(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音源からの音波が入力されるマイクロホンを用いてマイクロホンの指向特性を制御するマイクロホン装置において、
基準マイクロホンと、
上記基準マイクロホンを中心に等間隔に配置される第１の１対のマイクロホンと、
上記基準マイクロホンを中心に上記第１の１対のマイクロホンに直交して等間隔に配置される第２の１対のマイクロホンと、
上記基準マイクロホンを中心に上記第１の１対のマイクロホンおよび上記第２の１対のマイクロホンに対して４５度傾けて等間隔に配置される第３の１対のマイクロホンと、
上記基準マイクロホン、第１、第２および第３の１対の各マイクロホンの出力をそれぞれディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
上記Ａ／Ｄ変換部からのディジタル信号に対して信号処理を施す演算処理部と、を備え、
上記基準マイクロホン、上記第１、第２および第３の１対の各マイクロホンは同一平面上に配置され、
上記演算処理部は、
上記第１の１対のマイクロホンの出力の差を求め、該差をフーリエ変換することにより、上記基準マイクロホンの出力と位相を合わせ且つ上記基準マイクロホンの出力に対してｃｏｓθで振幅が変化する第１の中間生成出力を得る処理と、
上記第２の１対のマイクロホンの出力の差を求め、該差をフーリエ変換することにより、上記基準マイクロホンの出力と位相を合わせ且つ上記基準マイクロホンの出力に対してｓｉｎθで振幅が変化する第２の中間生成出力を得る処理と、
上記第２の１対のマイクロホンの出力の和を求め、該和をフーリエ変換することにより、上記基準マイクロホンの出力に対してｃｏｓ２θで振幅が変化する第３の中間生成出力を得る処理と、
上記第３の１対のマイクロホンの出力の和を求め、該和をフーリエ変換することにより、上記基準マイクロホンの出力に対してｓｉｎ２θで振幅が変化する第４の中間生成出力を得る処理と、
目標とする指向特性を、次数が２次のフーリエ級数の係数α０，α１，β１，α２，β２によって表し、上記基準マイクロホンの出力，上記第１の中間生成出力，上記第２の中間生成出力，上記第３の中間生成出力，上記第４の中間生成出力を、それぞれ上記係数α０，α１，β１，α２，β２を用いて重み付けして加算する処理とを行う
マイクロホン装置。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロホン装置において、
上記演算処理部は、予め複数の主軸の中心角についてそれぞれ上記係数α１，β１，α２，β２の組を用意しておき、それらの組のうち音声を分離しようとする主軸の中心角に応じた係数を用いて上記第１乃至第４の中間生成出力を重み付けする
マイクロホン装置。
【請求項３】
請求項１記載のマイクロホン装置において、
上記基準マイクロホンを省略して、
上記演算処理部により、上記第１および第２の１対の各マイクロホンの出力和で上記基準マイクロホンの出力を近似する
マイクロホン装置。
【請求項４】
請求項１記載のマイクロホン装置において、
上記第３の１対のマイクロホンを省略して、
上記演算処理部により、上記第４の中間生成出力を、上記第１の中間生成出力を用いて表す
マイクロホン装置。
【請求項５】
請求項３記載のマイクロホン装置において、
上記第３の１対のマイクロホンを省略して、
上記演算処理部により、上記第４の中間生成出力を、上記第１の中間生成出力を用いて表す
マイクロホン装置。
【請求項６】
請求項４記載のマイクロホン装置において、
上記第２の１対のマイクロホンを省略して、
上記演算処理部により、上記第２の中間生成出力を、上記第１の中間生成出力を用いて表すとともに、上記基準マイクロホンの出力に対してｃｏｓ２θで振幅が変化する成分を、上記第１の中間生成出力を用いて表す
マイクロホン装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、目的音源である話者の位置が絶えず変動するような家庭の居間やオフィスの会議室などのような環境において、簡単に指向性の向きを変えることができる音声収録や音声認識のためのマイクロホン装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
後述する参考文献［１］は、［２］に記載される３マイクロホンによるマイクロホンシステムを拡張し、無指向性マイクカプセル５つを用いて、３００Ｈｚ〜５ｋＨｚ，ビーム幅約１２０度の広帯域狭角度指向性マイクロホンの作成に成功している。図１５に従来のマイクロホンシステムのブロック図を示す。図１５において、マイクロホンＭＩＣ０，ＭＩＣ２，ＭＩＣ３，ＭＩＣ１Ａ，ＭＩＣ１Ｂは、４cm×７cmの平面領域に収納されている。そして、加算器１５０、１５１により２つのマイクロホンＭＩＣ２およびＭＩＣ３、ＭＩＣ１ＡおよびＭＩＣ１Ｂの差分を用いている。さらに、上述の減算器１５０、１５１の差分出力に対して、積分器１５６、１５２を用いて位相成分の排除と広帯域化を図っている。また、求める指向性の関数を先に求めて、これに対してフーリエ級数を用いて必要な成分１５２および１５３を求めている。また、共振点を有するローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５５を用いて、さらに高域の補正を行っている。
【０００３】
参考文献［１］河野、中村、大和、高島、゛広帯域狭角度指向性マイクロホンシステム゜信学技報  ＥＡ９９−８５  １９９９年１２月
参考文献［２］Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｋｏｕｎｏ，Ｙａｍａｔｏ，Ｓａｋｉｙａｍａ，゛Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｗｉｄｅ−Ｂａｎｄ  Ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ  ｗｉｔｈ  Ｔｈｒｅｅ  Ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅｓ″，ＩＥＩＣＥ  Ｔｒａｎｓ，Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，ｖｏｌ．Ｅ８２−Ａ，Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ  １９９９
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来のマイクロホンシステムでは、トランジスタやオペアンプなどのハードウエアで構成したため、指向性の主軸が固定となり、特にビーム主軸を任意に制御することができないという不都合があった。
【０００５】
また、抵抗器やコンデンサなどの定数の誤差が指向性の制御に影響するという不都合があった。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、指向性の主軸を任意に制御することができ、指向性の鋭度を向上させることができると共に、１つのマイクロホン装置のみを使用するだけで、例えばマイクロホンを中心とする左右の音源を分離してリアルタイムに音声収録または音声認識をすることができるマイクロホン装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロホン装置は、音源からの音波が入力されるマイクロホンを用いてマイクロホンの指向特性を制御するマイクロホン装置において、基準マイクロホンと、基準マイクロホンを中心に等間隔に配置される第１の１対のマイクロホンと、基準マイクロホンを中心に第１の１対のマイクロホンに直交して等間隔に配置される第２の１対のマイクロホンと、基準マイクロホンを中心に第１の１対のマイクロホンおよび第２の１対のマイクロホンに対して４５度傾けて等間隔に配置される第３の１対のマイクロホンと、基準マイクロホン、第１、第２および第３の１対の各マイクロホンの出力をそれぞれディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、Ａ／Ｄ変換部からのディジタル信号に対して信号処理を施す演算処理部とを備え、基準マイクロホン、第１、第２および第３の１対の各マイクロホンは同一平面上に配置され、演算処理部は、第１の１対のマイクロホンの出力の差を求め、この差をフーリエ変換することにより、基準マイクロホンの出力と位相を合わせ且つ基準マイクロホンの出力に対してｃｏｓθで振幅が変化する第１の中間生成出力を得る処理と、第２の１対のマイクロホンの出力の差を求め、この差をフーリエ変換することにより、基準マイクロホンの出力と位相を合わせ且つ基準マイクロホンの出力に対してｓｉｎθで振幅が変化する第２の中間生成出力を得る処理と、第２の１対のマイクロホンの出力の和を求め、この和をフーリエ変換することにより、基準マイクロホンの出力に対してｃｏｓ２θで振幅が変化する第３の中間生成出力を得る処理と、第３の１対のマイクロホンの出力の和を求め、この和をフーリエ変換することにより、基準マイクロホンの出力に対してｓｉｎ２θで振幅が変化する第４の中間生成出力を得る処理と、目標とする指向特性を、次数が２次のフーリエ級数の係数α０，α１，β１，α２，β２によって表し、基準マイクロホンの出力，第１の中間生成出力，第２の中間生成出力，第３の中間生成出力，第４の中間生成出力を、それぞれ係数α０，α１，β１，α２，β２を用いて重み付けして加算する処理とを行うようにしたものである。
【０００８】
従って本発明によれば、以下の作用をする。基準マイクロホン、第１、第２および第３の１対の各マイクロホンの出力に対してＡ／Ｄ変換部により各ディジタル信号を得た後に、演算処理部により各ディジタル信号に対して信号処理を施す。
【０００９】
演算処理部において施される信号処理は、次のとおりである。
第１の１対のマイクロホンの出力の差を求め、この差をフーリエ変換することにより、基準マイクロホンの出力と位相を合わせ且つ基準マイクロホンの出力に対してｃｏｓθで振幅が変化する第１の中間生成出力を得る。
第２の１対のマイクロホンの出力の差を求め、この差をフーリエ変換することにより、基準マイクロホンの出力と位相を合わせ且つ基準マイクロホンの出力に対してｓｉｎθで振幅が変化する第２の中間生成出力を得る。
第２の１対のマイクロホンの出力の和を求め、この和をフーリエ変換することにより、基準マイクロホンの出力に対してｃｏｓ２θで振幅が変化する第３の中間生成出力を得る。
第３の１対のマイクロホンの出力の和を求め、この和をフーリエ変換することにより、基準マイクロホンの出力に対してｓｉｎ２θで振幅が変化する第４の中間生成出力を得る。
目標とする指向特性を、次数が２次のフーリエ級数の係数α０，α１，β１，α２，β２によって表し、基準マイクロホンの出力，第１の中間生成出力，第２の中間生成出力，第３の中間生成出力，第４の中間生成出力を、それぞれ係数α０，α１，β１，α２，β２を用いて重み付けして加算する。
【００１３】
これらの演算処理部での処理により、容易に指向性の主軸を任意に制御することができ、さらに指向性の鋭度を向上させる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
本実施の形態のマイクロホン装置は、３つ〜７つのマイクロホンを組み合わせ、これらをディジタル信号処理することにより、主軸を容易に可変することができ、音声認識に適した広帯域、狭指向性を実現すると共に、複数の主軸方向からの音声を分離して取得することができるため、音声認識システムやテレビ会議の収録システムに最適なものである。
【００１５】
図１は、本実施の形態が適用されるマイクカプセルの配置図である。
図１において、基準マイクロホンＭＩＣ０と、基準マイクロホンＭＩＣ０を中心に配置される第１の１対のマイクロホンＭＩＣ１，ＭＩＣ２と、基準マイクロホンＭＩＣ０を中心に第１の１対のマイクロホンＭＩＣ１，ＭＩＣ２に直交して配置される第２の１対のマイクロホンＭＩＣ３，ＭＩＣ４と、基準マイクロホンＭＩＣ０を中心に第１の１対のマイクロホンＭＩＣ１，ＭＩＣ２および第２の１対のマイクロホンＭＩＣ３，ＭＩＣ４に対して４５度傾けて配置される第３の１対のマイクロホンＭＩＣ５，ＭＩＣ６とがそれぞれ配置される。これらのマイクロホンＭＩＣ０〜ＭＩＣ６は、平面空間に配置されている。また、ＭＩＣ１，ＭＩＣ０，ＭＩＣ２に基づく基準軸に対する音波の入射角度をｓ度とする。
【００１６】
ここで、基準マイクロホンＭＩＣ０の位置Ｐに対して、第１の１対のマイクロホンＭＩＣ１，ＭＩＣ２はそれぞれ等間隔ｄ１で配置され、第２の１対のマイクロホンＭＩＣ３，ＭＩＣ４はそれぞれ等間隔ｄ２で配置され、第３の１対のマイクロホンＭＩＣ５，ＭＩＣ６はそれぞれ等間隔ｄ３で配置される。
【００１７】
図２は、各マイクロホンの配置に応じた音源からの距離差を示す図である。
図２Ａは第１の１対のマイクロホンＭＩＣ１，ＭＩＣ２の配置に応じた音源からの時間差を示す。図２Ａにおいて、入射角ｓ度で入射した音源からの音声は、基準マイクロホンＭＩＣ０の位置Ｐに対して、マイクロホンＭＩＣ１には距離（＋ｄ１ｃｏｓ（ｓ））に対応した時間だけ短い時間で到達し、マイクロホンＭＩＣ２には距離（＋ｄ１ｃｏｓ（ｓ））に対応した時間だけ長い時間で到達する。
【００１８】
図２Ｂは第２の１対のマイクロホンＭＩＣ３，ＭＩＣ４の配置に応じた音源からの距離差を示す。図２Ｂにおいて、入射角ｓ度で入射した音源からの音声は、基準マイクロホンＭＩＣ０の位置Ｐに対して、マイクロホンＭＩＣ３には距離（＋ｄ２ｓｉｎ（ｓ））に対応した時間だけ短い時間で到達し、マイクロホンＭＩＣ３には距離（＋ｄ２ｓｉｎ（ｓ））に対応した時間だけ長い時間で到達する。
【００１９】
図２Ｃは第３の１対のマイクロホンＭＩＣ５，ＭＩＣ６の配置に応じた音源からの距離差を示す。図２Ｃにおいて、入射角ｓ度で入射した音源からの音声は、基準マイクロホンＭＩＣ０の位置Ｐに対して、マイクロホンＭＩＣ６には距離（＋ｄ３ｓｉｎ（４５−ｓ））に対応した時間だけ短い時間で到達し、マイクロホンＭＩＣ５には距離（＋ｄ３ｓｉｎ（４５−ｓ））に対応した時間だけ長い時間で到達する。
【００２０】
図３は、上述したマイクロホンを用いたマイクロホン装置のハードウエア構成図である。図３において、マイクロホン装置は、ＭＩＣ０（１），ＭＩＣ１（２），ＭＩＣ２（３），ＭＩＣ３（４），ＭＩＣ４（５），ＭＩＣ５（６），ＭＩＣ６（７）と、各ＭＩＣ０（１），ＭＩＣ１（２），ＭＩＣ２（３），ＭＩＣ３（４），ＭＩＣ４（５），ＭＩＣ５（６），ＭＩＣ６（７）からの信号を信号処理可能に増幅するアンプ８、アンプ９、アンプ１０、アンプ１１、アンプ１２、アンプ１３、アンプ１４と、各アンプ８、アンプ９、アンプ１０、アンプ１１、アンプ１２、アンプ１３、アンプ１４で増幅された信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１５、Ａ／Ｄ変換器１６、Ａ／Ｄ変換器１７、Ａ／Ｄ変換器１８、Ａ／Ｄ変換器１９、Ａ／Ｄ変換器２０、Ａ／Ｄ変換器２１と、各Ａ／Ｄ変換器１５、Ａ／Ｄ変換器１６、Ａ／Ｄ変換器１７、Ａ／Ｄ変換器１８、Ａ／Ｄ変換器１９、Ａ／Ｄ変換器２０、Ａ／Ｄ変換器２１で変換されたディジタル信号に対して信号処理を施す演算処理装置２２と、演算処理装置２２で信号処理された結果を収録処理または音声認識処理する収録機器または音声認識装置２３とを有して構成される。
【００２１】
各マイクロホンに入力される信号に対して、演算処理装置２２において施される信号処理を図４のフローチャートに示す。図４において、ステップＳ１で、既にｉ＝０とする処理の初期化が行われれている。
【００２２】
ここで、ＭＩＣ０からＲだけ離れた音源からの音をまとめると、以下の数１式、数２式、数３式、数４式、数５式、数６式、数７式、数８式のようになる。上述において、数１式のＸｓ（ｔ）は音源信号を表し、数２式のｘ  ＭＩＣ０（ｔ）はＭＩＣ０の位置で時刻ｔに観測される信号であり、数３式のｘ  ＭＩＣ１（ｔ）はＭＩＣ１の位置で時刻ｔに観測される信号であり、数４式のｘ  ＭＩＣ２（ｔ）はＭＩＣ２の位置で時刻ｔに観測される信号であり、数５式のｘ  ＭＩＣ３（ｔ）はＭＩＣ３の位置で時刻ｔに観測される信号であり、数６式のｘ  ＭＩＣ４（ｔ）はＭＩＣ４の位置で時刻ｔに観測される信号であり、数７式のｘ  ＭＩＣ５（ｔ）はＭＩＣ５の位置で時刻ｔに観測される信号であり、数８式のｘ  ＭＩＣ６（ｔ）はＭＩＣ６の位置で時刻ｔに観測される信号である。ここで、ｋ＝ω／ｃ、ωは信号の角周波数を表し、ｃは音速を表し、θは音源のマイクロホンの基準軸に対する入射角を表す。
【００２３】
【数１】
0004483105.tif 000002
【００２４】
【数２】
0004483105.tif 000003
【００２５】
【数３】
0004483105.tif 000004
【００２６】
【数４】
0004483105.tif 000005
【００２７】
【数５】
0004483105.tif 000006
【００２８】
【数６】
0004483105.tif 000007
【００２９】
【数７】
0004483105.tif 000008
【００３０】
【数８】
0004483105.tif 000009
【００３１】
これらの音声信号は、各ＭＩＣ０（１），ＭＩＣ１（２），ＭＩＣ２（３），ＭＩＣ３（４），ＭＩＣ４（５），ＭＩＣ５（６），ＭＩＣ６（７）において、電気信号に変換され、各アンプ８、アンプ９、アンプ１０、アンプ１１、アンプ１２、アンプ１３、アンプ１４で増幅された後に、各Ａ／Ｄ変換器１５、Ａ／Ｄ変換器１６、Ａ／Ｄ変換器１７、Ａ／Ｄ変換器１８、Ａ／Ｄ変換器１９、Ａ／Ｄ変換器２０、Ａ／Ｄ変換器２１でディジタル信号に変換される。ただし、上述した各マイクロホンの感度および各アンプのゲインは、一定であると仮定する。
【００３２】
このディジタル信号は、演算処理装置２２の中で以下のような処理が施される。図４においてステップＳ２でサンプリングが行われる。具体的には、フレーム期間毎にディジタル信号のサンプリングが行われる。ステップＳ３でマイクロホン出力のミキシングが行われる。具体的には、各マイクロホンから得られたディジタル信号は、演算処理装置２２により以下の数９式、数１０式、数１１式、数１２式に示すようなミキシング処理が施されることにより、ｘ  Ａ（ｔ）、ｘ  Ｂ（ｔ）、ｘ  Ｃ（ｔ）、ｘ  Ｄ（ｔ）に変換される。
【００３３】
【数９】
0004483105.tif 000010
【００３４】
【数１０】
0004483105.tif 000011
【００３５】
【数１１】
0004483105.tif 000012
【００３６】
【数１２】
0004483105.tif 000013
【００３７】
上述した数９式、数１０式、数１１式、数１２式に示すｘ  Ａ（ｔ）、ｘ  Ｂ（ｔ）、ｘ  Ｃ（ｔ）、ｘ  Ｄ（ｔ）の各信号は、ＭＩＣ０での信号に対して、それぞれ以下の数１３式、数１４式、数１５式、数１６式に示すような信号である。
【００３８】
【数１３】
0004483105.tif 000014
【００３９】
【数１４】
0004483105.tif 000015
【００４０】
【数１５】
0004483105.tif 000016
【００４１】
【数１６】
0004483105.tif 000017
【００４２】
すなわち、数１３式、数１４式、数１５式、数１６式に示すｘ  Ａ（ｔ）、ｘＢ（ｔ）、ｘ  Ｃ（ｔ）、ｘ  Ｄ（ｔ）の各信号は、ＭＩＣ０で観測される数２式のｘ  ＭＩＣ０（ｔ）信号に対して、それぞれ、ｊｓｉｎ（ｋｄ１ｃｏｓθ）、ｊｓｉｎ（ｋｄ２ｓｉｎθ）、ｃｏｓ（ｋｄ２ｓｉｎθ）、ｃｏｓ（ｋｄ３ｓｉｎ（π／４−θ）の特性が加わっていることが分かる。
【００４３】
すなわち、数１３式、数１４式、数１５式、数１６式に示すｘ  Ａ（ｔ）、ｘＢ（ｔ）、ｘ  Ｃ（ｔ）、ｘ  Ｄ（ｔ）の各信号は、入力される信号の角周波数ω（ただし、ｋ＝ω／ｃ）と入射角θによって特性が変化することになる。また、虚数成分ｊを含む数１３式に示すｘ  Ａ（ｔ）および数１４式に示すｘ  Ｂ（ｔ）は、ＭＩＣ０で観測される数２式のｘ  ＭＩＣ０（ｔ）信号に対して、位相が９０度進んでいることが分かる。
【００４４】
ステップＳ４で、ミキシングされた各信号はバッファーにストアーされる。具体的には、数１３式、数１４式、数１５式、数１６式に示すｘ  Ａ（ｔ）、ｘ  Ｂ（ｔ）、ｘ  Ｃ（ｔ）、ｘ  Ｄ（ｔ）の各信号は、それぞれフレーム処理で用いられるサンプル数Ｎに応じたバッファー数Ｎのフレームバッファに蓄えられる。
【００４５】
ステップＳ５で、処理の回数を示すｉをインクリメントする。ステップＳ６で、ｉ＝Ｎであるか否かを判断する。ステップＳ６でｉ＝Ｎでないときは、ステップＳ２へ戻り、ステップＳ２〜ステップＳ６までの処理および判断を繰り返す。
【００４６】
ステップＳ６でｉ＝Ｎとなったときは、ステップＳ７で前処理を行う。具体的には、バッファー数Ｎのフレームバッファがすべてに数１３式、数１４式、数１５式、数１６式に示すｘ  Ａ（ｔ）、ｘ  Ｂ（ｔ）、ｘ  Ｃ（ｔ）、ｘ  Ｄ（ｔ）の各信号を蓄えられているが、このフレームバッファがすべて埋まった時点で、フレーム処理の前処理として、連続音声のフレーミングの影響を軽減するためのハミング窓またはハニング窓などの窓処理が行われる。
【００４７】
ステップＳ８で、フレーム処理が行われる。具体的には、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて、位相変換および振幅特性の補正の各処理が行われる。
【００４８】
まず、数１３式に示すｘ  Ａ（ｔ）に対するＦＦＴの出力Ｘ  Ａ（ω）について説明する。ｘ  Ａ（ｔ）の振幅成分であるｓｉｎ（ｋｄ１ｃｏｓθ）（ここで、ｄ１＝０．００８ｍとする。）の入射角度依存特性を図５に示す。図５において、ｓｉｎ（ｋｄ１ｃｏｓθ）の入射角度依存特性は、信号の角周波数ω（ただし、ｋ＝ω／ｃ）（１０００Ｈｚ、２０００Ｈｚ、３０００Ｈｚ、４０００Ｈｚ、５０００Ｈｚ、６０００Ｈｚ）に応じて変化していることが分かる。
【００４９】
そこで、ｓｉｎ（ｋｄ１ｃｏｓθ）／ｓｉｎ（ｋｄ）の入射角度依存特性を図６に示す。いま、Ｘ  Ａ（ω）／ｓｉｎ（ｋｄ１）について考えてみる。図６において、ｓｉｎ（ｋｄ１ｃｏｓθ）／ｓｉｎ（ｋｄ１）の入射角度依存特性は、信号の角周波数ω（ただし、ｋ＝ω／ｃ）（１０００Ｈｚ、２０００Ｈｚ、３０００Ｈｚ、４０００Ｈｚ、５０００Ｈｚ、６０００Ｈｚ）による変動がほぼなくなることが分かる。
【００５０】
また、上述したように、虚数成分ｊを含む数１３式に示すｘ  Ａ（ｔ）は、ＭＩＣ０で観測される数２式のｘ  ＭＩＣ０（ｔ）信号に対して、位相が９０度進んでいるので、数１７式、数１８式のようにＸ’ＲＡ（ω）、Ｘ’ＩＡ（ω）とすると、位相進みがなくなる。ここで、数１７式、数１８式におけるφA （ω）は、ＸA （ω）の位相を表わすものである。
【００５１】
【数１７】
0004483105.tif 000018
【００５２】
【数１８】
0004483105.tif 000019
【００５３】
ここで、Ｘ’Ａ（ω）＝Ｘ’ＲＡ（ω）＋ｊＸ’ＩＡ（ω）であり、数１７式、数１８式は位相変換後のスペクトルを表す。さらに、ｋｄ１＜＜１とすると、ｓｉｎ（ｋｄ１ｃｏｓ（θ））はｋｄ１ｃｏｓθに近似できるので、以下の数１９式の関係となり、数１３式に示すｘ  Ａ（ｔ）に対するＦＦＴの出力Ｘ  Ａ（ω）から、ＭＩＣ０で入力される信号に対して、ｃｏｓθで振幅が変化する成分を得ることができる。
【００５４】
【数１９】
0004483105.tif 000020
【００５５】
同様にして、ＭＩＣ０で入力される信号に対して考えると以下のようになる。数１４式に示すｘ  Ｂ（ｔ）に対するＦＦＴの出力Ｘ  Ｂ（ω）について説明する。ｘ  Ｂ（ｔ）の振幅成分であるｓｉｎ（ｋｄ２ｓｉｎ（θ））（ここで、ｄ１＝０．００８ｍとする。）の入射角度依存特性を図７に示す。図７において、ｓｉｎ（ｋｄ２ｓｉｎ（θ））の入射角度依存特性は、信号の角周波数ω（ただし、ｋ＝ω／ｃ）（１０００Ｈｚ、２０００Ｈｚ、３０００Ｈｚ、４０００Ｈｚ、５０００Ｈｚ、６０００Ｈｚ）に応じて変化していることが分かる。
【００５６】
そこで、ｓｉｎ（ｋｄ２ｓｉｎ（θ））／ｓｉｎ（ｋｄ２）の入射角度依存特性を図８に示す。いま、Ｘ  Ｂ（ω）／ｓｉｎ（ｋｄ２）について考えてみる。図８において、ｓｉｎ（ｋｄ２ｓｉｎθ）／ｓｉｎ（ｋｄ２）の入射角度依存特性は、信号の角周波数ω（ただし、ｋ＝ω／ｃ）（１０００Ｈｚ、２０００Ｈｚ、３０００Ｈｚ、４０００Ｈｚ、５０００Ｈｚ、６０００Ｈｚ）による変動がほぼなくなることが分かる。
【００５７】
また、上述したように、虚数成分ｊを含む数１４式に示すｘ  Ｂ（ｔ）は、ＭＩＣ０で観測される数２式のｘ  ＭＩＣ０（ｔ）信号に対して、位相が９０度進んでいるので、数２０式、数２１式のようにＸ’ＲＢ（ω）、Ｘ’ＩＢ（ω）とすると、位相進みがなくなる。ここで、数２０式、数２１式におけるφB （ω）は、ＸB （ω）の位相を表わすものである。
【００５８】
【数２０】
0004483105.tif 000021
【００５９】
【数２１】
0004483105.tif 000022
【００６０】
ここで、Ｘ’Ｂ（ω）＝Ｘ’ＲＢ（ω）＋ｊＸ’ＩＢ（ω）であり、数２０式、数２１式は、位相変換後のスペクトルを表す。従って、ｋｄ２＜＜１とすると、ｓｉｎ（ｋｄ２ｓｉｎθ）はｋｄ２ｓｉｎθに近似できるので、以下の数２２式の関係となり、数１４式に示すｘ  Ｂ（ｔ）に対するＦＦＴの出力Ｘ  Ｂ（ω）から、ＭＩＣ０で入力される信号に対して、ｓｉｎθで振幅が変化する成分を得ることができる。
【００６１】
【数２２】
0004483105.tif 000023
【００６２】
次に、数１５式に示すｘ  Ｃ（ｔ）に対するＦＦＴの出力Ｘ  Ｃ（ω）について説明する。ｘ  Ｃ（ｔ）の振幅成分であるｃｏｓ（ｋｄ２ｓｉｎ（θ））は、テーラー展開を使って、以下の数２３式のように表される。ここで、λは近似誤差を示す。
【００６３】
【数２３】
0004483105.tif 000024
【００６４】
これより、数２４式の関係となり、数１５式に示すｘ  Ｃ（ｔ）に対するＦＦＴの出力ｘ  Ｃ（ω）から、ＭＩＣ０で入力される信号に対して、ｃｏｓ２θで振幅が変化する成分を得ることができる。なお、λは参考文献［１］を用いている。
【００６５】
【数２４】
0004483105.tif 000025
【００６６】
次に、数１６式に示すｘ  Ｄ（ｔ）に対するＦＦＴの出力Ｘ  Ｄ（ω）について説明する。ｘ  Ｄ（ｔ）の振幅成分であるｃｏｓ（ｋｄ３ｓｉｎ（π／４−θ））は、テーラー展開を使って、以下の数２５式のように表される。ここで、γは近似誤差を示す。
【００６７】
【数２５】
0004483105.tif 000026
【００６８】
これより、数２６式の関係となり、数１６式に示すｘ  Ｄ（ｔ）に対するＦＦＴの出力Ｘ  Ｄ（ω）から、ＭＩＣ０で入力される信号に対して、ｓｉｎ２θで振幅が変化する成分を得ることができる。なお、γは参考文献［１］を用いている。
【００６９】
【数２６】
0004483105.tif 000027
【００７０】
図９に、フーリエ級数で近似目標とする指向特性ψ（θ）を示す。図９に示す指向特性ψ（θ）とＭＩＣ０の出力を加えたとき、指向性Ｄ（θ）＝１＋ψ（θ）が得られれば、ビーム以外の感度を抑えることができる。ここで、主軸の中心角をθｃ（度）、また、ビームの幅をθｗ（度）とする。このとき、ψ（θ）はフーリエ級数展開により、以下の数２７式のように表される。
【００７１】
【数２７】
0004483105.tif 000028
【００７２】
実際には、上述の数１３式〜数２６式までの処理では、ｃｏｓθ、ｓｉｎθ、ｃｏｓ２θ、ｓｉｎ２θまでしか求められていないので、θｗ＝６０度がビーム外の感度を抑制するために適した値である。各係数α０、αｉ、βｉは以下の数２８式、数２９式、数３０式により求められる。
【００７３】
【数２８】
0004483105.tif 000029
【００７４】
【数２９】
0004483105.tif 000030
【００７５】
【数３０】
0004483105.tif 000031
【００７６】
θｃ＝６０度及びθｗ＝６０度としたときのフーリエ級数でのψ（θ）の例を図１０に示す。
【００７７】
上述した数２７式において、Ｍ＝２として、数３１式に示すように、上述の中間生成出力を重み付き加算すると、主軸方向のみに指向性を持たせる特性とすることができる。
【００７８】
【数３１】
0004483105.tif 000032
【００７９】
ただし、数３１式において、各中間生成出力Ｙｃｏｓ（ω）、Ｙ  Ｒｃｏｓ（ω）、Ｙ  Ｉｃｏｓ（ω）は、それぞれ以下の数３２式、数３３式、数３４式で表される。また、各中間生成出力Ｙｓｉｎ（ω）、Ｙ  Ｒｓｉｎ（ω）、Ｙ  Ｉｓｉｎ（ω）は、それぞれ以下の数３５式、数３６式、数３７式で表される。ここで、φＡ（ω）、φＢ（ω）は、それぞれ、Ｘ  Ａ（ω）、Ｘ  Ｂ（ω）の位相を示す。
【００８０】
【数３２】
0004483105.tif 000033
【００８１】
【数３３】
0004483105.tif 000034
【００８２】
【数３４】
0004483105.tif 000035
【００８３】
【数３５】
0004483105.tif 000036
【００８４】
【数３６】
0004483105.tif 000037
【００８５】
【数３７】
0004483105.tif 000038
【００８６】
また、数３１式において、各中間生成出力Ｙ  ｃｏｓ（２ω）、Ｙ  ｓｉｎ（２ω）は、それぞれ以下の数３８式、数３９式で表される。
【００８７】
【数３８】
0004483105.tif 000039
【００８８】
【数３９】
0004483105.tif 000040
【００８９】
ここで、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝０．００８ｍとしたときのシミュレーション結果を図１１、図１２に示す。図１１は、θｃ＝０度としたときの指向特性のシミュレーション結果、図１２は、θｃ＝１３５度としたときの指向特性のシミュレーション結果である。それぞれ、周波数依存性のない指向性を示していることが分かる。また、これらの指向性は最終的にフーリエ級数の係数αｉ、βｉで決定しているので、予めθｃについて複数のαｉ、βｉの組を用意しておけば、各中間生成信号の重み付け加算を行うだけで、リアルタイムに複数の主軸からの音声を分離して取得することが可能となる。
【００９０】
また、上述の処理においては、基準マイクロホンＭＩＣ０を使用しているが、これらの機能は、ＭＩＣ１〜ＭＩＣ４までを使用することにより、基準マイクロホンＭＩＣ０の代用をすることができる。すなわち、数４０式にＭＩＣ１〜ＭＩＣ４までの出力和を示す。
【００９１】
【数４０】
0004483105.tif 000041
【００９２】
ここで、ｄ１＝ｄ２＝０．００８ｍとしたとき、上述した数４０式における振幅成分である（ｃｏｓ（ｋｄ１ｃｏｓθ）＋ｃｏｓ（ｋｄ２ｓｉｎθ））／２の値は、図１３に示すＭＩＣ１〜ＭＩＣ４の出力和の入射角度依存特性に示すとおりである。これにより、ＭＩＣ１〜ＭＩＣ４の出力和は、高域では入射角度θによる値の依存性があるものの、信号の角周波数ω（ただし、ｋ＝ω／ｃ）（１０００Ｈｚ、２０００Ｈｚ、３０００Ｈｚ、４０００Ｈｚ、５０００Ｈｚ、６０００Ｈｚ）についてほぼ一定した値をとることが分かる。これらはθ＝２２．５度で平均値をとるので、以下の数４１式で示すような補正を行うことで角周波数ωについてもほぼ依存しない特性を得ることができ、近似を行うことができる。
【００９３】
【数４１】
0004483105.tif 000042
【００９４】
これにより、基準マイクロホンＭＩＣ０を省略して、ＭＩＣ１〜ＭＩＣ６までの６つのマイクロホンを使用することにより、指向特性の主軸を可変に制御して、目的とする音源に指向性を容易に向けることができる。
【００９５】
このようにして得られた数３１式で示すＹ（ω）は、図４においてステップＳ９で、出力の処理が行われる。具体的には、出力Ｙ（ω）は周波数分析されたものであるので演算処理装置２２の中で、そのまま音声の分析結果として扱ったり、またはさらなる音声分析の入力として使用することができ、または音声認識装置２３により音声認識のための音声分析に使用することができる。またＹ（ω）を、逆フーリエ変換することにより、周波数領域の信号から時間領域の波形信号に戻すことにより、収録機器２３により音声収録などに使用することができる。
【００９６】
その後、ステップＳ１０で、ｉ＝０として初期化処理が行われた後に、ステップＳ２へ戻って、ステップＳ２〜ステップＳ６までの処理および判断を繰り返す。
【００９７】
また、図１４にＭＩＣの省略を示す。
以下に、図１４Ａに示すＭＩＣ５、６の省略、および図１４Ｃに示すＭＩＣ３、４の省略について説明する。
【００９８】
以下に示す数４２式、数４３式、数４４式、数４５式から、数４６式が得られる。
【００９９】
【数４２】
0004483105.tif 000043
【０１００】
【数４３】
0004483105.tif 000044
【０１０１】
【数４４】
0004483105.tif 000045
【０１０２】
【数４５】
0004483105.tif 000046
【０１０３】
【数４６】
0004483105.tif 000047
【０１０４】
このようにして、数４６式により、数１４式に示すｘ  Ｂ（ｔ）に対するＦＦＴの出力Ｘ  Ｂ（ω）は、Ｘ  Ａ（ω）を用いて表すことにより、ｓｉｎθ成分を生成することができる。
【０１０５】
また、以下に示す数４７式、数４８式から、数２６式に示すＸ  Ｄ（ω）は数４９式のように、Ｘ  Ａ（ω）を用いて表すことにより、倍角成分であるｓｉｎ２θ成分を生成することができ、また、数２４式に示すＸ  ＭＩＣ０（ω）ｃｏｓ２θは数５０式のように、Ｘ  Ａ（ω）を用いて表すことにより、倍角成分であるｃｏｓ２θ成分を生成することができる。
【０１０６】
これにより、数４９式により数２６式によるｓｉｎ２θ成分の算出が不要となるため、ｘ  ＭＩＣ５（ｔ），ｘ  ＭＩＣ６（ｔ）のミキシング出力が不要となるため、図１４Ａに示すようにＭＩＣ５、６を省略することができる。
【０１０７】
これにより、ＭＩＣ５、６を省略して、ＭＩＣ０〜ＭＩＣ４までの５つのマイクロホンを使用することにより、簡易に指向特性の主軸を可変に制御して、目的とする音源に指向性を容易に向けることができる。
【０１０８】
なお、上述した数４１式により、ＭＩＣ０は不要となるため、図１４Ｂに示すＭＩＣ０を省略することができる。
【０１０９】
これにより、ＭＩＣ０、５、６を省略して、ＭＩＣ１〜ＭＩＣ４までの４つのマイクロホンを使用することにより、より簡易に指向特性の主軸を可変に制御して、目的とする音源に指向性を容易に向けることができる。
【０１１０】
また、数４６式により数２２式によるｓｉｎθ成分の算出が不要となる共に、数５０式により数２４式におけるｃｏｓ２θ成分の算出が不要となるため、ｘ  ＭＩＣ３（ｔ），ｘ  ＭＩＣ４（ｔ）のミキシング出力が不要となるため、図１４Ｃに示すＭＩＣ３、４を省略することができる。
【０１１１】
これにより、ＭＩＣ５、６、３、４を省略して、ＭＩＣ０〜ＭＩＣ２までの３つのマイクロホンを使用することにより、さらに簡易に指向特性の主軸を可変に制御して、目的とする音源に指向性を容易に向けることができる。
【０１１２】
【数４７】
0004483105.tif 000048
【０１１３】
【数４８】
0004483105.tif 000049
【０１１４】
【数４９】
0004483105.tif 000050
【０１１５】
【数５０】
0004483105.tif 000051
【０１１６】
なお、図１４Ｃにおいて、ＭＩＣ３、４を省略した際に、ＭＩＣ０を新たに設けたのは、ＭＩＣ０の信号をＭＩＣ１〜ＭＩＣ４の信号から求めていたがＭＩＣ３、４を省略したことから、必要となったためである。
【０１１７】
なお、上述した本実施の形態では、倍角成分を示す２次のフーリエ級数展開について説明したが、これに限らず、３次以上のフーリエ級数展開に適用するようにしても良い。
【０１１８】
つまり、数５１式、数５２式を利用することにより、数５３式のように、Ｘ  Ａ（ω）を用いて表すことにより、３倍角成分であるｃｏｓ３θ成分を生成することができ、また、数５４式に示すように、Ｘ  Ａ（ω）を用いて表すことにより、３倍角成分であるｓｉｎ３θ成分を生成することができる。
【０１１９】
これにより、３倍角以上の成分を生成することができ、これにより、フーリエ級数を３倍角以上に近似することができるので、さらに高次のフーリエ級数展開を可能とすることができる。
【０１２０】
【数５１】
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【０１２１】
【数５２】
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【０１２２】
【数５３】
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【０１２３】
【数５４】
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【０１２４】
【発明の効果】
この発明のマイクロホン装置は、音源からの音波が入力されるマイクロホンを用いてマイクロホンの指向特性を制御するマイクロホン装置において、基準マイクロホンと、基準マイクロホンを中心に等間隔に配置される第１の１対のマイクロホンと、基準マイクロホンを中心に第１の１対のマイクロホンに直交して等間隔に配置される第２の１対のマイクロホンと、基準マイクロホンを中心に第１の１対のマイクロホンおよび第２の１対のマイクロホンに対して４５度傾けて等間隔に配置される第３の１対のマイクロホンと、基準マイクロホン、第１、第２および第３の１対の各マイクロホンの出力をそれぞれディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、Ａ／Ｄ変換部からのディジタル信号に対して信号処理を施す演算処理部とを備え、基準マイクロホン、第１、第２および第３の１対の各マイクロホンは同一平面上に配置され、演算処理部は、第１の１対のマイクロホンの出力の差を求め、この差をフーリエ変換することにより、基準マイクロホンの出力と位相を合わせ且つ基準マイクロホンの出力に対してｃｏｓθで振幅が変化する第１の中間生成出力を得る処理と、第２の１対のマイクロホンの出力の差を求め、この差をフーリエ変換することにより、基準マイクロホンの出力と位相を合わせ且つ基準マイクロホンの出力に対してｓｉｎθで振幅が変化する第２の中間生成出力を得る処理と、第２の１対のマイクロホンの出力の和を求め、この和をフーリエ変換することにより、基準マイクロホンの出力に対してｃｏｓ２θで振幅が変化する第３の中間生成出力を得る処理と、第３の１対のマイクロホンの出力の和を求め、この和をフーリエ変換することにより、基準マイクロホンの出力に対してｓｉｎ２θで振幅が変化する第４の中間生成出力を得る処理と、目標とする指向特性を、次数が２次のフーリエ級数の係数α０，α１，β１，α２，β２によって表し、基準マイクロホンの出力，第１の中間生成出力，第２の中間生成出力，第３の中間生成出力，第４の中間生成出力を、それぞれ係数α０，α１，β１，α２，β２を用いて重み付けして加算する処理とを行うようにしたので、指向性の主軸を任意に制御することができ、指向性の精度を向上させることができるという効果を奏する。
【０１２５】
また、この発明のマイクロホン装置は、上述において、演算処理部は、予め複数の主軸の中心角についてそれぞれ係数α１，β１，α２，β２の組を用意しておき、それらの組のうち音声を分離しようとする主軸の中心角に応じた係数を用いて第１乃至第４の中間生成出力を重み付けすることにより、リアルタイムに複数の主軸からの音声を分離して取得することが可能となるので、１つのマイクロホン装置のみを使用するだけで、例えばマイクホンを中心とする左右の音源を分離してリアルタイムに音声収録または音声認識をすることができるという効果を奏する。
【０１２６】
また、この発明のマイクロホン装置は、上述において、基準マイクロホンを省略して、演算処理部により、第１および第２の１対の各マイクロホンの出力和で基準マイクロホンの出力を近似するので、マイクロホン装置を小型化かつ容易に構成することができると共に、基準マイクロホンを省略して６つのマイクロホンを使用することにより、指向特性の主軸を可変に制御して、目的とする音源に指向性を容易に向けることができるという効果を奏する。
【０１２７】
また、この発明のマイクロホン装置は、上述において、第３の１対のマイクロホンを省略して、演算処理部により、第４の中間生成出力を、第１の中間生成出力を用いて表すので、マイクロホン装置を小型化かつ容易に構成することができると共に、第３の１対のマイクロホンを省略して５つのマイクロホンを使用することにより、簡易に指向特性の主軸を可変に制御して、目的とする音源に指向性を容易に向けることができるという効果を奏する。
【０１２８】
また、この発明のマイクロホン装置は、上述において、第３の１対のマイクロホンを省略して、演算処理部により、第４の中間生成出力を、第１の中間生成出力を用いて表すので、基準マイクロホンおよび第３の１対のマイクロホンを省略して、４つのマイクロホンを使用することにより、より簡易に指向特性の主軸を可変に制御して、目的とする音源に指向性を容易に向けることができるという効果を奏する。
【０１２９】
また、この発明のマイクロホン装置は、上述において、第２の１対のマイクロホンを省略して、演算処理部により、第２の中間生成出力を、第１の中間生成出力を用いて表すとともに、基準マイクロホンの出力に対してｃｏｓ２θで振幅が変化する成分を、第１の中間生成出力を用いて表すので、第２および第３の１対のマイクロホンを省略して、３つのマイクロホンを使用することにより、さらに簡易に指向特性の主軸を可変に制御して、目的とする音源に指向性を容易に向けることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態が適用されるマイクカプセルの配置図である。
【図２】各マイクロホンの配置に応じたＭＩＣ０からの距離差を示す図であり、図２Ａは第１の１対のマイクロホンＭＩＣ１，ＭＩＣ２の配置に応じたＭＩＣ０からの距離差、図２Ｂは第２の１対のマイクロホンＭＩＣ３，ＭＩＣ４の配置に応じたＭＩＣ０からの距離差、図２Ｃは第３の１対のマイクロホンＭＩＣ５，ＭＩＣ６の配置に応じたＭＩＣ０からの距離差である。
【図３】マイクロホン装置のハードウエア構成図である。
【図４】演算処理装置における信号処理のフローチャートである。
【図５】ｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）の入射角度依存特性を示す図である。
【図６】ｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）／ｓｉｎ（ｋｄ）の入射角度依存特性を示す図である。
【図７】ｓｉｎ（ｋｄｓｉｎθ）の入射角度依存特性を示す図である。
【図８】ｓｉｎ（ｋｄｓｉｎθ）／ｓｉｎ（ｋｄ）の入射角度依存特性を示す図である。
【図９】フーリエ級数で近似目標とする指向特性を示す図である。
【図１０】フーリエ級数での指向特性例を示す図である。
【図１１】θｃ＝０度としたときの指向特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】θｃ＝１３５度としたときの指向特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１３】ＭＩＣ１〜ＭＩＣ４の出力和の入射角度依存特性を示す図である。
【図１４】ＭＩＣの省略を示す図であり、図１４ＡはＭＩＣ５、６の省略した５つのＭＩＣ、図１４ＢはＭＩＣ０、５、６を省略した４つのＭＩＣ、図１４ＣはＭＩＣ３、４、５、６を省略した３つのＭＩＣを示す。
【図１５】従来のマイクロホンシステムのブロック図である。
【符号の説明】
１……ＭＩＣ０、２……ＭＩＣ１、３……ＭＩＣ２、４……ＭＩＣ３、５……ＭＩＣ４、６……ＭＩＣ５、７……ＭＩＣ６、８〜１４……アンプ、１５〜２１……Ａ／Ｄ変換器、２２……演算処理装置、２３……収録機器または音声認識装置
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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