(57)【要約】【課題】マイクロホンの位置を時間とともに変化させることにより、ターゲット方向の感度は高く保った状態で他の方向の感度を変動させる。【解決手段】本発明は、空間内に配置された複数のマイクロホンと増幅器からなるマイクロホンアレイ部と、マイクロホンアレイ部から入力されるマルチチャネルのアナログ電気信号をデジタル信号に変換するデータ変換部と、目的とする方向に合わせてチャネルごとの遅延時間を制御する信号処理部と、マイクロホン乃至はマイクロホンアレイ部を移動させるための動力部を備える。マイクロホン乃至はマイクロホンアレイ部の位置は時間とともに変化する。【選択図】図１０
2009253525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間内に配置された複数のマイクロホンからなるマイクロホンアレイ部と、
前記マイクロホンアレイ部から入力されるマルチチャネルのアナログ電気信号をデジタル信号に変換するデータ変換部と、
目的とするターゲット方向に合わせてチャネルごとの遅延時間を制御する信号処理部と、
前記マイクロホン乃至は前記マイクロホンアレイ部を移動させるための動力部を備え、
前記マイクロホン乃至は前記マイクロホンアレイ部の位置が時間とともに変化することを特徴とするマイクロホン信号処理装置。
【請求項２】
前記動力部は、前記マイクロホン乃至は前記マイクロホンアレイ部を一定角速度で回転運動させ、
該回転運動の回転角度情報に基づいて各チャネルの遅延時間を制御する請求項１に記載のマイクロホン信号処理装置。
【請求項３】
前記一定角速度の回転運動により、T（s）で一回転させた場合の任意の時刻tにおける角度θｔを、θt = （2π×t）／Tとし、かつ音速をc（m／s）、前記ターゲット方向角度をαとして、
各チャネルには基準となるチャネルに対して、ｒ cos（θt −α）／c（s）の時変の遅延を挿入する請求項２に記載のマイクロホン信号処理装置。
【請求項４】
時間とともに位置が変動するマイクロホン乃至はマイクロホンアレイ部に対し、目的とするターゲット方向乃至は位置から到来する信号のチャネル間時間差を減少させるよう、チャネルごとの遅延時間を変化させ、
当該ターゲット方向以外から到来する音の時間とともに変動するチャネル間時間差を所定時間平均することにより、変動の少ない感度特性が実現されることを特徴とするマイクロホン信号処理方法。
【請求項５】
前記マイクロホン乃至は前記マイクロホンアレイ部を一定角速度で回転運動させ、
該回転運動の回転角度情報に基づいて各チャネルの遅延時間を制御する請求項４に記載のマイクロホン信号処理方法。
【請求項６】
前記一定角速度の回転運動により、T（s）で一回転させた場合の任意の時刻tにおける角度θｔを、θt = （2π×t）／Tとし、かつ音速をc（m／s）、前記ターゲット方向角度をαとして、
各チャネルには基準となるチャネルに対して、ｒ cos（θt −α）／c（s）の時変の遅延を挿入する請求項５に記載のマイクロホン信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報通信機器と信号処理技術に係り、広い周波数領域において優れた空間感度特性を持つマイクロホンアレイを実現するマイクロホン信号処理装置及び処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
空間内に、複数のマイクロホンを配置し、各チャネルの信号の遅延時間を制御することによって特定の方向乃至は位置から到来する信号を選択的に再合成するマイクロホンアレイは、騒音抑制や音源分離の手法として利用されている（特許文献１、２）。また、音源探索にも利用が期待される（特許文献３、４）。
【０００３】
従来のマイクロホンアレイには、特定の周波数付近の信号に対しては有効でも他の周波数帯域では効果が小さい、あるいは効果にむらが生じるという欠点がある。広い周波数範囲において、安定した効果が得られれば、さらに広い分野への応用が期待できる。
【０００４】
従来から利用されているマイクロホンアレイの原理について、図１、図２、図３を用いて説明する。図１は、同じ周波数の音波２つを合成する場合に、相対的な位相が合成波の振幅に影響を及ぼすことを示す図である。図中A，B，C，Dは、周波数の同じ波形であり、最大振幅はそれぞれ１である。AとBは位相も同じ（位相差０）だが、AとCには2π / 3、AとDにはπの位相差がある。位相差が０のAとBを合成した（加算した）波形A＋Bの最大振幅は２となるが、位相差λが０でない場合、すなわち、
0 < λ < 2π
のとき、合成波の最大振幅は０以上２未満である。特にA＋Dに示すように位相差がπのとき、合成波の振幅は０となる。
このように同一の信号を複数加算する場合、位相差が無ければ加算による増幅効果が最大となる。マイクロホンアレイは、音波のこのような性質を利用することによって任意の方向乃至は位置に最大の感度を持たす技術である。
【０００５】
図２は、２つのマイクロホンから構成されるマイクロホンアレイの動作原理を説明するためのものである。２つのマイクロホンの間隔をｒ（m）とし、マイクロホンを結ぶ線分をマイクロホンアレイの軸とすると、軸に対して角度αの方向から到来する信号がそれぞれのマイクロホンに達するまでの経路には、図に示すとおりｒ cosαの距離差が生じる。この距離差によって発生する時間差は、距離差ｒ cosαを音速c（m／s）で割ったものとなる。
つまりα方向から到来する信号は、マイクロホン１に到達してからｒ cosα／c（s）遅れてマイクロホン２に到達することになる（左図）。そこでこの時間差を補正するため、チャネル１の経路にｒ cosα／c（s）の遅延を挿入したのが右図である。このとき、両チャネルの出力におけるα方向から到来する音の時間差dαは、
dα＝（ｒ cosα／c）−（ｒ cosα／c）＝０（s）
である。時間差が０（s）なので、α方向から到来する信号はチャネル間で位相が揃うことになり、チャネル１とチャネル２の出力を合成すると、図１のA＋Bのように効率よく増幅される。
【０００６】
図３は、異なる方向から到来する音について、マイクロホンアレイの効果を説明するためのものである。左図は図２の右図と同じものである。この図において、チャネル１の経路にｒ cosα／c（s）の遅延が挿入されているため、α方向から到来する信号の位相はチャネル間で揃っている（位相差０）。このとき、β方向から到来する音に関するチャネル間時間差をdβとすると、dβは、音源から両マイクロホンまでの距離差ｒ cosβによって物理的に生じる時間差ｒ cosβ／c（s）とチャネル１に挿入された遅延ｒ cosα／c（s）の差、すなわち、
dβ＝ ｒ cos（α−β）／c（s）
となる。この時間差によってβ方向から到来する音にはチャネル間位相差が生じる。このため両チャネルの出力を合成しても図１のA＋Bのようには効率よく増幅されない。結果的にα方向から到来する音が相対的に強調されることになり、指向性が生じる。なお、マイクロホンアレイを用いて音を強調しようとする方向をターゲットと呼ぶこととする。チャネル１に挿入する遅延時間を変えることによって任意の方向をターゲットとすることが可能である。実際の多チャネルマイクロホンアレイではすべてのチャネルに独立に遅延時間を設定している。
【０００７】
上述の方法により、β方向から到来する音は、α方向から到来する音にくらべて相対的に抑制される。これはβ方向から到来する音のチャネル間時間差によって生じる位相差が０でないためである。しかし、β方向から到来する音が周期的な信号で、その周期がdβのn分の１（ｎは整数）となる場合、チャネル間時間差によって生じる位相差は２nπとなる。２π（360°）の整数倍の位相差は位相差０と等価なので、β方向から到来する音もα方向の音と同様に強調されることになる。すなわち、ターゲット方向以外にも強調される方向が生じる。
また逆にチャネル間の時間差が（２n＋１）πの位相差を生じる場合、チャネル間で逆位相となり、両チャネルの出力を合成すると図１のA＋Dのように振幅が０になる。
このように従来のマイクロホンアレイの空間特性には、ターゲット方向以外にも感度に山や谷が複数生じる場合がある。
【特許文献１】特開2004-334218
【特許文献２】特開平09-251299
【特許文献３】特開2007-180942
【特許文献４】特開2007-180953
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図４及び図５を用いて従来のマイクロホンアレイの感度特性の問題点について説明する。図４はマイクロホン２つからなるマイクロホンアレイにおける様々な周波数の信号の感度特性を示すものである。マイクロホンアレイは、中央上図に示すようにマイク１、マイク２を34 cm間隔で配置したもので、図中の矢印方向（０°方向）をターゲットとする場合に、100 Hz、200 Hz、400 Hzの信号に対する感度特性を求めた結果が左下図、同じく800 Hz、１kHz、1.6 kHzの信号に対する感度特性を求めた結果が右下図である。ターゲット方向の感度を０dBとすると、180°方向において、100 Hzでは約２dB、200 Hzでは約10 dB感度が下がっていることがわかる。信号の周波数が400 Hzになると、115°付近と255°付近に感度の谷が生じている。さらに高い周波数においては、複数の感度の山や谷が生じており、方向によって感度が急激に変化することがわかる。この例では、200 Hz周辺の帯域では優れた指向性が実現されているが、他の帯域、特に高域では安定した効果が期待できない。
【０００９】
図５は17個のマイクロホンを用いたマイクロホンアレイの感度特性を求めた結果である。左図に示すように17個のマイクロホンを１列に配置し、矢印方向（０°方向）からの音を強調するように設定した。このとき、100 Hz、400 Hz及び１kHzの信号に対する感度特性を示したのが右図である。１kHzの場合、０°方向以外にも、90°、180°、270°の方向で感度が最大（０dB）となっている。このように従来のマイクロホンアレイでは、ターゲット方向以外の方向では信号の周波数によって感度が大きく変動し、特に周期の短い高周波領域において、感度の変化が激しく、安定した指向性が得にくいという問題がある。
【００１０】
従来のマイクロホンアレイは特定の方向、例えばα方向をターゲットとするとき、他の方向、例えばβ方向の音にはチャネル間時間差が生じる。この時間差はマイクロホンアレイの特性を変化させない限り一定なので特定の周波数において、チャネル間時間差が信号周期の整数倍になってしまう。
本発明ではこの不都合を回避するため、マイクロホンの位置を時間とともに変化させることにより、ターゲット方向の感度は高く保った状態で他の方向の感度を変動させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のマイクロホン信号処理装置は、空間内に配置された複数のマイクロホンと増幅器からなるマイクロホンアレイ部と、前記マイクロホンアレイ部から入力されるマルチチャネルのアナログ電気信号をデジタル信号に変換するデータ変換部と、目的とする方向に合わせてチャネルごとの遅延時間を制御する信号処理部と、前記マイクロホン乃至は前記マイクロホンアレイ部を移動させるための動力部を持ち、前記マイクロホン乃至は前記マイクロホンアレイ部の位置が時間とともに変化する。
また、動力部は、前記マイクロホン乃至は前記マイクロホンアレイ部を一定角速度で回転運動させ、この回転運動の回転角度情報に基づいて各チャネルの遅延時間を制御する。この一定角速度の回転運動により、T（s）で一回転させた場合の任意の時刻tにおける角度θｔを、θt = （2π×t）／Tとし、かつ音速をc（m／s）、ターゲット方向角度をαとして、各チャネルには基準となるチャネルに対して、ｒ cos（θt −α）／c（s）の時変の遅延を挿入する。
【００１２】
また、本発明のマイクロホン信号処理方法は、時間とともに位置が変動するマイクロホン乃至はマイクロホンアレイに対し、目的とする方向乃至は位置から到来する信号のチャネル間時間差が常に０になるよう、チャネルごとの遅延時間を変化させることにより、当該方向の感度を一定に保つ。このとき、当該方向以外から到来する音のチャネル間時間差は、時間とともに変動するため、感度も時変となり、これを長時間平均することにより、感度の山や谷が平均化され、変動の少ない滑らかな感度特性が実現される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ターゲット方向の感度は高く保った状態で他の方向の感度を変動させることにより、ターゲット方向以外のすべての方向でチャネル間時間差が時変となり、感度特性に定常的な山、谷が発生することを防ぐことができる。マイクロホンアレイの感度に複数の山、谷が生じにくくなるため、広い周波数範囲において安定した効果（指向性）を実現することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、例示に基づき本発明を説明する。ここでは、時間とともにマイクロホンアレイが回転する例について述べる。回転するマイクロホンアレイを回転式マイクロホンアレイと呼ぶものとし、従来のマイクロホンアレイを固定式マイクロホンアレイとする。
【００１５】
図６は、２個のマイクロホンからなる回転式マイクロホンアレイにα方向から音が到来する状態を示すものである。このマイクロホンアレイは、マイクロホン１を中心としてマイクロホン２が反時計回りに回転しているものとする。左図は、時刻０における状態を示し、右図は時間Δt（s）後の状態を示す。時刻０において、α方向から到来する音が両マイクロホンに達する時間差は、ｒ cos（θ0−α）であり、時刻Δtでは、これがｒ cos（θt−α）となる。
α方向をターゲットとするには、α方向からの音に関して、チャネル間時間差を常に０にする必要がある。したがって、チャネル１に挿入される遅延を時間とともに変化させなくてはならない。回転式マイクロホンアレイの角速度ωが一定で、T（s）で一回転するとすれば、任意の時刻tにおける角度θｔは、
θt = （2π×t）／T
である。よってチャネル１に、ｒ cos（θt −α）／c（s）の時変の遅延を挿入すれば、常にα方向の音に対してチャネル間時間差を０にすることが可能である。このときα方向の感度は高く保たれる。
【００１６】
図７は、同じ回転式マイクロホンアレイにβ方向から音が到来している状態を示すものである。α方向をターゲットとするため、チャネル１にｒ cos（θt −α）／c（s）の遅延が加えられている。両チャネルの出力におけるβ方向の音の時間差dβは、音源から両マイクロホンまでの距離差による時間差ｒ cos（θt −β）／c（s）とチャネル１に加えられた遅延ｒ cos（θt −α）／c（s）の差、すなわち、
dβ= ｒ｛cos（θt −α）−cos（θt −β）｝／c
となる。この値は、α＝βの場合には常に０だが、それ以外の場合には時間とともに変動する時変値となる。このため、α≠βなら、両チャネルの出力を合成して得られる増幅量も時変であり、瞬間的には極大値や極小値になることがあっても、時間Tで平均するとターゲット方向の信号よりも小さくなる。このようにしてターゲット以外の方向に感度の山や谷が生じにくくすることができる。
【００１７】
図８は、回転式マイクロホンアレイの感度特性例を示すものである。左図に示すように17個のマイクロホンを34 cm間隔で一列に並べたマイクロホンアレイを、中央のマイクロホンを中心にして反時計回りに回転させ、図の矢印方向（０°方向）をターゲットにした場合に得られる感度特性を右図に示す。隣り合うマイクロホン間の距離は34 cmなので、マイクロホンアレイの半径rは34×8＝272 cmであり、x番目のチャネルに挿入される遅延量は、(34×ｘ−272)×cos(θt −α)／cだが、ターゲット方向（α）は０°なので、(34×ｘ−272)×cos(θt)／cとなる。
【００１８】
100 Hz、400 Hzの感度特性はスムーズな楕円形となっており、ターゲット方向（０°方向）の感度を０dBとすると、反対方向（180°方向）の感度は、100 Hzで約-10 dB、400 Hzでは、約-16 dBとなっている。１kHzでは60°方向、300°方向に感度の山があるが、固定式マイクロホンアレイの感度特性（図５）とくらべると変動が小さくなっていることがわかる。
【００１９】
図９は回転式マイクロホンアレイのマイクロホン配置例である。回転式マイクロホンアレイでは、ターゲット方向の感度は常に最大に保たれ、ターゲット以外の方向の感度特性は時間とともに変化し、一定時間の平均値を求めると前記のとおり山、谷の少ない安定した感度特性を得ることができる。図６及び図７に示すマイクロホンアレイの場合、マイクロホンアレイを一回転させることによって感度特性の平均が得られる。しかし、マイクロホンの配置次第では必ずしも一回転させる必要はない。マイクロホンを図９の左図のように配置すれば90°の回転で効果が得られ、右図の配置なら60°回転させればよい。
【００２０】
図１０は、本発明の構成を例示する図である。複数のマイクロホンと増幅器からなるマイクロホンアレイ部１にて収録され、かつ増幅されたアナログ信号は、データ変換部２にてデジタル信号に変換され、信号処理部３へと送られる。信号処理部３では、任意のターゲット方向から到来する音のチャネル間時間差が常時０になるよう、回転角度情報に基づいて各チャネルの遅延時間を制御し、すべて、あるいは一部のチャネルの信号が合成される。マイクロホンアレイ部１、あるいはマイクロホンアレイ部１内の各マイクロホンの位置を変化させるための動力がモータ等を用いる動力部４から供給される。
【００２１】
上記の説明では、１つの例として回転式マイクロホンアレイを提案しているが、マイクロホンアレイあるいはマイクロホンの位置が時間とともに変動することが重要であり、回転運動に限定されるものではない。マイクロホンが直線的に移動するものや振り子運動するものなど多様な実施形態が可能である。
【００２２】
以上、本発明の基本的な実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜の変更が可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】正弦波信号の合成による増幅効果の説明図
【図２】マイクロホンアレイの原理を説明する図
【図３】マイクロホンアレイによって指向性が生じる原理を説明する図
【図４】２チャネルの固定式マイクロホンアレイにおける感度特性計算結果を示す図
【図５】17チャネル固定式マイクロホンアレイの感度特性計算結果を示す図
【図６】回転式マイクロホンアレイにターゲット方向からの音が到来した状態を示す図
【図７】回転式マイクロホンアレイに非ターゲット方向からの音が到来した状態を示す図
【図８】17チャネル回転式マイクロホンアレイの感度特性計算結果を示す図
【図９】回転式マイクロホンアレイにおけるマイクロホン配置例
【図１０】本発明の構成を例示する図
【符号の説明】
【００２４】
１  マイクロホンアレイ部
２  データ変換部
３  信号処理部
４  動力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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