(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１乃至第５マイクロフォンと、差分手段（７０５）と、演算手段（７０１）と、第１加算手段（７０２）と、第２加算手段（７０３）と、第１積分手段（７０７）と、第２積分手段（７０４）とを備える狭角度指向性マイクロフォンシステムであって、
第２及び第３マイクロフォンは、第１マイクロフォンを通る第１直線上に、第１マイクロフォンと第１間隔を置いて対称に配置され、
第４及び第５マイクロフォンは、前記第１直線と直交する第２直線上に、第１マイクロフォント第２間隔を置いて対称に配置され、
前記差分手段は、第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取って、差分信号を出力し、
前記演算手段は、第１マイクロフォンの出力信号に、所定の伝達関数に従った演算処理を実行して出力し、
前記第２加算手段は、第４及び第５マイクロフォンの出力信号を加算出力し、
前記第２積分手段は、前記第２加算手段の出力に第２の積分処理を行って出力し、
前記第１加算手段は、前記差分信号と、前記演算手段の出力信号と、前記第２積分手段の出力信号とを加算出力し、
前記第１積分手段は、前記第１加算手段の出力信号に第１の積分処理を行ってマイクロフォン出力信号として出力することを特徴とする狭角度指向性マイクロフォンシステム。
【請求項２】
前記差分手段と前記第１加算手段との間には、所定の低域周波通過処理を施す低周波通過型フィルタ手段（７０６）が挿入されることを特徴とする請求項１に記載の狭角度指向性マイクロフォンシステム。
【請求項３】
前記第２積分手段は、（−１／２ωτ’）の積分処理を実行し、
前記演算手段は、伝達関数（１−ａω２）／ωτ’に従って演算する請求項１又は２に記載の狭角度指向性マイクロフォンシステム。
但し、ω：音波の角周波数
τ’：積分定数
ａ＝ｈ２／２ｃ２
ｈ：第２間隔
ｃ：音速
【請求項４】
第１乃至第５マイクロフォンと、差分手段（１２０５）と、演算手段（１２０４）と、第１加算手段（１２０６）と、第２加算手段（１２０１）と、第３加算手段（１２０３）と、第１積分手段（１２０９）と、第２積分手段（１２０２）と、第２低域周波通過型フィルタ手段（１２０５）とを備える狭角度指向性マイクロフォンシステムであって、
第２及び第３マイクロフォンは、第１マイクロフォンを通る第１直線上に、第１マイクロフォンと第１間隔を置いて対称に配置され、
第４及び第５マイクロフォンは、前記第１直線と直交する第２直線上に、第１マイクロフォント第２間隔を置いて対称に配置され、
前記差分手段は、第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取って、差分信号を出力し、
前記演算手段は、第１マイクロフォンの出力信号に、所定の伝達関数に従った演算処理を実行して出力し、
前記第２加算手段は、第１、第４及び第５マイクロフォンの出力信号を加算出力し、
前記第２積分手段は、前記第２加算手段の出力に第２の積分処理を行って出力し、
前記第３加算手段は、前記演算手段の出力信号と、前記第２積分手段の出力信号とを加算出力し、
前記第２低域周波通過型フィルタ手段は、前記第３加算手段の出力信号に所定の低域周波通過処理を施して出力し、
前記第１加算手段は、前記差分信号と、前記第２低域周波通過型フィルタ手段の出力信号とを加算出力し、
前記第１積分手段は、前記第１加算手段の出力信号に第１の積分処理を行ってマイクロフォン出力信号として出力することを特徴とする狭角度指向性マイクロフォンシステム。
【請求項５】
前記差分手段と前記第１加算手段との間には、所定の低域周波通過処理を施す第１低周波通過型フィルタ手段（１２０８）が挿入されることを特徴とする請求項４に記載の狭角度指向性マイクロフォンシステム。
【請求項６】
前記第２積分手段は、（１／ωτ’）の積分処理を実行し、
前記演算手段は、伝達関数（ωａ／τ’）・｛１−ω２（ｂ／ａ）｝に従って近似演算する請求項４又は５に記載の狭角度指向性マイクロフォンシステム。
但し、ω：音波の角周波数
τ’：積分定数
ａ＝ｈ２／２ｃ２
ｂ＝ｈ４／４！・ｃ４
ｄ：第１間隔
ｈ：第２間隔
ｃ：音速
【請求項７】
第１乃至第３マイクロフォンと、差分手段（１７０２）と、演算手段（１７０３）と、第１加算手段（１７０６）と、第２加算手段（１７０９）と、第３加算手段（１７０１、１７０４）と、第１積分手段（１７０８）と、第２積分手段（１７０５）とを備える狭角度指向性マイクロフォンシステムであって、
第２及び第３マイクロフォンは、第１マイクロフォンを通る第１直線上に、第１マイクロフォンと第１間隔を置いて対称に配置され、
前記差分手段は、第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取って、差分信号を出力し、
前記演算手段は、第１マイクロフォンの出力信号に、所定の伝達関数に従った演算処理を実行して出力し、
前記第３加算手段は、第２及び第３マイクロフォンの出力信号と、前記演算手段の出力信号とを加算出力し、
前記第２積分手段は、前記第３加算手段の出力に第２の積分処理を行って出力し、
前記第１加算手段は、前記差分信号と、前記第２積分手段の出力信号とを加算出力し、
前記第１積分手段は、前記第１加算手段の出力信号に第１の積分処理を行って出力し、
前記第２加算手段は、第１マイクロフォンの出力信号と、前記第１積分手段の出力信号とを加算してマイクロフォン出力信号として出力することを特徴とする狭角度指向性マイクロフォンシステム。
【請求項８】
前記差分手段と前記第１加算手段との間には、所定の低域周波通過処理を施す低周波通過型フィルタ手段（１７０７）が挿入されることを特徴とする請求項７に記載の狭角度指向性マイクロフォンシステム。
【請求項９】
前記第２積分手段は、（１／ωτ’）の積分処理を実行し、
前記演算手段は、伝達関数−２（１−ａω２）に従って演算する請求項７又は８に記載の狭角度指向性マイクロフォンシステム。
但し、ω：音波の角周波数
τ’：積分定数
ａ＝ｈ２／２ｃ２
ｄ：第１間隔
ｃ：音速
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロフォンシステムに係わり、特に、無指向性の複数のマイクロフォンを用いて狭角度指向性を付与するマイクロフォンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車に搭載されるナビゲーションシステムには、いわゆる音声応答機能が組み込まれる場合が多いが、この音声応答機能の中核となるのは、搭乗者である話者の発する音声を認識する音声認識装置である。話者の発する音声を電気信号に変換するために周知のマイクロフォンが適用されるが、音声認識装置における認識率を向上するためには発言者の発する音声の感度を高くするとともに、話者の発する音声以外の音声（例えば自動車の走行音）に対する感度を十分に低くすること、が必要となる。
【０００３】
上記課題を解決するために、音声による平面音波の周波数が３００〜５，０００Ｈｚの広帯域の音声に対して同一の利得を有するとともに、鋭い指向性（狭角度指向性）を有するマイクロフォンを使用することが必要となる。狭角度指向性を得る方法としては、マイクロフォンと集音器、音響レンズ等を組み合わせて機械的に指向性を得ることも可能ではあるけれども、物理的に大きくなるだけでなく指向性を変更することもできない。
【０００４】
小型であると同時に指向性の変更を可能とするためには、電気的処理によって指向性を得ることが考えられるが、本出願人は既に３マイク積分方式を適用した狭角度指向性マイクロフォンシステムを既に提案している。図１は３マイク積分システムの説明図であって、３本の無指向性マイクロフォンＭＩＣ１、ＭＩＣ０、及びＭＩＣ２の順に一直線上に配置する。
【０００５】
すると、マイクロフォンＭＩＣ１の出力とＭＩＣ２の出力の差の指向性を表す第１の指向性関数Ｄ１は、マイクロフォン間距離をｄ、音波入射角をθ、音波の角周波数をω、音速をＣ、波長定数ｋ＝ω／Ｃとしたとき、次の式１で表される。
（式１）
Ｄ１＝−２ｊｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）
【０００６】
指向性関数Ｄ１の値は、音波の周波数が低くなるに応じて小さくなるので、低周波数域まで指向性を維持するためには、マイクロフォンＭＩＣ１の出力とＭＩＣ２の出力の差を積分器によって積分し、低周波数域での利得の低下を補償することが必要である。
積分器による補償がなされた後の指向性を表す第２の指向性関数Ｄ２は、積分定数をτとしたとき、次の式２で表される。
（式２）
Ｄ２＝−（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）
【０００７】
実用的な見地からは、第２の指向性関数Ｄ２の高周波域での指向性を改善するために、マイクロフォンＭＩＣ１の出力とＭＩＣ２の出力の差の周波数特性を低周波域通過型フィルタ（ＬＰＦ）によって補償している。
そして、中央に配置されたマイクロフォンＭＩＣ０の出力と、マイクロフォンＭＩＣ１の出力とＭＩＣ２の出力の差出力を加算したときの指向性を表す第３の指向性関数Ｄ３は、ＬＰＦの伝達関数をＴ（ｊω）とすると、次の式３で表される。
（式３）
Ｄ３＝１−（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）・Ｔ（ｊω）
【０００８】
図２は第３の指向性関数Ｄ３のグラフであって、横軸は音波入射角θを、縦軸はＤ３の値、即ち３マイク積分システムの出力を表す。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図２から理解できるように、Ｄ３の値（実線）はθ＝０°で零に、θ＝１８０°で最大となるので、３マイク積分システムにおいては、マイクロフォンＭＩＣ１、ＭＩＣ０、及びＭＩＣ２を結ぶ直線のＭＩＣ２側に話者が位置することが必要となる。
【００１０】
しかしながら、図２は、３マイク積分システムはθ＝９０°の方向、即ちマイクロフォンＭＩＣ１、ＭＩＣ０、及びＭＩＣ２を結ぶ直線の直角方向から入射される音波に対してもある程度の利得を有することも示しており、信号／雑音比を向上させるため、即ち、話者の発する音波を確実に検出し雑音の検出を抑制するためには、指向性をより狭角度とすることが必要となる。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、複数の無指向性マイクロフォンを使用して極めて鋭い指向性を有する狭角度指向性マイクロフォンシステムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムは、第１乃至第５マイクロフォンと、差分手段（７０５）と、演算手段（７０１）と、第１加算手段（７０２）と、第２加算手段（７０３）と、第１積分手段（７０７）と、第２積分手段（７０４）とを備える狭角度指向性マイクロフォンシステムであって、第２及び第３マイクロフォンは、第１マイクロフォンを通る第１直線上に、第１マイクロフォンと第１間隔を置いて対称に配置され、第４及び第５マイクロフォンは、前記第１直線と直交する第２直線上に、第１マイクロフォント第２間隔を置いて対称に配置され、前記差分手段は、第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取って、差分信号を出力し、前記演算手段は、第１マイクロフォンの出力信号に、所定の伝達関数に従った演算処理を実行して出力し、前記第２加算手段は、第４及び第５マイクロフォンの出力信号を加算出力し、前記第２積分手段は、前記第２加算手段の出力に第２の積分処理を行って出力し、前記第１加算手段は、前記差分信号と、前記演算手段の出力信号と、前記第２積分手段の出力信号とを加算出力し、前記第１積分手段は、前記第１加算手段の出力信号に第１の積分処理を行ってマイクロフォン出力信号として出力することとした。
【００１３】
そして、前記差分手段と前記第１加算手段との間には、所定の低域周波通過処理を施す低周波通過型フィルタ手段（７０６）が挿入されることとした。
【００１４】
さらに、前記第２積分手段は、（−１／２ωτ’）の積分処理を実行し、前記演算手段は、伝達関数（１−ａω２）／ωτ’に従って演算することとした。但し、ωは音波の角周波数、τ’は積分定数であり、ｈを第２間隔、ｃを音速としたとき、ａ＝ｈ２／２ｃ２である。
【００１５】
また、本発明の狭角度指向性マイクロフォンシステムは、第１乃至第５マイクロフォンと、差分手段（１２０５）と、演算手段（１２０４）と、第１加算手段（１２０６）と、第２加算手段（１２０１）と、第３加算手段（１２０３）と、第１積分手段（１２０９）と、第２積分手段（１２０２）と、第２低域周波通過型フィルタ手段（１２０５）とを備える狭角度指向性マイクロフォンシステムであって、第２及び第３マイクロフォンは、第１マイクロフォンを通る第１直線上に、第１マイクロフォンと第１間隔を置いて対称に配置され、第４及び第５マイクロフォンは、前記第１直線と直交する第２直線上に、第１マイクロフォント第２間隔を置いて対称に配置され、前記差分手段は、第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取って、差分信号を出力し、前記演算手段は、第１マイクロフォンの出力信号に、所定の伝達関数に従った演算処理を実行して出力し、前記第２加算手段は、第１、第４及び第５マイクロフォンの出力信号を加算出力し、前記第２積分手段は、前記第２加算手段の出力に第２の積分処理を行って出力し、前記第３加算手段は、前記演算手段の出力信号と、前記第２積分手段の出力信号とを加算出力し、前記第２低域周波通過型フィルタ手段は、前記第３加算手段の出力信号に所定の低域周波通過処理を施して出力し、前記第１加算手段は、前記差分信号と、前記第２低域周波通過型フィルタ手段の出力信号とを加算出力し、前記第１積分手段は、前記第１加算手段の出力信号に第１の積分処理を行ってマイクロフォン出力信号として出力することとした。
【００１６】
そして、前記差分手段と前記第１加算手段との間には、所定の低域周波通過処理を施す第１低周波通過型フィルタ手段（１２０８）が挿入されることとした。
【００１７】
前記第２積分手段は、（１／ωτ’）の積分処理を実行し、前記演算手段は、伝達関数（ωａ／τ’）・｛１−ω２（ｂ／ａ）｝に従って近似演算することとした。但し、ωは音波の角周波数、τ’は積分定数であり、ｄを第１間隔、ｈを第２間隔、ｃを音速としたとき、ａ＝ｈ２／２ｃ２、ｂ＝ｈ４／４！・ｃ４である。
【００１８】
また、本発明の狭角度指向性マイクロフォンシステムでは、第１乃至第３マイクロフォンと、差分手段（１７０２）と、演算手段（１７０３）と、第１加算手段（１７０６）と、第２加算手段（１７０９）と、第３加算手段（１７０１、１７０４）と、第１積分手段（１７０８）と、第２積分手段（１７０５）とを備える狭角度指向性マイクロフォンシステムであって、第２及び第３マイクロフォンは、第１マイクロフォンを通る第１直線上に、第１マイクロフォンと第１間隔を置いて対称に配置され、前記差分手段は、第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取って、差分信号を出力し、前記演算手段は、第１マイクロフォンの出力信号に、所定の伝達関数に従った演算処理を実行して出力し、前記第３加算手段は、第２及び第３マイクロフォンの出力信号と、前記演算手段の出力信号とを加算出力し、前記第２積分手段は、前記第３加算手段の出力に第２の積分処理を行って出力し、前記第１加算手段は、前記差分信号と、前記第２積分手段の出力信号とを加算出力し、前記第１積分手段は、前記第１加算手段の出力信号に第１の積分処理を行って出力し、前記第２加算手段は、第１マイクロフォンの出力信号と、前記第１積分手段の出力信号とを加算してマイクロフォン出力信号として出力することとした。
【００１９】
そして、前記差分手段と前記第１加算手段との間には、所定の低域周波通過処理を施す低周波通過型フィルタ手段（１７０７）が挿入されることとした。
【００２０】
さらに、前記第２積分手段は、（１／ωτ’）の積分処理を実行し、前記演算手段は、伝達関数−２（１−ａω２）に従って演算することとした。但し、ωは音波の角周波数、τ’は積分定数であり、ｄを第１間隔、ｃを音速としたとき、ａ＝ｈ２／２ｃ２である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムのマイクロフォンの配置図であって、前述の３マイク積分システムにおいて使用される中央マイクロフォンＭＩＣ０、前方マイクロフォンＭＩＣ１、及び後方マイクロフォンＭＩＣ２に対して、中央マイクロフォンＭＩＣ０を中央にした十字形を成すように、上方マイクロフォンＭＩＣＡ及び下方マイクロフォンＭＩＣＢが追設される。
【００２２】
中心に設置された中央マイクロフォンＭＩＣ０で検出される音圧Ｐ０は、音波の角周波数をω、時間をｔ、マイクロフォンＭＩＣ０から音源までの距離をＲ、音速をＣ、波長定数ｋ＝ω／Ｃとすると、次の式４で表すことができる。
（式４）
Ｐ０＝εｊ（ωｔ−ｋＲ）
【００２３】
すると、前方マイクロフォンＭＩＣ１、及び後方マイクロフォンＭＩＣ２で検出される音圧Ｐ１及びＰ２は、前方マイクロフォンＭＩＣ１と中央マイクロフォンＭＩＣ０、及び、後方マイクロフォンＭＩＣ２と中央マイクロフォンＭＩＣ０との距離をｄとすると、それぞれ次の式５、６によって表すことができる。
（式５）
Ｐ１＝εｊ｛ωｔ−ｋ（Ｒ−ｄｃｏｓθ）｝
（式６）
Ｐ２＝εｊ｛ωｔ−ｋ（Ｒ＋ｄｃｏｓθ）｝
【００２４】
同様に、上方マイクロフォンＭＩＣＡ及び下方マイクロフォンＭＩＣＢで検出される音圧ＰＡ及びＰＢは、上方マイクロフォンＭＩＣＡと中央マイクロフォンＭＩＣ０、及び、下方マイクロフォンＭＩＣＢと中央マイクロフォンＭＩＣ０との距離をｈとすると、それぞれ次の式７、８によって表すことができる。
（式７）
ＰＡ＝εｊ｛ωｔ−ｋ（Ｒ−ｈｓｉｎθ）｝
（式８）
ＰＢ＝εｊ｛ωｔ−ｋ（Ｒ＋ｈｓｉｎθ）｝
【００２５】
よって、後方マイクロフォンＭＩＣ２と前方マイクロフォンＭＩＣ１で検出される音圧Ｐ２とＰ１の差ΔＰ２１、並びに上方マイクロフォンＭＩＣＡ及び下方マイクロフォンＭＩＣＢで検出される音圧ＰＡ及びＰＢの和ΣＰＡＢは、それぞれ次の式９、１０によって表すことができる。
（式９）
ΔＰ２１＝εｊ（ωｔ−ｋＲ）｛ｅ−ｋｄｃｏｓθ−ｅｋｄｃｏｓθ｝
＝εｊ（ωｔ−ｋＲ）｛−２ｊｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）｝
（式１０）
ΣＰＡＢ＝εｊ（ωｔ−ｋＲ）｛ｅｋｄｓｉｎθ＋ｅ−ｋｄｓｉｎθ｝
＝εｊ（ωｔ−ｋＲ）｛２ｃｏｓ（ｋｈ・ｓｉｎθ）｝
【００２６】
従って、差音圧ΔＰ２１及び和音圧ΣＰＡＢの指向性関数Ｄ２１及びＤＡＢは、それぞれ次の式１１、１２で表される。
（式１１）
Ｄ２１＝−２ｊｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）
（式１２）
ＤＡＢ＝２ｃｏｓ（ｋｈ・ｓｉｎθ）
【００２７】
ここで、差音圧ΔＰ２１の指向性関数Ｄ２１は、音が低周波数となるに従って小さくなるので、｛１／（ｊωτ）｝の積分処理により低周波域での利得を補償することが必要となる。ここで、τは積分定数である。そして、積分補償後の差音圧ΔＰ２１の指向性関数Ｄ２１’は、次の式１３で表される。
（式１３）
Ｄ２１’＝−（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）
【００２８】
なお、積分定数τは、θ＝０°においてＤ２１’＝−１となるように決定される。即ち、ｋｄ＜＜１が成立するときには、ｋ＝ω／Ｃであるから、Ｄ２１’は、次の式１４のように近似できる。
（式１４）
Ｄ２１’≒−（２／ωτ）ｋｄ・ｃｏｓθ
＝−（２ｄ／τＣ）ｃｏｓθ
【００２９】
従って、θ＝０°及びＤ２１’＝−１を代入すれば、積分定数τは、次のように決定される。
τ＝２ｄ／Ｃ
ここで、例えば、ｄ＝０．０２ｍ、Ｃ＝３４０ｍとすれば、積分定数τは、１２０μ秒となる。
【００３０】
図４は、指向性関数ＤＡＢ及びＤ２１’のグラフを示す。同図の（ａ）は、指向性関数ＤＡＢを、同図の（ｂ）は、指向性関数Ｄ２１’を示している。
このグラフから判るように、和音圧ΣＰＡＢの指向性関数ＤＡＢは、（ｋｈ）の値が小さくなるに従って、指向性関数は８の字型から楕円に、さらに、真円に変化する。逆に（ｋｈ）の値が大きくなると、８の字が偏平となり、指向特性は劣化する。
【００３１】
そこで、３００〜５，０００Ｈｚの広い周波数帯域にわたって８の字型特性を得ることのできる関数ｆを見出す。
図５は、ｃｏｓ（ｋｈ・ｓｉｎθ）をθの関数と見たときのグラフを示し、その変化の範囲は、次のように表される。
１≧ｃｏｓ（ｋｈ・ｓｉｎθ）≧ｃｏｓ（ｋｈ）
【００３２】
従って、関数ｆの最小値を零とするためには、ｃｏｓ（ｋｈ・ｓｉｎθ）から最小値ｃｏｓ（ｋｈ）を差し引くことが必要となるので、関数ｆは、次の式１５で表される。
（式１５）
ｆ＝ｃｏｓ（ｋｈ・ｓｉｎθ）−ｃｏｓ（ｋｈ）
【００３３】
この関数ｆにおける右辺の第１項及び第２項をそれぞれテーラー展開すると、関数ｆは、次の式１６のように近似することができる。
（式１６）
ｆ≒｛１−（１／２!）・（ｋｈ・ｓｉｎθ）｝−｛１−（１／２!）・（ｋｈ）２｝
＝（ｋｈ・ｃｏｓθ）２／２
＝｛（ω／Ｃ）２ｈ２ｃｏｓ２θ｝／２
【００３４】
ここで、中央マイクロフォンＭＩＣ０と上方マイクロフォンＭＩＣＡ又は下方マイクロフォンＭＩＣＢの間の距離ｈの最適値について、即ち、ｃｏｓ（ｋｈ）がフーリエ展開式によって、広い周波数帯域でどの程度近似できるかを検討する。ｃｏｓ（ｋｈ）のテーラー展開による近似式は、ａ＝ｈ２／２Ｃ２とすると、次の式１７ように表される。
（式１７）
ｃｏｓ（ｋｈ）≒１−（ｋｈ）２／２
＝１−ａω２
【００３５】
図６は、ｃｏｓ（ｋｈ）とその近似式のグラフを示している。これから、ｈ＝２ｃｍの方がより高い周波数（約５，０００Ｈｚ）まで近似可能であることが判る。そこで、以下の検討においては、ｈ＝２ｃｍとする。
関数ｆの近似関数は、上述したように、ω2 の関数となるため、音波の周波数の二乗に比例して値が増加してしまう。そこで、ω2 で除して、周波数によらず一定の値となるように補正すると、関数ｆは、次の式１８で表される。
（式１８）
ｆ＝（ｈ２ｃｏｓ２θ）／２Ｃ２ττ’
【００３６】
なお、積分定数τ’は、θ＝０°でｆ＝１となるように、次の式１９に従って決定される。
（式１９）
τ’＝ｈ２／２Ｃ２τ
【００３７】
従って、例えば、積分定数τが１２０μ秒であれば、τ’は、１４μ秒となる。以上から、本発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムにあっては、次の式２０で表される指向性関数Ｄｄを電気回路的に実現すればよい。
（式２０）
Ｄｄ＝｛ｃｏｓ（ｋｈ・ｓｉｎθ）−（１−ａω２）｝／ω２ττ’
−（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）
【００３８】
或いは、既に述べた関数ｆにおける第２項には、高周波数域における特性を改善するためにＬＰＦを挿入してもよい。この場合の指向性関数Ｄｄは、次の式２１で表される。
（式２１）
Ｄｄ＝｛ｃｏｓ（ｋｈ・ｓｉｎθ）−（１−ａω２）｝／ω２ττ’
−｛（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）｝・Ｔ（ｊω）
ここで、Ｔ（ｊω）は、ＬＰＦの伝達関数であり、極角周波数をω０、Ｑ値をＱとすると、Ｔ（ｊω）＝１／｛１＋ｊ（ω／ω０）／Ｑ−（ω／ω０）２｝である。
【００３９】
具体的なハードウエア要素での構成を考えるために、この指向性関数Ｄｄをオイラーの公式を使用して分解すると、次の式２２を得る。
【００４０】
【数１】
0003815947.tif 000002
【００４１】
図７は、本発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムの機能線図であり、上記した指向性関数Ｄｄを実現するものである。同図では、５つのマイクロフォン、即ち中央マイクロフォンＭＩＣ０、前方マイクロフォンＭＩＣ１、後方マイクロフォンＭＩＣ２、上方マイクロフォンＭＩＣＡ及び下方マイクロフォンＭＩＣＢは、指向性付与部７の入力端子７０、７１、７２、７Ａ及び７Ｂに接続される。
【００４２】
中央マイクロフォンＭＩＣ０の出力は、その出力に対して、（１−ａω２）／ｊωτ’で表される演算を施す演算要素７０１を介して、第１の加算要素７０２に導かれる。なお、この部分は、上記の指向性関数Ｄｄにおける括弧内の第１項に相当する。
【００４３】
上方マイクロフォンＭＩＣＡ及び下方マイクロフォンＭＩＣＢの出力は第２の加算要素７０３で加算され、次いで、第１の積分要素７０４において、（−１／２ｊωτ’）で表される演算が施されて、第１の加算要素７０２に導かれる。なお、この部分は、上記の指向性関数Ｄｄにおける括弧内の第２項に相当する。
【００４４】
次に、前方マイクロフォンＭＩＣ１及び後方マイクロフォンＭＩＣ２の出力は、減算要素７０５において、後方マイクロフォンＭＩＣ２の出力から前方マイクロフォンＭＩＣ１の出力が減算され、その減算結果の出力は、ＬＰＦ７０６を介して、第１の加算要素７０２に導かれる。なお、この部分は、上記指向性関数Ｄｄにおける括弧内の第３項に相当している。
そして、第１の加算要素７０２の出力は、第２の積分要素７０７を介して出力端子７０８に出力される。なお、第２の積分要素７０７は、上記の指向性関数Ｄｄにおける積分要素に相当する。
【００４５】
指向性付与部７は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用してディジタル的に実現可能であるが、アナログ回路を使用して実現することも可能である。
図８は、第１の実施形態のアナログ回路の一例であって、図７と同一の参照番号を付した回路は図７の演算要素に対応する。
即ち、加算器として機能する第１の演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子には中央マイクロフォンＭＩＣ０の出力が直接供給され、さらに、２つのＮＰＮトランジスタ８１及び８２で構成される二乗回路で演算される中央マイクロフォンＭＩＣ０の出力の二乗値が供給される。
【００４６】
加算積分器として機能する第２の演算増幅器ＯＰ２において、第１の演算増幅器ＯＰ１の出力と上方マイクロフォンＭＩＣＡ及び下方マイクロフォンＭＩＣＢの出力が加算積分される。
一方、減算器として機能する第３の演算増幅器ＯＰ３において、前方マイクロフォンＭＩＣ１及び後方マイクロフォンＭＩＣ２の差分が出力され、第３の演算増幅器ＯＰ３の出力は、ＬＰＦとして機能する第４の演算増幅器ＯＰ４の入力端子に供給される。
【００４７】
次いで、加算積分器として機能する第５の演算増幅器ＯＰ５において、第２の演算増幅器ＯＰ２の出力と第４の演算増幅器ＯＰ４の出力が加算積分され、図７に示された指向性付与部７と同様に、出力端子７０８に出力される。
図９は、上記第１の実施形態によるマイクロフォンシステムの特性グラフであり、同図の（ａ）は、音波の周波数が３００Ｈｚの場合を、同図の（ｂ）は、１０００Ｈｚの場合を、及び、同図の（ｃ）は、３０００Ｈｚの場合を示す。これらの図による特性グラフから判るように、音声周波数の全帯域において、周波数の高低に係わらずほぼ一定の指向性特性が得られる。
【００４８】
上記の第１の実施形態にあっては、中央マイクロフォンＭＩＣ０と前方マイクロフォンＭＩＣＡ又は後方マイクロフォンＭＩＣＢの間の距離ｈを２ｃｍとしているが、所望の指向性を得るためには、各マイクロフォンの感度のバラツキを厳格に管理する必要がある。
このバラツキの影響を小さくするためには、中央マイクロフォンＭＩＣ０と前方マイクロフォンＭＩＣＡ又は後方マイクロフォンＭＩＣＢの間の距離ｈを大きくすればよいが、ｃｏｓ（ｋｈ）の近似式の近似度が劣化する。
【００４９】
そこで、第２の実施形態によるマイクロフォンシステムは、この課題を解決するものである。この第２の実施形態では、ｃｏｓ（ｋｈ）の近似式の近似度を維持するために、テーラー展開の第３項までを使用する。
図１０は、ｈをパラメータとしたときのｃｏｓ（ｋｈ）のグラフである。ここで、距離ｈを大きくすると、ｃｏｓ（ｋｈ）の変化は急となり、前述した（１−ａω２）によって近似できる上限周波数が４，０００Ｈｚ以下に低下するため、高周波数域で指向性が劣化するおそれがある。
【００５０】
そこで、ｃｏｓ（ｋｈ）を、次の式２３のように近似して、近似度を改善する。
（式２３）
ｃｏｓ（ｋｈ）＝１−ａω２＋ｂω４
ただし、ｂ＝（１／４!）・（ｈ／Ｃ）４である。
【００５１】
図１１は、最良近似曲線（一点鎖線）のグラフである。ここで、例えば、ａ＝４．８×１０-9、ｂ＝２．８×１０-18 とすると、５，０００Ｈｚまでは十分な近似度を維持することができる。
従って、第２の実施形態のマイクロフォンシステムにおける指向性関数Ｄｄ’は、次の式２４で表される。
（式２４）
Ｄｄ’＝｛ｃｏｓ（ｋｈ・ｓｉｎθ）−（１−ａω２＋ｂω４）｝／ω２ττ’
−（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）
【００５２】
この指向性関数Ｄｄ’をさらに変形し、高周波数域における特性の劣化を補償するために、２つのＬＰＦを挿入すると、指向性関数Ｄｄ’は、Ｑ値がＱ１、極角周波数がω０１の第１のＬＰＦの伝達関数をＴ１（ｊω）、Ｑ値がＱ２、極角周波数がω０２の第２のＬＰＦの伝達関数をＴ２（ｊω）とすると、次の式２５となる。
【００５３】
【数２】
0003815947.tif 000003
【００５４】
図１２は、高周波数域における特性の劣化が補償された上記の指向性関数Ｄｄ’に基づく第２の実施形態によるマイクロフォンシステムの機能線図である。この第２の実施形態では、５つのマイクロフォン、即ち中央マイクロフォンＭＩＣ０、前方マイクロフォンＭＩＣ１、後方マイクロフォンＭＩＣ２、上方マイクロフォンＭＩＣＡ及び下方マイクロフォンＭＩＣＢは指向性付与部１２の入力端子１２０、１２１、１２２、１２Ａ及び１２Ｂに接続される。
【００５５】
中央マイクロフォンＭＩＣ０、上方マイクロフォンＭＩＣＡ及び下方マイクロフォンＭＩＣＢの出力は第１の加算要素１２０１で加算され、第１の積分要素１２０２で積分されて第２の加算要素１２０３に導かれる。この部分は、上記の補償後の指向性関数Ｄｄ’の括弧内の第１項に相当する。
中央マイクロフォンＭＩＣ０の出力は、演算要素１２０４において、上記の補償後の指向性関数Ｄｄ’の括弧内の第２項に相当する演算が施され、第２の加算要素１２０３に導かれる。
【００５６】
第２の加算要素１２０３で第１の積分要素１２０２の出力と演算要素１２０４の出力が加算され、第１のＬＰＦ１２０５を介して、第３の加算要素１２０６に導かれる。
前方マイクロフォンＭＩＣ１及び後方マイクロフォンＭＩＣ２の出力は、減算要素１２０７において後方マイクロフォンＭＩＣ２の出力から前方マイクロフォンＭＩＣ１の出力が減算された後、第２のＬＰＦ１２０８を介して第３の加算要素１２０６に導かれる。なお、この部分は、上記の補償後の指向性関数Ｄｄ’の括弧内の第３項に相当している。
【００５７】
そして、第３の加算要素１２０６の出力は第２の積分要素１２０９を介して出力端子１２１０に出力する。第２の積分要素１２０９は、上記の補償後の指向性関数Ｄｄ’の括弧外にある（１／ωτ）の積分要素に相当する。なお、第１のＬＰＦ１２０５は必須であるが、第２のＬＰＦ１２０８は省略することも可能である。
【００５８】
図１３は、第２の実施形態のアナログ回路の一例を示す。このアナログ回路では、加減算器として機能する第１の演算増幅器ＯＰ１において、上方マイクロフォンＭＩＣＡ及び下方マイクロフォンＭＩＣＢの出力が加算され、中央マイクロフォンＭＩＣ０の出力が減算され、その後、積分器として機能する第２の演算増幅器ＯＰ２において積分される。
加算器として機能する第３の演算増幅器ＯＰ３の反転入力端子には中央マイクロフォンＭＩＣ０の出力が直接供給され、さらに、２つのＮＰＮトランジスタ１３１及び１３２で構成される二階微分回路で演算される中央マイクロフォンＭＩＣ０の出力の二階微分値が供給される。第３の演算増幅器ＯＰ３の出力は微分器として機能する第４の増幅器ＯＰ４で微分される。
【００５９】
減算器として機能する第５の演算増幅器ＯＰ５において、第２の演算増幅器ＯＰ２の出力と第４の増幅器ＯＰ４の出力が減算され、第５の増幅器ＯＰ５の出力は、第１のＬＰＦ１２０５として機能する第６の演算増幅器ＯＰ６に供給される。
減算器として機能する第７の演算増幅器ＯＰ７において、前方マイクロフォンＭＩＣ１及び後方マイクロフォンＭＩＣ２の出力の差分が演算される。なお、本回路図においては、第２のＬＰＦ１２０８は省略されている。
【００６０】
加算積分器として機能する第８の演算増幅器ＯＰ８において、第６の演算増幅器ＯＰ６の出力と第７の演算増幅器ＯＰ７の出力が加算積分される。
図１４は、第２の実施形態の特性グラフを示し、同図の（ａ）〜（ｃ）に示されるように、上から、音声による音波の周波数が３００Ｈｚ、１０００Ｈｚ、及び３０００Ｈｚの場合の特性を示す。これらの図から判るように、広い周波数にわたってほぼ同一の指向性特性が得られる。
【００６１】
以上に説明した狭角度指向性マイクロフォンシステムの実施形態にあっては、従来の３マイクロフォン積分方式で使用される３つのマイクロフォンに対して、さらに２つのマイクロフォンが追加され、合計５つのマイクロフォンを使用する必要がある。
そこで、マイクロフォンの数は３つのままで、回路の構成の仕方によって、前述の狭角度の鋭い指向性を得ることを目的とするものが第２の発明に係るマイクロフォンシステムである。
【００６２】
図１５は、第２の発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムの概要を示し、そのシステムにおけるマイクロフォンの配置が示されている。図１に示された３マイク積分システムと同様に、中央マイクロフォンＭＩＣ０、前方マイクロフォンＭＩＣ１、及び後方マイクロフォンＭＩＣ２が使用される。
そして、さらに、図１に示された３マイク積分システムと同じく、減算要素１５０において算出された前方マイクロフォンＭＩＣ１と後方マイクロフォンＭＩＣ２の出力の差は、低周波域通過型フィルタ（ＬＰＦ）１５１、積分器１５２及び第１の加算器１５３を介して第２の加算器１５４に導かれる。そして第２の加算器１５４において中央マイクロフォンＭＩＣ０の出力と加算されて出力となる。
【００６３】
第２の発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムにあっては、中央マイクロフォンＭＩＣ０、前方マイクロフォンＭＩＣ１及び後方マイクロフォンＭＩＣ２の出力を、図２に実線で表される３マイク積分方式の指向性を破線で表される指向性に修正するために、次の式２６によって定義される修正関数Ｃ（θ）を介して、上記加算結果に修正を加える。
（式２６）
Ｃ（θ）＝Ｃ（ｋｄｃｏｓθ）
【００６４】
即ち、第２の発明に係るマイクロフォンシステムにおいて、中央マイクロフォンＭＩＣ０の出力に対する補正関数φ（θ）は、次の式２７で表される。
（式２７）
φ（θ）＝（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）・Ｔ（ｊω）＋Ｃ（ｋｄ・ｃｏｓθ）
ここで、Ｔ（ｊω）は、ＬＰＦの伝達関数である。
【００６５】
図１６は、補正関数φ（θ）の理想特性を示すグラフであり、その理想特性は、所定の範囲（例えば、−１２０°≦θ≦１２０°）内においては、“１”であり、それ以外では、“−１”である矩形波となる。
矩形波の補正関数φ（θ）をフーリエ展開すると、次の式２８のようになる。
【００６６】
【数３】
0003815947.tif 000004
【００６７】
ｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）は、ｋｄ＜＜１であれば、次のように近似可能である。
ｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）＝ｋｄ・ｃｏｓθ
【００６８】
従って、積分補正後の前方マイクロフォンＭＩＣ１及び後方マイクロフォンＭＩＣ２の出力差の指向性関数は、次の式２９によって表される。
（式２９）
（２／ωτ）ｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）＝（２／ωτ）ｋｄ・ｃｏｓθ
【００６９】
次に、前方マイクロフォンＭＩＣ１及び後方マイクロフォンＭＩＣ２の出力の和ｃｏｓ（ｋｄ・ｃｏｓθ）をテーラー展開し、さらに倍角の公式を用いて変形すると、次の式２９を得る。
（式３０）
ｃｏｓ（ｋｄ・ｃｏｓθ）＝１−（１／２!）（ｋｄ・ｃｏｓθ）２
＝１−（１／４）（ｋｄ）２（１＋ｃｏｓ２θ）
【００７０】
この式３０を、ｃｏｓ２θについて解くと、次の式３１を得る。
（式３１）
ｃｏｓ２θ＝｛１−ｃｏｓ（ｋｄ・ｃｏｓθ）｝（４Ｃ２／ω２ｄ２）−１
ただし、ｋ＝ω／Ｃである。
【００７１】
ここで、上述の式２９及び式３１を前出の式２８に代入すると、補正関数φ（θ）は、次の式３２で表される。
（式３２）
φ（θ）＝（１／ωτ）〔ｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）・Ｔ（ｊω）
＋（１／ωτ’）｛ｃｏｓ（ｋｄ・ｃｏｓθ）−ｃｏｓ（ｋｄ）｝〕
【００７２】
ここで、上記の補正関数φ（θ）における最後項のｃｏｓ（ｋｄ）をテーラー展開近似すると、補正関数φ（θ）は、次の式３３で表される。
（式３３）
φ（θ）＝（１／ωτ）〔ｓｉｎ（ｋｄ・ｃｏｓθ）・Ｔ（ｊω）
＋（１／ωτ’）｛ｃｏｓ（ｋｄ・ｃｏｓθ）−（１−ａω２）｝〕
ただし、ａ＝（１／２!）・（ｄ／Ｃ）２である。
【００７３】
ただし、θ＝１２０°において、“１”から“−１”まで変化するので、τ、τ’及びａは、次の通りとなる。
【００７４】
【数４】
0003815947.tif 000005
【００７５】
例えば、ｄ＝２ｃｍ、Ｃ＝３４０ｍ／ｓとすれば、τ＝１０７（μ秒）、τ’＝２９（μ秒）、ａ＝２．０２×１０-9となる。
従って、第２の発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムの指向性関数Ｄｄ”は、次の式３４で表される。
【００７６】
【数５】
0003815947.tif 000006
【００７７】
図１７は、第２の発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムの機能線図を示し、そのマイクロフォンシステムでは、中央マイクロフォンＭＩＣ０、前方マイクロフォンＭＩＣ１及び後方マイクロフォンＭＩＣ２は指向性付与部１７の入力端子１７０、１７１、及び１７２に接続される。
前方マイクロフォンＭＩＣ１及び後方マイクロフォンＭＩＣ２の出力は、それらの和を算出する第１の加算要素１７０１及びそれらの差を算出する減算要素１７０２に接続される。
【００７８】
中央マイクロフォンＭＩＣ０の出力は、｛−２（１−ａω2 ）｝の演算を施す演算要素１７０３を介して、第２の加算要素１７０４において、第１の加算要素１７０１の出力と加算される。
第２の加算要素１７０４の出力は、第１の積分要素１７０５を介して、第３の加算要素１７０６の一方の端子に、減算要素１７０２の出力は、低周波域通過型フィルタ（ＬＰＦ）１７０７を介して、第３の加算要素１７０６の他方の端子に接続される。
【００７９】
第３の加算要素１７０６の出力は、第２の積分要素１７０８を介して、第４の加算要素１７０９において中央マイクロフォンＭＩＣ０の出力と加算されて、第２の発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムの出力となる。
図１８は、第２の発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムのアナログ回路の一例を示している。第１の演算増幅器ＯＰ１で前方マイクロフォンＭＩＣ１の出力と後方マイクロフォンＭＩＣ２の出力の和が算出され、第２の演算増幅器ＯＰ２で前方マイクロフォンＭＩＣ１の出力と後方マイクロフォンＭＩＣ２の出力の差が算出される。第３の演算増幅器ＯＰ３は、ＬＰＦとして機能し、第４の演算増幅器ＯＰ４は、第３の加算要素として機能する。さらに、第５の演算増幅器ＯＰ５は、第４の加算要素として機能する。
【００８０】
図１９は、第２の発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムの特性グラフであり、同図の（ａ）は、音波の周波数が３００Ｈｚの場合を、同図の（ｂ）は、１０００Ｈｚの場合を、そして、同図の（ｃ）は、３０００Ｈｚの場合をそれぞれ示している。これらから分かるように、音波の周波数が高くなるほど、利得が若干低下するものの、その周波数の高低に係わらず同一の指向性特性を得ることが可能となる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムによれば、中央マイクロフォンの周囲に少なくとも一組の周囲マイクロフォンを配置し、アナログ回路或いはディジタル処理により電気的演算処理を施すことにより狭角度指向性を実現することが可能となる。
【００８２】
さらに、ディジタル処理を使用した場合には、プログラムを入れ換えることにより指向性を容易に変更することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ３マイク積分システムの説明図である。
【図２】  第３の指向性関数Ｄ３のグラフである。
【図３】  第１の発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムのマイクロフォンの配置図である。
【図４】  指向性関数ＤＡＢ及びＤ２１’のグラフである。
【図５】  ｃｏｓ（ｋｈｓｉｎθ）のグラフである。
【図６】  ｃｏｓ（ｋｈ）の近似式のグラフである。
【図７】  本発明の第１の実施形態に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムの機能線図である。
【図８】  第１の実施形態のアナログ回路の一例である。
【図９】  第１の実施形態の特性グラフである。
【図１０】  ｈをパラメータとしたときのｃｏｓ（ｋｈ）のグラフである。
【図１１】  最良の近似曲線のグラフである。
【図１２】  本発明の第２の実施形態係る狭角度指向性マイクロフォンシステムの機能線図である。
【図１３】  第２の実施形態のアナログ回路の一例である。
【図１４】  第２の実施形態の特性グラフである。
【図１５】  第２の発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムのマイクロフォン配置図である。
【図１６】  補正関数φ（θ）の理想特性を示すグラフである。
【図１７】  第２の発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムの機能線図である。
【図１８】  第２の発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムのアナログ回路の一例である。
【図１９】  第２の発明に係る狭角度指向性マイクロフォンシステムの特性グラフである。
【符号の説明】
ＭＩＣ０、ＭＩＣ１、ＭＩＣ２、ＭＩＣＡ、ＭＩＣＢ…無指向性マイクロフォン
７、１２、１７…指向性付与部
７０１、１２０４，１７０３…演算要素
７０２、１２０１、１７０１…第１の加算要素
７０３、１２０３、１７０４…第２の加算要素
７０４、１２０２，１７０５…第１の積分要素
７０５、１２０７，１７０２…減算要素
７０６、１２０５、１７０７…第１のＬＰＦ
７０７、１２０９、１７０８…第２の積分要素
７０〜７２、７Ａ、７Ｂ、１２０〜１２２、１２Ａ、１２Ｂ、１７０〜１７２…入力端子
１２０６…第３の加算要素
１２０８…第２のＬＰＦ
１７０６…第３の加算要素
１７０９…第４の加算要素
【図１】
0003815947.tif 000007
【図２】
0003815947.tif 000008
【図３】
0003815947.tif 000009
【図４】
0003815947.tif 000010
【図５】
0003815947.tif 000011
【図６】
0003815947.tif 000012
【図７】
0003815947.tif 000013
【図８】
0003815947.tif 000014
【図９】
0003815947.tif 000015
【図１０】
0003815947.tif 000016
【図１１】
0003815947.tif 000017
【図１２】
0003815947.tif 000018
【図１３】
0003815947.tif 000019
【図１４】
0003815947.tif 000020
【図１５】
0003815947.tif 000021
【図１６】
0003815947.tif 000022
【図１７】
0003815947.tif 000023
【図１８】
0003815947.tif 000024
【図１９】
0003815947.tif 000025