JP2000261881A - マイクロホン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 音源の後方に存在する雑音源から到来する雑
音を排除して、所望の音を高い感度で集音する。 【解決手段】 無指向性の１次マイクロホン２に近接し
て複数のユニットマイクロホン３１１〜３２５から成る
２次マイクロホン３を配置し、ユニットマイクロホン３
１１〜３２５の出力をそれぞれ所定増幅度を有する増幅
器４１１〜４２５を介して加算器５で加算し、減算器６
により１次マイクロホン２との差信号をとる。１次マイ
クロホン２の感度特性を多重極展開し、更にその展開式
に含まれる微分関数を差分近似することにより各増幅器
４１１〜４２５の増幅度を決定しておくと、１次マイク
ロホン２と２次マイクロホン３とは、遠距離領域で感度
分布がほぼ等しくなり、近距離領域では感度分布に差が
生じる。したがって、この装置は近距離領域で高い感度
を有する一方、或る距離以上離れた領域ではきわめて感
度が低くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はマイクロホン装置に
関し、更に詳しくは、所望の音源から到来する音を確実
に集音する一方、その音源以外の雑音源から到来する音
を極力排除するマイクロホン装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロホン装置としては、周囲
の空間内の全方向に対してほぼ一定の感度を有する無指
向性マイクロホン装置や、特定の方向に対して一定の感
度を有する指向性マイクロホン装置が知られている。指
向性マイクロホン装置は、或る音源から到来する音を高
感度で収集する一方、該音源が位置する方向と相違する
方向から到来する種々の雑音を排除することができ、一
般に広く利用されている。また、従来より、その指向性
を高めるための各種提案がなされている（例えば、再公
表特許公報ＷＯ９６／２５０１８参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の指向性マイクロホン装置では、如何に指向性
を鋭くしたとしても、音源と同一又はきわめて近接した
方向に雑音源が存在する場合、音源から到来する音と雑
音源から到来する音とを同時に収音してしまう。一旦、
収音されてしまうと、所望の音と雑音とを完全に分離す
ることは非常に困難である。このような理由から、所望
の音のみを選択的に収集することが可能なマイクロホン
装置が強く要望されている。

【０００４】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは、従来の
指向性マイクロホンの如く方向の選択性を有するのでは
なく、マイクロホン装置から所定の距離の範囲内におい
て高い感度で音を収集し、その範囲外から到来する音に
対しては感度を有さないか又はきわめて低い感度しか有
さないという、いわゆる距離の選択性をもたせることに
より所望の音のみを収音することができるマイクロホン
装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係るマイクロホン装置は、 a)空間内で所定の感度分布を有する第１受音手段と、 b)第１受音手段に近接して配置され、該第１受音手段の
感度特性を多重極展開することにより算出された、遠距
離領域においては第１受音手段と略同等であって、近距
離領域においては該第１受音手段と相違するような感度
分布を有する第２受音手段と、 c)第１受音手段の出力信号と第２受音手段の出力信号と
の差信号を算出する演算手段と、を備えることを特徴と
している。

【０００６】また、本発明に係るマイクロホン装置で
は、前記第２受音手段は、多重極展開を差分近似により
離散化した結果に基づく感度特性を有する複数のマイク
ロホンから成ることを特徴としている。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明に係るマイクロホン装置に
おいて、第１受音手段と第２受音手段とは遠距離領域で
はほぼ同じ感度分布を有し、近距離領域では互いに異な
る感度分布を有しているため、演算手段により両者の出
力信号の差をとると、遠距離領域では両者が打ち消し合
ってその感度が非常に弱くなる一方、近距離領域では両
者の差が残り所定の感度を有することになる。すなわ
ち、このマイクロホン装置の近くに位置する音源から到
来する音を高い感度でもって集音する一方、或る距離以
上離れた位置にある音源から到来する音は殆ど集音しな
いという、距離の選択性が達成される。

【０００８】したがって、このマイクロホン装置と所望
の音源とを結ぶ線の延長線上に雑音源が存在する場合で
あっても、雑音源から到来する不所望の音を排除し、所
望の音源から到来する音のみを確実に集音することがで
きる。その結果、集音される音のＳ／Ｎ比が改善される
という利点を有する。

【０００９】本発明に係るマイクロホン装置において、
第２受音手段の感度特性は具体的に次のようにして得る
ことができる。いま、３次元空間内の点ｓ（−ｕ，−
ｖ，−ｗ）に音源が在る場合の点ｒ（ｘ，ｙ，ｚ）にお
ける音圧は、３次元自由音場内ではグリーン関数を用い
て次の（１）式で表される。

【数１】 この式（１）で表される音場を点ｓ以外の点で模擬する
ために、式（１）を多重極展開する。例えば、原点ｏ
（０，０，０）でもって式（１）を多重極展開すると式
（２）が得られる。

【数２】

【００１０】式（１）と式（２）を完全に一致させるこ
とは原理的に不可能であって、原点近傍に誤差が残る。
式（２）で展開項数を増加させてゆくと、原点から或る
程度離れた遠方の範囲では両者はほぼ等しくなり、誤差
は原点付近に収束してゆく。遠方場の騒音を低減するこ
とを目的としたアクティブノイズキャンセル（ＡＮＣ）
システムはこの原理を応用したものであって、式（１）
で表される１次音源から発せられる音波の逆位相で２次
音源から音波を放射することにより、遠方の音場を打ち
消す一方、原点近傍の誤差に相当する音のみを残すもの
である。

【００１１】本願発明者は、上述の手法において空間内
の相反性を利用すれば、音源と受音点の位置を入れ替え
ることが可能である点に着目した。それによれば、式
（１）及び式（２）をそれぞれマイクロホンの感度特性
として考えることができるから、本発明に係るマイクロ
ホン装置の一実施形態としては、第１受音手段として式
（１）の特性を有する、通常の無指向性マイクロホンを
使用し、第２受音手段として、第１受音手段の空間内で
の感度分布を多重極展開することにより得られる感度特
性をもつマイクロホンを使用すればよい。

【００１２】ところで、式（２）で表されるマイクロホ
ンの感度は微分関数を用いて表現されている。つまり、
空間内の或る１点で多重極展開関数の感度特性を有する
マイクロホンを示しており、このような感度特性を１本
のマイクロホンに持たせることは容易ではない。そこ
で、より実用的には、この第２受音手段を複数のマイク
ロホン素子によって構成することが好ましい。

【００１３】いま、単純化のために、点ｒu（−ｕ，
０，０）に在るマイクロホンの感度を原点ｏにおいて多
重極展開することを考える。このとき式（２）は式
（３）のように書き直すことができる。

【数３】 式（３）においてグリーン関数をｍ階微分したものを
（ｍ＋１）重極と呼び、その式（３）で表される感度特
性は（ｍ＋１）本のマイクロホンの組み合わせで実現す
ることができる。更に単純化のために、数値微分はｘ軸
方向に対する差分で表し、その結果得られる複数のマイ
クロホンの中心が原点ｏになるように配置するものと仮
定する。すなわち、Δｘを多重極マイクロホンの隣接間
距離とすると、式（３）は式（４）のように書き換える
ことができ、これにより差分近似による離散化が達成さ
れる。

【数４】 すなわち、本発明に係るマイクロホン装置の他の実施形
態としては、第２受音手段は、例えば式（４）のような
差分近似により離散化した結果に基づく感度特性を有す
る複数のマイクロホン素子から成る構成とすることがで
きる。

【００１４】以下、このようなマイクロホン装置の一例
について具体的に説明する。上記式（３）及び式（４）
で表される感度特性は、展開項数つまり総和の項数を増
加するに伴いより好ましいものとなる。しかしながら、
そのためには第２受音手段を構成するマイクロホンの数
が増え、大きなスペースを占有するとともにコストが高
いものとなる。そこで、式（３）において７次までの多
重極展開を行って差分により近似して離散化するものと
する。この場合、式（５）に示すようになる。

【数５】 すなわち、１５本のマイクロホンでもって第２受音手段
は実現される。

【００１５】図１は、このマイクロホン装置の構成を示
すブロック図である。このマイクロホン装置は、複数
（この例では１６個）のユニットマイクロホン２、３１
１〜３２５が一直線上に配列されて成るマイクロホンア
レイ１と、ユニットマイクロホン３１１〜３２５に対応
してそれぞれ設けられた増幅器４１１〜４２５と、その
増幅器４１１〜４２５の出力を加算合成する加算器５
と、ユニットマイクロホン２の出力から加算器５の出力
を減算する減算器６とを備えている。

【００１６】マイクロホンアレイ１において、ユニット
マイクロホン２は第１受音手段に相当する唯一の１次マ
イクロホンであって、１５個のユニットマイクロホン３
１１〜３２５は第２受音手段に相当する２次マイクロホ
ン３を構成している。各ユニットマイクロホン２、３１
１〜３２５は略同一の無指向性のマイクロホンであっ
て、２次マイクロホン３内の各ユニットマイクロホン３
１１〜３２５はそれぞれ隣接間隔が一定値ｄ2であり、
その中央に位置するユニットマイクロホン３１８と１次
マイクロホン２との離間距離はｄ1となっている。ここ
では、間隔ｄ1は１０．９ｃｍ、ｄ2は１．１ｃｍに設定
されている。また、増幅器４１１〜４２５は、それぞれ
式（５）で示される係数Ａ₀，Ａ_±n（ｎ＝１〜７）をΔ
ｘ⁷で除したＡ’₀，Ａ’_±n なる増幅度を有している。
すなわち、２次マイクロホン３、増幅器４１１〜４２
５、及び加算器５によって式（５）に示す特性が具現化
されており、減算器６によって１次マイクロホン２と２
次マイクロホン３との感度特性の差を求めている。

【００１７】図２は、上記構成のマイクロホンアレイ１
をＸ軸上に配置したときの、Ｘ−Ｙ平面内における１次
マイクロホン及び２次マイクロホンの感度分布のシミュ
レーション結果を示したものである。この図では、２次
マイクロホン３の中央のユニットマイクロホン３１８を
原点に置き、マイクロホンアレイ１の前面の１００×５
０ｃｍの範囲内の感度分布をそれぞれ５ｄＢ毎の等感度
線で描出している。

【００１８】一方、図４は、式（３）で表される微分を
７次まで展開したものを２次マイクロホンとして用いた
場合の感度分布のシミュレーション結果を示したもので
ある。すなわち、差分近似を行わずに微分関数による感
度特性をもたせた場合であって、原点に唯一の第２受音
手段（２次マイクロホン）が存在しているとして、その
前面の１００×５０ｃｍの範囲内の感度分布をそれぞれ
５ｄＢ毎の等感度線で描出している。

【００１９】図２と図４とを比較した場合、原点近傍に
おいて２次マイクロホンの感度特性に僅かに相違はある
ものの、いずれの構成でも２次マイクロホンの感度は近
距離では１次マイクロホンの感度に対して誤差を有して
おり、一方３０ｃｍ程度以上離れた遠距離範囲では、１
次マイクロホンの感度をほぼ完全に近似していることが
わかる。このように感度がほぼ完全に近似された範囲で
は、両者の差をとることにより感度は打ち消され、マイ
クロホン装置としては非常に小さな感度しか有さないこ
とになる。

【００２０】図３は図２に示す感度分布を有するマイク
ロホン装置において、距離と感度との関係をＸ軸に対す
る角度をパラメータとして求めたシミュレーション結果
である。ここで、感度Ｅ（ｒ）は、 Ｅ（ｒ）＝１０ｌｏｇ₁₀ ｜ｐ（ｒp）−ｐ’（ｒp）｜² として求めている。

【００２１】図５は図４に示す感度分布を有するマイク
ロホン装置における同様のシミュレーション結果であ
る。図３及び図５中に点線で示す曲線は、原点に一般的
な音圧マイクロホンを設置した場合の距離減衰特性を示
すものである。

【００２２】図５からわかる通り、式（３）に基づく特
性を有する２次マイクロホンを利用した構成では、一般
的な音圧マイクロホンの感度に比べて非常に急峻な距離
減衰特性を有している。すなわち、このようなマイクロ
ホン装置では、近距離に音源が存在する場合には、きわ
めて感度よく音を収音し、或る距離（ここでは１０〜２
０ｃｍ）以上離れた位置に存在する音源から到来する音
に対してはきわめて感度が低いという距離選択性を有し
ていることがわかる。また、このような距離選択性はマ
イクロホンアレイ１と直交する方向で最も顕著である
が、斜交する方向においても十分に大きな選択性を有し
ている。

【００２３】図３からわかる通り、式（５）によるマイ
クロホン装置では遠距離領域における減衰が図５の場合
よりも１０〜３０ｄＢ程度悪化している。つまり、この
分が差分近似による誤差と考えられる。しかしながら、
通常のマイクロホンと比較した場合、例えば距離１０ｃ
ｍの位置では通常のマイクロホンよりも１０ｄＢ程度の
感度低下となっているのに対し、距離２０ｃｍの位置で
は４０〜５０ｄＢの感度低下と大幅に感度が低下してい
る。すなわち、距離１０ｃｍと２０ｃｍとの間で十分に
急激な減衰特性が得られるから、例えば距離１０ｃｍの
範囲内に音源が置かれた場合には、その音源から到来す
る音を高い感度で集音することができる。一方、距離２
０ｃｍ以上離れた位置に雑音源が在ったとしても、その
方向に拘わらず、雑音源から到来する音は殆ど集音しな
い。したがって、所望の音源の近くにこのマイクロホン
装置を配置するようにすれば、収集した音のＳ／Ｎ比を
大幅に改善することができる。

【００２４】勿論、式（３）によるマイクロホン装置で
は、式（５）によるマイクロホン装置以上に大きな距離
減衰特性が得られるから、集音した音のＳ／Ｎ比を更に
一段と改善することができる。

【００２５】なお、図１の構成では増幅器４１１〜４２
５の増幅度を式（５）に応じて設定するようにしていた
が、各ユニットマイクロホンで集音した音声信号をそれ
ぞれデジタル信号に変換した後に所定の係数を乗算する
乗算器を設け、更にその出力をデジタル的に加算する構
成としてもよい。

【００２６】なお、上記実施形態は一例であって、本発
明の趣旨の範囲で適宜に変更や修正を行うことができる
ことは明らかである。例えば、図１の構成では１５本の
ユニットマイクロホンで２次マイクロホンを構成してい
るが、距離減衰特性がもっと緩やかでよい場合には必要
なユニットマイクロホンの数を減らすことができ、更に
コストを下げることができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明に係るマイク
ロホン装置によれば、当該マイクロホン装置から所定の
距離範囲内に在る音源から到来する音を高い感度で収音
する一方、その距離範囲外に在る音源から到来する不所
望な音に対しては殆ど集音しない。したがって、例えば
音源と同一方向又はきわめて近接した方向に雑音源が存
在する場合であっても、高いＳ／Ｎ比でもって所望の音
を集音することができるという従来にない利点を有して
いる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態である差分近似を用いた
感度特性を有するマイクロホン装置の構成を示すブロッ
ク図。

【図２】 図１の構成によるマイクロホン装置の１次マ
イクロホン及び２次マイクロホンの感度分布のシミュレ
ーション結果の一例を示す図。

【図３】 図１の構成によるマイクロホン装置において
距離と感度との関係のシミュレーション結果の一例を示
す図。

【図４】 微分関数による感度特性を有するマイクロホ
ン装置の１次マイクロホン及び２次マイクロホンの感度
分布のシミュレーション結果の一例を示す図。

【図５】 微分関数による感度特性を有するマイクロホ
ン装置における距離と感度との関係のシミュレーション
結果の一例を示す図。

【符号の説明】

１…マイクロホンアレイ ２…１次マイクロホン（ユニットマイクロホン） ３…２次マイクロホン ３１１〜３２５…ユニットマイクロホン ４１１〜４２５…増幅器 ５…加算器 ６…減算器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｒ 1/40 ３２０

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 a)空間内で所定の感度分布を有する第１
   受音手段と、 b)第１受音手段に近接して配置され、該第１受音手段の
   感度特性を多重極展開することにより算出された、遠距
   離領域においては第１受音手段と略同等であって、近距
   離領域においては該第１受音手段と相違するような感度
   分布を有する第２受音手段と、 c)第１受音手段の出力信号と第２受音手段の出力信号と
   の差信号を算出する演算手段と、 を備えることを特徴とするマイクロホン装置。
2. 【請求項２】 前記第２受音手段は、多重極展開を差分
   近似により離散化した結果に基づく感度特性を有する複
   数のマイクロホンから成ることを特徴とする請求項１に
   記載のマイクロホン装置。