(57)【要約】【課題】音源の方向に指向性を持たせ、音源の方向に応じて検出感度を最適化する。【解決手段】マイクロフォンアレイ装置は、マイクロフォンアレイに集音用の第１の指向性を持たせる第１の遅延加算部（アンプ２−１〜２−８、遅延器３−１−１〜３−８−１、加算器４−１）と、音源探知用の第２の指向性を持たせる第２の遅延加算部（アンプ２−１〜２−８、遅延器３−１−２〜３−８−２、加算器４−２）と、音源探知用の第３の指向性を持たせる第３の遅延加算部（アンプ２−１〜２−８、遅延器３−１−３〜３−８−３、加算器４−３）と、第２の遅延加算部の出力と第３の遅延加算部の出力との差に基づいて音源の方向を検出し、遅延量を第１の遅延加算部、第２の遅延加算部、第３の遅延加算部の各々について決定する制御部９とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロフォンアレイを構成する配列された複数のマイクロフォンと、
各マイクロフォンの信号出力にそれぞれ遅延量を与えて加算する遅延加算処理を行うことにより前記マイクロフォンアレイに集音用の第１の指向性を持たせ、前記遅延加算処理の結果を音源から集音した音響信号として出力する第１の遅延加算部と、
各マイクロフォンの信号出力にそれぞれ遅延量を与えて加算する遅延加算処理を行うことにより前記マイクロフォンアレイに音源探知用の第２の指向性を持たせる第２の遅延加算部と、
各マイクロフォンの信号出力にそれぞれ遅延量を与えて加算する遅延加算処理を行うことにより前記マイクロフォンアレイに音源探知用の第３の指向性を持たせる第３の遅延加算部と、
前記第２の遅延加算部の出力と前記第３の遅延加算部の出力との差に基づいて、各マイクロフォンの信号出力に与える遅延量を前記第１の遅延加算部、前記第２の遅延加算部および前記第３の遅延加算部の各々について決定する制御部とを有し、
前記制御部は、前記第１の指向性が音源の方向を向くよう前記第１の遅延加算部の遅延量を設定し、前記第２の指向性の方向が前記第１の指向性と異なるよう前記第２の遅延加算部の遅延量を設定し、前記第３の指向性の方向が前記第１、第２の指向性と異なるよう前記第３の遅延加算部の遅延量を設定することを特徴とするマイクロフォンアレイ装置。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロフォンアレイ装置において、
前記制御部は、前記第１の指向性の方向に対して、前記第２の指向性と前記第３の指向性とが対称な方向になるよう設定することを特徴とするマイクロフォンアレイ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のマイクロフォンアレイ装置において、
さらに、前記第２の遅延加算部の出力と前記第３の遅延加算部の出力との差を正規化する正規化回路を有し、
前記制御部は、前記第２の遅延加算部の出力と前記第３の遅延加算部の出力との前記正規化された差に基づいて、各マイクロフォンの信号出力に与える遅延量を前記第１の遅延加算部、前記第２の遅延加算部および前記第３の遅延加算部の各々について決定することを特徴とするマイクロフォンアレイ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロフォンアレイ装置において、
さらに、前記第２の遅延加算部の出力と前記第３の遅延加算部の出力とからそれぞれ所定周波数帯域成分を取り出すバンドパスフィルタを有し、
前記制御部は、前記第２の遅延加算部の出力と前記第３の遅延加算部の出力とにおける前記所定周波数帯域成分の差に基づいて、各マイクロフォンの信号出力に与える遅延量を前記第１の遅延加算部、前記第２の遅延加算部および前記第３の遅延加算部の各々について決定することを特徴とするマイクロフォンアレイ装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマイクロフォンアレイ装置において、
さらに、前記第２の遅延加算部の出力と前記第３の遅延加算部の出力における無信号部分を検出する信号有無検出手段を有し、
前記制御部は、前記信号有無検出手段が信号が無い状態を検出したときには、音源探知を行わないことを特徴とするマイクロフォンアレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のマイクロフォンを並べたマイクロフォンアレイ装置に係り、特に音源の方向に指向性を持たせることができるマイクロフォンアレイ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複数のマイクロフォンで集音した音響信号にそれぞれ遅延を付加した後に総和をとることで指向性を制御するマイクロフォンアレイ装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。マイクロフォンアレイ装置によれば、目的とする音源の方向に鋭い指向性を実現することができる。ところで、このようなマイクロフォンアレイ装置では、通常、指向性を固定しているため、音源が移動すると、音源から集音できなくなる恐れがある。したがって、音源の位置を検出し、検出した位置に指向性を持たせることが望ましい。
【０００３】
従来、音源の位置を検出する構成として、特定帯域の音響信号のみに対して指向性を有する一対の指向性マイクロフォンを用い、この一対のマイクロフォンの出力レベルの差により音源の位置を検出する位置検知センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２１５８３３号公報
【非特許文献１】大賀寿郎他，「音響システムとディジタル処理」，電子情報通信学会編，１９９５年，ｐ．１８１−１８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された位置検知センサでは、一対の指向性マイクロフォンを用いるため、音源の位置により検出感度が変わってしまうという問題点があった。この検出感度の問題を解消するには、音源の方向に応じて指向性マイクロフォンの向きを変更する必要があった。
また、特許文献１に開示された位置検知センサを用いて、マイクロフォンアレイ装置の指向性を制御しようとすると、マイクロフォンアレイ装置のマイクロフォンの他に、音源位置検出用の指向性マイクロフォンが必要となり、装置構成が複雑になるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、音源の方向に指向性を持たせることができ、音源の方向に応じた検出感度の最適化が可能で、かつ構成を簡略化することができるマイクロフォンアレイ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のマイクロフォンアレイ装置は、マイクロフォンアレイを構成する配列された複数のマイクロフォンと、各マイクロフォンの信号出力にそれぞれ遅延量を与えて加算する遅延加算処理を行うことにより前記マイクロフォンアレイに集音用の第１の指向性を持たせ、前記遅延加算処理の結果を音源から集音した音響信号として出力する第１の遅延加算部と、各マイクロフォンの信号出力にそれぞれ遅延量を与えて加算する遅延加算処理を行うことにより前記マイクロフォンアレイに音源探知用の第２の指向性を持たせる第２の遅延加算部と、各マイクロフォンの信号出力にそれぞれ遅延量を与えて加算する遅延加算処理を行うことにより前記マイクロフォンアレイに音源探知用の第３の指向性を持たせる第３の遅延加算部と、前記第２の遅延加算部の出力と前記第３の遅延加算部の出力との差に基づいて、各マイクロフォンの信号出力に与える遅延量を前記第１の遅延加算部、前記第２の遅延加算部および前記第３の遅延加算部の各々について決定する制御部とを有し、前記制御部は、前記第１の指向性が音源の方向を向くよう前記第１の遅延加算部の遅延量を設定し、前記第２の指向性の方向が前記第１の指向性と異なるよう前記第２の遅延加算部の遅延量を設定し、前記第３の指向性の方向が前記第１、第２の指向性と異なるよう前記第３の遅延加算部の遅延量を設定するものである。
また、本発明のマイクロフォンアレイ装置の１構成例において、前記制御部は、前記第１の指向性の方向に対して、前記第２の指向性と前記第３の指向性とが対称な方向になるよう設定するものである。
また、本発明のマイクロフォンアレイ装置の１構成例は、さらに、前記第２の遅延加算部の出力と前記第３の遅延加算部の出力との差を正規化する正規化回路を有し、前記制御部は、前記第２の遅延加算部の出力と前記第３の遅延加算部の出力との前記正規化された差に基づいて、各マイクロフォンの信号出力に与える遅延量を前記第１の遅延加算部、前記第２の遅延加算部および前記第３の遅延加算部の各々について決定するものである。
また、本発明のマイクロフォンアレイ装置の１構成例は、さらに、前記第２の遅延加算部の出力と前記第３の遅延加算部の出力とからそれぞれ所定周波数帯域成分を取り出すバンドパスフィルタを有し、前記制御部は、前記第２の遅延加算部の出力と前記第３の遅延加算部の出力とにおける前記所定周波数帯域成分の差に基づいて、各マイクロフォンの信号出力に与える遅延量を前記第１の遅延加算部、前記第２の遅延加算部および前記第３の遅延加算部の各々について決定するものである。
また、本発明のマイクロフォンアレイ装置の１構成例は、さらに、前記第２の遅延加算部の出力と前記第３の遅延加算部の出力における無信号部分を検出する信号有無検出手段を有し、前記制御部は、前記信号有無検出手段が信号が無い状態を検出したときには、音源探知を行わないようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第２の遅延加算部の出力と第３の遅延加算部の出力との差によって音源の方向を検出して、この音源の方向に集音用の第１の指向性を持たせるようにしたので、音源が移動したとしても、音源から集音することができる。また、本発明では、音源の方向に応じて第１の指向性の方向を変更すると同時に、音源探知用の第２の指向性及び第３の指向性の方向も変更するため、音源の方向に応じた音源位置検出感度の最適化が可能である。さらに、本発明では、集音用のマイクロフォンアレイと音源探知用のマイクロフォンアレイとを共用しているので、装置構成を簡略化することができる。
【０００９】
また、本発明では、第２の遅延加算部の出力と第３の遅延加算部の出力との差を正規化する正規化回路を設けることにより、音量の変化による音源位置検出誤差を抑えることができる。
【００１０】
また、本発明では、第２の遅延加算部の出力と第３の遅延加算部の出力とからそれぞれ所定周波数帯域成分を取り出すバンドパスフィルタを設けることにより、音源探知用の第２の遅延加算部の出力と第３の遅延加算部の出力を特定の周波数帯域に限定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態となるマイクロフォンアレイ装置の構成を示すブロック図である。マイクロフォンアレイ装置は、マイクロフォンアレイを構成する配列された複数のマイクロフォン１（１−１，１−２，・・・，１−８）と、アンプ２（２−１，２−２，・・・，２−８）と、遅延器３（３−１−１，３−２−１，・・・，３−８−１，３−１−２，３−２−２，・・・，３−８−２，３−１−３，３−２−３，・・・，３−８−３）と、加算器４（４−１，４−２，４−３）と、信号形成回路５と、減算器６と、加算器７と、正規化回路８と、制御部９とを有する。
【００１２】
図２は、本実施の形態のマイクロフォンアレイ装置の動作の概念を示す図である。本実施の形態では、マイクロフォン１を８個１列に並べたマイクロフォンアレイを例にして説明する。マイクロフォンアレイ装置では、各マイクロフォン１から出力される音響信号に対して遅延器３により遅延を付加した後に、この遅延を付加した音響信号を加算器４で加算することにより、指向性を制御することが可能である。図２のＳｐｏｔ１は、音源からの音響信号を集音するために設定される空間上の位置である主焦点、Ｓｐｏｔ２，Ｓｐｏｔ３は音源の位置を探知するために設定される空間上の位置である探知用焦点である。
【００１３】
マイクロフォン１−１，１−２，・・・，１−８から出力される音響信号は、それぞれアンプ２−１，２−２，・・・，２−８で増幅され、遅延器３−１（３−１−１，３−１−２，３−１−３），３−２（３−２−１，３−２−２，３−２−３），・・・，３−８（３−８−１，３−８−２，３−８−３）により遅延が付加される。そして、遅延器３−１−１，３−２−１，・・・，３−８−１により遅延が付加された音響信号は、加算器４−１で加算され、主信号Ｏｕｔ１となる。
【００１４】
遅延器３−１−１，３−２−１，・・・，３−８−１に設定される遅延量は、主焦点Ｓｐｏｔ１から各マイクロフォン１−１，１−２，・・・，１−８に到達して集音される音響信号が加算器４−１による加算時点で同相となるように設定される。これにより、主焦点Ｓｐｏｔ１から各マイクロフォン１−１，１−２，・・・，１−８に到達する音響信号が強調される。
一方、主焦点Ｓｐｏｔ１とは異なる方向から到来する音響信号は、主焦点Ｓｐｏｔ１から到来する音響信号とは異なる時間差で集音されるので、各マイクロフォン１−１，１−２，・・・，１−８で集音された後に加算されても同相化されず、主焦点Ｓｐｏｔ１から到来する音響信号に比べて強調効果が小さい。以上の結果、主焦点Ｓｐｏｔ１の方向に対して感度が高い指向性が形成される。
【００１５】
次に、遅延器３−１−２，３−２−２，・・・，３−８−２により遅延が付加された音響信号は、加算器４−２で加算され、探知信号Ｏｕｔ２となる。遅延器３−１−２，３−２−２，・・・，３−８−２に設定される遅延量は、探知用焦点Ｓｐｏｔ２から各マイクロフォン１−１，１−２，・・・，１−８に到達して集音される音響信号が加算器４−２による加算時点で同相となるように設定される。探知用焦点Ｓｐｏｔ２の位置は、マイクロフォンアレイから主焦点Ｓｐｏｔ１に向かって右側に設定される。
【００１６】
一方、遅延器３−１−３，３−２−３，・・・，３−８−３により遅延が付加された音響信号は、加算器４−３で加算され、探知信号Ｏｕｔ３となる。遅延器３−１−３，３−２−３，・・・，３−８−３に設定される遅延量は、探知用焦点Ｓｐｏｔ３から各マイクロフォン１−１，１−２，・・・，１−８に到達して集音される音響信号が加算器４−３による加算時点で同相となるように設定される。探知用焦点Ｓｐｏｔ３の位置は、マイクロフォンアレイから主焦点Ｓｐｏｔ１に向かって左側に設定される。また、探知用焦点Ｓｐｏｔ２とＳｐｏｔ３は、マイクロフォンアレイの中点Ｃと主焦点Ｓｐｏｔ１とを結ぶ線分Ｌ１に対して線対称となるように設定される。すなわち、中点Ｃと探知用焦点Ｓｐｏｔ２とを結ぶ線分Ｌ２が線分Ｌ１となす角、及び中点Ｃと探知用焦点Ｓｐｏｔ３とを結ぶ線分Ｌ３が線分Ｌ１となす角は、共にθである。
【００１７】
マイクロフォンアレイと第１の遅延加算部（アンプ２−１，２−２，・・・，２−８、遅延器３−１−１，３−２−１，・・・，３−８−１及び加算器４−１）による指向特性を図３に示し、マイクロフォンアレイと第２の遅延加算部（アンプ２−１，２−２，・・・，２−８、遅延器３−１−２，３−２−２，・・・，３−８−２及び加算器４−２）による指向特性を図４に示し、マイクロフォンアレイと第３の遅延加算部（アンプ２−１，２−２，・・・，２−８、遅延器３−１−３，３−２−３，・・・，３−８−３及び加算器４−３）による指向特性を図５に示す。図３〜図５における横軸はｘ方向（マイクロフォンアレイの配列方向）の位置、縦軸は信号Ｏｕｔ１，Ｏｕｔ２，Ｏｕｔ３のレベルである。図３〜図５では、マイクロフォンアレイの中点Ｃの位置をｘ方向の０位置としている。
【００１８】
図３に示した指向特性によれば、音源が主焦点Ｓｐｏｔ１の方向にあるときに主信号Ｏｕｔ１は最も大きくなり、音源が左右どちらかに移動すると、主信号Ｏｕｔ１のレベルは減少する。これに対して、図４、図５に示すように、探知信号Ｏｕｔ２，Ｏｕｔ３は、音源が主焦点Ｓｐｏｔ１の方向にあるときは同レベルとなり、音源が負の方向（図２の左方向）に移動すると、探知信号Ｏｕｔ３が減少して探知信号Ｏｕｔ２が増大し、音源が正の方向（図２の右方向）に移動すると、探知信号Ｏｕｔ２が減少して探知信号Ｏｕｔ３が増大する。したがって、探知信号Ｏｕｔ２とＯｕｔ３のレベル差を検出することにより、音源の方向を検出することができる。
【００１９】
信号形成回路５は、探知信号Ｏｕｔ２とＯｕｔ３のレベル差を検出するために、探知信号Ｏｕｔ２とＯｕｔ３の各々の振幅を求める回路である。信号形成回路５の１構成例を図６に示す。信号形成回路５は、バンドパスフィルタ５０，５１と、エンベロープ検出回路５２，５３と、信号有無検出回路５４，５５と、サンプルホールド回路５６，５７とを有する。
【００２０】
バンドパスフィルタ５０は、探知信号Ｏｕｔ２のうち位置検出に使用する帯域の信号のみを通過させる。エンベロープ検出回路５２は、バンドパスフィルタ５０の出力信号の振幅を検出する。信号有無検出回路５４は、バンドパスフィルタ５０の信号出力の有無を検出する。この信号出力の有無は、例えばバンドパスフィルタ５０の出力が所定のしきい値以上か否かにより判断する。
【００２１】
サンプルホールド回路５６は、信号有無検出回路５４の検出結果に基づいて動作する。すなわち、サンプルホールド回路５６は、信号有無検出回路５４の検出結果が信号出力有りを示している場合は、エンベロープ検出回路５２からの信号をそのまま出力し、検出結果が信号出力有りから信号出力無しに変化した場合は、信号出力無しになる直前のエンベロープ検出回路５２の出力を保持する。そして、サンプルホールド回路５６は、信号有無検出回路５４の検出結果が信号出力無しから信号出力有りに変化するまで、この保持状態を維持する。こうして、探知信号Ｏｕｔ２のレベルを検出することができる。バンドパスフィルタ５１とエンベロープ検出回路５３と信号有無検出回路５５とサンプルホールド回路５７による探知信号Ｏｕｔ３のレベル検出も同様に行われる。
【００２２】
次に、減算器６は、信号形成回路５により検出された探知信号Ｏｕｔ２のレベルと探知信号Ｏｕｔ３のレベルとの差を求める。この減算器６の出力が音源の方向を示す音源位置信号となる。一方、加算器７は、信号形成回路５により検出された探知信号Ｏｕｔ２のレベルと探知信号Ｏｕｔ３のレベルとの和を求める。正規化回路８は、減算器６から出力された音源位置信号を加算器７の出力に基づいて正規化する。音源位置信号を正規化する理由は、音量の変化による音源位置検出誤差を抑えるためである。
【００２３】
制御部９は、正規化された音源位置信号に基づいて各遅延器３の遅延量を設定する。図４、図５で説明した指向特性により、音源が主焦点Ｓｐｏｔ１の方向にあるとき、音源位置信号の大きさはほぼ０となり、音源が左右どちらかに移動すると、音源位置信号の絶対値が増大する。したがって、音源位置信号の符号とその絶対値から、音源の方向を検出することができる。例えば、探知信号Ｏｕｔ２のレベルから探知信号Ｏｕｔ３のレベルを引いたとすると、音源が主焦点Ｓｐｏｔ１から負の方向に移動したとき、音源位置信号は正の値に変化し、音源が主焦点Ｓｐｏｔ１から正の方向に移動したとき、音源位置信号は負の値に変化する。
【００２４】
制御部９は、音源位置信号が示す音源の方向に主焦点Ｓｐｏｔ１が位置するように、遅延器３−１−１，３−２−１，・・・，３−８−１の遅延量を設定する。こうして、主焦点Ｓｐｏｔ１を、検出した音源の方向に移動させることができる。さらに、制御部９は、マイクロフォンアレイから移動後の主焦点Ｓｐｏｔ１に向かって右側に探知用焦点Ｓｐｏｔ２が位置するよう、遅延器３−１−２，３−２−２，・・・，３−８−２の遅延量を設定し、マイクロフォンアレイから移動後の主焦点Ｓｐｏｔ１に向かって左側に探知用焦点Ｓｐｏｔ３が位置するよう、遅延器３−１−３，３−２−３，・・・，３−８−３の遅延量を設定する。前述のとおり、探知用焦点Ｓｐｏｔ２とＳｐｏｔ３は、マイクロフォンアレイの中点Ｃと主焦点Ｓｐｏｔ１とを結ぶ線分Ｌ１に対して線対称となるように設定される。
【００２５】
以上のように、本実施の形態では、探知信号Ｏｕｔ２のレベルと探知信号Ｏｕｔ３のレベルとの差に基づいて音源の方向を検出して、この音源の方向に集音用の第１の指向性を持たせるようにしたので、音源が移動したとしても、音源から集音することができる。また、本実施の形態では、音源の方向に応じて第１の指向性（主焦点Ｓｐｏｔ１）の方向を変更すると同時に、音源探知用の第２の指向性（探知用焦点Ｓｐｏｔ２）及び第３の指向性（探知用焦点Ｓｐｏｔ３）の方向も変更するため、音源の方向に応じた音源位置検出感度の最適化が可能である。したがって、従来の位置検知センサのように、音源の方向に応じて指向性マイクロフォンの向きを変更する必要はない。さらに、本実施の形態では、集音用のマイクロフォンアレイと音源探知用のマイクロフォンアレイとを共用しているので、音源探知用のマイクロフォンを別に設ける必要がなく、装置構成を簡略化することができる。
【００２６】
なお、制御部９は、信号有無検出回路５４と信号有無検出回路５５の少なくともいずれか一方の検出結果が信号出力無しを示している場合は、音源探知を行わない。その理由は、無信号時に音源探知を行うと、誤った方向に指向性を向けてしまう可能性があるからである。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、複数のマイクロフォンを並べたマイクロフォンアレイ装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態となるマイクロフォンアレイ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のマイクロフォンアレイ装置の動作の概念を示す図である。
【図３】マイクロフォンアレイと第１の遅延加算部による指向特性を示す図である。
【図４】マイクロフォンアレイと第２の遅延加算部による指向特性を示す図である。
【図５】マイクロフォンアレイと第３の遅延加算部による指向特性を示す図である。
【図６】図１のマイクロフォンアレイ装置における信号形成回路の１構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…マイクロフォン、２…アンプ、３…遅延器、４、７…加算器、５…信号形成回路、６…減算器、８…正規化回路、９…制御部、５０、５１…バンドパスフィルタ、５２、５３…エンベロープ検出回路、５４、５５…信号有無検出回路、５６、５７…サンプルホールド回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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