(57)【要約】マイクロフォンを校正するためのデバイス及び方法は、音にスピーカ入力信号（５）を変換するスピーカ（３）と、マイクロフォン出力信号（１６）に受信した音を変換するマイクロフォン（４）と、所望の出力レベルを基準としてマイクロフォンの出力レベルを校正する校正手段とを含む。上記校正手段は、上記マイクロフォン（４）が上記スピーカ（３）からの音を受信したときに、上記マイクロフォン出力信号（６）及びスピーカ入力信号（５）を校正することによって上記マイクロフォンの音響インパルス応答を推定する上記インパルス応答推定手段（７）を含むことにより、上記マイクロフォン（４）の上記出力レベルが推定される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音にスピーカ入力信号を変換するスピーカと、
マイクロフォン出力信号に受信した音を変換するマイクロフォンと、
所望の出力レベルを基準としてマイクロフォンの出力レベルを校正する校正手段とを含むマイクロフォンの校正用デバイスであって、
上記校正手段が、上記マイクロフォンが上記スピーカからの音を受信したときに、上記マイクロフォン出力信号及びスピーカ入力信号を校正することによって上記マイクロフォンの音響インパルス応答を推定する上記インパルス応答推定手段を含むことにより、上記マイクロフォンの上記出力レベルが推定される、デバイス。
【請求項２】
上記音響インパルス応答の直接部を取り出す直接部抽出手段を更に含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
低周波及び高周波をフィルタするハイパスフィルタ及びローパスフィルタ手段を更に含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項４】
拡散マイクロフォン応答の電流出力レベルの表現を作成する平方化及び和算手段を更に含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項５】
所望の出力レベルに拡散マイクロフォン応答の出力レベルを関連付ける関連付け手段を更に含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項６】
上記関連付け手段若しくは上記平均化手段の出力は、校正係数として上記マイクロフォン出力信号にフィードバックされる、請求項５記載のデバイス。
【請求項７】
所望の出力レベルは、上記マイクロフォンの絶対的な校正に対する所定の値を有する、請求項５記載のデバイス。
【請求項８】
１若しくはそれ以上のマイクロフォンの相対的な校正のための基準となる参照マイクロフォンを含むことにより、上記参照マイクロフォンの平方化及び和算手段の出力は、上記他のマイクロフォンに対する関連付け手段用の入力となる、請求項５記載のデバイス。
【請求項９】
上記ハイパスフィルタ及びローパスフィルタ手段は、結合されてバンドパスフィルタとなる、請求項３記載のデバイス。
【請求項１０】
校正係数を平均化するように構成された、請求項１記載のデバイス。
【請求項１１】
上記平均化は、上記実際の出力により除された上記所望の出力の平方根の校正前に、実行される、請求項１０記載のデバイス。
【請求項１２】
請求項１記載のデバイスを使用して、マイクロフォンを校正する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、マイクロフォン出力信号レベルに係り、より具体的には、所望のレベルへの校正に関する。異なるマイクロフォンの出力レベルを比較するとき、音響的な励振は同一であると想定する。製造者は、規定された平均値周辺で変化する出力レベルを有するマイクロフォンを供給する。しばしば使用されるバックエレクトレットマイクロフォンに対しては、かかる許容誤差は、±４ｄＢである。結果的には、かかるマイクロフォンの出力レベルは、８ｄＢまでの差異を示すだろう。許容誤差が±２ｄＢであるマイクロフォンは、時として使用可能である。しかし、これらは、より高価である。
【０００２】
マイクロフォンのゲイン（利得）校正に対する通常のアプローチは、無響室、即ち反射若しくは残響のない室で実行される。スピーカは、無響室内のマイクロフォンの前部（０°の角度で）に配置される。スピーカは、既知の出力レベルでノイズの連続を出力し、マイクロフォン応答の出力が測定される。次いで、調整可能なゲインが設定される。
【０００３】
更に、音声処理配置が、特許出願ＷＯ９９／２７５２２に開示される。この先行技術を参照すると、フィルタ処理和型ビームフォーマと重み付け処理和型ビームフォーマが、出力側でのパワーを最大化するために発展される。フィルタ処理和型ビームフォーマ（ＦＳＢ）は、加算時に直接的な寄与を最大限に整合性のあるものにする。
【０００４】
ビームフォーマのようなマルチマイクロフォンアルゴリズムを用いると、要求された誤差範囲内にレベル差異を備えたセットを得るため、製造中マイクロフォンを選別することが非常に重要である。
【０００５】
更に、幾つかのマルチマイクロフォンシステムを用いると、消費者は、後に追加で、実装前に校正されることになるマイクロフォンを購入する場合がある。
【０００６】
本発明は、スピーカ入力信号を音に変換するスピーカと、マイクロフォン出力信号に受信した音を変換するマイクロフォンと、所望の出力レベルを基準としてマイクロフォンの出力レベルを校正する校正手段とを含むマイクロフォンの校正用デバイスであって、上記校正手段が、上記マイクロフォンが上記スピーカからの音を受信したときに、上記マイクロフォン出力信号及びスピーカ入力信号を校正することによって上記マイクロフォンの音響インパルス応答を推定する上記インパルス応答推定手段を含むことにより、上記マイクロフォンの上記出力レベルが推定される。
【０００７】
上記の通り、マイクロフォンの校正は、マイクロフォンシステムの良好な性能に対して極めて重要であることが多い。本発明は、残響室条件下のマイクロフォンの適応的な校正（ソフトウェア上での）に関する。本発明の効果は、マイクロフォンが、音声システムの製造時に選別され校正される必要がなく、製造時間及び余計なハードウェアを節約することである。本発明は、１若しくはそれ以上のマイクロフォン及びスピーカが使用可能な総ての音声通信システムにおいて適用できる。電話通信システムを考慮することもでき、例えばテレビジョンセットのボイス制御用の手ぶら式音声認識システムをも考慮できる。
【０００８】
出力レベルの差異を招くマイクロフォンの均質でない経時性は、本発明により抑制される。
【０００９】
本発明の好ましい実施例において、直接部除去手段が、ａ．ｉ．ｒの拡散部を特に使用するため、いわゆる音響インパルス応答（ａ．ｉ．ｒ）（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｕｌｓｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）の直接部を除去するために設けられる。効果は、校正が、例えばマイクロフォンの室のような通常の環境に於ける使用中に実行でき、ハードウェアを追加する必要性がない、ということである。実際の使用中の校正は、絶対校正若しくは相対校正のいずれも可能である。
【００１０】
他の好ましい実施例は、低周波及び高周波をフィルタするハイパスフィルタ及びローパスフィルタ手段を含み、信号の品質が処理にとって最適となる周波数範囲を使用することによって、より良好な校正が可能なる。
【００１１】
他の好ましい実施例は、所望のレベルに関連付けることができる値を作成するため、マイクロフォンの拡散音場応答の電流出力レベルの表現を作成する平方化及び和算手段を含む。
【００１２】
本発明は、好ましくは、所望の出力レベルに（拡散）マイクロフォン応答の出力レベルを関連付ける関連付け手段を更に含む。
【００１３】
所望の出力レベルについての絶対値を得ることも可能であるが、この所望の出力レベルは、好ましくは、参照マイクロフォンから入手可能である。
【００１４】
本発明の更なる効果、特徴及び詳細について、添付図面を参照した以下の説明を読むことにより、明確となるだろう。
【００１５】
図１は、音声会議システムを示す。これは、メインコンソール１と、マイクロフォンをそれぞれ含む、スピーチを拾うより大きな範囲のための１若しくは２つのサテライトマイクロフォン２とを含み、例えばＰＳＴＮ（ＲＪ１１）若しくはＩＳＤＮ（ＲＪ４５）の種の電話ネットワーク２５及び電源２４に接続されたフロアユニット２３に接続される。メインコンソール１は、（ボイス）サウンドを生成するスピーカと、（ボイス）サウンドを拾うための３つのマイクロフォンとを含む。更に、電話手段は、電話ネットワークを介して他の電話と接続するように構成される。マイクロフォンは、好ましくは、可能な限りシームレスに相互運用する。この目的のため、本発明は、サテライトマイクロフォン若しくはメインコンソール内のマイクロフォンにおけるマイクロフォンの実装前の校正を止めることを可能とする手段を提供する。
【００１６】
本発明（図示せず）によるデバイスの他の使用例は、マイクロフォン入力を使用してチャンネルを切り替えるため若しくは音量を制御するための、テレビジョンセットのボイスベースのコマンドに関する。これは、１若しくは複数のマイクロフォンを備えた形態で具現化することもできる。システムがマイクロフォン出力信号を使用するために、校正が必要となる。
【００１７】
明瞭化のため、図の詳細な説明を理解するために適切な幾つかの音響的な概念が、説明される。図２には、スピーカ３と、室内のスピーカ３に（０°で）向けられたマイクロフォン４とが示されている。
【００１８】
音響インパルス応答（ａ．ｉ．ｒ）は、スピーカ励振信号及びマイクロフォン応答から校正技術によって推定できる。ａ．ｉ．ｒは、インパルス的な音響振動の応答である。かかる推定されたａ．ｉ．ｒの例が、図３に示される。最初の数ミリ秒の間、応答は、空気中の有限の音速に起因して、ゼロである。次に、大きなピークが観測できるが、このピークは、マイクロフォンに向かったスピーカからの音声の直接的な音響伝播に対する応答に起因しており、直接的な音場寄与と称する。このピークは、正規化された１．０の値を有する。後尾は、このグラフに示されたようなこの値に関連する。ａ．ｉ．ｒの後尾は、室内の仕切りに対する反射に起因し、拡散的な音場寄与と称する。これらの反射は、ランダムな特性を有し、密度において静的に増大し、時間における振幅に指数的に減少する。反射の結合の影響は、残響と呼ばれる。
【００１９】
ａ．ｉ．ｒの重要な機能は、エネルギー減衰である。サンプル指数をｎとすると、間欠的な時間において、指数ｎにおけるエネルギー減衰は、ａ．ｉ．ｒの後尾に残されるエネルギーとなる。図３には、ａ．ｉ．ｒに対応するいわゆるエネルギー減衰曲線（ｅ．ｄ．ｃ）が、対数目盛りでプロットされている。Ｙ軸には、音量がｄＢで測定される。ｅ．ｄ．ｃは、直接的な成分に起因する急激な変化を示す。この飛び移りの直前と直後のエネルギー減衰の差異は、透明度指数と称される。より大きな透明度指数は、より大きな直接／拡散の比を、従ってより少ない残響を意味する。ａ．ｉ．ｒの拡散の後尾の包絡線は、ｅ．ｄ．ｃの後尾の対数グラフ上の一定傾きに至る指数的な減衰を有する。残響時間Ｔ６０は、残響レベルが、６０ｄＢごと降下する時間間隔である。この場合、Ｔ６０＝０．３６ｓであることが見出される。
【００２０】
マイクロフォンは、単方向のビームパターンを有することができる。単方向のマイクロフォンは、０°周辺のある一定の角度範囲からの音響信号を拾うだけである。即ち、単方向のマイクロフォンは、１８０°で到達する音響信号を多かれ少なかれブロックする。これは、１８０°で測定されたａ．ｉ．ｒの直接的な場の寄与が、ほとんど零であるだろうことを意味する。
【００２１】
図４では、図３に示すものと同一であるが１８０°である（単方向の）マイクロフォンのａ．ｉ．ｒ及びｅ．ｄ．ｃがプロットされる。１に正規化された値が同様に存在するが、後尾のみが、拡散応答を表わすように示されている。図３及び図４を比較すると、１８０°では、直接的な寄与が、消えている一方で、拡散的な寄与が、両図面に於ける同一の指数的な包絡線を有する。
【００２２】
次においては、ａ．ｉ．ｒの拡散後尾のエネルギーは、マイクロフォン若しくはスピーカの方向性及び室内の位置に依存しない、と仮定する。実際には、幾つかの変化が、方向性及び位置に依存して見出されるが、これらの変化は、室内の音響的な吸収パターンが多かれ少なかれ均質であり、且つ、時間における残響が小さすぎない（Ｔ６０＞１００ｍｓ）とき、小さい。典型的な室は、３００ｍｓよりも長い残響を有することを、言及しておく。一般的な法則として、室が大きくなるにつれて、残響時間が増大する。
【００２３】
本発明は、マイクロフォン応答のみならずスピーカ（図２）の励振信号をも入力として使用する。第１に、ａ．ｉ．ｒは、平均を推定する際の公知の校正方法を使用してスピーカからマイクロフォンまで推定される。音響校正が実行されるとき、適応フィルタが既に利用可能である。ａ．ｉ．ｒの拡散部は、直接部除去手段において選択される。低周波数では、スピーカ出力及び／又はマイクロフォン感度は、低く、信頼性のないａ．ｉ．ｒ係数を導く。それ故に、ハイパスフィルタがナイキスト周波数近傍の最も高い周波数でのａ．ｉ．ｒの拡散部に適用され、信号レベルは、アンチエイリアシング・フィルタに起因して低くなるだろう。従って、高周波数での信頼性のないａ．ｉ．ｒ係数を処理するため、ローパスフィルタが適用される。
【００２４】
図５には、これらのハイパスフィルタ及びローパスフィルタは、バンドパスフィルタに結合される。このフィルタ係数は、平方及び和算手段において、二乗され、総和され、拡散マイクロフォン応答の現在の出力を表わす実際の出力レベル１４を導く。この出力レベルは、所望の出力レベル２０に関連し、利得係数が、これらの出力レベルの商の平方根として決定される。
【００２５】
好ましい実施例では、この校正方法は、適応フィルタがａ．ｉ．ｒの新たな推定値を見出すたびに、適応できる。音響エコーキャンセラの増加されたロバスト性のため、プログラム可能なフィルタが往々にして使用される（米国特許４９０３２４７号に記載）。適応フィルタは、バックグラウンドで実行され、適応フィルタからその係数を条件的に取るプログラム可能なフィルタが、実際のエコーを除去するために使用される。この場合、プログラム可能なフィルタの係数を取り、各係数が変換されたあとに校正処理を適用することは最善である。
【００２６】
スピーカ３（図５）は、スピーカ入力信号５を取得する。マイクロフォン４は、スピーカ３により生成された音を受信し、これをマイクロフォン出力信号６に変換する。信号５，６のデジタル値は、推定器７に供給される。推定器７は、ソフトウェアで具現化された直接部除去部８に通される推定値９を生成する。ここから、デジタル値１０は、デジタルバンドパスフィルタ１０に供給される。これらのバンドパスフィルタからの信号１２は、平方化及び和算プログラム１３に供給される。
【００２７】
推定された実際の出力レベル（Ｐ）１４は、（外部の）所望の出力レベル（Ｑ）２０と同様に関連プログラム１５に供給される。ここから、校正利得係数１６が、平均化手段１７に供給される。調整された校正利得係数１８は、校正された信号１９を形成するため、マイクロフォン出力信号にフィードバックされる。
【００２８】
特に音響エコー校正のための適応フィルタと結合された時、提案されるマイクロフォン校正方法は、システムがアクティブである全ての時間、適用できる。図５において、実際の出力レベルによって除された所望の出力レベルの平方根である校正ファクターは、連続的な校正利得係数が滑らかに変化することを保証するため平均化される。かかる平均化は、一次の再帰により実行される。この平均化手順は、所望の出力レベルの平方根の校正が実際の出力レベルで除される前に、実際の出力１４及び所望の出力２０に適用できる。
【００２９】
以下、図５の実施例のプロセスについて言及する。この本発明の好ましい実施例は、マイクロフォン応答６のみならずスピーカ（図２）の励振信号５をも入力として要求する。第１に、ａ．ｉ．ｒが推定手段７での校正方法を使用して、スピーカからマイクロフォンまで推定される。ａ．ｉ．ｒの拡散部だけが、直接部除去手段８で選択される。バンドパスフィルタ１１は、高周波及び低周波をフィルタして除去するために使用される。フィルタされた係数は、平方化及び和算手段１３において、二乗され、和算され、拡散マイクロフォン応答の現在の出力を表わす実際の出力レベルを導く。この出力レベルは、所望の出力レベル２０に関連し、利得係数は、実際の出力レベルにより除された所望の出力レベルの平方根として決定される。
【００３０】
図６は、平均化手段１７と関連プログラム１５以外は、図５の構成と同一の構成を示す。この構成は、参照マイクロフォンに対する参照校正の場合に使用され、これにより、所望の出力レベル２０は、他のマイクロフォン校正手段の関連手段１５に、参照マイクロフォンを使用して、それらの参照として、出力される。
【００３１】
図７は、図５及び図６の構成要素が、如何にして、図１に示すような音声会議システムにおける使用のための参照校正用に、結合されるかを示す。
【００３２】
図８は、平均化アルゴリズムが、如何にして、マイクロフォンの拡散音場応答の出力Ｐを校正する際に、機能するかを示す図である。スキームは、二乗された出力値の合算が後続するバンドパスフィルタからなる。８ｋＨｚのサンプリングレートで、それぞれ約２００Ｈｚ及び３．６ｋＨｚのローパスカットオフ周波数及びハイパスカットオフ周波数（−３ｄＢ）を導く良好なフィルタパラメータは、ｂ＝０．８００、ａｌ＝０．１２８、ａ２＝０．６２１である。
【００３３】
本発明は、上述した好ましい実施例に限定されることはなく、適用される権利は、請求の範囲に定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
音声会議システムにおける、本発明の好ましい実施例の部分的に図解的な斜視図である。
【図２】
音響室内のマイクロフォンの校正用の先行技術の設定を示す図である。
【図３】
マイクロフォンの０°での典型的なａ．ｉ．ｒ、及び、時間を関数とするエネルギー減衰曲線（ｅ．ｄ．ｃ）のグラフである。
【図４】
図３と同じマイクロフォンの１８０°での典型的なａ．ｉ．ｒ、及び、時間を関数とするエネルギー減衰曲線（ｅ．ｄ．ｃ）のグラフである。
【図５】
図１の実施例に含まれるような適応型マイクロフォン校正の図である。
【図６】
図１の実施例に使用できる参照マイクロフォンを基準とした適応型マイクロフォン校正の図である。
【図７】
図１の実施例に使用できる参照マイクロフォンを基準とした相対校正の図である。
【図８】
図５乃至図７において使用される、バンドパスフィルタ、及び、平方化及び和算処理の図である。
【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2004502367.tif 000006
2004502367.tif 000007
2004502367.tif 000008
2004502367.tif 000009
2004502367.tif 000010
2004502367.tif 000011
2004502367.tif 000012
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2004502367.tif 000016
2004502367.tif 000017
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004502367.tif 000020
【国際調査報告】
2004502367.tif 000021
2004502367.tif 000022