JPH0126598B2

JPH0126598B2 -

Info

Publication number: JPH0126598B2
Application number: JP57182355A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kaneda; Toshiro Ooga
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1982-10-18
Filing date: 1982-10-18
Publication date: 1989-05-24
Also published as: JPS5972295A

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は複数のマイクロホン素子を用いて音
響信号を選択的に受音する多点受音装置に関する
ものである。＜従来技術＞目的とする音響信号（以降目的信号と記す）を
受音する時、騒音、音声などの不必要な音響信号
（以降これを雑音と総称する）が同時に受音され
て、SN比の低下、ハウリングの発生などを引き
起こすことがある。この現象の解決は、拡声通話
系、PA（パブリツクアドレス）システムなどに
おいて重要な課題であつた。この問題を解決する
ため、これまでは指向性マイクロホンの利用が多
くなされてきた。しかし、この場合、指向性パタ
ーンは固定となるので通話者の位置がマイクロホ
ンの向きにより制限されるなど、実用上多くの問
題点が存在した。また近年、鋭い指向性を実現す
るために直接配列マイクロホンの利用がされてい
る（R.L.Wallance他：米国特許4311874号
（1982）、城戸他：日本音響学会講演論文集、昭和
53年10月P.181）。しかし、この手法では設定理論
が平面波に限定されているため、現実の多くの場
合のように音波が球面波の時には動作が論理通り
にはいかず、さらに配列の長さが１ｍ〜数ｍ程度
の規模の大きなマイクロホン配列が必要となると
いう欠点があつた。＜発明の概要＞この発明の目的は小規模に構成することがで
き、かつ目的信号源や雑音源の移動などに対し、
適応的にその目的信号を選択することを可能とす
ることができる多点受音装置を提供することにあ
る。この発明によれば、複数のマイクロホン素子の
各出力がそれぞれ遅延手段によりそれぞれ遅延時
間が異なる遅延を受け、これら遅延された複数の
信号は荷重加算手段により荷重加算されて出力さ
れる。仮想目的信号が電気的に発生され、この仮
想目的信号と、前記複数のマイクロホン素子の出
力を前記と同様に遅延した各複数の信号との相関
がそれぞれとられ、あらかじめ定められた評価量
が最小になるように、その相関関係より、前記荷
重加算における係数を設定する。この結果その荷
重加算出力として雑音が抑圧され、目的信号が抽
出される。＜実施例＞第１図はこの発明の実施例を示し、複数のマイ
クロホン素子１₁〜１_Nより成る多点受音部１は遅
延回路２及び、加算回路３₁〜３_Nよりなる加算部
３に接続される。遅延回路２の出力は荷重加算部
４に接続される。仮想目的信号発生器５が設けら
れ、その出力側は仮想目的信号遅延回路６₁〜６_N
よりなる遅延回路部６に接続され、遅延回路６の
出力側は加算部３に接続される。加算部３の出力
側は遅延回路７に接続され、遅延回路７の出力側
は荷重係数決定部８に接続される。荷重係数決定
部８には仮想目的信号発生器５の出力側が遅延素
子９を通じて接続され、荷重係数決定部８は荷重
加算部４の設定入力側に接続される。まず最初にこの実施例の基本動作を説明する。
多点受音部１において、Ｎ個のマイクロホン素子
１₁……１_Nにより目的信号と雑音とが重畳した信
号u₁（ｔ）、……u_N（ｔ）を受音する。次にこれら
信号を遅延回路２に入力する。こゝで遅延回路２
は第２図に示すように、遅延時間Tdの遅延素子
１１をＭ個直列につないだ遅延ユニツトのＮ個１
１₁……１１_Nよりなり、各遅延ユニツトは入力さ
れた信号と各遅延素子１１の出力信号とよりのＭ
＋１個の信号を出力する。したがつてＮ個の入力
信号u₁（ｔ）、……、u_N（ｔ）に対してＬ個（Ｌ＝
Ｎ×（Ｍ＋１））のx〓₁（ｔ）、……、x〓_L（ｔ）を得
る。第１図において荷重加算部４において、遅延回
路２の出力信号x〓₁（ｔ）、……x〓_L（ｔ）を荷重加算
する。この荷重加算は荷重係数h₁、……、h_Lを用
いて次式ｙ（ｔ）＝〓^T・XI〜（ｔ）＝_L 〓ⁱ⁼¹ h_i・x〓_i（ｔ） (1) 但し、

【式】Ｔ：転置行列で表わされるもので、この装置の出力ｙ（ｔ）を
得る。この時、次に述べる方法であらかじめ定め
た評価量を最小とするように荷重係数〓を定める
ことにより、入力信号ui（ｔ）（ｉ＝１、……、
Ｎ）に含まれている雑音成分が抑圧されて目的信
号が抽出された出力ｙ（ｔ）が得られる。荷重係数の決定にあたつては次の２つの仮定を
おく。（仮定−）各マイクロホン素子間における目的信号の到達
時間差が既知である。（仮定−）目的信号には無音時間区間があり、その時に抑
圧すべき雑音のみが受音される。こゝで、仮定−における到達時間差とは、各
マイクロホン素子が空間的に配置されているため
に生じる目的信号（音波）が各マイクロホン素子
に到達する時刻の差のことである。例えば第３図
において目的信号源１２から距離d₁，d₂だけ離れ
てマイクロホン素子１₁，１₂が設けられている場
合、到達時間差τは次式 τ＝（d₂−d₁）／ＣＣ：音速 (2) で表わされる量である。したがつて目的信号の音
波が平面波であるとみなせる場合には目的信号の
到来方向が、また球面波である場合には目的信号
源の位置がそれぞれ既知ならば仮定−の条件は
満足されるものである。また、仮定−を満たす無音時間区間を持つ音
響信号の代表例としては音声信号、音楽信号があ
げられる。さて、荷重係数の決定は、仮定−を満たす条
件下で、即ち、目的信号は存在せず、Ｎ個のマイ
クロホン素子には抑圧すべき雑音のみが受音され
ている時に以下の手順で実行される。まず、最初に仮想目的信号発生器５より、仮想
目的信号S′（ｔ）を発生する。次にこの信号
S′（ｔ）を仮想信号遅延回路部６を通してＮ個の
マイクロホン素子１₁〜１_Nで受音された雑音と加
算する。こゝで、仮想目的信号遅延回路部６は１
つの入力S′（ｔ）に対してＮ個の遅延回路６₁……
６_NでＮ種の遅延量τ₁、……τ_Nをそれぞれ付加し
てＮ個の信号S′（ｔ−τ₁）、……S′（ｔ−τ_N）を作
り出す。遅延量τ₁、……τ_Nの値は仮定−で既知
とした実際の目的信号が各マイクロホン素子１₁、
……１_Nに到達する際の時間差の関係を満足した
値であるものとする。したがつてS′（ｔ−τ₁）、…
…S′（ｔ−τ_N）を仮定−より雑音のみが含まれ
ている各マイクロホン素子出力u₁（ｔ）、……、u_N
（ｔ）とを加算回路部３で加算することは、実際
の目的信号源から、仮想目的信号が発せられてお
り、これを雑音とともにＮ個のマイクロホン素子
１₁……１_Nで受音する状態をシミユレートしてい
ることに相当する。次に実際の雑音と仮想目的信号とを加算した信
号u〓i（ｔ）（ｉ＝１、……Ｎ）は遅延回路２と同一
の構造を持つた遅延回路７を通してＬ個の信号XI
（ｔ）＝（x₁（ｔ）、……x_L（ｔ））^Tを得る。この時
、
この信号XI（ｔ）を荷重加算した結果と、遅延素
子９で適切な遅延τ₀を加えた仮想目的信号S′（ｔ
−τ₀）との２乗平均誤差Ｅを評価量として但し、−：時間平均これを最小とするように最小２乗原理に基づい
て荷重係数〓を決定する。(3)式がゼロであること
はマイクロホン素子１₁……１_Nよりの雑音が完全
に抑圧された状態を示す。(3)式はhiの２次関数と
なるので、これをhiについて偏微分して０とおい
て解けば以下のように評価量Ｅの最小値を与える
荷重係数〓を求めることができる。 ∂E／∂〓＝∂／∂〓｜′（−₀）−〓^TXI（）
｜²＝∂／∂〓（′（−₀）² −２〓^T′（−₀）XI（）＋〓^T〓ｘ〓）＝−
２′（−₀）XI（）＋２〓ｘ〓＝０(4) 但し、このように、各xi（ｔ）（ｉ＝１、……、Ｌ）の
相関行列〓ｘにより、(5)式で表わされた荷重係数
〓を用いて荷重加算部４における荷重加算を行え
ば、雑音成分が抑圧された出力ｙ（ｔ）を得るこ
とができる。こゝで、仮想目的信号として実際に受音される
目的信号と全く同一の信号を用いることができる
なら得られた荷重係数は実際の目的信号に対する
２乗誤差最小の意味での最適な係数となつてい
る。しかし、そのような場合には仮想目的信号そ
のものを出力とするのが最適な解となり、非現実
的である。また仮想目的信号として、実際の目的
信号と類似した信号、例えば音声に対する擬似音
声などを用いるなら、２乗誤差最少の意味で最適
解に近い係数を得ることができる。しかし、実際
の目的信号の周波数パワースペクトルが平担でな
い場合、それと同様なパワースペクトルを持つ仮
想目的信号を用いて行つた２乗誤差最少の意味で
の最適化は主としてパワーの大きな周波数成分に
ついて行われることになる。その結果、目的信号
に対するこの方式の周波数感度特性は、目的信号
のパワーの大きな周波数帯域では平担であるが、
パワーの小さな周波数帯域では平担とはならな
い。そこで、この点を改善するための第１の方法と
して仮想目的信号としては所望する周波数帯域内
で平担なパワースペクトルを持つ信号（例えば白
色雑音）を用いる。その結果、各周波数成分に対
して一様な最適化が行われることになり、目的信
号の周波数感度特性がより平担なものとして得ら
れる。また、第２の方法として仮想目的信号とし
て、抑圧すべき雑音と類似したパワースペクトル
を持つた信号（例えば有色雑音）を用いる方法が
あげられる。この方法では各周波数成分における
仮想目的信号と雑音との比率を一定にして最適化
の一様化をねらうもので、雑音のパワースペクト
ルの時間的な変動が小さい場合に有効であり、目
的信号の周波数感度特性の平担化が行える。以上のように仮想目的信号を選んで(5)式を解け
ば、好ましい荷重係数を得ることができるが、〓
（ｔ）の相関行列〓ｘが正則でない場合には、逆
行列〓^-1 _xは存在せず、(5)式を計算することができ
ない。そこで、この問題を解決する第１の方法と
して、〓^-1 _xの代わりに一般化逆行列〓⁺ _xを用いる
ことが可能である。こゝで、一般化逆行列〓⁺ _xと
は、対称行列〓ｘを直行分解する直交行列を〓、
その列ベクトルを〓ｉ（ｉ＝１、……Ｌ）（〓＝
（〓₁、……〓_L））として、と表わされる時、と表わされるものである。また〓ｘが正則でない
場合に対する第２の方法として、各XI（ｔ）に無
相関な雑音を付加して〓ｘを正則にする方法が考
えられる。この方法は〓^-1 _xの代りとしてを用いることに相当し、ｑが十分小さな場合には
近似的な最適解を与えることに相当する。また、荷重係数の決定法としては、SN比を評
価量とし、これを最小とする原理に基づいても可
能である。遅延回路部７の出力XI（ｔ）は仮想目
的信号成分〓（ｔ）と雑音成分〓（ｔ）とを用い
て、ｘ（ｔ）＝〓（ｔ）＋〓（ｔ）但し、〓（ｔ）＝（S₁（ｔ）、……、S_L（ｔ））^T 〓（ｔ）＝（n₁（ｔ）、……、n_L（ｔ））^T と表わすことができる。これを係数〓で荷重加算
した信号のパワーは、雑音と仮想目的信号とが無
相関であるとすれば、但し、（〓x_s）ij＝（）・（）（〓x_N）ij＝（）・（）と表わすことができる。こゝで荷重加算後のSN
比を、と定義した時、SN比を最大とする〓は次のよう
に求めることができる。まず最初に〓xs、〓x_N
は共に対称行列であるので次に示す関係を満たす
正則行列〓が存在する。そこで、次に示すような係数の変数変換〓＝〓^-1〓 (12) を行うとSN比はと表わすことができる。このときα_Mαi（ｉ＝
１、……Ｌ）とするならSN比を最大とするｇは
明らかにｇ＝（g₁、g₂、……、g_L）^T gi＝１ｉ＝Ｍ０ｉ≠Ｍ（14）となり、これよりSN比を最大とする荷重係数〓
は、〓＝〓〓（15）の関係を用いて得ることができる。以上述べたこの発明を実現する第１の手段とし
て全系をデイジタル系で構成する方法がある。第
４図にその構成図を示す。第４図において、第１
図と対応する部分には同一符号を付けてある。マ
イクロホン素子１₁……１_Nの各出力はＡ／Ｄ変換
器部１３でそれぞれデイジタル信号に変換されて
遅延回路２及び加算回路部３へ供給される。荷重
加算部４の出力はＤ／Ａ変換器１４によりアナロ
グ信号に変換されて出力される。この構成における遅延回路２，７の一実施例を
第５図に示す。遅延ユニツト１１₁はＭ段のシフ
トレジスタ１５よりなり、その各シフト段より出
力が導出される。その他の遅延ユニツトも同様に
構成される。荷重加算部４は第６図に示すように
遅延回路２の出力x〓₁（ｎ）、……x〓_L（ｎ）はそれぞ
れ各別の乗算器１６で係数h₁……h_Lと掛算され、
その結果が加算器１７で加算される。第４図で荷
重係数決定部８は演算能力を有してプロセツサで
あり、前記(5)式または（15）式を直接計算するこ
とにより荷重係数〓を得るものである。荷重係数の決定は上記の方法以外に種々の遂次
近似法を用いることが可能である。遂次近似法を
用いる場合にはアルゴリズムの収束性などに特に
留意を要するが、一方、前記(5)式、または（15）
式を直接計算するよりも少ない計算量、メモリ量
で荷重係数〓を得ることができる。この場合の構成を第７図に示す。第７図におい
て、第４図と対応する部分は同一符号を付けてい
る。遅延回路７の出力は荷重加算部４と同一の荷
重加算部１８に入力されると共に遂次形荷重係数
決定部１９に入力される。荷重加算部１８の出力
は遅延素子９の出力と加算器２１で加算されて荷
重係数決定部１９に入力される。この決定された
荷重係数で荷重加算部４，１８の荷重係数が制御
される。２乗平均誤差を評価量として用いる遂次近似法
としてsteepest descent法もしくはLMSアルゴリ
ズムとして知られる方法を用いる場合、各時刻時
刻における荷重係数〓（ｎ）（ただし、ｎは時刻
を表わすパラメータ）は遂次形荷重係数決定部１
９において、次式〓（ｎ）＝〓_(o-1)＋k_sXI_(o-1)・l_(o-1) （16）但し、l_(o-1)＝S′_(o-〓₀₎−〓^T _(o-1)・XI_(o-1) により計算される。この発明を実現する第２の手段として全系をア
ナログ系により構成する方法がある。この方法に
おける構成例は第１図に示したものでその各部の
素子構成例は以下のようになる。まず遅延回路
２，７の構成は第２図に示したもので、各遅延素
子はBBD、CCDなどのアナログ遅延素子により
実現する。荷重加算部４は第６図に示したデイジ
タル系の場合と同様の構成を持ち、第６図におい
て乗算器１６をアナログ乗算器、加算器１７をア
ナログ加算器と置き換えたものとする。また、荷
重係数の決定をアナログ系において行う場合に、
逆行列の算出などの演算を行うことは困難であ
る。そこで荷重係数の決定は遂次近似法で行うも
のとし、第１図における荷重係数決定部８を例え
ば第８図に示す回路構成により実現する。即ち遅延回路７の出力XI（ｔ）はＬ個のアナロ
グ乗算器２３に供給されると共にＬ個のアナログ
相関器２４へ供給される。Ｌ個のアナログ乗算器
２３の出力はアナログ加算器２５で加算され、そ
の出力と遅延素子９の出力とが加算器２６で加算
されて各相関器２４へ供給される。各相関器２４
の出力はアナログ乗算器２７をそれぞれ通じてＬ
個の積分器２８へ供給される。これら積分器２８
より荷重係数が得られ、乗算器２３へ供給され
る。この回路は２乗平均誤差を評価量として用いる
場合の連続系における荷重係数の遂次近似方程式
である次式 dhi（ｔ）／dt＝_s（）・（）を満足したものとなつている。またこの発明を実現する第３の手段としては、
デイジタル回路とアナログ回路の組合せた構成が
考えられる。この方法の一例としては例えば第１
図における遅延回路２及び荷重加算部４より成る
部分をアナログ回路で構成し、荷重係数の決定に
関連するその他の部分をデイジタル系で構成する
方法などが考えられる。さて、前記したようにこの発明の装置が所望の
動作をするためには次の２つの仮定（仮定−）各マイクロホン素子間における目的信号の到達
時間差が既知である。（仮定−）目的信号には無音区間があり、その時に抑圧す
べき雑音のみが受音される。を満足する必要がある。しかし雑音のレベルが目
的信号のレベルに比べて小さく、実質的に目的信
号のみが受音されているとみなせる場合、もしく
は雑音に無音区間があつてそのような時間区間が
存在する場合には、以下にその一例を述べるよう
な目的信号の到達時間差を検出する手段を付加す
ることにより（仮定−）が満足される。まず最
初に各マイクロホン素子出力信号u₁（ｔ）、……、
u_N（ｔ）の間の相互相関関数を計算する。そして、
ui（ｔ）とuj（ｔ）との間の相互相関関数φsij（τ）
の最大値をとる値τの値τ_Mijを求めればマイクロ
ホン素子ｉとマイクロホン素子ｊの間における目
的信号の到達時間差とみることができる。この到
達時間差τ_Mijの検出をデイジタル化された信号ui
（ｎ）、uj（ｎ）（ｎ＝……、−１、０、１、……）
より決定する場合、精度良くτ_Mijを求めるために
は信号のサンプリング周波数を十分高くするか、
もしくは低いサンプリング周波数より得られた相
互相関関数に対して内挿法を適用した後、到達時
間差を求める必要がある。この結果（仮定−）
が満足される。以上の考え方に基づいたこの発明の一実施例を
第９図に示す。第９図において第４図に示した構
成に目的信号の到達時間差検出部２９が設けら
れ、これにＡ／Ｄ変換器１３の出力が分岐入力さ
れる。この検出部２９の検出結果により遅延回路
部６の各遅延量が設定される。目的信号の到達時
間差検出部２９は第１０図に示すようにＡ／Ｄ変
換器１３の各出力は相互相関関数算出部３１に入
力されてマイクロホン出力ui（ｎ）とuj（ｎ）の間
の相互相関関数φsij（τ）を計算し、最大値検出
部３２においてφsij（τ）が最大値をとるτの値
τ_Mijを検出する。次に仮想目的信号遅延量決定部
３４において、τ_Mij（ｉ＝１、２、……Ｎ、ｊ＝
１、２、……Ｎ）より十分大きな値〓を用いて、
仮想目的信号遅延量〓＝（τ₁、……、τ_N）^Tを次式 τi＝〓−τ_Mij（ｊは１ｊＮの任意の値）により決定する。次にこの発明の装置の動作を完全に自動化する
場合について説明する。この装置の動作を自動と
する一手段として、実質的に雑音のみが受音され
ている状態及び実質的に目的信号のみが受音され
ている状態の判定を行う手段を付加する方法があ
る。その判定結果より実質的に目的信号のみが受
音されている状態において、例えば前記相互相関
関数を用いた方法などにより目的信号の到達時間
差が既知となり、仮定−が満足される。また、
実質的に雑音のみが受音されている状態と判断さ
れた時刻においては、仮定−が満足されるのは
明らかである。雑音のみが受音されている状態及び目的信号の
みが受音されている状態の判定を行う場合のこの
発明の実施例を第１１図及び第１２図に示す。第
１１図は会議電話方式におけるこの発明の実施例
で多点受音部３５の出力は前述したこの発明によ
る多点受音システム部３６に入力される。受話信
号路３７の信号によりスピーカ３８が駆動され、
多点受音システム部３６の出力は送話信号路３９
より出力される。また第１２図は拡声電話機に応
用したこの発明の実施例で、多点受音部３５はこ
の発明による多点受音システム部３６を通じて送
話信号路３９へ出力される。受話信号路３７より
の信号によりスピーカ３８が駆動される。ダイヤ
ル４１が設けられている。この２例において、スピーカ３８から発せられ
る音声を多点受音部３５で受音して送話信号路３
９に伝送してしまうと、ハウリングの発生、通話
品質の劣化などさまざまな障害が発生する。そこ
でこの２例においては雑音はスピーカ３８から発
生される音声であり、目的信号は送話者の発声す
る音声である。したがつて音声には必ず無音区間
が存在するので、雑音のみが存在する状態及び目
的信号のみが存在する状態が存在する。かつ、ス
ピーカ３８に対する入力レベル（受話信号レベ
ル）を監視することにより、例えば受話信号レベ
ルが０であるが、マイクロホン（多点受音部３
５）出力レベルが上昇した場合には、目的信号の
みが存在する状態であり、受話信号レベルが一定
量以上であつて、かつマイクロホン出力レベルが
受話信号レベル、スピーカ３８の電気音響変換
量、スピーカ−マイク間の音響結合量、マイクロ
ホン感度より決まる値以下の場合には雑音のみが
存在する状態と判定することが可能である。その
結果、この装置は所望の動作が可能となり、雑音
の抑圧を行い目的信号の選択受音を行うことがで
きる。また、目的信号音源の位置もしくは雑音源の位
置がほゞ固定とみなせる場合には事前学習により
上記の仮定の１つもしくは２つを満足させること
ができる。例えば、第１２図に示した一体形の拡
声電話機において雑音となるのはスピーカ３８か
ら放射される受話音声及びそれに伴うきよう体振
動、きよう体内音圧がマイクロホン素子に与える
振動であるが、この雑音源の各マイクロホン素子
に対する位置関係はほゞ固定的である。そこで事
前にスピーカ３８からテスト信号（例えば白色雑
音、有色雑音など）を発生させてこれを受音し、
このシステム部３６内に記憶しておけば（仮定−
）は満足されることになる。したがつて通話時
においては受話信号レベルが実質的に零の時にお
ける目的信号の到達時間差の検出のみを行えば、
この装置は所望の動作が可能となる。さらに荷重係数の決定を半固定的に行う実施例
としては次の手段が考えられる。まず、雑音源の
位置はほゞ固定されているものとして事前に雑音
のみを発生させて系内に記憶させておく。次に予
想される目的信号源の位置を定めてその位置にス
ピーカを設置して音響信号を発生させて多点受音
し、これと先の雑音とより荷重係数の決定を行
う。次に予想される目的信号の他の位置にスピー
カを設置して同様に荷重係数の決定を行う。この
ようにしてＫ個の予想される目的信号源の位置
p₁、p₂、……p_Kに対応してＫ個の荷重係数〓₁、
〓₂、……〓_Kが事前に決定される。この中で荷重
係数〓ｉを用いてシステム部３６の動作を行え
ば、目的信号源が位置piにある時、雑音が抑圧さ
れ目的信号の抽出が最大限に行えることが保障さ
れている。そこで予想される目的信号源の位置の
数を十分に大としておくなら目的信号の位置は
ほゞいずれかの位置pjの近傍となる。したがつて
Ｋ個の出力y₁＝〓₁ ^TXI、……y_K＝〓^T _Kｘを作成し
ておき、その中で例えば信号レベルの最大のもの
を選ぶなどの方法により、最も目的信号成分が多
く含まれていると予想されるものを出力すること
により、所望の動作が可能となる。この方法は雑音に対しては感度が低く、piの位
置にある目的信号に対しては感度の高い指向性マ
イクロホンをＫ個用意しておき、それらのＫ個の
マイクロホンを選択的に使用することに相当す
る。また、この方式の出力として、ｙ＝_K 〓ⁱ⁼¹ yi とすれば、雑音に対しては感度が低く、かつ予想
される目的信号のある範囲内での任意の位置に対
して感度の高い受音系が構成される。次にこの方式の有効性を確認するために行つた
シユミレーシヨン結果及び実験結果について述べ
る。まずシミユレーシヨンにおける音場は２次元音
場であるものとし、雑音及び目的信号はそれぞれ
平面波であるものとした。雑音及び目的信号の到
来方向は第１３図に示すように雑音は２方向（θ
＝60゜、100゜）から目的信号は一方向（θ＝−60゜）
から到来するものとした。また考える信号の帯域
は300〜3000Hzとして２つの雑音としてはその帯
域で白色なスペクトルを持ちそれぞれ独立な雑音
を考えた。この装置の構成要素として、まずマイクロホン
素子の配置は第１４図Ａ，Ｂ，Ｃに示すように平
面上半径8.5cmの円周上に等角度で５個及び３個
配置したもの及び8.5cmの間隔で２個配置したも
のをそれぞれ考えた。装置の構成は第４図に示したようにデイジタル
系における構成を考え、Ａ／Ｄ変換器１３、Ｄ／
Ａ変換器１４のサンプリング周波数は8KHzとし
た。遅延回路２における各遅延素子の遅延時間は
サンプリング周期（125μsec）とし、各マイクロ
ホン入力に対する遅延素子数は８個として行つ
た。また仮想目的信号発生器５からはデイジタル
化された300〜3000Hzの帯域で白色なスペクトル
を持つ仮想目的信号を発生させた。先に述べた
（仮定−）及び（仮定−）を満たすものとし
て、第１４図に示す種々のマイクロホン配置を持
つこの装置の動作をシミユレートして荷重係数〓
の計算を行つた。配置Ａにより得られた荷重係数〓を用いた場合
のこの多点受音装置の指向性感度パターンを第１
５図に示す。第１３図より指向性感度の最大方向
と目的信号の到来方向とは必ずしも一到していな
いが、２つの雑音の到来方向の感度は十分に低下
した指向性感度パターンがこの発明により自動的
に形成されていることがわかる。また、第１６図に各マイクロホン素子の配置に
より得られた荷重係数〓を用いた場合のこの装置
の到来方向ごとの周波数感度特性を示す。第１６
図Ａは、配置Ａをとる場合の周波数感度特性で雑
音成分は目的信号成分に比べて20dB以上抑圧さ
れることがわかり、この発明の有効性が確認でき
る。次に配置Ｂを用いた場合、雑音の到来方向を
第１３図に示したように２方向とした場合にはほ
とんど雑音成分の抑圧効果は得られなかつた。こ
れはこの装置が雑音と目的信号の到来方向の違い
を利用して雑音抑圧を行つており、２つのマイク
ロホン素子を結ぶ線上に対して線対称の方向（θ
＝60゜とθ＝−60゜）から雑音と目的信号とが到来
する場合にはその到来方向が区別できないことを
示している。マイクロホン素子を直線上に配列し
た場合には、マイクロホン素子の個数を増加させ
てもその配置が一次元である限りこの問題は解決
できない。したがつて、マイクロホン素子の配置
は雑音と目的信号の到来方向の分離検出を良くす
るために実用上問題とならない限り多次元に配置
することが望ましい。しかしながら雑音と目的信
号の到来方向が２つのマイクロホン素子を結ぶ線
上に対して線対称の方向では無い場合には、マイ
クロホン素子の個数が２個であつても十分な雑音
抑圧効果が得られる。第１１図Ｂは配置Ｂを用い
て雑音の到来方向を一方向（θ＝110゜）のみとし
た時の結果であり、このことが確認できる。次に配置Ｃに示すようにマイクロホンの個数を
３個とした場合の結果を第１６図Ｃに示す。第１
６図Ｃを第１６図Ａ（マイクロホン素子が５個の
場合）と比較してわかるように第１６図Ｃの場合
には目的信号に対する周波数感度特性が平担とは
なつていない。この２つの結果が示すように一般
にはマイクロホン素子の個数を増加させればより
細かな制御が可能となり、装置の性能も向上す
る。しかし、実用的には性能向上の度合、実装の
可能性、コスト等を考慮して配置規模の大きさに
対応したマイクロホン個数を決定する必要があ
る。次に実験結果について述べる。実験は残響時間
が0.6秒の室内において行つた。実験条件は第１
７図に示すもので、机４４上に４個のマイクロホ
ン素子を持つ多点受音部１を設置し、スピーカ４
５及びスピーカ４６を４個のマイクロホン素子の
中心よりそれぞれ60cm、50cmの距離を離して設置
した。４個のマイクロホン素子は半径8.5cmの円
周上に等角度で３個、円の中心に１個配置するも
のとした。スピーカ４５からは目的信号として
300〜3000Hzで帯域制限した音声を発し、スピー
カ４６からは雑音として300〜3000Hzで帯域制限
した白色雑音を発した。荷重係数〓の決定にあた
つては一時的にスピーカ４５及びスピーカ４６の
出力を停止し、それぞれ雑音のみ及び目的信号の
みの受音を行つた。この結果得られた荷重係数〓
を用いたこの装置のスピーカ４５及びスピーカ４
６に対する感度を第１８図に示す。この図より雑
音（スピーカ４６）に対する感度は曲線４７に示
すように目的信号（スピーカ４５）に対する感度
（曲線４８）より低域では20dB、高域でも７〜
8dB低下していることがわかり、雑音を抑圧し、
目的信号を抽出するというこの発明の効果が発揮
されていることが確認できた。しかしながら、第１６図、第１８図からわかる
ように、この装置が目的信号成分に対する周波数
感度特性は必ずしも平担なものとはならない。そ
こでこの点を改善するために、この装置の最終段
に等化器を設け、前記周波数感度特性を補正する
方法の一実施例を第１９図に示す。第１９図にお
いて第１図と異なる点は等化器４９を設け、この
特性を目的信号成分に対する周波数感度特性を例
えば仮想目的信号遅延量〓＝（τ₁、τ₂、……τ_N）
と定められた荷重係数〓とから計算し、その逆特
性とする。上述において遅延回路２，７を兼用し、１個を
切替えて用いてもよい。遅延回路２，７内の遅延
素子１１の数は多い方がよく、かつ、１つの遅延
時間は短かい方がよい。何れにしても、マイクロ
ホン素子１₁……１_N中の最も離れている素子間の
音波伝ぱん時間よりは、直列遅延素子の全体での
遅延量を大とする。以上説明したように、この発明装置は多点受音
した信号を遅延回路を通した後荷重加算して出力
を得るもので、荷重加算における荷重係数にあた
つては、各マイクロホン間における目的信号の到
達時間差及び目的信号が無音区間の時に受音され
た雑音のみを情報として用いるものである。した
がつて雑音の到来方向や目的信号の性質が未知で
あつてもまた目的信号源や雑音源が移動しても適
応的に荷重係数の変更を行つて雑音成分を抑圧
し、目的信号の抽出を行うことが可能である。更
に従来の配列マイクロホン設計理論で必要とされ
ていた音波の平面波性を仮定する必要もなく、ま
た実際のマイクロホン配置規模も十数cmの大きさ
があれば十分な雑音抑圧効果が得られるという利
点のあることが実験的に確認されている。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明装置の一実施例を示すブロツ
ク図、第２図は遅延回路２の一例を示す図、第３
図は目的信号の到達時間差の説明図、第４図はこ
の発明装置をデジタル系で実現した一実施例を示
すブロツク図、第５図はこの発明装置をデイジタ
ル系で実現した場合の遅延回路２の一実施例を示
す図、第６図はこの発明装置をデイジタル系で実
現した場合の荷重加算部４の一実施例を示す図、
第７図はこの発明装置における荷重係数を遂次近
似法で決定する方法をデイジタル系で実現した一
実施例を示すブロツク図、第８図はこの発明装置
において荷重係数を遂次近似法で決定する方法を
アナログ系で実現するための荷重係数決定部８の
一実施例を示すブロツク図、第９図はこの発明装
置において目的信号の到達時間差の検出手段を有
する場合の一実施例を示すブロツク図、第１０図
はその目的信号の到達時間差の検出手段２９の一
例を示すブロツク図、第１１図は会議電話システ
ムにおけるこの発明の実施例を示す概略図、第１
２図は拡声電話機におけるこの発明の実施例を示
す概略図、第１３図はシミユレーシヨン実験にお
ける雑音と目的信号の到来方向を示す図、第１４
図はシミユレーシヨン実験におけるマイクロホン
配置の図、第１５図はシミユレーシヨン結果のこ
の装置の指向性感度パターンを示す図、第１６図
はシミユレーシヨン結果の周波数感度特性図、第
１７図は実験条件を示す図、第１８図は実験結果
の周波数感度特性図、第１９図はこの発明装置に
等化器を付加した例を示すブロツク図である。１：複数のマイクロホンよりなる多点受音部、
２，７：遅延回路、４，１８：荷重加算部、５：
仮想目的信号発生器、６：仮想目的信号遅延回
路、８：荷重係数決定部、９：遅延素子、１３：
Ａ／Ｄ変換器、１４：Ｄ／Ａ変換器、１９：遂次
形荷重係数決定部、２９：目的信号の到達時間差
検出部。

Claims

【特許請求の範囲】１音響信号を受音する複数のマイクロホン素子
と、これらマイクロホン素子の出力信号を互に異な
る時間遅延させて複数の信号を出力する第一の遅
延手段と、これら複数の出力信号を荷重加算して、上記複
数のマイクロホン素子により受音された音響信号
中より不要な音響信号を抑圧して抽出を必要とす
べき音響信号を抽出する手段と、仮想目的信号を電気的に発生する手段と、その発生手段から発生する仮想目的信号に適切
な時間遅延を付加した複数の信号を出力する第二
の遅延手段と、第二の遅延手段より出力される複数の遅延信号
と上記複数のマイクロホン素子により受音された
信号とを加算する手段と、その加算手段の出力信号に上記複数のマイクロ
ホン素子の出力信号に対する第一の遅延手段と同
様の遅延を付加した複数の信号を出力する第三の
遅延手段と、その遅延手段の出力信号と仮想目的信号との相
関関係を求め、あらかじめ定められた評価量が最
小となるように、その相関関係より上記荷重加算
手段の係数を設定する手段とを具備する多点受音
装置。