(57)【要約】【課題】話者の方向への指向性を持つことにより、雑音が多い環境でもノイズを拾いにくい学習用マイクであって、話者の呼気流を捕らえて、話者の発音を是正する機能を有している学習用マイクを提供する。【解決手段】  音声を音声信号に変換する複数の音響マイクＰ１、Ｐ２と、呼気流の波動を呼気流信号に変換する呼気流センサとを備える。音響マイクＰ１を学習用マイク１の音声収集面１０上であって中心線６の位置に、音響マイクＰ２を中心線６を中心とする略円周の外枠２に配置する。前記呼気流センサは、共振周波数が３００Ｈｚ前後のダイナミックスピーカＰ３からなり、前記略円周状の外枠２の内側に配置する。これらの電気信号をディジタル信号に変換し音声の特徴を表した音声特徴信号を抽出するＤＳＰを内蔵するＤＳＰ内蔵部８と、ディジタル信号、音声特徴信号を出力する入出力インターフェース９を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音声を音声信号にそれぞれ変換する複数の音響マイクと、呼気流の波動を呼気流信号に変換する呼気流センサと、を備えた学習用マイクであって、
前記複数の音響マイクは、前記学習用マイク本体の音声収集面上にあって、当該音声収集面の略中心部と、この位置を中心とする略円周上と、に配置され、
前記呼気流センサは、前記略円周の内側に配置されている学習用マイク。
【請求項２】
前記呼気流センサは、ダイナミックスピーカで構成され、当該ダイナミックスピーカは、その共振周波数が話者の話し声の周波数帯域に設定されている請求項２に記載の学習用マイク。
【請求項３】
音声を音声信号にそれぞれ変換する複数の音響マイクと、呼気流の波動を呼気流信号に変換する呼気流センサと、前記音声信号および呼気流信号をそれぞれ音声のディジタル信号および呼気流のディジタル信号に変換する変換器と、を備え、
さらに、前記音声のディジタル信号に遅延をかけ、前記音声のディジタル信号の時間軸を制御した上で合計し、音声の特徴を表した音声特徴信号を抽出する音声特徴信号抽出手段と、
音声のディジタル信号に、前記音声特徴信号と、呼気流のディジタル信号とを多重化して出力する音声情報出力手段と、を備えた学習用マイク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、語学学習等の発声練習に使用する学習用マイクに関する。
【背景技術】
【０００２】
語学学習等に使用する学習用マイクとしては、話者の発音やイントネーションを的確に分析できることが望ましい。そこで、単に音響を吸音する対応のみならず、その他の情報を取得して、係る分析に利用することが行われている。特に、学習用、または音声認識用に、音響マイクのみならず、他のセンサを併用したマイクまたはシステムが開示されている（特許文献１〜３参照。）。
特許文献１には、音声以外の発声に係わる情報である風圧を補完的に利用することにより、音声の認識率を向上させた音声認識装置が開示されている。
特許文献２には、鼻韻センサとして加速度センサを用い、鼻腔への音の流入を振動として感知するようにし、この鼻韻センサは圧電型加速度計により振動を電圧に変換し、マイク入力より得られた波形と同期して２チャンネルで入力される、発声音の鼻韻化を防止するための発声発語訓練器が開示されている。
【０００３】
一方、音響マイクとして、特許文献３には、所定周波数を超える周波数での指向性マイクの指向性を制御する長尺チューブを有するショットガンマイクと、このショットガンマイクの周囲に空間的に配置した少なくとも２本の標準マイクと、前記ショットガンマイクと標準マイクに電気的に接続された信号処理装置とから成るデジタル・アナログ指向性マイクが開示されている。
【特許文献１】特開平９−１６０５９１号公報
【特許文献２】特開平６−１８６９０４号公報
【特許文献３】特表２００１−５２７３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
学習用マイク、特に語学学習や、話術練習や、カラオケ等の学習用のマイクは、雑音が多い環境でもノイズを拾いにくいような指向性を持つ必要がある。特に複数の人数で学習することが想定される場合は、現在話している人以外の人の声が混入しないように、係る指向性を有することが必要となる。また、破裂音などについて、模範となる話者の話し方との差異を示して、話者の発音を是正する機能を有している必要がある。
【０００５】
しかしながら、これら文献に開示されるマイクでは、このような学習用のマイクとして十分ではない。
特許文献１では、圧電センサと超弾性ワイヤを用いて、風圧を検知する手段が記載されているが、この手段により得られる波形はおわん型であって、細かい波形を得ることができないと考えられる。
特許文献２では圧電型加速度計を用いているが、特許文献１と同様、細かい波形を得ることができないと考えられる。
特許文献３ではマイクとして指向性には優れているが、学習用のマイクとしての用途には十分ではない。
【０００６】
そこで、本発明は話者の方向への指向性を持つことにより、雑音が多い環境でもノイズを拾いにくい学習用マイクであって、話者の呼気流を捕らえて、話者の発音を是正する機能を有している学習用マイクの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。
【０００８】
（１）本発明は、音声を音声信号にそれぞれ変換する複数の音響マイクと、呼気流の波動を呼気流信号に変換する呼気流センサと、を備えた学習用マイクであって、
前記複数の音響マイクは、前記学習用マイク本体の音声収集面上にあって、当該音声収集面の略中心部と、この位置を中心とする略円周上と、に配置され、
前記呼気流センサは、前記略円周の内側に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
このように構成すれば、前記音声信号の合計出力は、話者の方向への指向性を持つことができるので、話者以外の雑音を前記音響マイクが拾うことを回避できる。なぜなら、音響マイクを複数並べてこれらの音響マイクの出力を合計すると、話者の声は遅延和となるが、他の方向から入ってくる、話者の声以外のノイズは、このように並べられた音響マイク間で互いに位相が異なりうるから、互いに打ち消されて前記指向性を持つからである。また、話者の呼気流を捕らえて、その波形を電気信号として得ることができるから話者の発音を是正するための情報を取得できる。
【００１０】
（２）本発明は、前記呼気流センサは、ダイナミックスピーカで構成され、当該ダイナミックスピーカは、その共振周波数が話者の話し声の周波数帯域に設定されていることを特徴とする。
【００１１】
このように構成すれば、ダイナミックスピーカが話者の呼気を受けた場合に、ダイナミックスピーカの振動板が揺らされ、それが振動板に固定されたボイスコイルから起電力を生じ、その両端電圧を取得することで、話者の呼気を電気信号に変換でき、話者の発音を是正するための情報を取得できる。したがって、特別な材料を使用しなくとも、市販のダイナミックスピーカで、入手性が良く、安価に、前記（１）の発明を構成することが可能である。
【００１２】
そして、前記ダイナミックスピーカは、その共振周波数が話者の話し声の周波数帯域に設定されているので、より感度良く話者の呼気を電気信号に変換できる。なお、共振周波数は、３００Ｈｚ前後、即ち２００〜４００Ｈｚ程度である。ダイナミックスピーカの口径で言えば、３０ｍｍ前後、即ち２０〜４０ｍｍとすることができる。ただし、本発明に使用可能なダイナミックスピーカは、あくまで共振周波数でその選択を行い、口径で選択するのではない。
【００１３】
（３）本発明は、音声を音声信号にそれぞれ変換する複数の音響マイクと、呼気流の波動を呼気流信号に変換する呼気流センサと、前記音声信号および呼気流信号をそれぞれ音声のディジタル信号および呼気流のディジタル信号に変換する変換器と、を備え、
さらに、前記音声のディジタル信号に遅延をかけ、前記音声のディジタル信号の時間軸を制御した上で合計し、音声の特徴を表した音声特徴信号を抽出する音声特徴信号抽出手段と、
音声のディジタル信号に、前記音声特徴信号と、呼気流のディジタル信号とを多重化して出力する音声情報出力手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１４】
このように構成すれば、話者の発音を是正するための必要情報を統合して、この情報を解析装置（本発明外）に出力することができる。この出力した情報を基に、例えば、ピッチ、レベル、ホルマントの波形を出力して模範となる話者との差異を示したり、日本人が苦手な発音である有気音と無気音の差を呼気流の時系列データで示したりすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明（１）の構成によれば、前記音響マイクの合計出力は話者の方向への指向性を持つことができるので、話者以外の雑音を前記音響マイクが拾うことを回避できる。また、話者の呼気流を捕らえて、その波形を電気信号として得ることができるから、話者の発音を是正するための情報を取得できる。
【００１６】
本発明（３）の構成によれば、話者の発音を是正するための必要情報を統合して、この情報を解析装置（本発明外）に出力することができる。例えば、ピッチ、レベル、ホルマントの波形を出力して、模範となる話者との差異を示したり、日本人が苦手な発音である有気音と無気音の差を呼気流の時系列データで示したりすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本実施形態に係る学習マイクの外観図を図１に示す。まず、学習マイク１の構成を説明する。学習マイク１は、図１（Ａ）正面図、図１（Ｂ）側面図に示すような立体形状である。即ち、中心線６を中心とする環状の外枠２と椀状の本体背面部７が、机等に設置する三脚３の上に固定された形状になっている。
【００１８】
図１（Ａ）正面図に示すように、この外枠２の内部には十字に支持材４が設けられている。音響マイク１は、図１（Ｂ）の側面図に示す音声収集面１０上であって、十字形の支持材４の交点である中心線６に音響マイクＰ１が１つ配置され、支持材４と外枠２との各交点上に、４個の音響マイクＰ２が配置されている。
【００１９】
そして、呼気流センサであるダイナミックスピーカＰ３は、音声収集面１０上の、音響マイクＰ２が配置されている前記略円周の内側であって、音響マイクＰ１の下に配置され、支持材４およびＳＰ固定材５上に固定されている。本実施形態の学習マイクに係るダイナミックスピーカＰ３では、その共振周波数を話者の話し声の周波数帯域に設定する。具体的には、外側のフレームを除く振動板の直径が３０ｍｍ、固有振動数が３００Ｈｚ程度のものを使用する。
【００２０】
また、図１（Ｂ）の側面図に示すように、本体背面部７には、ＤＳＰを内蔵するＤＳＰ内蔵部８（ディジタルシグナルプロセッサ、Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）と、学習マイク１の外部へディジタル時系列データを出力する入出力インターフェース９とを備えている。
【００２１】
なお、音響マイクＰ１、Ｐ２は、それぞれ、本発明の「音響マイク」に相当する。複数の音響マイクＰ２は、外枠２上に等間隔である必要はない。音響マイクＰ２を固定する外枠２は、円形状に限らず、中心線６を中心とする長方形であっても良い。
また、音声収集面１０は、本発明の「音声収集面」に相当し、中心線６と、音声収集面１０が交わる位置は、本発明の「音声収集面の略中心部」に相当する。また、本体背面部７は、後ろが密閉した状態でも、また開放した状態であってもよい。また、音声収集面１０は平面でなくとも良い。即ち、音声収集面１０は、話者の音声を収集するのに都合の良い位置に設置すればよく、音声収集面１０と話者との距離は、音響マイクＰ１とＰ２それぞれとダイナミックスピーカＰ３とが互いに前後していても良い。
【００２２】
次に、学習マイク１の機能について説明する。まず、音響マイクＰ２について説明する。前記音声収集面１０の中央部の音響マイクＰ１に向かって話された話者の音声は、音響マイクＰ１、Ｐ２により収集される。このように音響マイクＰ１、Ｐ２を構成すると、音響マイクＰ１、Ｐ２を複数並べてこれらの音響マイクの出力を合計（当該合計は、音響マイクの出力をそれぞれディジタルデータに変換した後、これらを加算することにより行う。後述図２参照。）することになるから、話者の声は遅延和となる。一方、他の方向から入ってくる、話者の声以外のノイズは、このように並べられた音響マイクＰ１、複数の音響マイクＰ２それぞれの間で互いに位相が異なりうるから、互いに打ち消されて、結果的に話者の声の方向に指向性を持つことになる。したがって、グループで学習するような環境化においても、外部の雑音は小さくなり、音声収集面１０に対向する話者の声のみを収集できる。即ち、話者の声の方向への指向性を学習マイク１に持たせることができる。
【００２３】
なお、本実施形態では、音響マイクＰ２は、中心線６を中心として略等距離に配置されているが、必ずしも中心線６を中心とする環上に設ける必要はなく、また音響マイクＰ１は、必ずしも中心線６上に設ける必要はない。即ち、収音効率を良くする観点から、話者の口元からみて前方の位置の周囲に配置すればよい。具体的には、中心線６の方向をＺ軸としたＸＹＺ座標系（図示省略。）を考えた場合に、マイクＰ１、Ｐ２のＸ座標、Ｙ座標の値をそれぞれ平均した位置が略中心線６上に来るようにして、話者とマイクＰ１それぞれ、およびＰ２との距離が互いに偏りがないようにするのが望ましい。例えば、本実施形態の装置では、Ｐ２を円周上に均等に配置しているので、Ｐ１、Ｐ２のＸ、Ｙ軸座標の位置を平均した座標位置、即ち重心位置は、中心線６上にあることになる。また、音響マイクＰ２が並ぶ円周は図１では１つであるが、中心線６を同軸とする複数の円周上に設置してもよい。
【００２４】
次に、ダイナミックスピーカＰ３の機能について説明する。ダイナミックスピーカ３は、本発明の呼気流センサの一形態である。その呼気流センサとしてダイナミックスピーカＰ３が働く仕組みは以下の通りである。即ち、ダイナミックスピーカＰ３が話者の呼気を受けた場合に、ダイナミックスピーカＰ３の振動板が揺らされ、この振動板に固定されたボイスコイルから起電力を生じる。そこで、ボイスコイルの両端電圧を取得することで、話者の呼気を電気信号に変換でき、話者の発音を是正するための情報を取得できる。そして、前記ダイナミックスピーカＰ３は、その共振周波数を話者の話し声の周波数帯域に設定しているので、より感度良く話者の呼気を電気信号に変換できる。その仕組みは、息の直流成分がダイナミックスピーカＰ３の表面にぶつかってダイナミックスピーカＰ３の表面が押され、ＳＰユニットの横へ息が流れ出す際に、ちょうどＳＰ面が戻ってくるようになり、この息の流れがちょうど共振周波数と合致し、より大きな電気信号を得ることができることによるものと考えられる。
【００２５】
次に、学習マイク１の機能を電気面から捉え、図２を参照して説明する。図２は、学習マイクの電気的機能を表すブロック図である。前記音声収集面１０（図１参照。）の中央部の音響マイクＰ１に向かって話された話者の音声は、話者２１から音声２２として発生され、図１で示したマイクＰ１、Ｐ２、ダイナミックスピーカＰ３に届き、それぞれ音声信号３１１〜３１５、呼気流信号３２に変換される。音声信号３１１〜３１５は、それぞれＡ／Ｄ変換器２４１〜２４５に送られて１６ｂｉｔのディジタル時系列データに変換され、ＤＳＰ２３（ディジタルシグナルプロセッサ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）に送られる。
【００２６】
図２の枠線内のＤＳＰ２３の機能は以下のとおりである。即ち、ＤＳＰ２３は、Ａ／Ｄ変換器２４１〜２４５で変換されたディジタルデータを、それぞれディレイ３３１〜３３５を介して遅延して、加算器３５により加算する。また、加算されたディジタルデータ３６を基に、ピッチ検出部２６、レベル検出部２７、ホルマント検出部２８は、それぞれピッチ、レベル、ホルマントを検出し、いずれも８ｂｉｔのディジタル時系列データを生成する。そして、これらのディジタル時系列データは、ｂｉｔ合成部２９により２４ｂｉｔのディジタル時系列データに合成される。一方、呼気流信号３２は、Ａ／Ｄ変換器２５により８ｂｉｔのディジタル時系列データに変換される。加算されたディジタルデータ３６（１６ｂｉｔ）と、呼気流信号３２をＡ／Ｄ変換器２５で変換したディジタルデータ（８ｂｉｔ）は、ｂｉｔ合成部３０により、これらを合成して、２４ｂｉｔのディジタル時系列データに生成される。なお、ｂｉｔ合成（多重化）方法については上記に限定されず様々な出力方法が考えられる。
【００２７】
ｂｉｔ合成部３０、３１により合成されたディジタル時系列データは、入出力インターフェース９に出力され、学習マイクの外部のパソコンまたは解析装置３４に送られる。これにより、学習マイク１は、話者２１の発音を是正するための必要情報を統合して、この情報を、学習マイク１外の解析装置に出力することができる。この出力した情報を基に、例えば、ピッチ、レベル、ホルマントの波形を出力して、模範となる話者との差異を示したり、日本人が苦手な発音である有気音と無気音の差を呼気流の時系列データで示したりすることができる。
【００２８】
なお、音声信号３１１〜３１５は、それぞれ本発明の「音声信号」に相当する。
また、ＤＳＰ２３からｂｉｔ合成部２９、３０を除いたものは、本発明の「音声特徴信号抽出手段」に相当する。ｂｉｔ合成部３０、３１と入出力インターフェース９を合わせたものは「音声情報出力手段」に相当する。
【００２９】
また、ｂｉｔ合成部２９、およびｂｉｔ合成部２９によりｂｉｔを合成することは、本発明の「多重化」に相当する。
Ａ／Ｄ変換器２４１〜２４５、Ａ／Ｄ変換器２５は、本発明の「変換器」に相当する。
音声信号３１１〜３１５をそれぞれＡ／Ｄ変換器２４１〜２４５で変換したものは、それぞれ、本発明の「音声のディジタル信号」に相当する。
ピッチ検出部２６、レベル検出部２７、ホルマント検出部２８が検出するピッチ、レベル、ホルマントは、それぞれ本発明の「音声特徴信号」に相当する。
呼気流信号３２をＡ／Ｄ変換器２５で変換したものは、本発明の「呼気流のディジタル信号」に相当する。
ディレイ３３１〜３３５による遅延は、本発明の「前記音声のディジタル信号の時間軸を制御」に相当する。
【００３０】
また、ｂｉｔ合成部２９、３０により合成されたディジタル時系列データを出力する入出力インターフェース９は、例えば、それぞれＬチャンネル、ＲチャンネルのＳＰＤＩＦ（Ｓｏｎｙ  Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）とすることができる。もちろん入出力インターフェースのフォーマットはこれに限らず様々な方法が考えられる。
【００３１】
次に、図３、図４に、合成信号３３、呼気流信号３２がディジタルデータに変換され、パソコンまたは解析装置３４に送られたデータの波形を具体的に示す。図３は、話者２１が「ｃｏｏｌ」と発音した場合の、音響マイク入力信号をディジタル上で合成した信号（図２のディジタルデータ３６によるもの。）の波形（図３（Ａ））、およびダイナミックスピーカＰ３からなる呼気流センサが出力した波形（図３（Ｂ））を示す。図４は、図３と同様、話者２１が「ｔｏｐ」と発音した場合を示す。図４（Ｂ）に示すように、ダイナミックスピーカＰ３からなる呼気流センサが出力した波形では、「ｐ」と発音した時の波形が揺れているのが観測できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施形態に係る学習マイクの外観図を示す。
【図２】学習マイクの電気的機能を表すブロック図を示す。
【図３】話者が、「ｃｏｏｌ」と発音した場合の音響マイク入力信号をディジタル上で加算した信号の波形およびダイナミックスピーカからなる呼気流センサが出力した波形を示す。
【図４】話者が、「ｔｏｐ」と発音した場合の音響マイク入力信号をディジタル上で加算した信号の波形およびダイナミックスピーカからなる呼気流センサが出力した波形を示す。
【符号の説明】
【００３３】
Ｐ１−音響マイク
Ｐ２−音響マイク
Ｐ３−ダイナミックスピーカ
１−学習マイク
２−外枠
３−三脚
４−支持材
５−ＳＰ固定材
６−中心線
７−本体背面部
８−ＤＳＰ内蔵部
９−入出力インターフェース
１０−音声収集面
２１−話者
２２−音声
２３−ＤＳＰ
２４１〜２４５−Ａ／Ｄ変換器
２５−Ａ／Ｄ変換器
２６−ピッチ検出部
２７−レベル検出部
２８−ホルマント検出部
２９−ｂｉｔ合成部
３０−ｂｉｔ合成部
３１１〜３１５−音声信号
３２−呼気流信号
３３１〜３３５−ディレイ
３４−パソコンまたは解析装置
３５−加算器
３６−加算されたディジタルデータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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