(57)【要約】  デジタルマイクロフォンアレイが、多数の安価なマイクロフォン素子が対向する対として取り付けられた、球などの開いた幾何形状として構成される。DSPを有するマイクロフォンアレイを、コンサートホールや映画館などの3次元音場に配置し、すべての音源を互いに分離すると共に、残響を含むコヒーレント音場内のその配置を維持することが意図される。【選択図】図１
2008533880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の個々の感圧性マイクロフォン素子であって、それぞれがほぼ全方向応答パターンを有し、それぞれが複数のマイクロフォン素子のうちの別のものと背中合せの構成で対として取り付けられ、前記対が、3次元アレイ上の事前構成された点に配置される複数の個々の感圧性マイクロフォン素子
を備えるマイクロフォンアレイ。
【請求項２】
前記3次元アレイが、球、半球、および楕円体のうちの1つである請求項1に記載のアレイ。
【請求項３】
前記球が測地球である請求項2に記載のアレイ。
【請求項４】
前記測地球上の前記事前構成された点が、前記球の各面の頂点である請求項3に記載のアレイ。
【請求項５】
前記3次元アレイが中空構造である請求項2に記載のアレイ。
【請求項６】
前記3次元アレイが、可能な限り音響的に透過的である請求項5に記載のアレイ。
【請求項７】
前記マイクロフォン素子が、市販グレードのキャパシタンスマイクロフォン素子である請求項1に記載のアレイ。
【請求項８】
前記測地球が、ほぼ人間の頭部のサイズである請求項3に記載のアレイ。
【請求項９】
前記アレイ内の前記マイクロフォン素子がデジタル信号処理システムに接続される請求項1に記載のアレイ。
【請求項１０】
複数のマイクロフォン素子を事前配置されたアレイとして支持する中空ボディ
を備えるマイクロフォンアレイであって、
前記ボディが、外面を有する概して球形の構造を形成し、前記マイクロフォン素子のうちの少なくとも一部が、前記アレイの周りに対として取り付けられ、前記対のそれぞれの一方の素子が、前記外面と同一平面にあるその振動板と共に取り付けられて内側に向き、前記対の前記他方のマイクロフォン素子が、前記外面と同一平面に取り付けられたその振動板と共に取り付けられて外側に向くマイクロフォンアレイ。
【請求項１１】
前記球形構造が測地球である請求項10に記載のアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用録音のためのデジタルマイクロフォンアレイに関する。アレイは、制御および処理のために音場を解析し、個々の音源を分離するデジタルシステムに直接給電する。
【背景技術】
【０００２】
音場における方向情報の測定は、しばしば大きな関心の的となる。「方向情報」は、ある点を通過する音の角分布の特性を指すことを意味する。そのような情報は、圧力または強度の測定だけによって容易に入手可能となるわけではない。音圧は無指向性尺度であり、一方、強度は、エネルギーの流れの正味の方向を示し、必ずしも成分音波(component sound wave)の到来方向を示すわけではないベクトルである。音場の方向特性の知識を役立たせることのできる応用領域には、ほんの数例を挙げると、室内音響解析および特性決定(characterization)、ホールの心理音響評価、または音源および反射の局所化が含まれる。
【０００３】
方向情報を得る直接的な手法は、ある方向のみから到来する音に応答する検出器を使用することである。指向性検出器は、例えば、単一指向性変換器、ショットガンマイクロフォン、放物型マイクロフォン、またはマイクロフォンアレイを意味することがある。性能の問題(角度分解能、帯域幅、忠実度など)と実用上の問題(様々な方向への操向の容易さ、サイズ、コストなど)とがあいまって、どのタイプの検出器が望ましいかが指示される。
【０００４】
ビーム形成マイクロフォンアレイは、音の指向性ピックアップのための好ましい特性を有する。ビーム形成マイクロフォンアレイを高い指向性、広い動作周波数範囲を得るように設計することができ、アレイを移動させる必要なしに多くの方向に電子的に同時に操向することができる。
【０００５】
現代のマイクロフォンおよびデジタル取得ハードウェアを用いると、非常に精巧なアレイを非常に安価に実現することができる。しかし、本発明の場合、音場の任意の方向から生じる任意の音に即座に適応することができる。
【０００６】
適切なアレイ幾何学的配置の選択が問題となる。(本研究のように)音場を解析する指向性検出器を設計することが目標である場合、1つの望ましい属性は、多くの場合、球対称である。球面アレイは、同一のビームを任意の3次元方向に操向することを可能にすることができる。半球や楕円体などの他の3次元アレイも可能である。線形アレイまたは平面アレイは同じ機能を実現しない。
【０００７】
ビームフォーマ設計は、過去50年ほどの間に広範にわたって発展してきた。delay-and-sum設計は単純かつ堅牢であるが、狭い周波数範囲にわたる最大指向性利得を与えるだけである。超指向性手法は、より広い周波数範囲にわたってより高い指向性利得を達成することができるが、単純さと堅牢性が犠牲となる。アレイの空間範囲にわたって音波の位相変化が小さい低周波数で、信号対雑音比が問題となる。より高い周波数では、波長がマイクロフォン間間隔より短くなり、空間エイリアシングに伴う問題が引き起こされる。より広い周波数範囲にわたってより高い指向性を達成する際の一般的な兼ね合いには、より厳格な必要マイクロフォン公差、より低い雑音余裕、および場合によっては、より難しい構成問題が含まれる。
【０００８】
マイクロフォンアレイの有用性は、すべての音響事象を4つの基本要素で表すことができるという原理に基づく。これらは、前/後情報(深さ)である「X」、左/右情報(幅)である「Y」、上/下情報(高さ)である「Z」、および他の3つの要素が参照される中心点である「W」である。
【０００９】
高性能アレイは、同一の「中心点」で3次元音を取り込み、したがって、間隔を置いて配置されたマイクロフォンによって生み出されるすべての時間または位相関連の異常が解消される。
【００１０】
Godfreyの米国特許第5,778,083号は、サラウンド録音のために使用されるマイクロフォンアレイを開示している。この開示では、線形ピックアップマイクロフォンを取り付けるフレームを使用し、それによって各マイクロフォンがフレームの外側に向く振動板を有し、振動板が概して楕円形パターンを形成する。この開示は、形状が非円形でなければならないことを述べている。
【００１１】
Elkoの米国特許第6,041,127号は、小型硬質ナイロン球の表面上に取り付けられた6個の小型感圧性全方向性マイクロフォンアレイを開示している。音響出力を導出するのにDSPが使用される。
【００１２】
SesslerおよびWestの米国特許第4,675,906号は、開口端を有する円筒を使用して、4個の両指向性マイクロフォンを円筒の壁に90度の間隔で取り付け、環状ピックアップパターンを提供するマイクロフォンアレイを開示している。円筒の部分的に開いた性質により、円筒を横切る音波の受信を様々な強度で受信することが可能となる。
【００１３】
Fox等の米国特許第6,851,512号は、すべて閉曲面を有する、構成を変更することのできるモジュラ構造を使用するマイクロフォンアレイを開示している。
【００１４】
マイクロフォン技術は往々にして、鼓膜のモデルに、ある程度までは中耳の機構に基づくものであった。本発明の概念的プロセスは、内耳および耳周辺部(aural periphery)についての観察から始まった。内耳の個々の繊毛は神経終端であり、各神経は、毎秒20回程度興奮して、公称サンプリングレート約20hzを提供することができるだけである。最大20khzまで聴く人間の能力は、明らかに、それぞれによって生成される信号の絶対品質ではなく、繊毛の数の過剰な冗長性に基づく。実際、耳周辺部は、複数の入力の並列処理を実施し、その結果、高品質な複合波形が得られる。こうした観察により、あるデジタルシステムでは、高い冗長性が低級の入力から品質を生み出すことができ、そのようなシステムは平行処理を必要とするという仮定が導かれる。
【００１５】
そのような関連システムが、長距離回線で反響消去を実施するために1950年代にBell研究所で開発された。回線から取ることのできるタップが多くなるほど、反響消去がより効果的になる。適応デジタルフィルタに関する提出者は、ライブバンドをマイシング(micing)する際にPAおよびモニタからのフィードバックをなくすのにこの技術を応用できることを示唆した。このシステムは、Adilineニューラルネットワークと呼ばれる。これにより、正および負のスペクトルマスキングを提供することのできるニューラルネットワークなどの実行可能適応システムが存在し、うまく証明されるという仮定が導かれる。耳周辺部に対するニューラルネットワークの類似は、少なくとも意味的に示唆的(semantically suggestive)である。
【００１６】
この概念の初期反復では、管内のいくつかの小型キャパシタンスマイクロフォン素子を用いた内耳の直接的リバースエンジニアリングが想像された。このことにより、ある物理構造内の多数の素子が高品質な複合波形を与えるという仮定が導かれる。
【００１７】
こうした素子が3次元空間に配置された場合、音源についてのそのベクトル情報を導出することができることが明らかとなった。このことはアナログビーム形成マイクロフォンアレイで行われていたが、明らかに、この研究をデジタル領域に移すことの利点に対して考慮が払われていなかった。複数の変換器を使用して情報の分野を処理する関連システムは、位相配列電波望遠鏡(phase array radio telescope)、ソナー、およびレーダシステムである。そのようなシステムは、DreadnaughtソナーおよびSpeedwellレーダシステムと共に1960年代初期から存在していた。地平線長波レーダ(horizon long-wave radar)などを介する同時代のシステムは、そのようなシステムの高分解能を実証している。こうした観察に基づく仮定は、実行可能なアルゴリズムが、音速の可聴周波数および波長に関連する他の分野で長い間確立されていることである。
【００１８】
球面3次元アレイは、音場の方向情報の解析に非常に適している。強力なコンピュータならびに安価なマイクロフォンおよびサウンドカードにより、精巧なアレイを実現することが可能にしつつあり、したがってしばしば問題は設計に帰着する。要件を定義し、候補幾何形状および適切なソフトウェアアルゴリズムを選択し、次いで設計を評価する設計手法が、本発明に到達するために使用された。
【００１９】
したがって、多数の安価なマイクロフォン素子が対向する対として取り付けられた球など開いた幾何形状で構成されたデジタルマイクロフォンアレイが提供される。DSPを備えるマイクロフォンアレイを、コンサートホールや映画館などの3次元音場に配置し、すべての音源を互いに完全に分離すると共に、残響(reverberance)を含むコヒーレント音場内のその配置を維持することが意図される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の一目的は、多数の複数のピックアップパターンを提供することができ、音場内の各音源を分離することのできる狭い受容角度をそれぞれ有すると共に、そうした各音源について受容角度外の音を完全に減衰させる高性能マイクロフォンアレイおよびDSPを提供することである。音源を同時に処理することができ、残響場も、再現される音場の一部として維持することができる。
【００２１】
本発明の別の目的は、対向する変換器要素を伴う対として取り付けられたマイクロフォン素子を使用することである。
【００２２】
本発明の別の目的は、多数の安価なマイクロフォン要素を使用して、測定で高い冗長性を実現することである。
【００２３】
本発明の別の目的は、マイクロフォンアレイの幾何形状を最適化して、位相コヒーレンシを生成することである。
【００２４】
本発明の別の目的は、概して開いた構造を有するマイクロフォンアレイを有することである。
【００２５】
最終的に、本発明の目的は、ヌルの使用のためにビーム形成システムに勝る主要な利点を有するマイクロフォンアレイを提供することである。本発明でのヌルとは絶対ゼロ、ビーム形成が不可能であることである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
これから、添付の図面を参照しながら本発明の装置を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
一実施形態では、変換器が、図1に示すようにほぼ人間の頭部のサイズの開いた測地球として構成される。商品グレードのキャパシタンスマイクロフォン素子が、測地球を構成する曲線支柱の両端に対として取り付けられ、外側および内側に向き、互いに直接的に対向する。これにより、素子が、デジタルに解析および比較される複数のパターンを有するデュアル振動板キャパシタンスマイクロフォンとして機能することが可能となる。硬質(閉じた)構造はこのシステムでは機能しない。
【００２８】
1対の要素が反対の方向に向くデュアル振動板マイクロフォンの開発により、全方向性ピックアップパターン、カージオイドピックアップパターン、または両指向性ピックアップパターンを有するものとしてマイクロフォンを構成することが可能となる。このことは、2つの素子を異なるプラスおよびマイナスの組合せとしてミキシングする3つの位置スイッチを使用する。デジタルドメインサンプリングでは、任意のパターンがほぼ同時に(すなわち、各パターンについて高グレードのデータフローを実現する速度で)生じることができる。
【００２９】
開いた球により、内側と外側のどちらにも向くデュアル振動板システムの使用が可能となる。
【００３０】
様々な規格およびビーム形成パターンでは、パターンの受容角度が狭められる。本システムでは、両指向性ピックアップパターン中の拒絶角度が絶対的であり、かつ厳密な角度であり、受容角度を操作することによって与えられるものよりもずっと高程度の精度である。次いで、パターンを「負スペクトル処理」で反転し、拒絶角度からのみ信号を得ることができる。
【００３１】
本発明の一実施形態では、マイクロフォンアレイはおよそ人間の頭部のサイズであり、ブームポール（boom pole）上に取り付けられたときに容易に扱うのに十分な軽さである。マイクロフォンアレイは、公演での使用のために視覚的に妨げとならないものであるべきである。
【００３２】
アレイは、マイクロフォンプリアンプ、A/D変換器、およびデジタル信号処理を含むインターフェースに供給される。インターフェースの出力は、firewire800またはUSB2による標準コンピュータに対するものでよい。
【００３３】
すべての処理がリアルタイムで行われ、その結果、ハードディスクへの記録と、ライブPAおよび補強応用例のどちらのためにもシステムを使用することができる。
【００３４】
インターフェース内のハードウェアとコンピュータ上のソフトウェアでの信号処理は、以下の特徴の制御および処理を実現する。
【００３５】
a)環境内のすべての音源を検出および分離し、それによって他の音源からの漏れなしに離散音として仮想チャネルおよびトラックに別々に割り当てることができる
b)コンピュータ上の仮想ミキサウィンドウと、補助物理制御面とを用いて、これらの離散的チャネルおよびトラックに標準ミキシングおよび信号処理を適用することができる
c)標準およびカスタムサラウンド音響出力フォーマットが、離散的チャネルおよびトラックと同時に導出される
d)PA/補強モードでは、音場内でスピーカを自動的に検出し、その位置を突き止め、そうしたスピーカをミキシングからマスクすることにより、フィードバックをなくすことができる
e)システムは、近接音場音源と遠距離音場音源とを区別し、定義された距離の音源を雑音としてマスクすることができる
f)アレイでの風を同様になくすことができる
g)距離を隔てて、または建物の外で生じるランブルをなくすことができる
h)任意選択で、オペレータコンピュータインターフェースが、リアルタイム音響解析から導出される建築空間およびその空間内の音源の3D音響トポロジのグラフィック表示を提供することができる。各特徴は、そこからの直接音が予期される公演空間をグラフィックに画定し、その空間内の様々な音源に対して分解能および受容角度を調節する能力を含むことができる。さらに、ユーザは、反射音の受容角度を定義し、同時に、聴衆、建物、装置雑音などの反射場で生じる直接音を拒絶することができる。
【００３６】
システム出力は、以下に対するものでよい。
【００３７】
内部または外部ハードドライブ
コンソール
PAおよび補強システム
サラウンド音響システム
追加の特徴は、移動音源のスペクトル特性を識別し、それを単一離散音源として追跡し、または同一音源に対して異なる角度の複数のマイクロフォンアレイを組み合わせ、その結果位相コヒーレント複合信号が生成されることを含むことができる。これは、例えば、ドラムセットなどの複合音源に対して使用され、または舞台奥に向く俳優、歌手、または話し手をカバーするのに使用される。
【００３８】
本発明の好ましい一実施形態では、アレイは、商品グレードのアナログ-デジタル変換器に給電する64個程度のデュアル素子を有することができる。幾何形状は、開いた32面非正多面体または32面測地球となる。
【００３９】
高品質の位相コヒーレント波形が、同一波形の複数のサンプルからデジタル領域で導出される。信号の品質は、高サンプリングレートでの個々の構成要素の絶対的品質ではなく、システム冗長性の積である。
【００４０】
開いた半球や開いた楕円などの他の幾何形状も可能であるが、位相コヒーレンス問題が楕円構造と共に生じる可能性がある。
【００４１】
ベクトル解析
再び図1を参照すると、測地球などの開いた構造を波形が通過するときに、波形がその音源方向に関して解析される。
【００４２】
波形のタイミングは1組の情報を与える。それは音源に最も近い素子で固有波形としてまず検出され、音速に依存する遅延で、球内の反対側の素子を去る。波形の同一部分は、球を移動するときにこれらの2つの素子間の軸に対して90度となる。球を音速未満で移動する場合、風などの圧力ゆらぎが除去される。
【００４３】
素子の両方向応答に対する全方向応答の比を計算することによって音源の三角測量を実施することができる。音源に最も近い素子では差はないが、音源に対して90度のところでは、両指向性パターンがヌル応答を有する。波形が通過するとき、比は球の周辺部で1:1比からゼロに変化する。
【００４４】
人間の頭部のサイズの球は1.5kHz未満の周波数に対して全方向性であるので、そのような基礎の音源が、それに起因する固有調和級数から導出され、それをベクトルに関して解析することができる。そのような級数が存在しない場合、実際には、人間の知覚系はその音源に関して区別しない。そのような信号は、低域フィルタを介して処理することによって別々のチャネルまたはトラックを占有することができる。
【００４５】
音場処理ソフトウェア
個々の波の源を自動的に計算および分離するソフトウェアは、タイミングと三角測量という2つの別個の手法を取ることができる。図2のブロック図を参照されたい。
【００４６】
上記のタイミングおよび三角測量計算に依存する数学モデルは、音源を計算するのに効率的である可能性が高い。離散音源として出力することができるように音源を分離することは、より高程度のスペクトル分解およびマスキングを必要とする可能性が高い。音波に対して90度のところでは、ヌルが音源にポインティングされるので、両指向性パターン上に信号が存在しない。信号が両指向性パターン上に存在するとしても、全方向パターン上の信号を除去し、ヌルがポインティングしている音源からの信号を残すことができる。実質的に、両指向性パターン上の信号の負スペクトルマスクが構築される。
【００４７】
デジタル適応システムは、そのような分離のために必要なスペクトルマスキングを生成するのに効率的である。位相アレイの素子の高冗長性により、適応システムが良好に機能するのに十分な比較情報が提供される。出力は、離散的音源および音響場のそれぞれについての位相コヒーレント複合波形となる。
【００４８】
シーケンス中の異なるワードからのビットが波形を表す時間ベクトルを構成するようにRAMを使用することもできる(すなわち、RAMが、追加された時間パラメータと共に動的3次元空間として使用される)。
【００４９】
補助ツールおよびソフトウェア
ソフトウェアは、公演がアレイの正面で行われる可能性、および残響場が他の角度に関して存在する可能性に対処するために、角度によって処理能力を重み付けする。これにより、処理がより効率的となり、空間の音響解析が可能となり、様々な角度での反射音の遅延の解析が、ソナーまたはレーダと類似する形態で空間を画定するのに十分である可能性が高い。必要なら、トーンを生成し、同時にrf syncパルスを伝送する装置で、空間の輪郭を描くことができる。コーナ、楽器、聴衆、補強スピーカなどの様々な場所でこれをトリガすることにより、オペレータは、音響解析に使用することのできる空間のレイアウトを対話的に構築することができる。グラフィックユーザインターフェースにより、建築表現および音響トポロジとして空間を表現することができる。
【００５０】
コンサートおよび補強応用例では、ソフトウェアは、ベクトル解析を使用してスピーカの位置を識別し、こうした音源がシステムを通過することをマスクし、したがってフィードバックを防止する。音響管理およびサラウンドスピーカと共に、複雑な音響環境を生成することができる。境界効果を使用するスピーカシステムを、大きいプレートの両側からポインティングする180°違相をスピーカに給電するマイクと共に、残響場で使用することができる。プレートと比較して長波長を管理するためにインテリジェントシステムが必要である。
【００５１】
ソフトウェアは仮想ミキサに対する様々なソース音をチャネルし、次いで仮想ミキサは、記録またはPAフィードを構成することができる。効率的な情報処理およびRAM、ハードドライブなどへのフローが、生データおよび解析が行われるポイントが既存のプロトコルに従うものとはならない可能性が高いことを意味することが予想される。
【００５２】
様々な楽器のサウンドプリントを識別し、ミキシングの決定を自動化できるようにマイクおよび処理のライブラリを提供するソフトウェアを開発することもできる。
【００５３】
公演エリアの正面および背面の両方にマイクロフォンアレイを配置することができ、ソフトウェアが個々の音源の複合をまたは音源の最良の視線を提供する。ドラムセットなどの複雑な3次元音源をこのようにして処理することができる。さらに、舞台奥に向く俳優または歌手を良好に再現することができる。システムが移動音源をリアルタイムで自動的に完全に追跡することができない場合、rf送信機を着用し、x-yアンテナシステムを公演エリアに統合することができる。次いで、この位置情報を使用してアレイを誘導することができる。
【００５４】
本明細書で説明した本発明の実施形態で修正形態を作成できることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明のアレイの一実施形態の断面図である。
【図２】本発明のシステムの機能ブロック図である。
【図１】
2008533880.tif 000003
【図２】
2008533880.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成19年5月2日(2007.5.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の個々の感圧性マイクロフォン素子であって、それぞれがほぼ全方向応答パターンを有し、それぞれが複数のマイクロフォン素子のうちの別のものと背中合せの構成で対として取り付けられ、前記対が、3次元アレイ上の事前構成された点に配置される複数の個々の感圧性マイクロフォン素子を備え、前記3次元アレイは測地球である、マイクロフォンアレイ。
【請求項２】
前記測地球上の前記事前構成された点が、前記球の各面の頂点である請求項3に記載のアレイ。
【請求項３】
前記3次元アレイが中空構造である請求項2に記載のアレイ。
【請求項４】
前記3次元アレイが、可能な限り音響的に透過的である請求項5に記載のアレイ。
【請求項５】
前記マイクロフォン素子が、市販グレードのキャパシタンスマイクロフォン素子である請求項1に記載のアレイ。
【請求項６】
前記測地球が、ほぼ人間の頭部のサイズである請求項3に記載のアレイ。
【請求項７】
前記アレイ内の前記マイクロフォン素子がデジタル信号処理システムに接続される請求項1に記載のアレイ。
【請求項８】
複数のマイクロフォン素子を事前配置されたアレイとして支持する中空ボディ
を備えるマイクロフォンアレイであって、
前記ボディが、外面を有する概して球形の構造を形成し、前記マイクロフォン素子のうちの少なくとも一部が、前記アレイの周りに対として取り付けられ、前記対のそれぞれの一方の素子が、前記外面と同一平面にあるその振動板と共に取り付けられて内側に向き、前記対の前記他方のマイクロフォン素子が、前記外面と同一平面に取り付けられたその振動板と共に取り付けられて外側に向くマイクロフォンアレイ。
【国際調査報告】
2008533880.tif 000005
2008533880.tif 000006