 32f on a one-to-one basis.
  • the adaptive filter units 33a to 33f apply the filter coefficients ⁇ 1 to ⁇ 6 to the corresponding reference signal generation units 32a to 32f.
  • the reference signal generation unit 32a is a voice signal (output signal of the delayers 31a and 31b) in which the voice signals obtained from the microphone elements 20a and 20b are delayed according to the target sound direction by the delayers 31a and 31b. ) Is subtracted to generate the reference signal X r1 .
  • the adaptive filter unit 33a applies the filter coefficient ⁇ 1 to the reference signal X r1 .
  • the reference signal generation unit 32b is an audio signal (output of the delay devices 31a and 31c) in which the audio signals obtained from the microphone elements 20a and 20c are delayed according to the target sound direction by the delay devices 31a and 31c, respectively.
  • the reference signal Xr2 is generated by subtracting the signal).
  • the adaptive filter unit 33b applies the filter coefficient ⁇ 2 to the reference signal X r2 .
  • the reference signal generation unit 32c provides an audio signal (output signals of the delayers 31a and 31d) obtained by the delayers 31a and 31d to delay the audio signals obtained from the microphone elements 20a and 20d, respectively, according to the target sound direction.
  • the reference signal X r3 is generated by subtraction.
  • the adaptive filter unit 33c applies the filter coefficient ⁇ 3 to the reference signal X r3 .
  • the reference signal generation unit 32d outputs an audio signal (output signal of the delayers 31b and 31c) to which the audio signals obtained from the microphone elements 20b and 20c are delayed according to the target sound direction by the delayers 31b and 31c.
  • the reference signal Xr4 is generated by subtraction.
  • the adaptive filter unit 33d applies the filter coefficient ⁇ 4 to the reference signal X r4 .
  • the reference signal generation unit 32e outputs an audio signal (output signal of the delayers 31b and 31d) to which the audio signals obtained from the microphone elements 20b and 20d are delayed according to the target sound direction by the delayers 31b and 31d.
  • the reference signal X r5 is generated by subtraction.
  • the adaptive filter unit 33e applies the filter coefficient ⁇ 5 to the reference signal X r5 .
  • the reference signal generation unit 32f outputs an audio signal (output signal of the delay devices 31c and 31d) obtained by giving a delay according to the target sound direction by the delay devices 31c and 31d to the audio signals obtained from the microphone elements 20c and 20d, respectively.
  • the reference signal Xr6 is generated by subtraction.
  • the adaptive filter unit 33f applies a filter coefficient ⁇ 6 to the reference signal X r6 .
  • the subtracting unit 34 subtracts the reference signals X r1 to X r6 to which the filter coefficients ⁇ 1 to ⁇ 6 are applied from the generated main signal X m .
  • the output signal Y obtained as a result of the subtraction is expressed by the following equation 1.
  • the output signal Y is an example of the third signal.
  • the coefficient updating unit 35 updates the filter coefficients ⁇ 1 to ⁇ 6 based on the output signal Y obtained by the subtraction of the subtracting unit.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing Equation 1 according to the sensitivity characteristics of the main signal X m , the reference signal X r , and the output signal Y.
  • the reference signal X r is the sum of the reference signals X r1 to X r6 to which the filter coefficients ⁇ 1 to ⁇ 6 are applied ( ⁇ 1 X r1 + ⁇ 2 X r2 + ⁇ 3 X r3 + ⁇ 4 X r4 + ⁇ 5 X r5 + ⁇ . It means 6 X r6 ).
  • the sensitivity characteristic is, in other words, directivity.
  • the main signal X m has high sensitivity in all directions.
  • the reference signal Xr has low sensitivity in the target sound direction due to the adaptive filter units 33a to 33f and the coefficient updating unit 35. Therefore, the output signal Y obtained by subtracting the reference signal Xr from the main signal Xm has high sensitivity in the target sound direction.
  • the target sound direction is the beam direction.
  • the signal processing unit 30 can change the beam direction in the output signal Y.
  • the sound collecting device 10 includes a user interface such as a touch panel or an operation button, and the signal processing unit 30 changes the beam direction based on the operation of the user received through the user interface.
  • the signal processing unit 30 detects the volume and the like and automatically changes the beam direction.
  • the signal processing unit 30 performs beamforming with variable beam direction, it is necessary to reduce the sensitivity of the output signal Y in any direction other than the beam direction as much as possible. .. Therefore, in the sound collecting device 10, the arrangement of a plurality of microphone elements 20a to 20d is defined in order to secure such performance.
  • the total number of effective microphone pairs is larger than the total number of the plurality of microphone elements 20a to 20d.
  • the effective microphone pair is a microphone pair in which the distance between the two microphone elements is less than the distance D among the microphone pairs composed of any two microphone elements included in the plurality of microphone elements 20a to 20d.
  • the total number of effective microphone pairs is 6, and the total number of the plurality of microphone elements is 4.
  • the reference signal calculated from the ineffective microphone pair in which the distance between the two microphone elements is equal to or greater than the distance D has the sensitivity assumed from the arrangement of the ineffective microphone pair due to the fact that a folding component is generated in the signal processing. May not have characteristics. That is, the reference signal calculated from the ineffective microphone pair may have an unexpected sensitivity characteristic, which hinders the generation of a highly accurate output signal Y.
  • the total number of effective microphone pairs is larger than the total number of the plurality of microphone elements 20a to 20d, so that highly accurate output signal Y can be generated.
  • the microphone pairs obtained from the plurality of microphone elements 20a to 20d are all effective microphone pairs. That is, the total number of microphone pairs obtained from the plurality of microphone elements 20a to 20d is equal to the total number of effective microphone pairs. However. A part of the microphone pair obtained from the plurality of microphone elements 20a to 20d may be an effective microphone pair.
  • FIG. 4 is a diagram showing a three-dimensional arrangement example 1 of a plurality of microphone elements 20a to 20d.
  • the unit of the numerical value described on the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis is meters.
  • the plurality of microphone elements 20a to 20d are arranged at the positions of the vertices of a regular tetrahedron having a side of about 2.1 cm (0.021 in the coordinates of FIG. 4).
  • the length of one side of the regular tetrahedron is 2.1 cm, which is determined by assuming a half wavelength of a frequency of 8 kHz.
  • any straight line connecting the two microphone elements constituting the effective microphone pair is not parallel to any of the straight lines connecting the two microphone elements constituting the other effective microphone pair.
  • the straight line (line segment) L1 shown by the broken line in FIG. 4 is not parallel to any of the other straight lines L2 to L6.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of planar arrangement of a plurality of microphone elements 20a to 20c.
  • the unit of the numerical value described on the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis is meters.
  • the arrangement of the microphone element 20a, the microphone element 20b, and the microphone element 20c is the same as that of the three-dimensional arrangement example 1, but the coordinates of the microphone element 20d are (0, 0, 0).
  • the plurality of microphone elements 20a to 20d are arranged on the same plane.
  • FIG. 6 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the reference signal generated by the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 1 is adopted in the direction along the XZ plane.
  • FIG. 7 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the reference signal generated by the sound collecting device 10 in which the planar arrangement example is adopted in the direction along the XZ plane.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a method of calculating the sensitivity characteristics of FIGS. 6 and 7.
  • the unit of the numerical value described on the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis is meters.
  • Each of the six columns in FIGS. 6 and 7 shows the sensitivity characteristics of the reference signal generated using the microphone pair.
  • the sensitivity characteristic is, in other words, a directivity pattern.
  • the leftmost column of the six columns in FIGS. 6 and 7 corresponds to a reference signal (corresponding to the reference signal Xr3 in FIG. 2) generated by using a microphone pair composed of the microphone element 20d and the microphone element 20a. ) Shows the sensitivity characteristics.
  • the second column from the left shows the sensitivity characteristics of the reference signal (corresponding to the reference signal Xr5 in FIG. 2) generated by using the microphone pair composed of the microphone element 20d and the microphone element 20b.
  • the third column from the left shows the sensitivity characteristics of the reference signal (corresponding to the reference signal Xr6 in FIG. 2) generated by using the microphone pair composed of the microphone element 20d and the microphone element 20c.
  • the fourth column from the left shows the sensitivity characteristics of the reference signal (corresponding to the reference signal Xr1 in FIG. 2) generated by using the microphone pair composed of the microphone element 20a and the microphone element 20b.
  • the fifth column from the left shows the sensitivity characteristics of the reference signal (corresponding to the reference signal Xr2 in FIG. 2) generated by using the microphone pair composed of the microphone element 20a and the microphone element 20c.
  • the sixth column from the left shows the sensitivity characteristics of the reference signal (corresponding to the reference signal Xr4 in FIG. 2) generated by using the microphone pair composed of the microphone element 20b and the microphone element 20c.
  • the three sensitivity characteristics include the sensitivity characteristic of the reference signal having a blind spot in the 90-degree direction, the sensitivity characteristic of the reference signal having a blind spot in the 60-degree direction, and the sensitivity characteristic of the reference signal having a blind spot in the 30-degree direction. ..
  • the 90-degree direction means the Z-axis plus direction
  • the 60-degree direction is the direction in which the angle is shifted by 30 degrees along the XZ plane from the Z-axis plus direction.
  • the 30-degree direction is a direction in which the angle is shifted by 60 degrees along the XZ plane from the Z-axis plus direction.
  • the sensitivity characteristics shown in FIGS. 6 and 7 are located at a radius of 1.5 m around the microphone array 20 (aggregate of a plurality of microphone elements 20a to 20d) (FIG. 8). It is a sensitivity characteristic in (shown by a broken line in 8).
  • the sensitivity characteristics of the microphone pair including the microphone element 20d are higher in the three-dimensional arrangement example 1 (FIG. 6) than in the plane arrangement example (FIG. 7). It is diverse. That is, if the plurality of microphone elements 20a to 20d are three-dimensionally distributed, the variation in the sensitivity characteristics of the reference signal can be increased as compared with the case where the plurality of microphone elements 20a to 20d are arranged on the same plane. Can be done. The increased variation in sensitivity characteristics is very advantageous for the noise suppression algorithm based on the generalized sidelobes canceller executed by the signal processing unit 30. If the variation in the sensitivity characteristics of the reference signal is increased, the sound collecting device 10 can reduce noise in various directions. That is, the sound collecting device 10 can effectively suppress sounds other than the target sound.
  • FIG. 9 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal whose target sound direction is the 90-degree direction along the XZ plane.
  • FIG. 9 shows the frequency characteristics in the 90-degree direction, the frequency characteristics in the 30-degree direction, and the frequency characteristics in the 0-degree direction of the main signal whose target sound direction is the 90-degree direction.
  • the vertical axis indicates the sound pressure level (SPL: Sound Pressure Level), and the horizontal axis indicates the frequency.
  • the sound pressure level is generally flat in the frequency band of 0 to 8 kHz.
  • the sound pressure level is attenuated in the high frequency range.
  • the sound pressure level is further attenuated in the high frequency range than in the 30 degree direction.
  • the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 1 is adopted can generate a main signal having directivity in the target sound direction (90 degree direction).
  • the inventors tried to improve the directivity of the main signal by adjusting the position of the microphone element 20d in the three-dimensional arrangement example 1. Specifically, the inventors calculated the frequency characteristics of the main signals in the three-dimensional arrangement example 2 and the three-dimensional arrangement example 3.
  • FIG. 10 is a diagram showing a three-dimensional arrangement example 2 of a plurality of microphone elements 20a to 20d.
  • FIG. 11 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XZ plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 2 is adopted.
  • FIG. 11 shows the frequency characteristics in the 90-degree direction, the frequency characteristics in the 30-degree direction, and the frequency characteristics in the 0-degree direction of the main signal whose target sound direction is the 90-degree direction.
  • the vertical axis indicates the sound pressure level
  • the horizontal axis indicates the frequency.
  • the arrangement of the microphone element 20a, the microphone element 20b, and the microphone element 20c is the same as that of the three-dimensional arrangement example 1.
  • the microphone element 20d is located on the plus side in the Z-axis direction with respect to the three-dimensional arrangement example 1, and the coordinates of the microphone element 20d are (0, 0, 1.5 ⁇ Z1). That is, in the three-dimensional arrangement example 2, the position (height) of the microphone element 20d with respect to the XY plane is 1.5 times that of the three-dimensional arrangement example 1.
  • the distance from the microphone element 20d to each of the microphone elements 20a to 20c is about 2.9 cm (0.029 in the coordinates of FIG. 10).
  • the frequency characteristic in the 90-degree direction of the main signal having the 90-degree direction as the target sound direction generated by the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 2 is adopted is 0 to 8 kHz.
  • the sound pressure level is generally flat in the frequency band.
  • the frequency characteristic of the main signal in the 30-degree direction when the three-dimensional arrangement example 2 is adopted the sound pressure level is attenuated in the high frequency range, but the frequency at which the sound pressure level begins to be attenuated is the three-dimensional arrangement example 1. Lower than if.
  • the sound pressure level is attenuated in the high frequency range, but the frequency at which the sound pressure level begins to be attenuated is the three-dimensional arrangement example 1. Is lower than if was adopted. That is, the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 2 is adopted can generate a main signal in which the frequency at which the sound pressure level starts to be attenuated is lower than that in the case of the three-dimensional arrangement example 1 in a direction other than the target sound direction. .. That is, the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 2 is adopted can generate a main signal having a sharper directivity in a high frequency range.
  • FIG. 12 is a diagram showing a three-dimensional arrangement example 3 of a plurality of microphone elements 20a to 20d.
  • FIG. 13 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XZ plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 3 is adopted.
  • FIG. 13 shows the frequency characteristics in the 90-degree direction, the frequency characteristics in the 30-degree direction, and the frequency characteristics in the 0-degree direction of the main signal whose target sound direction is the 90-degree direction.
  • the vertical axis indicates the sound pressure level
  • the horizontal axis indicates the frequency.
  • the arrangement of the microphone element 20a, the microphone element 20b, and the microphone element 20c is the same as that of the three-dimensional arrangement example 1.
  • the microphone element 20d is located on the plus side in the Y-axis direction with respect to the three-dimensional arrangement example 1, and the coordinates of the microphone element 20d are (0, Y1, Z1).
  • the distance from the microphone element 20d to the microphone element 20a is about 1.9 cm (0.019 in the coordinates of FIG. 12).
  • the distance from the microphone element 20d to each of the microphone element 20b and the microphone element 20c is about 2.3 cm (0.023 in the coordinates of FIG. 12).
  • the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction as the target sound direction generated by the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 3 is adopted are the 90-degree direction, the 30-degree direction, and the frequency characteristics. It is about the same as the three-dimensional arrangement example 1 in each of the 0 degree directions. That is, the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 3 is adopted can generate a main signal having directivity in the target sound direction (90 degree direction).
  • FIG. 14 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the reference signal generated by the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 1 is adopted in the direction along the XY plane.
  • FIG. 15 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the reference signal generated by the sound collecting device 10 in which the planar arrangement example is adopted in the direction along the XY plane.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining a method of calculating the sensitivity characteristics of FIGS. 14 and 15. In FIG. 16, the unit of the numerical value described on the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis is meters.
  • the sensitivity characteristics shown in FIGS. 14 and 15 show the sensitivity characteristics of the reference signal in the same format as in FIGS. 6 and 7.
  • the 90-degree direction means the Y-axis plus direction
  • the 60-degree direction is the direction in which the angle is shifted by 30 degrees along the XY plane from the Y-axis plus direction. Is.
  • the 30-degree direction is a direction in which the angle is shifted by 60 degrees along the XY plane from the Y-axis plus direction.
  • the sensitivity characteristics shown in FIGS. 14 and 15 are located at a radius of 1.5 m around the microphone array 20 (aggregate of a plurality of microphone elements 20a to 20d) (FIG. 16). 16 is the sensitivity characteristic in (shown by a broken line).
  • the sensitivity characteristics of the microphone pair including the microphone element 20d are almost the same in the three-dimensional arrangement example 1 and the two-dimensional arrangement example. That is, even if the plurality of microphone elements 20a to 20d are three-dimensionally distributed, the variation in the sensitivity characteristics of the reference signal is not reduced as compared with the case where the plurality of microphone elements 20a to 20d are arranged on the same plane. It can be said that there is no such thing. That is, it can be said that by sterically distributing and arranging the plurality of microphone elements 20a to 20d, the performance does not deteriorate as compared with the case where the plurality of microphone elements 20a to 20d are arranged on the same plane.
  • the inventors confirmed how the sensitivity characteristic of the reference signal changes by adjusting the position of the microphone element 20d in the three-dimensional arrangement example 1. Specifically, the inventors calculated the sensitivity characteristics in the following three-dimensional arrangement example 4 and three-dimensional arrangement example 5.
  • FIG. 17 is a diagram showing a three-dimensional arrangement example 4 of a plurality of microphone elements 20a to 20d.
  • FIG. 18 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the reference signal generated by the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 4 is adopted in the direction along the XY plane.
  • the arrangement of the microphone element 20a, the microphone element 20b, and the microphone element 20c is the same as that of the three-dimensional arrangement example 1.
  • the microphone element 20d is shifted from the position in the three-dimensional arrangement example 1 in each of the Y-axis direction and the Z-axis direction. When viewed from the Z-axis direction, the position of the microphone element 20d does not overlap with any of the positions of the microphone element 20a, the microphone element 20b, and the microphone element 20c. That is, the microphone element 20d is not located directly above the microphone element 20a, the microphone element 20b, and the microphone element 20c.
  • the sensitivity characteristics of the microphone pair including the microphone element 20d are significantly different between the three-dimensional arrangement example 1 and the three-dimensional arrangement example 4. That is, by changing the position of the microphone element 20d, the variation of the sensitivity characteristic of the reference signal can be made different.
  • FIG. 19 is a diagram showing a three-dimensional arrangement example 5 of a plurality of microphone elements 20a to 20d.
  • FIG. 20 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the reference signal generated by the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 5 is adopted in the direction along the XY plane.
  • the arrangement of the microphone element 20a and the microphone element 20d is the same as that of the three-dimensional arrangement example 1.
  • the distance between the microphone element 20b and the microphone element 20c is wider than that of the three-dimensional arrangement example 1.
  • the microphone element 20b is located on the minus side in the X-axis direction with respect to the three-dimensional arrangement example 1
  • the microphone element 20c is located on the plus side in the X-axis direction with respect to the three-dimensional arrangement example 1.
  • the positions of the microphone elements 20b and 20c are different between the three-dimensional arrangement example 1 and the three-dimensional arrangement example 5. Therefore, the sensitivity characteristics obtained from the microphone pair in which the microphone element 20a and the microphone element 20d are combined in the leftmost column of FIGS. 14 and 20 are not different between the three-dimensional arrangement example 1 and the three-dimensional arrangement example 5. ..
  • the sensitivity characteristics of the microphone pair including the microphone element 20b and the microphone element 20c are different between the three-dimensional arrangement example 1 and the three-dimensional arrangement example 5. That is, by changing the positions of the microphone element 20b and the microphone element 20c, the variation of the sensitivity characteristic of the reference signal can be made different.
  • FIG. 21 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XY plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device 10 in which the plane arrangement example is adopted.
  • FIG. 22 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XY plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 1 is adopted.
  • FIG. 23 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XY plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 4 is adopted.
  • FIG. 24 is a diagram showing the frequency characteristics of the main signal having the 90-degree direction along the XY plane as the target sound direction, which is generated by the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 5 is adopted.
  • FIGS. 21 to 24 show the frequency characteristics in the 90-degree direction, the frequency characteristics in the 30-degree direction, and the frequency characteristics in the 0-degree direction of the main signal whose target sound direction is the 90-degree direction.
  • the vertical axis indicates the sound pressure level
  • the horizontal axis indicates the frequency.
  • the frequency characteristics of the main signal when the three-dimensional arrangement example 1 is adopted are in the 90-degree direction, the 30-degree direction, and the 0-degree direction. In each of the above, it can be said that it is about the same as the case where the plane arrangement example is adopted.
  • the frequency characteristics of the main signal when the three-dimensional arrangement example 4 is adopted are the three-dimensional arrangement example in the 90-degree direction and the 30-degree direction. It can be said that it is about the same as the case where 1 is adopted.
  • the amount of suppression of the sound pressure level in the frequency band of 7 kHz or higher when the three-dimensional arrangement example 4 is adopted is smaller than that when the three-dimensional arrangement example 1 is adopted.
  • the frequency characteristic of the main signal when the three-dimensional arrangement example 5 is adopted is that the three-dimensional arrangement example 1 is adopted in the 90-degree direction. It can be said that it is about the same as the case.
  • the amount of suppression of the sound pressure level in the frequency band of 4 kHz or higher when the three-dimensional arrangement example 5 is adopted is larger than that when the three-dimensional arrangement example 1 is adopted.
  • the amount of suppression of the sound pressure level in the frequency band of 4 kHz to 5 kHz when the three-dimensional arrangement example 5 is adopted is larger than that when the three-dimensional arrangement example 1 is adopted.
  • the amount of suppression of the sound pressure level in the frequency band of 7 kHz or higher is smaller than that in the case where the three-dimensional arrangement example 1 is adopted.
  • the sound collecting device 10 in which the three-dimensional arrangement example 1, the three-dimensional arrangement example 4, and the three-dimensional arrangement example 5 are adopted can generate a main signal having directivity in the target sound direction (90 degree direction). can.
  • the positions of the plurality of microphone elements 20a to 20d correspond to the positions of the vertices of the tetrahedron (triangular pyramid), and a straight line (line) connecting any two microphone elements.
  • the six sides of the tetrahedron corresponding to the minute) are not parallel to each other.
  • variations in the sensitivity characteristics of the reference signal are increased.
  • the plurality of microphone elements 20a to 20d include three microphone elements 20a to 20c located on the same plane and one microphone element 20d not located on the plane. Including, the three microphone elements 20a to 20c are arranged so as to form a triangle in the plane.
  • the distance between the two microphone elements constituting the effective microphone pair is different from any of the distances between the two microphone elements constituting the other effective microphone pair. That is, in the three-dimensional arrangement examples 2 to 5, irregular points are provided in the distance between the microphone elements. This makes it possible to sharpen the directivity of the main signal. According to the study by the inventors, by increasing the distance between the microphone elements, the directivity can be sharpened in the region where the frequency of the main signal is low, and by increasing the distance between the microphone elements, the directivity can be sharpened. The directivity can be sharpened in the region where the frequency of the main signal is high.
  • the three-dimensional arrangement adopted in the sound collecting device 10 is not limited to the three-dimensional arrangement examples 1 to 5.
  • the four or more microphone elements included in the sound collecting device 10 include n (n is a natural number of 3 or more) microphone elements located on the same plane and one or more microphone elements not located on the plane. May include.
  • the bottom surface may be arranged at the position of the apex of an n-sided polygonal pyramid.
  • the bottom surface may be a regular n-sided polygon (n is an odd number), and the bottom surface may be a polygon whose n sides are not parallel to each other.
  • FIG. 25 is a diagram showing an example in which a plurality of microphone elements are arranged at the positions of the vertices of a quadrangular pyramid having a quadrangular bottom surface whose four sides are not parallel to each other. In FIG. 25, the positions of the plurality of microphone elements are indicated by black circles.
  • the plurality of microphone elements may be arranged on the circumference of the bottom surface of the cone and at the apex.
  • FIG. 26 is a diagram showing an example in which a plurality of microphone elements are arranged on the circumference of the bottom surface of the cone and at the apex. In FIG. 26, the positions of the plurality of microphone elements are indicated by black circles.
  • the bottom surface of the cone may be either a perfect circle or an ellipse.
  • the plurality of microphone elements may be arranged in a spiral shape. How the plurality of microphone elements are arranged so as to satisfy the condition that the straight line connecting the two microphone elements constituting the effective microphone pair is not parallel to any of the straight lines connecting the two microphone elements constituting the other effective microphone pair. May be done.
  • the sound collecting device 10 includes a plurality of microphone elements 20a to 20d three-dimensionally distributed.
  • the total number of effective microphone pairs in which the distance between the two microphone elements is less than the distance D is the plurality of microphone elements 20a to 20d. More than the total number of.
  • the straight line connecting the two microphone elements constituting the effective microphone pair is not parallel to any of the straight lines connecting the two microphone elements constituting the other effective microphone pair.
  • the variation in the sensitivity characteristics of the reference signal is increased, so that the sound collecting device 10 can reduce noise in various directions. That is, the sound collecting device 10 can effectively suppress sounds other than the target sound.
  • the plurality of microphone elements 20a to 20d include n microphone elements (n is a natural number of 3 or more) located on the same plane and one or more microphone elements not located on the plane.
  • n-sided pyramid n-sided polygonal pyramid
  • the n microphone elements are arranged so as to form a regular n-sided polygon on a plane.
  • the distance between the two microphone elements constituting the effective microphone pair is different from any of the distances between the two microphone elements constituting the other effective microphone pair.
  • the total number of microphone pairs obtained from the plurality of microphone elements 20a to 20d is equal to the total number of effective microphone pairs.
  • all the microphone pairs function as effective microphone pairs, so that the sound collecting device 10 can effectively suppress sounds other than the target sound.
  • the sound collecting device 10 further adds the delay devices 31a to 31d that give a delay to the audio signals obtained from each of the plurality of microphone elements 20a to 20d, and the output signals of the delay devices 31a to 31d.
  • the reference signal Xr1 A filter coefficient is applied from the reference signal generation units 32a to 32f that generate ⁇ X r6 , the adaptive filter units 33a to 33f that apply the filter coefficient to the reference signals X r1 to X r6 , and the generated main signal X m .
  • the delay devices 31a to 31d are examples of the delay unit.
  • the main signal X m is an example of the first signal, and is an audio signal in which the audio signals obtained from each of the plurality of microphone elements 20a to 20d are delayed according to the target sound direction by the delay devices 31a to 31d ( It is a signal to which the delay devices 31a to 31d output signals) are added.
  • the reference signals X r1 to X r6 are examples of the second signal, and the audio signals obtained from each of the two microphone elements constituting the effective microphone pair are delayed according to the target sound direction by the delayers 31a to 31d. It is a signal obtained by subtracting the generated audio signal (output signal of delayers 31a to 31d).
  • the main signal generation unit 31 is an example of the first signal generation unit
  • each of the reference signal generation units 32a to 32f is an example of the second signal generation unit
  • the output signal Y is an example of the third signal. ..
  • the sound collecting device 10 can perform beamforming based on the audio signals obtained from the plurality of microphone elements 20a to 20d.
  • the shape of the sound collecting device described in the above embodiment is an example, and the sound collecting device may have another shape such as a rectangular parallelepiped shape.
  • the configuration of the signal processing unit according to the above embodiment is an example.
  • the signal processing unit may include components such as a D / A converter, a low-pass filter (LPF), a high-pass filter (HPF), a power amplifier, or an A / D converter.
  • the signal processing executed by the signal processing unit is, for example, digital signal processing, but a part of the signal processing may be analog signal processing.
  • the signal processing unit may be realized by being configured with dedicated hardware or by executing a software program suitable for the signal processing unit.
  • the signal processing unit may be realized by a program execution unit such as a CPU or a processor reading and executing a software program recorded on a recording medium such as a hard disk or a semiconductor memory.
  • the signal processing unit may be a circuit (or an integrated circuit). These circuits may form one circuit as a whole, or may be separate circuits from each other. Further, each of these circuits may be a general-purpose circuit or a dedicated circuit.
  • the signal processing unit is realized by hardware (circuit), but a part or all of the signal processing unit is realized by executing a software program suitable for the signal processing unit. May be good.
  • the signal processing unit may be realized by a program execution unit such as a CPU or a processor reading and executing a software program recorded on a recording medium such as a hard disk or a semiconductor memory.
  • the sound collecting device of the present disclosure is useful as a sound collecting device used in a telephone conference system or the like.

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Abstract

収音装置（１０）は、立体的に分散配置された複数のマイクロホン素子（２０ａ～２０ｄ）を備える。２つのマイクロホン素子間の距離が距離Ｄ未満となる有効マイクペアの総数は、複数のマイクロホン素子（２０ａ～２０ｄ）の総数よりも多い。距離Ｄは、複数のマイクロホン素子（２０ａ～２０ｄ）のそれぞれから得られる目的音の周波数をｆ、音速をｃとすると、Ｄ＝ｃ／２ｆで表される。有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線（Ｌ１）は、他の有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線（Ｌ２～Ｌ６）のいずれとも平行でない。

Description

収音装置
　本開示は、ビームフォーミングを行うための収音装置に関する。
　ビームフォーミングは、複数のマイクロホン素子から取得した音声信号を用いて目的音方向の音を強調した信号を生成する技術である。非特許文献１には、適応フィルタを用いたビームフォーマの一例として、一般化サイドローブキャンセラ（ＧＳＣ：Ｇｅｎｒａｌｉｚｅｄ　Ｓｉｄｅｌｏｂｅ　Ｃａｎｃｅｌｌｅｒ）が開示されている。
L. Griffiths and C. W. Jim, "An alternative approach to linearly constrained adaptive beamforming", IEEE Trans. Antennas Propagation, vol.AP-30, pp27-34, Jan. 1982.
　本開示は、目的音以外の音を効果的に抑圧できる収音装置を提供する。
　本開示の一態様に係る収音装置は、立体的に分散配置された複数のマイクロホン素子を備え、前記複数のマイクロホン素子に含まれる任意の２つのマイクロホン素子によって構成されるマイクペアのうち、２つのマイクロホン素子間の距離が距離Ｄ未満となる有効マイクペアの総数は、前記複数のマイクロホン素子の総数よりも多く、前記距離Ｄは、前記複数のマイクロホン素子から得られる目的音の周波数をｆ、音速をｃとすると、Ｄ＝ｃ／２ｆで表され、前記有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線は、他の前記有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線のいずれとも平行でない。
　本開示の一態様に係る収音装置は、目的音以外の音を効果的に抑圧できる。
図１は、実施の形態に係る収音装置の外観斜視図である。 図２は、実施の形態に係る収音装置の機能構成を示すブロック図である。 図３は、主信号、参照信号、及び、出力信号の感度特性によって出力信号の算出式を模式的に示す図である。 図４は、複数のマイクロホン素子の立体配置例１を示す図である。 図５は、複数のマイクロホン素子の平面配置例を示す図である。 図６は、立体配置例１が採用された収音装置によって生成される参照信号の、ＸＺ平面に沿う方向における感度特性を示す図である。 図７は、平面配置例が採用された収音装置によって生成される参照信号の、ＸＺ平面に沿う方向における感度特性を示す図である。 図８は、図６及び図７の感度特性の計算方法を説明するための図である。 図９は、立体配置例１が採用された収音装置によって生成される、ＸＺ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。 図１０は、複数のマイクロホン素子の立体配置例２を示す図である。 図１１は、立体配置例２が採用された収音装置によって生成される、ＸＺ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。 図１２は、複数のマイクロホン素子の立体配置例３を示す図である。 図１３は、立体配置例３が採用された収音装置によって生成される、ＸＺ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。 図１４は、立体配置例１が採用された収音装置によって生成される参照信号の、ＸＹ平面に沿う方向における感度特性を示す図である。 図１５は、平面配置例が採用された収音装置によって生成される参照信号の、ＸＹ平面に沿う方向における感度特性を示す図である。 図１６は、図１４及び図１５の感度特性の計算方法を説明するための図である。 図１７は、複数のマイクロホン素子の立体配置例４を示す図である。 図１８は、立体配置例４が採用された収音装置によって生成される参照信号の、ＸＹ平面に沿う方向における感度特性を示す図である。 図１９は、複数のマイクロホン素子の立体配置例５を示す図である。 図２０は、立体配置例５が採用された収音装置によって生成される参照信号の、ＸＹ平面に沿う方向における感度特性を示す図である。 図２１は、平面配置例が採用された収音装置によって生成される、ＸＹ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。 図２２は、立体配置例１が採用された収音装置によって生成される、ＸＹ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。 図２３は、立体配置例４が採用された収音装置によって生成される、ＸＹ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。 図２４は、立体配置例５が採用された収音装置によって生成される、ＸＹ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。 図２５は、四角錐の頂点の位置に複数のマイクロホン素子が配置される例を示す図である。 図２６は、円錐の底面の円周上、及び、頂点に複数のマイクロホン素子が配置される例を示す図である。
　以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付し、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。
　また、以下の実施の形態では、収音装置がある方向から到来する音を主たる出力対象とする場合、当該方向が目的音方向と表現され、当該音を目的音と表現される。また、目的音以外の音は雑音と表現される場合がある。
　（実施の形態）
　［収音装置の構成］
　以下、実施の形態に係る収音装置の構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る収音装置の外観斜視図である。図２は、実施の形態に係る収音装置の機能構成を示すブロック図である。
　図１に示されるように、実施の形態に係る収音装置１０は、略円盤状の装置である。収音装置１０は、例えば、机の上に設置され、電話会議などにおける音声の取得に用いられる。なお、収音装置１０の形状は、略円盤状に限定されない。図２に示されるように、収音装置１０は、図１に示されるような本体の内部に、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄと、信号処理部３０とを備える。複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄは、マイクロホンアレイ２０を構成する。なお、収音装置１０が信号処理部３０を備えることは必須ではなく、信号処理部３０は、収音装置１０とは別の装置として実現されてもよい。
　複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄは、ビームフォーミングに用いられる主信号Ｘｍ及び参照信号Ｘｒ１～Ｘｒ６を生成するためのマイクロホンアレイ２０である。言い換えれば、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄは、ビームフォーマである信号処理部３０が音声信号を取得するために用いられる。複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄは、同一平面上に配置される。実施の形態では、収音装置１０は、４つのマイクロホン素子２０ａ～２０ｄを備えるが、マイクロホン素子の総数は特に限定されない。マイクロホン素子の総数は、偶数であってもよいし奇数であってもよい。収音装置１０は、例えば、４つ以上のマイクロホン素子を備えてもよい。
　信号処理部３０は、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄのそれぞれから得られる音声信号を用いてビームフォーミングを行うビームフォーマである。信号処理部３０のビームフォーミングは、目的音方向の感度を確保した上で雑音が死角になるよう指向性を形成する信号処理である。つまり、信号処理部３０のビームフォーミングによれば、目的音方向以外の方向から到来する雑音が抑制される。複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄのそれぞれは無指向性のマイクロホン素子であるが、信号処理部３０のビームフォーミングにより、収音装置１０は目的音方向において高い感度を有する。
　信号処理部３０は、より具体的には、一般化サイドローブキャンセラと同様の構成を有する。信号処理部３０は、例えば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等のプロセッサによって実現されるが、マイクロコンピュータまたは回路によって実現されてもよい。また、信号処理部３０は、プロセッサ、マイクロコンピュータ、及び、回路のうちの２つ以上の組み合わせによって実現されてもよい。信号処理部３０は、遅延器３１ａ～３１ｄと、主信号生成部３１と、参照信号生成部３２ａ～３２ｆと、適応フィルタ部３３ａ～３３ｆと、減算部３４と、係数更新部３５とを備える。
　遅延器３１ａ～３１ｄは、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄのそれぞれから得られる音声信号に１対１で対応する。遅延器３１ａ～３１ｄは、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄから得られる音声信号に目的音方向に応じた遅延を与え、出力信号として出力する。
　主信号生成部３１は、第一信号生成部の一例であって、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄのそれぞれから得られる音声信号であって、遅延器３１ａ～３１ｄによって目的音方向に応じた遅延が与えられた音声信号を加算することにより主信号Ｘｍを生成する。主信号Ｘｍは、第一信号の一例である。
　参照信号生成部３２ａ～３２ｆのそれぞれは、第二信号生成部の一例である。参照信号生成部３２ａ～３２ｆは、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄに含まれる任意の２つのマイクロホン素子によって構成される６組のマイクペアに１対１で対応する。１つの参照信号生成部は、１組のマイクペアを構成するマイクロホン素子のそれぞれから得られる音声信号であって、遅延器３１ａ～３１ｄによって目的音方向に応じた遅延が与えられた音声信号を減算することにより参照信号を生成する。参照信号Ｘｒ１～Ｘｒ６のそれぞれは、第二信号の一例である。
　また、適応フィルタ部３３ａ～３３ｆは、参照信号生成部３２ａ～３２ｆに１対１で対応する。適応フィルタ部３３ａ～３３ｆは、対応する参照信号生成部３２ａ～３２ｆにフィルタ係数α１～α６を適用する。
　例えば、参照信号生成部３２ａは、マイクロホン素子２０ａ及び２０ｂのそれぞれから得られる音声信号に遅延器３１ａ及び３１ｂによって目的音方向に応じた遅延が与えられた音声信号（遅延器３１ａ及び３１ｂの出力信号）を減算することにより参照信号Ｘｒ１を生成する。適応フィルタ部３３ａは、参照信号Ｘｒ１にフィルタ係数α１を適用する。
　同様に、参照信号生成部３２ｂは、マイクロホン素子２０ａ及び２０ｃのそれぞれから得られる音声信号に遅延器３１ａ及び３１ｃによって目的音方向に応じた遅延が与えられた音声信号（遅延器３１ａ及び３１ｃの出力信号）を減算することにより参照信号Ｘｒ２を生成する。適応フィルタ部３３ｂは、参照信号Ｘｒ２にフィルタ係数α２を適用する。
　参照信号生成部３２ｃは、マイクロホン素子２０ａ及び２０ｄのそれぞれから得られる音声信号に遅延器３１ａ及び３１ｄによって目的音方向に応じた遅延が与えられた音声信号（遅延器３１ａ及び３１ｄの出力信号）を減算することにより参照信号Ｘｒ３を生成する。適応フィルタ部３３ｃは、参照信号Ｘｒ３にフィルタ係数α３を適用する。
　参照信号生成部３２ｄは、マイクロホン素子２０ｂ及び２０ｃのそれぞれから得られる音声信号に遅延器３１ｂ及び３１ｃによって目的音方向に応じた遅延が与えられた音声信号（遅延器３１ｂ及び３１ｃの出力信号）を減算することにより参照信号Ｘｒ４を生成する。適応フィルタ部３３ｄは、参照信号Ｘｒ４にフィルタ係数α４を適用する。
　参照信号生成部３２ｅは、マイクロホン素子２０ｂ及び２０ｄのそれぞれから得られる音声信号に遅延器３１ｂ及び３１ｄによって目的音方向に応じた遅延が与えられた音声信号（遅延器３１ｂ及び３１ｄの出力信号）を減算することにより参照信号Ｘｒ５を生成する。適応フィルタ部３３ｅは、参照信号Ｘｒ５にフィルタ係数α５を適用する。
　参照信号生成部３２ｆは、マイクロホン素子２０ｃ及び２０ｄのそれぞれから得られる音声信号に遅延器３１ｃ及び３１ｄによって目的音方向に応じた遅延が与えられた音声信号（遅延器３１ｃ及び３１ｄの出力信号）を減算することにより参照信号Ｘｒ６を生成する。適応フィルタ部３３ｆは、参照信号Ｘｒ６にフィルタ係数α６を適用する。
　減算部３４は、生成された主信号Ｘｍから、フィルタ係数α１～α６が適用された参照信号Ｘｒ１～Ｘｒ６を減算する。減算した結果得られる出力信号Ｙは、下記の式１で表される。出力信号Ｙは、第三信号の一例である。式１において、ｎはマイクペアの数である。つまり、ｎは自然数であり、収音装置１０においてはｎ＝６である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　係数更新部３５は、減算部の減算によって得られる出力信号Ｙに基づいてフィルタ係数α１～α６を更新する。
　図３は、主信号Ｘｍ、参照信号Ｘｒ、及び、出力信号Ｙの感度特性によって式１を模式的に示す図である。なお、参照信号Ｘｒは、フィルタ係数α１～α６が適用された参照信号Ｘｒ１～Ｘｒ６の合計（α１Ｘｒ１＋α２Ｘｒ２＋α３Ｘｒ３＋α４Ｘｒ４＋α５Ｘｒ５＋α６Ｘｒ６）を意味する。感度特性は、言い換えれば、指向性である。
　図３に示されるように、主信号Ｘｍは、全方向に高い感度を有する。これに対し、参照信号Ｘｒは、適応フィルタ部３３ａ～３３ｆ、及び、係数更新部３５によって、目的音方向において低い感度を有している。したがって、主信号Ｘｍから参照信号Ｘｒを減算することによって得られる出力信号Ｙは、目的音方向に高い感度を有する。なお、目的音方向は、言い換えれば、ビーム方向である。
　［複数のマイクロホン素子の配置］
　収音装置１０において、信号処理部３０は、出力信号Ｙにおけるビーム方向を変更することができる。例えば、収音装置１０は、タッチパネルまたは操作ボタンなどのユーザインターフェースを備え、信号処理部３０は、当該ユーザインターフェースを通じて受け付けたユーザの操作に基づいてビーム方向を変更する。あるいは、信号処理部３０は、音量などを検知して自動的にビーム方向を変更する。
　このように、信号処理部３０がビーム方向可変のビームフォーミングを行う場合、出力信号Ｙにおいて、ビーム方向がどのような方向であってもビーム方向以外の方向の感度が極力低減される必要がある。そこで、収音装置１０においては、このような性能を確保するために複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄの配置が定められている。
　まず、収音装置１０においては、有効マイクペアの総数が複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄの総数よりも多い。ここで、有効マイクペアは、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄに含まれる任意の２つのマイクロホン素子によって構成されるマイクペアのうち、２つのマイクロホン素子間の距離が距離Ｄ未満となるマイクペアである。距離Ｄは、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄから得られる目的音の周波数をｆ、音速をｃとすると、Ｄ＝ｃ／２ｆで表される。収音装置１０において、有効マイクペアの総数は６個であり、複数のマイクロホン素子の総数は４個である。
　なお、距離Ｄは、目的音の周波数に応じて異なる。例えば、目的音の周波数が８ｋＨｚである場合、音速ｃ＝３４０００ｃｍ／ｓであれば、距離Ｄは２．１２５ｃｍである。また、目的音の周波数が４ｋＨｚである場合、音速ｃ＝３４０００ｃｍ／ｓであれば、距離Ｄは４．２５ｃｍである。
　２つのマイクロホン素子間の距離が距離Ｄ以上となる非有効マイクペアから算出される参照信号は、信号処理において折り返し成分が発生してしまう等の理由により、当該非有効マイクペアの配置から想定される感度特性を有しない場合がある。つまり、非有効マイクペアから算出される参照信号は、想定外の感度特性を有する場合があり、精度の高い出力信号Ｙを生成することの妨げとなる。収音装置１０においては、有効マイクペアの総数が複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄの総数よりも多いことにより、精度の高い出力信号Ｙの生成が実現されている。
　なお、収音装置１０においては、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄから得られるマイクペアは、全て有効マイクペアである。つまり、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄから得られるマイクペアの総数は、有効マイクペアの総数に等しい。しかしながら。複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄから得られるマイクペアの一部が有効マイクペアであってもよい。
　また、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄは、立体的に分散配置されている。図４は、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄの立体配置例１を示す図である。図４において、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸に記載された数値の単位は、メートルである。
　図４の立体配置例１においては、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄは、１辺が約２．１ｃｍ（図４の座標における０．０２１）の正四面体の頂点の位置に配置されている。具体的には、マイクロホン素子２０ａ、マイクロホン素子２０ｂ、及び、マイクロホン素子２０ｃは、Ｚ＝０のＸＹ平面上に位置する。マイクロホン素子２０ｄの座標は、（０、０、Ｚ１）（Ｚ１＝約０．０１７１）であり、マイクロホン素子２０ｄは、Ｚ＝０のＸＹ平面よりもＺ軸方向プラス側に位置している。なお、正四面体の１辺の長さ２．１ｃｍは、８ｋＨｚの周波数の半波長を想定して定められている。
　立体配置例１において、有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ任意の直線は、他の有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線のいずれとも平行でない。具体的には、図４において破線により示される直線（線分）Ｌ１は、他の直線Ｌ２～Ｌ６のいずれとも平行でない。直線Ｌ２～Ｌ６についても同様である。つまり、有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線の全ては、互いに平行でない。
　［参照信号の感度特性１］
　図４のように、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄが立体的に分散配置されれば、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄが同一平面上に配置される場合に比べて、参照信号の感度特性のバリエーションが増加する。以下、このような立体配置例１によって得られる参照信号の感度特性について説明する。まず、立体配置例１の比較対象となる平面配置例について説明する。図５は、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｃの平面配置例を示す図である。図５において、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸に記載された数値の単位は、メートルである。
　図５の平面配置例においては、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄは、Ｚ＝０のＸＹ平面上に位置する。具体的には、マイクロホン素子２０ａ、マイクロホン素子２０ｂ、及び、マイクロホン素子２０ｃの配置は、立体配置例１と同様であるが、マイクロホン素子２０ｄの座標は、（０、０、０）である。このように平面配置例においては、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄが同一平面上に配置されている。
　図６は、立体配置例１が採用された収音装置１０によって生成される参照信号の、ＸＺ平面に沿う方向における感度特性を示す図である。図７は、平面配置例が採用された収音装置１０によって生成される参照信号の、ＸＺ平面に沿う方向における感度特性を示す図である。図８は、図６及び図７の感度特性の計算方法を説明するための図である。図８において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に記載された数値の単位は、メートルである。
　図６及び図７における６つの列のそれぞれは、マイクペアを用いて生成される参照信号の感度特性を示している。なお、感度特性は、言い換えれば、指向性パターンである。
　例えば、図６及び図７における６つの列のうち一番左の列は、マイクロホン素子２０ｄ及びマイクロホン素子２０ａによって構成されるマイクペアを用いて生成される参照信号（図２の参照信号Ｘｒ３に相当）の感度特性を示している。左から２番目の列は、マイクロホン素子２０ｄ及びマイクロホン素子２０ｂによって構成されるマイクペアを用いて生成される参照信号（図２の参照信号Ｘｒ５に相当）感度特性を示している。左から３番目の列は、マイクロホン素子２０ｄ及びマイクロホン素子２０ｃによって構成されるマイクペアを用いて生成される参照信号（図２の参照信号Ｘｒ６に相当）の感度特性を示している。
　左から４番目の列は、マイクロホン素子２０ａ及びマイクロホン素子２０ｂによって構成されるマイクペアを用いて生成される参照信号（図２の参照信号Ｘｒ１に相当）の感度特性を示している。左から５番目の列は、マイクロホン素子２０ａ及びマイクロホン素子２０ｃによって構成されるマイクペアを用いて生成される参照信号（図２の参照信号Ｘｒ２に相当）の感度特性を示している。左から６番目の列は、マイクロホン素子２０ｂ及びマイクロホン素子２０ｃによって構成されるマイクペアを用いて生成される参照信号（図２の参照信号Ｘｒ４に相当）の感度特性を示している。
　６つの列のそれぞれには、３つの感度特性が図示されている。３つの感度特性には、９０度方向に死角を有する参照信号の感度特性、６０度方向に死角を有する参照信号の感度特性、及び、３０度方向に死角を有する参照信号の感度特性が含まれる。ここで、図８に白い丸印によって示されるように、９０度方向は、Ｚ軸プラス方向を意味し、６０度方向は、Ｚ軸プラス方向からＸＺ平面に沿って角度を３０度ずらした方向である。３０度方向は、Ｚ軸プラス方向からＸＺ平面に沿って角度を６０度ずらした方向である。なお、図８に破線で示されるように、図６及び図７に示される感度特性は、マイクロホンアレイ２０（複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄの集合体）を中心として半径１．５ｍの位置（図８において破線で図示）における感度特性である。
　上記図４及び図５を用いて説明したように、立体配置例１と平面配置例とは、マイクロホン素子２０ｄの位置のみが異なる。したがって、図６及び図７の右側半分の３列に示されるように、マイクロホン素子２０ａ～２０ｃを組み合わせたマイクロホンペアから得られる感度特性は、立体配置例１と平面配置例との間で差はない。
　一方で、図６及び図７の左側半分の３列に示されるように、マイクロホン素子２０ｄを含むマイクペアの感度特性は、立体配置例１（図６）のほうが平面配置例（図７）よりも多様である。つまり、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄが立体的に分散配置されれば、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄが同一平面上に配置される場合に比べて、参照信号の感度特性のバリエーションを増加させることができる。感度特性のバリエーションが増えることは、信号処理部３０が実行する、一般化サイドローブキャンセラに基づく雑音抑圧アルゴリズムにとって非常に有利である。参照信号の感度特性のバリエーションが増加されれば、収音装置１０は、様々な方向の雑音を低減できる。つまり、収音装置１０は、目的音以外の音を効果的に抑圧できる。
　［主信号の周波数特性１］
　次に、立体配置例１が採用された収音装置１０によって生成される主信号の、ＸＺ平面に沿う方向における周波数特性について説明する。図９は、ＸＺ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。図９では、９０度方向を目的音方向とする主信号の、９０度方向の周波数特性、３０度方向の周波数特性、及び、０度方向の周波数特性が図示されている。図９では、縦軸は、音圧レベル（ＳＰＬ：Ｓｏｕｎｄ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｌｅｖｅｌ）を示し、横軸は、周波数を示している。
　図９に示されるように、９０度方向を目的音方向とする主信号の、９０度方向の周波数特性においては、０～８ｋＨｚの周波数帯域で音圧レベルがおおむねフラットである。これに対し、上記主信号の３０度方向の周波数特性においては、音圧レベルが高域で減衰する。また、上記主信号の０度方向の周波数特性においては、音圧レベルが高域で３０度方向よりもさらに減衰する。
　このように立体配置例１が採用された収音装置１０は、目的音方向（９０度方向）に指向性を有する主信号を生成することができる。
　ここで、発明者らは、立体配置例１においてマイクロホン素子２０ｄの位置を調整することにより、主信号の指向性の向上を試みた。発明者らは、具体的には、立体配置例２及び立体配置例３における主信号の周波数特性を計算した。
　まず、立体配置例２について説明する。図１０は、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄの立体配置例２を示す図である。図１１は、立体配置例２が採用された収音装置１０によって生成される、ＸＺ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。図１１では、９０度方向を目的音方向とする主信号の、９０度方向の周波数特性、３０度方向の周波数特性、及び、０度方向の周波数特性が図示されている。図１１では、縦軸は、音圧レベルを示し、横軸は、周波数を示している。
　図１０の立体配置例２において、マイクロホン素子２０ａ、マイクロホン素子２０ｂ、及び、マイクロホン素子２０ｃの配置は、立体配置例１と同様である。マイクロホン素子２０ｄは、立体配置例１よりもＺ軸方向プラス側に位置し、マイクロホン素子２０ｄの座標は、（０、０、１．５×Ｚ１）である。つまり、立体配置例２においては、ＸＹ平面を基準としたマイクロホン素子２０ｄの位置（高さ）が、立体配置例１の１．５倍となっている。なお、立体配置例２においては、マイクロホン素子２０ｄからマイクロホン素子２０ａ～２０ｃのそれぞれまでの距離は、約２．９ｃｍ（図１０の座標における０．０２９）である。
　図１１に示されるように、立体配置例２が採用された収音装置１０によって生成される９０度方向を目的音方向とする主信号の、９０度方向の周波数特性においては、０～８ｋＨｚの周波数帯域で音圧レベルがおおむねフラットである。立体配置例２が採用された場合の主信号の３０度方向の周波数特性においては、音圧レベルが高域で減衰するが、音圧レベルが減衰し始める周波数が、立体配置例１が採用された場合よりも低い。同様に、立体配置例２が採用された場合の主信号の０度方向の周波数特性においては、音圧レベルが高域で減衰するが、音圧レベルが減衰し始める周波数が、立体配置例１が採用された場合よりも低い。つまり、立体配置例２が採用された収音装置１０は、目的音方向以外の方向において、音圧レベルが減衰し始める周波数が立体配置例１の場合よりも低い主信号を生成することができる。つまり、立体配置例２が採用された収音装置１０は、高域における指向性がより鋭い主信号を生成することができる。
　次に、立体配置例３について説明する。図１２は、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄの立体配置例３を示す図である。図１３は、立体配置例３が採用された収音装置１０によって生成される、ＸＺ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。図１３では、９０度方向を目的音方向とする主信号の、９０度方向の周波数特性、３０度方向の周波数特性、及び、０度方向の周波数特性が図示されている。図１３では、縦軸は、音圧レベルを示し、横軸は、周波数を示している。
　図１２の立体配置例３において、マイクロホン素子２０ａ、マイクロホン素子２０ｂ、及び、マイクロホン素子２０ｃの配置は、立体配置例１と同様である。マイクロホン素子２０ｄは、立体配置例１よりもＹ軸方向プラス側に位置しており、マイクロホン素子２０ｄの座標は、（０、Ｙ１、Ｚ１）である。立体配置例３において、マイクロホン素子２０ｄからマイクロホン素子２０ａまでの距離は、約１．９ｃｍ（図１２の座標における０．０１９）である。立体配置例３において、マイクロホン素子２０ｄからマイクロホン素子２０ｂ及びマイクロホン素子２０ｃのそれぞれまでの距離は、約２．３ｃｍ（図１２の座標における０．０２３）である。
　図１３に示されるように、立体配置例３が採用された収音装置１０によって生成される９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性は、９０度方向、３０度方向、及び、０度方向のそれぞれにおいて、立体配置例１と同程度である。つまり、立体配置例３が採用された収音装置１０は、目的音方向（９０度方向）に指向性を有する主信号を生成することができる。
　［参照信号の感度特性２］
　上記図６及び図７では、ＸＺ平面に沿う方向における感度特性について説明したが、以下では、ＸＹ平面に沿う方向における感度特性について説明する。図１４は、立体配置例１が採用された収音装置１０によって生成される参照信号の、ＸＹ平面に沿う方向における感度特性を示す図である。図１５は、平面配置例が採用された収音装置１０によって生成される参照信号の、ＸＹ平面に沿う方向における感度特性を示す図である。図１６は、図１４及び図１５の感度特性の計算方法を説明するための図である。図１６において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に記載された数値の単位は、メートルである。
　図１４及び図１５は、図６及び図７と同様の書式で参照信号の感度特性を示している。ここで、図１６に白い丸印で示されるように、９０度方向は、Ｙ軸プラス方向を意味し、６０度方向は、Ｙ軸プラス方向からＸＹ平面に沿って角度を３０度ずらした方向である。３０度方向は、Ｙ軸プラス方向からＸＹ平面に沿って角度を６０度ずらした方向である。なお、図１６に破線で示されるように、図１４及び図１５に示される感度特性は、マイクロホンアレイ２０（複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄの集合体）を中心として半径１．５ｍの位置（図１６において破線で図示）における感度特性である。
　上記図４及び図５を用いて説明したように、立体配置例１と平面配置例とは、マイクロホン素子２０ｄの位置のみが異なる。したがって、図１４及び図１５の右側半分の３列に示されるように、マイクロホン素子２０ａ～２０ｃを組み合わせたマイクロホンペアから得られる感度特性は、立体配置例１と平面配置例との間で差はない。
　一方で、図１４及び図１５の左側半分の３列に示されるように、マイクロホン素子２０ｄを含むマイクペアの感度特性は、立体配置例１と平面配置例とでほぼ同様である。つまり、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄが立体的に分散配置されても、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄが同一平面上に配置される場合よりも、参照信号の感度特性のバリエーションが減少するわけではないといえる。つまり、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄを立体的に分散配置することで、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄを同一平面上に配置する場合よりも性能が劣化することはないといえる。
　ここで、発明者らは、立体配置例１においてマイクロホン素子２０ｄの位置を調整することにより、参照信号の感度特性がどのように変化するかを確認した。発明者らは、具体的には、以下の立体配置例４及び立体配置例５における感度特性を計算した。
　まず、立体配置例４について説明する。図１７は、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄの立体配置例４を示す図である。図１８は、立体配置例４が採用された収音装置１０によって生成される参照信号の、ＸＹ平面に沿う方向における感度特性を示す図である。
　図１７の立体配置例４において、マイクロホン素子２０ａ、マイクロホン素子２０ｂ、及び、マイクロホン素子２０ｃの配置は、立体配置例１と同様である。マイクロホン素子２０ｄは、立体配置例１における位置からＹ軸方向及びＺ軸方向のそれぞれにおいてシフトされている。なお、Ｚ軸方向から見た場合に、マイクロホン素子２０ｄの位置は、マイクロホン素子２０ａ、マイクロホン素子２０ｂ、及び、マイクロホン素子２０ｃのいずれの位置とも重ならない。つまり、マイクロホン素子２０ｄは、マイクロホン素子２０ａ、マイクロホン素子２０ｂ、及び、マイクロホン素子２０ｃの直上には位置していない。
　立体配置例１と立体配置例４とは、マイクロホン素子２０ｄの位置のみが異なる。したがって、図１４及び図１８の右側半分の３列に示されるように、マイクロホン素子２０ａ～２０ｃを組み合わせたマイクロホンペアから得られる感度特性は、立体配置例１と立体配置例４との間で差はない。
　一方で、図１４及び図１８の左側半分の３列に示されるように、マイクロホン素子２０ｄを含むマイクペアの感度特性は、立体配置例１と立体配置例４とで大きく異なる。つまり、マイクロホン素子２０ｄの位置を変更することで、参照信号の感度特性のバリエーションを異ならせることができる。
　次に、立体配置例５について説明する。図１９は、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄの立体配置例５を示す図である。図２０は、立体配置例５が採用された収音装置１０によって生成される参照信号の、ＸＹ平面に沿う方向における感度特性を示す図である。
　図１９の立体配置例５において、マイクロホン素子２０ａ、及び、マイクロホン素子２０ｄの配置は、立体配置例１と同様である。立体配置例５では、マイクロホン素子２０ｂ及びマイクロホン素子２０ｃの間隔が、立体配置例１よりも広げられている。具体的には、マイクロホン素子２０ｂは、立体配置例１よりもＸ軸方向マイナス側に位置し、マイクロホン素子２０ｃは、立体配置例１よりもＸ軸方向プラス側に位置している。
　立体配置例１と立体配置例５とは、マイクロホン素子２０ｂ及び２０ｃの位置が異なる。したがって、図１４及び図２０の一番左側の列における、マイクロホン素子２０ａ及びマイクロホン素子２０ｄを組み合わせたマイクロホンペアから得られる感度特性は、立体配置例１と立体配置例５との間で差はない。
　一方で、図１４及び図２０の一番左側以外の５列に示されるように、マイクロホン素子２０ｂ及びマイクロホン素子２０ｃを含むマイクペアの感度特性は、立体配置例１と立体配置例５とで異なる。つまり、マイクロホン素子２０ｂ及びマイクロホン素子２０ｃの位置を変更することで、参照信号の感度特性のバリエーションを異ならせることができる。
　［主信号の周波数特性２］
　次に、平面配置例、立体配置例１、立体配置例４、及び、立体配置例５が採用された収音装置１０によって生成される主信号の、ＸＹ平面に沿う方向における周波数特性について説明する。図２１は、平面配置例が採用された収音装置１０によって生成される、ＸＹ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。図２２は、立体配置例１が採用された収音装置１０によって生成される、ＸＹ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。図２３は、立体配置例４が採用された収音装置１０によって生成される、ＸＹ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。図２４は、立体配置例５が採用された収音装置１０によって生成される、ＸＹ平面に沿う９０度方向を目的音方向とする主信号の周波数特性を示す図である。
　図２１～図２４では、９０度方向を目的音方向とする主信号の、９０度方向の周波数特性、３０度方向の周波数特性、及び、０度方向の周波数特性が図示されている。図２１～図２４では、縦軸は、音圧レベルを示し、横軸は、周波数を示している。
　図２１（平面配置例）及び図２２（立体配置例１）を比較すると、立体配置例１が採用された場合の主信号の周波数特性は、９０度方向、３０度方向、及び、０度方向のそれぞれにおいて、平面配置例が採用された場合と同程度であるといえる。
　図２２（立体配置例１）及び図２３（立体配置例４）を比較すると、立体配置例４が採用された場合の主信号の周波数特性は、９０度方向及び３０度方向において、立体配置例１が採用された場合と同程度であるといえる。一方、０度方向においては、立体配置例４が採用された場合の７ｋＨｚ以上の周波数帯域での音圧レベルの抑圧量は、立体配置例１が採用された場合よりも減少している。
　図２２（立体配置例１）及び図２４（立体配置例５）を比較すると、立体配置例５が採用された場合の主信号の周波数特性は、９０度方向において、立体配置例１が採用された場合と同程度であるといえる。
　一方、３０度方向においては、立体配置例５が採用された場合の４ｋＨｚ以上の周波数帯域での音圧レベルの抑圧量は、立体配置例１が採用された場合よりも増加している。一方、０度方向においては、立体配置例５が採用された場合の４ｋＨｚ～５ｋＨｚの周波数帯域での音圧レベルの抑圧量は、立体配置例１が採用された場合よりも増加しているが、７ｋＨｚ以上の周波数帯域での音圧レベルの抑圧量は、立体配置例１が採用された場合よりも減少している。
　このように、立体配置例１、立体配置例４、及び、立体配置例５が採用された収音装置１０は、目的音方向（９０度方向）に指向性を有する主信号を生成することができる。
　［立体配置のまとめ］
　立体配置例１～５においては、有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線は、他の有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線のいずれとも平行でない。ベクトルで表現すると、有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線のベクトルの任意の２つをｖｉ、ｖｊ（ｉ、ｊは自然数）としたときに、ｖｉ＝ｔ・ｖｊ（ｔは実数）とならない。
　具体的には、立体配置例１～５においては、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄの位置は、四面体（三角錐）の頂点の位置に相当し、任意の２つのマイクロホン素子を結ぶ直線（線分）に相当する四面体の６つの辺（立体配置例１における直線Ｌ１～Ｌ６）は、互いに平行でない。このような立体配置例１～５が採用された収音装置１０においては、参照信号の感度特性のバリエーションが増加される。
　なお、立体配置例１～５においては、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄは、同一の平面に位置する３個のマイクロホン素子２０ａ～２０ｃと、当該平面上に位置しない１個のマイクロホン素子２０ｄとを含み、３個のマイクロホン素子２０ａ～２０ｃは、上記平面において三角形を構成するように配置される。
　また、立体配置例２～５においては、有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子間の距離は、他の有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子間の距離のいずれかと異なる。つまり、立体配置例２～５においては、マイクロホン素子の間の距離にイレギュラーな箇所が設けられている。これにより、主信号の指向性の鋭角化を図ることができる。発明者らの検討によれば、マイクロホン素子の間の距離を長くすることで、主信号の周波数が低い領域における指向性を鋭くすることができ、マイクロホン素子の間の距離を長くすることで、主信号の周波数が高い領域における指向性を鋭くすることができる。
　［立体配置の変形例］
　ここで、収音装置１０に採用される立体配置は、立体配置例１～５に限定されない。例えば、収音装置１０が備える４つ以上のマイクロホン素子は、同一の平面に位置するｎ個（ｎは３以上の自然数）のマイクロホン素子と、上記平面上に位置しない１個以上のマイクロホン素子とを含んでもよい。例えば、底面がｎ角形の角錐の頂点の位置に配置されてもよい。
　この場合、底面は正ｎ角形（ｎは奇数）であってもよいし、底面は、ｎ本の辺が互いに平行でない多角形であってもよい。図２５は、４本の辺が互いに平行でない四角形の底面を有する四角錐の頂点の位置に複数のマイクロホン素子が配置される例を示す図である。図２５において、複数のマイクロホン素子の位置は黒丸で示されている。
　また、複数のマイクロホン素子は、円錐の底面の円周上、及び、頂点に配置されてもよい。図２６は、円錐の底面の円周上、及び、頂点に複数のマイクロホン素子が配置される例を示す図である。図２６において、複数のマイクロホン素子の位置は黒丸で示されている。なお、円錐の底面は、真円及び楕円のいずれであってもよい。
　また、複数のマイクロホン素子は、螺旋状に配置されてもよい。複数のマイクロホン素子は、有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線が他の有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線のいずれとも平行とならないという条件を満たす範囲で、どのように配置されてもよい。
　［効果等］
　以上説明したように、収音装置１０は、立体的に分散配置された複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄを備える。複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄに含まれる任意の２つのマイクロホン素子によって構成されるマイクペアのうち、２つのマイクロホン素子間の距離が距離Ｄ未満となる有効マイクペアの総数は、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄの総数よりも多い。
　距離Ｄは、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄから得られる目的音の周波数をｆ、音速をｃとすると、Ｄ＝ｃ／２ｆで表される。有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線は、他の有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線のいずれとも平行でない。
　これにより、参照信号の感度特性のバリエーションが増加されるので、収音装置１０は、様々な方向の雑音を低減できる。つまり、収音装置１０は、目的音以外の音を効果的に抑圧できる。
　また、例えば、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄは、同一の平面に位置するｎ個（ｎは３以上の自然数）のマイクロホン素子と、上記平面に位置しない１個以上のマイクロホン素子とを含む。
　これにより、複数のマイクロホン素子の２０ａ～２０ｄの配置にｎ角錐（底面がｎ角形の角錐）状の配置を採用することで、参照信号の感度特性のバリエーションを増加させることができる。
　また、例えば、上記ｎ個のマイクロホン素子は、平面において正ｎ角形を構成するように配置される。
　これにより、複数のマイクロホン素子の２０ａ～２０ｄの配置に底面が正ｎ角形の角錐状の配置を採用することで、参照信号の感度特性のバリエーションを増加させることができる。
　また、例えば、有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子間の距離は、他の前記有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子間の距離のいずれかと異なる。
　これにより、主信号の指向性の鋭角化を図ることができる。
　また、例えば、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄから得られるマイクペアの総数は、有効マイクペアの総数に等しい。
　これにより、全てのマイクペアが有効マイクペアとして機能するため、収音装置１０は、目的音以外の音を効果的に抑圧できる。
　また、例えば、収音装置１０は、さらに、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄのそれぞれから得られる音声信号に対して遅延を与える遅延器３１ａ～３１ｄと、遅延器３１ａ～３１ｄの出力信号を加算することにより主信号Ｘｍを生成する主信号生成部３１と、遅延器３１ａ～３１ｄの出力信号のうち、有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子に対応する出力信号を減算することにより参照信号Ｘｒ１～Ｘｒ６を生成する参照信号生成部３２ａ～３２ｆと、参照信号Ｘｒ１～Ｘｒ６にフィルタ係数を適用する適応フィルタ部３３ａ～３３ｆと、生成された主信号Ｘｍから、フィルタ係数が適用された参照信号Ｘｒ１～Ｘｒ６を減算する減算部３４と、減算部３４の減算によって得られる出力信号Ｙに基づいてフィルタ係数を更新する係数更新部３５とを備える。
　遅延器３１ａ～３１ｄは、遅延部の一例である。主信号Ｘｍは、第一信号の一例であり、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄのそれぞれから得られる音声信号に、遅延器３１ａ～３１ｄによって目的音方向に応じた遅延が与えられた音声信号（遅延器３１ａ～３１ｄの出力信号）が加算された信号である。参照信号Ｘｒ１～Ｘｒ６は、第二信号の一例であり、有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子のそれぞれから得られる音声信号に、遅延器３１ａ～３１ｄによって目的音方向に応じた遅延が与えられた音声信号（遅延器３１ａ～３１ｄの出力信号）が減算された信号である。主信号生成部３１は、第一信号生成部の一例であり、参照信号生成部３２ａ～３２ｆのそれぞれは、第二信号生成部の一例であり、出力信号Ｙは、第三信号の一例である。
　これにより、収音装置１０は、複数のマイクロホン素子２０ａ～２０ｄから得られる音声信号に基づいてビームフォーミングを行うことができる。
　（その他の実施の形態）
　以上、実施の形態について説明したが、本開示は、このような実施の形態に限定されるものではない。
　例えば、上記実施の形態で説明された収音装置の形状等は一例であり、収音装置は、直方体状などのその他の形状であってもよい。
　また、上記実施の形態に係る信号処理部の構成は、一例である。信号処理部は、例えば、Ｄ／Ａ変換器、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、電力増幅器、または、Ａ／Ｄ変換器などの構成要素を含んでもよい。また、信号処理部が実行する信号処理は、例えば、デジタル信号処理であるが、一部がアナログ信号処理であってもよい。
　また、上記実施の形態において、信号処理部は、専用のハードウェアで構成されるか、信号処理部に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。信号処理部は、ＣＰＵまたはプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスクまたは半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。
　また、信号処理部は、回路（または集積回路）でもよい。これらの回路は、全体として１つの回路を構成してもよいし、それぞれ別々の回路でもよい。また、これらの回路は、それぞれ、汎用的な回路でもよいし、専用の回路でもよい。
　また、上記実施の形態において、信号処理部は、ハードウェア(回路)によって実現されたが、信号処理部の一部または全部は、信号処理部に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。信号処理部は、ＣＰＵ又はプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスク又は半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。
　その他、上記実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、及び、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記実施の形態で説明された構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。例えば、本開示は、上記実施の形態の収音装置を含むシステムとして実現されてもよい。
　本開示の収音装置は、電話会議システム等に用いられる収音装置として有用である。
　１０　収音装置
　２０　マイクロホンアレイ
　２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ　マイクロホン素子
　３０　信号処理部
　３１　主信号生成部
　３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ　遅延器
　３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ　参照信号生成部
　３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ、３３ｆ　適応フィルタ部
　３４　減算部
　３５　係数更新部
　Ｘｍ　主信号（第一信号）
　Ｘｒ　参照信号
　Ｘｒ１、Ｘｒ２、Ｘｒ３、Ｘｒ４、Ｘｒ５、Ｘｒ６　参照信号（第二信号）
　Ｙ　出力信号（第三信号）
　Ｌ１～Ｌ６　直線

Claims (6)

  1. 　立体的に分散配置された複数のマイクロホン素子を備え、
    　前記複数のマイクロホン素子に含まれる任意の２つのマイクロホン素子によって構成されるマイクペアのうち、２つのマイクロホン素子間の距離が距離Ｄ未満となる有効マイクペアの総数は、前記複数のマイクロホン素子の総数よりも多く、
    　前記距離Ｄは、前記複数のマイクロホン素子から得られる目的音の周波数をｆ、音速をｃとすると、Ｄ＝ｃ／２ｆで表され、
    　前記有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線は、他の前記有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子を結ぶ直線のいずれとも平行でない
    　収音装置。
  2. 　前記複数のマイクロホン素子は、同一の平面に位置するｎ個（ｎは３以上の自然数）のマイクロホン素子と、前記平面に位置しない１個以上のマイクロホン素子とを含む
    　請求項１に記載の収音装置。
  3. 　前記ｎ個のマイクロホン素子は、前記平面において正ｎ角形を構成するように配置される
    　請求項２に記載の収音装置。
  4. 　前記有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子間の距離は、他の前記有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子間の距離のいずれかと異なる
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の収音装置。
  5. 　前記複数のマイクロホン素子から得られるマイクペアの総数は、前記有効マイクペアの総数に等しい
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の収音装置。
  6. 　さらに、
    　前記複数のマイクロホン素子のそれぞれから得られる音声信号に対して遅延を与える遅延部と、
    　前記遅延部の出力信号を加算することにより第一信号を生成する第一信号生成部と、
    　前記遅延部の出力信号のうち、前記有効マイクペアを構成する２つのマイクロホン素子に対応する前記出力信号を減算することにより第二信号を生成する第二信号生成部と、
    　前記第二信号にフィルタ係数を適用する適応フィルタ部と、
    　生成された前記第一信号から、前記フィルタ係数が適用された前記第二信号を減算する減算部と、
    　前記減算部の減算によって得られる第三信号に基づいて前記フィルタ係数を更新する係数更新部とを備える
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の収音装置。
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