(57)【要約】【課題】双指向性マイクロホンを使用することなく、単一指向性マイクロホンのみを直交して組み合わせることで、所望の収音を正確に実現することができ、精度の高い指向性ビームを形成する。【解決手段】単一指向性マイクロホン群２は、２次の球面調和関数で表される２次元アンビソニックスの収音を実現するためのD1(θ,φ)〜D5(θ,φ)で表される指向性が、d1(θ,φ)〜d4(θ,φ)で表される単一指向性マイクロホンの指向性を組み合わせることで実現できるように、ＸＹＺ軸で表される空間上のそれぞれの軸方向に、合計８個の単一指向性マイクロホンＳ１〜Ｓ８を直交配置して構成される。デジタルフィルタ３は、単一指向性マイクロホン群２からの信号に対し、例えば最小二乗法にて設計された所定のフィルタ係数を用いて、指向性合成フィルタマトリクスのフィルタ処理を行う。【選択図】図１０
2019021971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次の球面調和関数で表される指向性で収音した信号を出力する収音装置において、
ＸＹＺ軸で表される空間上の所定位置に、複数の単一指向性マイクロホンを配置した収音部を備え、
前記複数の単一指向性マイクロホンは、
Ｘ軸のプラス方向に指向性を有する２個の単一指向性マイクロホン、Ｘ軸のマイナス方向に指向性を有する２個の単一指向性マイクロホン、Ｙ軸のプラス方向に指向性を有する１個の単一指向性マイクロホン、Ｙ軸のマイナス方向に指向性を有する１個の単一指向性マイクロホン、Ｚ軸のプラス方向に指向性を有する１個の単一指向性マイクロホン、及びＺ軸のマイナス方向に指向性を有する１個の単一指向性マイクロホンからなる、ことを特徴とする収音装置。
【請求項２】
請求項１に記載の収音装置において、
前記収音部に配置された前記複数の単一指向性マイクロホンにより収音された複数の信号を入力し、当該複数の信号を合成し、２次の球面調和関数で表される２次元アンビソニックスの収音を実現するための指向性を有する所定数の信号を生成して出力する信号処理部を備えたことを特徴とする収音装置。
【請求項３】
請求項２に記載の収音装置において、
前記信号処理部は、
前記複数の信号に対し、所定のフィルタ係数を用いたフィルタ処理を行い、前記所定数の信号を生成して出力し、
前記所定のフィルタ係数は、
前記フィルタ処理により生成される前記所定数の信号が、２次の球面調和関数で表される２次元アンビソニックスの収音を実現するための指向性を反映した目標特性となるように設計された係数とする、ことを特徴とする収音装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の収音装置において、
θを、Ｘ軸を基準とした方位角とし、φを、Ｚ軸を基準とした天頂角とし、ｋを定数とした場合に、
前記信号処理部により生成され出力される所定数の信号は５つの信号であり、それぞれの指向性は、以下の数式：
D1(θ,φ) = k
D2(θ,φ) = k cos(θ) sin(φ)
D3(θ,φ) = k sin(θ) sin(φ)
D4(θ,φ) = k cos(2θ) sin2(φ)
D5(θ,φ) = k sin(2θ) sin2(φ)
で表される、ことを特徴とする収音装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ある音場に設置されたマイクロホンアレーを用いて周囲の音響信号を収音し、複数のスピーカを用いて音場を再現する技術に関し、特に、複数の単一指向性マイクロホンを配置することにより、所望の指向性出力を得る収音装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロホンアレーを用いて周囲全体の音響信号を収音し、複数のスピーカが設置された環境で遠隔地の音場を仮想的に再現するアンビソニックス（Ambisonics）の技術が知られている（例えば非特許文献１，２を参照）。
【０００３】
アンビソニックスの技術は、収音側と再生側とに分けることができ、収音側のみに着目すると、マイクロホンアレーを用いて収音した複数の音響信号を合成することで、任意の方向に鋭指向性を形成するビームフォーミング技術と捉えることもできる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｅ．Ｇ．ウィリアムズ著，吉川茂，西條献児訳，「フーリエ音響学  音の放射と近距離場音響ホログラフィの基礎」，シュプリンガー・フェアラーク東京株式会社，２００５年９月２５日
【非特許文献２】羽田陽一，その他，「球調和関数展開に基づく多重極音源を用いた指向性合成」，日本音響学会誌，69巻11号（2013），pp.577-588
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アンビソニックスにおける収音技術は、原理的には、マイクロホンアレーの周囲音場の球面調和関数展開に基づく指向性合成技術である。この収音技術では、同軸上に配置された、複数次数の球面調和関数で表される指向性を持つマイクロホンからの出力の線形和により、任意方向の鋭指向性を得ることができる。球面調和関数の次数と指向性とは、次数が大きくなるほど、指向性が鋭くなるという関係にある。
【０００６】
０次及び１次の球面調和関数で表される指向性は、それぞれ全指向性マイクロホン及び双指向性マイクロホンとして単体のマイクロホンにより実現可能である。しかし、それ以上の次数の球面調和関数で表される指向性は、単体のマイクロホンにより実現することができない。したがって、その原理どおりに収音するマイクロホンとして市販されているものは、例えば「Soundfield SPS200」に代表される１次のアンビソニックスに基づくもののみである。
【０００７】
また、より高次のアンビソニックスによる収音を行う場合には、剛体球の散乱音場が球面調和関数の線形和で表されることを根拠とし、剛体球バフル面にマイクロホン素子を取り付けたマイクロホンアレー出力に信号処理を施すものが一般的である。しかし、マイクロホン素子の設置間隔によっては空間エイリアジングの影響により、可聴周波数範囲全体にわたる信号処理が困難になる。すなわち、可聴周波数範囲全体にわたってこの影響を回避するためには非常に小さな球上に密にマイクロホンを設置する必要があり、実装が困難になる場合がある。
【０００８】
前述の非特許文献１には、球面調和関数で表される指向性と多重極子により形成される指向性との間の関連が記載されている。球面調和関数で表される指向性は、多重極子により形成される指向性と完全に同一ではないが、非常に近い性質を持つ。少なくとも、２次の２次元アンビソニックスで必要となる指向性に限れば、２次の球面調和関数で表される指向性と多重極子により形成される指向性とは、その形状が一致する。
【０００９】
多重極子は、座標系の原点の近傍に配置された正または負の極性を持つ単極子（全指向性マイクロホン）の出力の和で実現することができる。
【００１０】
双指向性マイクロホンは、前後に正負の極性を持つ単極をマイクロホンのダイアフラムを用いて物理的に実現したものであり、双極子と捉えることができる。また、単一指向性マイクロホンは、単極子と双極子との合成として考えることができ、一般的な単一指向性マイクロホンは、単極子と双極子との和を機械的に実現している。このため、単一指向性マイクロホンの組み合わせによっても、単極子または双極子を表すことが可能である。
【００１１】
より高次の多重極子についても、近傍に配置された単極子、双極子及びこれらの線形和で表すことができ、すなわち近傍に配置された全指向性マイクロホン、双指向性マイクロホン及び単一指向性マイクロホンの出力の線形和で表すことができる。
【００１２】
このように、全指向性マイクロホン、双指向性マイクロホン及び単一指向性マイクロホンを近接して配置することにより、高次のアンビソニックスの収音を実現することができる。
【００１３】
しかしながら、双指向性マイクロホンは、低域の感度が低下するという問題がある。このため、双指向性マイクロホンを使用することなく、高次のアンビソニックスの収音を実現することが所望される。また、複数のマイクロホンを近接して配置する必要があるため、各マイクロホンの感度方向にその他のマイクロホンを配置してしまうと、遮蔽の影響により所望の指向性が得られなくなるという問題もある。したがって、各マイクロホンが不感となる方向に互いのマイクロホンを配置する必要がある。
【００１４】
前述のとおり、剛体球バフル面にマイクロホン素子を取り付けたマイクロホンアレー出力に信号処理を施すことにより、高次のアンビソニックスの収音を実現することができる。しかし、球面上に、波長に対して十分に狭い間隔でマイクロホンを取り付ける必要があるため、実装が困難になるという問題がある。
【００１５】
そこで、本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、単一指向性マイクロホンのみを直交して組み合わせることで、２次の２次元アンビソニックスに必要な指向性を実現し、精度の高い指向性ビームを形成可能な収音装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題を解決するために、請求項１の収音装置は、２次の球面調和関数で表される指向性で収音した信号を出力する収音装置において、ＸＹＺ軸で表される空間上の所定位置に、複数の単一指向性マイクロホンを配置した収音部を備え、前記複数の単一指向性マイクロホンが、Ｘ軸のプラス方向に指向性を有する２個の単一指向性マイクロホン、Ｘ軸のマイナス方向に指向性を有する２個の単一指向性マイクロホン、Ｙ軸のプラス方向に指向性を有する１個の単一指向性マイクロホン、Ｙ軸のマイナス方向に指向性を有する１個の単一指向性マイクロホン、Ｚ軸のプラス方向に指向性を有する１個の単一指向性マイクロホン、及びＺ軸のマイナス方向に指向性を有する１個の単一指向性マイクロホンからなる、ことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項２の収音装置は、請求項１に記載の収音装置において、前記収音部に配置された前記複数の単一指向性マイクロホンにより収音された複数の信号を入力し、当該複数の信号を合成し、２次の球面調和関数で表される２次元アンビソニックスの収音を実現するための指向性を有する所定数の信号を生成して出力する信号処理部を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項３の収音装置は、請求項２に記載の収音装置において、前記信号処理部が、前記複数の信号に対し、所定のフィルタ係数を用いたフィルタ処理を行い、前記所定数の信号を生成して出力し、前記所定のフィルタ係数を、前記フィルタ処理により生成される前記所定数の信号が、２次の球面調和関数で表される２次元アンビソニックスの収音を実現するための指向性を反映した目標特性となるように設計された係数とする、ことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項４の収音装置は、請求項２または３に記載の収音装置において、θを、Ｘ軸を基準とした方位角とし、φを、Ｚ軸を基準とした天頂角とし、ｋを定数とした場合に、前記信号処理部により生成され出力される所定数の信号が５つの信号であり、それぞれの指向性が、以下の数式：
D1(θ,φ) = k
D2(θ,φ) = k cos(θ) sin(φ)
D3(θ,φ) = k sin(θ) sin(φ)
D4(θ,φ) = k cos(2θ) sin2(φ)
D5(θ,φ) = k sin(2θ) sin2(φ)
で表される、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明によれば、全指向性マイクロホンと双指向性マイクロホンを使用することなく、単一指向性マイクロホンのみを直交して組み合わせることで、所望の収音を正確に実現することができ、精度の高い指向性ビームを形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】D1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)で表される指向性を示す図である。
【図２】d1(θ,φ)、d2(θ,φ)、d3(θ,φ)、d4(θ,φ)で表される単一指向性マイクロホンの平面の指向性を示す図である。
【図３】D5(θ,φ)の指向性を双極子で表した場合の図である。
【図４】D5(θ,φ)の指向性を単一指向性素子で表した場合の図である。
【図５】D4(θ,φ)の指向性を双極子で表した場合の図である。
【図６】D4(θ,φ)を表す数式の第一項の指向性を示す図である。
【図７】D4(θ,φ)を表す数式の第一項の指向性を双極子で表した場合の図である。
【図８】D4(θ,φ)を表す数式の第三項の指向性を示す図である。
【図９】D4(θ,φ)を表す数式の第三項の指向性を双極子で表した場合の図である。
【図１０】D1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)の指向性を複数の単一指向性マイクロホンで表した場合の配置を示す図である。
【図１１】デジタルフィルタを説明する図である。
【図１２】収音装置の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて詳細に説明する。指向性が２次の球面調和関数で表される２次元アンビソニックスの収音を実現するためには、以下のD1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)で表される指向性を持つ受音素子を同軸上に配置し、これらの受音素子の出力信号にそれぞれの重みを乗算し、これらの乗算結果を加算する必要がある。θは方位角であり、φは天頂角である。ＸＹＺ軸で表される空間において、方位角θはＸ軸を基準とした角度とし、天頂角φは、Ｚ軸を基準とした角度とする。
【００２３】
単極子（全指向性マイクロホン）の指向性：D1(θ,φ) = k  （kは定数）
双極子（双指向性マイクロホン）の指向性：D2(θ,φ) = k cos(θ) sin(φ)
D3(θ,φ) = k sin(θ) sin(φ)
４重極子の指向性：D4(θ,φ) = k cos(2θ) sin2(φ)
D5(θ,φ) = k sin(2θ) sin2(φ)
【００２４】
図１は、D1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)で表される指向性を示す図である。（１）は、D1(θ,φ)で表される単極子の指向性を示し、（２）は、D2(θ,φ)で表される双極子の指向性を示し、（３）は、D3(θ,φ)で表される双極子の指向性を示す。（４）は、D4(θ,φ)で表される４重極子の指向性を示し、（５）は、D5(θ,φ)で表される４重極子の指向性を示す。
【００２５】
一方で、方向をθ＝0°，90°，180°，270°，φ＝0°，180°とした単一指向性マイクロホンの指向性は、それぞれ以下の式で表すことができる。
d1(θ,φ) = k(1+cos(θ) sin(φ))
d2(θ,φ) = k(1+cos(θ-90) sin(φ)) = k(1+sin(θ) sin(φ))
d3(θ,φ) = k(1+cos(θ-180) sin(φ)) = k(1-cos(θ) sin(φ))
d4(θ,φ) = k(1+cos(θ-270) sin(φ)) = k(1-sin(θ) sin(φ))
d5(θ,φ) = k(1+cos(φ))
d6(θ,φ) = k(1+cos(φ-180)) = k(1-cos(φ))
【００２６】
図２は、d1(θ,φ)、d2(θ,φ)、d3(θ,φ)、d4(θ,φ)で表される単一指向性マイクロホンの平面（ＸＹＺ軸で表される空間上のＸＹ平面）の指向性を示す図であり、φ＝90°，k＝0.5の場合を示している。図２に示すように、d1(θ,φ)の指向性はθ＝0°の方向（Ｘ軸のプラス方向）、d2(θ,φ)の指向性はθ＝90°の方向（Ｙ軸のプラス方向）をそれぞれ向いている。d3(θ,φ)の指向性はθ＝180°の方向（Ｘ軸のマイナス方向）、d4(θ,φ)の指向性はθ＝270°の方向（Ｙ軸のマイナス方向）へそれぞれ向いている。
【００２７】
以下、２次の球面調和関数で表される２次元アンビソニックスの収音を実現するためのD1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)で表される指向性は、d1(θ,φ)、d2(θ,φ)、d3(θ,φ)、d4(θ,φ)、d5(θ,φ)、d6(θ,φ)で表されるそれぞれの単一指向性マイクロホンの指向性を組み合わせることで実現されることを説明する。
【００２８】
（D1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)の指向性）
波長に対して十分に近接して配置された単一指向性マイクロホンの出力を、以下の通り加減算及び乗算（除算）することにより、単極子及び双極子の指向性を得ることができる。
D1(θ,φ) = {d1(θ,φ)+d2(θ,φ)+d3(θ,φ)+d4(θ,φ)}/4 = k
D2(θ,φ) = {d1(θ,φ)-d3(θ,φ)}/2 = k cos(θ) sin(φ)
D3(θ,φ) = {d2(θ,φ)-d4(θ,φ)}/2 = k sin(θ) sin(φ)
【００２９】
このように、D1(θ,φ)で表される指向性は、d1(θ,φ)、d2(θ,φ)、d3(θ,φ)及びd4(θ,φ)で表されるそれぞれの単一指向性マイクロホンの指向性を組み合わせることで実現される。また、D2(θ,φ)で表される指向性は、d1(θ,φ)及びd3(θ,φ)で表されるそれぞれの単一指向性マイクロホンの指向性を組み合わせることで実現される。さらに、D3(θ,φ)で表される指向性は、d2(θ,φ)及びd4(θ,φ)で表されるそれぞれの単一指向性マイクロホンの指向性を組み合わせることで実現される。
【００３０】
（D5(θ,φ)の指向性）
前述の非特許文献２に記載されているように、D5(θ,φ)で表される指向性は、図３に示すように、Ｘ軸に沿って、極性の異なる２つの双極子を平行かつ対向（Ｘ軸を介して対向）して配置し、その出力を加算することで得ることができる。
【００３１】
ここで、D5(θ,φ)で表される指向性を単一指向性素子のみで実現することを想定すると、この指向性は、図４に示すように、Ｘ軸に沿って、指向性方向の異なる単一指向性素子の組を、２つ平行かつ対向して配置することで得ることができる。すなわち、D5(θ,φ)で表される指向性は、θ＝0°の方向（Ｘ軸のプラス方向）の指向性を持つd1(θ,φ)で表される単一指向性マイクロホンと、θ＝180°の方向（Ｘ軸のマイナス方向）の指向性を持つd3(θ,φ)で表される単一指向性マイクロホンとを１組として、指向性方向が同じ２組を、Ｘ軸方向に平行かつ対向（Ｘ軸を介して対向）して配置することで得ることができる。
【００３２】
このように、D5(θ,φ)で表される指向性は、d1(θ,φ)、d3(θ,φ)で表されるそれぞれの単一指向性マイクロホンの指向性を組み合わせることで実現される。
【００３３】
（D4(θ,φ)の指向性）
D4(θ,φ)で表される指向性は、D5(θ,φ)で表される指向性を形成するための２つの双極子の並びに対し（図３を参照）、図５に示すように、軸方向に４５°傾けた２つの極性の異なる双極子を配置し、その出力を加算することで得ることができる。
D4(θ,φ) = k cos(2θ) sin2(φ) = k sin(2θ-90) sin2(φ) = k sin(2(θ-45))  sin2(φ)
= D5(θ-45,φ)
【００３４】
前述のとおり、D5(θ,φ)で表される指向性は、図３に示したとおり、２つの双極子を配置することで得ることができる。
【００３５】
これに対し、D4(θ,φ)で表される指向性は、図５に示したとおり、D5(θ,φ)で表される指向性を４５°傾ける必要がある。このため、D4(θ,φ)で表される指向性は、d1(θ,φ)で表される単一指向性マイクロホンと、d3(θ,φ)で表される単一指向性マイクロホンとを１組として、指向性方向が同じ２組を、ＸＹ軸に対して４５°傾けて平行かつ対向して配置することで得ることができる。
【００３６】
しかしながら、前述のD1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D5(θ,φ)で表される指向性は、d1(θ,φ)、d2(θ,φ)、d3(θ,φ)、d4(θ,φ)で表される単一指向性マイクロホンの出力を加減算及び乗算（除算）することにより得ることができ、これらの単一指向性マイクロホンの指向性は、直交した軸方向のいずれかを向いている。
【００３７】
したがって、D4(θ,φ)で表される指向性を実現するために、軸に対し４５°傾けて単一指向性マイクロホンを追加するのは、実装上好ましくない。これは、軸に対し４５°傾けた単一指向性マイクロホンを追加すると、収音装置全体としてその配置が困難となり、サイズが大きくなることに加え、ある単一指向性の感度方向にその他のマイクロホンを配置する必要があり、それにより所望の指向性収音が困難になる恐れがあるからである。
【００３８】
そこで、D4(θ,φ)の指向性を表す数式を以下のように変形する。これにより、D4(θ,φ)で表される指向性は、単一指向性マイクロホンを軸方向に配置することで得られることを示す。
D4(θ,φ) = k cos(2θ) sin2(φ)
= k(2cos2(θ) sin2(φ) - sin2(φ))
= k(2cos2(θ) sin2(φ) - 1 + cos2(φ))
【００３９】
＜D4(θ,φ)の第一項＞
D4(θ,φ)の数式における第一項の指向性は、図６のとおりである。非特許文献２によれば、これは図７に示すように、極性の異なる２つの双極子を、Ｘ軸上の前後方向（プラス及びマイナス方向）に直列に並べて配置し、これらの出力を加算することで得ることができる。また、図７に示した２つの双極子（第１の双極子ａ及び第２の双極子ｂ）による第一項の指向性は、以下の数式のとおり、d1(θ,φ)、d2(θ,φ)、d3(θ,φ)、d4(θ,φ)の指向性の出力を加減算及び乗算（除算）することで得ることができる。
【００４０】
第１の双極子ａの指向性：k cos(θ) sin(φ)
= d1(θ,φ) - k 
= {3d1(θ,φ) - d2(θ,φ) - d3(θ,φ) - d4(θ,φ)}/4
第２の双極子ｂの指向性：-k cos(θ) sin(φ)
= d3(θ,φ) - k
= {-d1(θ,φ) - d2(θ,φ) + 3d3(θ,φ) - d4(θ,φ)}/4
【００４１】
したがって、D4(θ,φ)の数式における第一項の指向性は、第１の双極子及び第２の双極子の出力を加算することで得ることができる。つまり、この指向性は、d1(θ,φ)、d2(θ,φ)、d3(θ,φ)、d4(θ,φ)で表されるそれぞれの単一指向性マイクロホンの指向性を組み合わせることで実現される。
【００４２】
＜D4(θ,φ)の第二項＞
D4(θ,φ)の数式における第二項は、単極子であることを示している。前述のとおり、D1(θ,φ)＝ｋであり、D1(θ,φ)で表される指向性は、d1(θ,φ)、d2(θ,φ)、d3(θ,φ)、d4(θ,φ)で表される単一指向性マイクロホンの指向性を組み合わせることで実現される。
【００４３】
つまり、D4(θ,φ)の数式における第二項の指向性は、d1(θ,φ)、d2(θ,φ)、d3(θ,φ)、d4(θ,φ)で表されるそれぞれの単一指向性マイクロホンの指向性を組み合わせることで実現される。
【００４４】
（D4(θ,φ)の第三項）
D4(θ,φ)の数式における第三項の指向性は、図８のとおりである。非特許文献２によれば、これは図９に示すように、極性の異なる２つの双極子を、Ｚ軸上の前後方向（プラス及びマイナス方向）に直列に並べて配置し、これらの出力を加算することで得ることができる。また、図９に示した２つの双極子による第三項の指向性は、前述と同様の説明にて、d5(θ,φ)、d6(θ,φ) の出力から得ることができる。
【００４５】
つまり、D4(θ,φ)の数式における第三項の指向性は、d5(θ,φ)、d6(θ,φ)で表されるそれぞれの単一指向性マイクロホンの指向性を組み合わせることで実現される。
【００４６】
このように、２次の球面調和関数で表される２次元アンビソニックスの収音を実現するためのD1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)で表される指向性は、d1(θ,φ)、d2(θ,φ)、d3(θ,φ)、d4(θ,φ)、d5(θ,φ)、d6(θ,φ)で表されるそれぞれの単一指向性マイクロホンの指向性を組み合わせることで実現される。
【００４７】
〔単一指向性マイクロホンの配置〕
図１０は、D1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)の指向性を複数の単一指向性マイクロホンで表した場合の配置を示す図である。図１０に示すように、D1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)で表される指向性は、ＸＹＺ軸で表される空間上に、８個の単一指向性マイクロホンＳ１〜Ｓ８からなる単一指向性マイクロホン群２を、それぞれが直交する所定位置に近接して配置することで得ることができる。
【００４８】
具体的には、この指向性は、軸上の前後方向（プラス及びマイナス方向）に配置した１対の素子を、Ｘ軸方向に平行かつ対向（Ｘ軸を介して対向）して２組（単一指向性マイクロホンＳ１，Ｓ２及び単一指向性マイクロホンＳ３，Ｓ４）、Ｙ軸上に１組（単一指向性マイクロホンＳ５，Ｓ６）、及びＺ軸上に１組（単一指向性マイクロホンＳ７，Ｓ８）それぞれ配置し、合計８個の単一指向性マイクロホンＳ１〜Ｓ８の出力を加減算及び乗算（除算）することにより得ることができる。
【００４９】
図１０及び図２を参照して、単一指向性マイクロホンＳ１，Ｓ３は、Ｘ軸のプラス方向の指向性、すなわち、方向をθ＝0°としたd1(θ,φ)で表される指向性を有し、単一指向性マイクロホンＳ２，Ｓ４は、Ｘ軸のマイナス方向の指向性、すなわち、方向をθ＝180°としたd3(θ,φ)で表される指向性を有する。また、単一指向性マイクロホンＳ５は、Ｙ軸のプラス方向の指向性、すなわち、方向をθ＝90°としたd2(θ,φ)で表される指向性を有し、単一指向性マイクロホンＳ６は、Ｙ軸のマイナス方向の指向性、すなわち、方向をθ＝270°としたd4(θ,φ)で表される指向性を有する。
【００５０】
また、単一指向性マイクロホンＳ７は、Ｚ軸のプラス方向の指向性、すなわち、方向をφ＝0°としたd5(θ,φ)で表される指向性を有し、単一指向性マイクロホンＳ８は、Ｚ軸のマイナス方向の指向性、すなわち、方向をφ＝180°としたd6(θ,φ)で表される指向性を有する。
【００５１】
このように、単一指向性マイクロホンＳ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６によりD1(θ,φ)の指向性が得られ、単一指向性マイクロホンＳ１，Ｓ２によりD2(θ,φ)の指向性が得られ、単一指向性マイクロホンＳ５，Ｓ６によりD3(θ,φ)の指向性が得られる。また、単一指向性マイクロホンＳ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６によりD4(θ,φ)の数式の第一項及び第二項の指向性が得られ、単一指向性マイクロホンＳ７，Ｓ８によりD4(θ,φ)の数式の第三項の指向性が得られる。さらに、単一指向性マイクロホンＳ１〜Ｓ４によりD5(θ,φ)の指向性が得られる。
【００５２】
これにより、軸方向に対して４５°傾けた単一指向性マイクロホンを配置することなく、２次の球面調和関数で表される２次元アンビソニックスの収音を実現するD1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)の指向性を得ることができる。
【００５３】
〔デジタルフィルタ〕
前述のとおり、指向性が２次の球面調和関数で表される２次元アンビソニックスの収音を実現するためには、D1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)で表される指向性を持つ受音素子を同軸上に配置する必要がある。これは、アンビソニックスの理論によるものである。
【００５４】
多重極子を用いて球面調和関数で表される指向性を形成する場合、複数の単一指向性マイクロホンを、波長に比べて短い距離で近接して配置する必要がある。このため、対象周波数が高くなるほど、単一指向性マイクロホン間の距離の影響だけでなく、それぞれの反射及び回折の影響が無視できなくなる。また、単一指向性マイクロホンにおける感度の誤差の影響があり、さらには、本来同軸上に配置されるべき単一指向性マイクロホンが非同軸に配置されていることの配置誤差の影響もある。このような影響によって、指向性の精度が低下する可能性がある。
【００５５】
そこで、本発明の実施形態では、デジタルフィルタを用いて、単一指向性マイクロホンＳ１〜Ｓ８の特性を校正する。
【００５６】
図１１は、デジタルフィルタを説明する図である。このデジタルフィルタ３は、図１０に示した単一指向性マイクロホン群２から８つの信号g1(θ,φ)〜g8(θ,φ)を入力する。g1(θ,φ)〜g8(θ,φ)は、それぞれ単一指向性マイクロホンＳ１〜Ｓ８から出力された信号である。そして、デジタルフィルタ３は、８つの信号g1(θ,φ)〜g8(θ,φ)に基づいて、指向性合成フィルタマトリクスのフィルタ処理を行い、所望の指向性を有する信号、すなわちD1(θ,φ)〜D5(θ,φ)で表される指向性により収音された信号を生成し、これらの５つの信号を出力する。
【００５７】
このデジタルフィルタ３は、入力信号を、g1(θ,φ)〜g8(θ,φ)で表される指向性の８つの信号とし、出力信号を、D1(θ,φ)〜D5(θ,φ)で表される指向性の５つの信号として、以下の手法にて設計される。
【００５８】
図１０に示したように配置された８つの単一指向性マイクロホンＳ１〜Ｓ８から出力されるθ，φ方向の信号の伝達関数をそれぞれＧ1(θ,φ,ω)〜Ｇ8(θ,φ,ω)とする。デジタルフィルタ３に入力されるθi（ｉ＝１，２，・・・，Ｉ）、φｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）方向の音源からの伝達関数行列Ｇ（ω）を以下とする。
2019021971.tif 000003
ここで、Ｇ（φｍ,ω）は以下であるとする。また、ωは周波数を表す。
2019021971.tif 000004
【００５９】
また、デジタルフィルタ３における８×５＝４０個のフィルタ係数の伝達関数をそれぞれw11（ω）〜w58（ω）とし、デジタルフィルタ３の伝達関数行列Ｗ（ω）を以下とする。
2019021971.tif 000005
【００６０】
これにより、デジタルフィルタ３から出力されるθi（ｉ＝１，２，・・・，Ｉ）、φｍ（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）方向の出力信号行列Ｙ（ω）は、以下の数式であるとする。
2019021971.tif 000006
Ｙ（φm,ω）は以下であるとする。
2019021971.tif 000007
yｎ(θi,φm，ω)（ｉ＝１，２，・・・，I、m＝１，２，・・・，Ｍ、ｎ＝１，２，・・・，５）は、ｎ番目の出力におけるθi，φｍ方向からの伝達関数である。
さらに、Ｙ（ω）は以下の式で表すことができる。
2019021971.tif 000008
【００６１】
デジタルフィルタ３の伝達関数行列Ｗ（ω）は、出力信号Ｙ（ω）が以下の目標特性Ｄ（ω）となるように設計される。
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ここで、Ｄ（φｍ,ω）は以下であるとする。
2019021971.tif 000010
【００６２】
この目標特性Ｄ（ω）の伝達関数行列において、
2019021971.tif 000011
は、周波数領域でのΔサンプルの遅延を、ｊは虚数単位を表している。
【００６３】
最小二乗法を用いてデジタルフィルタ３を設計する場合、出力信号Ｙ（ω）と目標特性Ｄ（ω）との間の２乗誤差を最小とするデジタルフィルタ３の伝達関数行列Ｗ（ω）は、以下の数式で表すことができる。
2019021971.tif 000012
Ｈは行列のエルミート転置を表す。
【００６４】
尚、最小二乗法を用いてデジタルフィルタ３を設計する例を示したが、フィルタ設計には様々な手法があり、どのような手法を用いてもよい。
【００６５】
〔収音装置〕
次に、本発明の実施形態による収音装置について説明する。図１２は、収音装置１の構成例を示すブロック図である。この収音装置１は、収音部４及び信号処理部５を備えている。図１２には、本発明に直接関連する構成部のみを示しており、直接関連しない構成部（例えばＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部、信号増幅部）は省略してある。
【００６６】
収音部４は、図１０に示した単一指向性マイクロホン群２を備え、単一指向性マイクロホン群２を構成する単一指向性マイクロホンＳ１〜Ｓ８にて収音し、g1(θ,φ)〜g8(θ,φ)で表される指向性の音響信号を出力する。
【００６７】
信号処理部５は、収音部４から、g1(θ,φ)〜g8(θ,φ)で表される指向性の音響信号を入力し、これらの音響信号を合成することで、D1(θ,φ)〜D5(θ,φ)で表される指向性の音響信号を生成して出力する。
【００６８】
具体的には、信号処理部５は、図１１に示したデジタルフィルタ３を備え、g1(θ,φ)〜g8(θ,φ)で表される指向性の音響信号に対し、デジタルフィルタ３の予め設定されたフィルタ係数を用いて、指向性合成フィルタマトリクスのフィルタ処理を行う。そして、信号処理部５は、D1(θ,φ)〜D5(θ,φ)で表される指向性の音響信号を生成して出力する。
【００６９】
デジタルフィルタ３のフィルタ係数は、前述のとおり、デジタルフィルタ３の出力信号Ｙ（ω）が、D1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)で表される指向性を反映した目標特性Ｄ（ω）となるように、例えば最小二乗法にて設計される。
【００７０】
尚、信号処理部５のハードウェア構成としては、通常のコンピュータを使用することができ、信号処理部５の機能は、当該機能を記述したプログラムをＣＰＵに実行させることにより実現される。また、信号処理部５は、ＬＳＩ等のチップ、専用回路、汎用プロセッサ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により構成されるようにしてもよい。
【００７１】
以上のように、本発明の実施形態による収音装置１によれば、収音部４に備えた単一指向性マイクロホン群２は、２次の球面調和関数で表される２次元アンビソニックスの収音を実現するためのD1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)で表される指向性が、d1(θ,φ)、d2(θ,φ)、d3(θ,φ)、d4(θ,φ)、d5(θ,φ)、d6(θ,φ)で表される単一指向性マイクロホンの指向性を組み合わせることで実現できるように、ＸＹＺ軸で表される空間上のそれぞれの軸方向に、合計８個の単一指向性マイクロホンＳ１〜Ｓ８を直交配置して構成される。
【００７２】
これにより、２次の球面調和関数で表される２次元アンビソニックスの収音を実現するために、８個の単一指向性マイクロホンＳ１〜Ｓ８を用いればよいから、双指向性マイクロホンが不要となる。これにより、低域の感度が低下することがなく、感度のよい音響信号を得ることができる。
【００７３】
また、軸方向に対して４５°傾けた単一指向性マイクロホンを配置する必要がないから、収音装置１全体のサイズを小さくすることができ、実装し易い構成を実現することができる。
【００７４】
また、本発明の実施形態では、マイクロホン間隔を狭くすることができ、空間エイリアジングの影響を回避することができる。
【００７５】
また、図５に示した、軸方向に４５°傾けた２つの極性の異なる双極子（双指向性マイクロホン）を用いた場合には、単一指向性マイクロホン群２に対応する素子数は１０個となる。これに対し、本発明の実施形態では、単一指向性マイクロホン群２は、図１０に示したように８個で構成されるから、素子数が少なくて済み、コストの低減及び小型化を実現することができる。
【００７６】
さらに、本発明の実施形態による収音装置１によれば、信号処理部５に備えたデジタルフィルタ３は、単一指向性マイクロホン群２から入力したg1(θ,φ)〜g8(θ,φ)で表される指向性の音響信号に対し、例えば最小二乗法にて設計された所定のフィルタ係数を用いて、指向性合成フィルタマトリクスのフィルタ処理を行う。このフィルタ係数は、デジタルフィルタ３の出力信号Ｙ（ω）がD1(θ,φ)、D2(θ,φ)、D3(θ,φ)、D4(θ,φ)、D5(θ,φ)で表される指向性を反映した目標特性Ｄ（ω）となるように設計される。
【００７７】
これにより、単一指向性マイクロホンＳ１〜Ｓ８間の距離の影響だけでなく、反射及び回折の影響、感度の誤差の影響、さらには、本来同軸上に配置されるべき単一指向性マイクロホンＳ１〜Ｓ８が非同軸に配置されていることの配置誤差の影響を軽減することができ、指向性の精度を向上させることができる。したがって、可聴周波数範囲全体にわたって良好に指向性ビームを形成することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１  収音装置
２  単一指向性マイクロホン群
３  デジタルフィルタ
４  収音部
５  信号処理部
Ｓ１〜Ｓ８  単一指向性マイクロホン
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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