CN101816190A - 声音发射和采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种声音发射和采集装置，即使从扬声器发射声音时，该声音发射和采集装置可以基于采集的声音信号来精确地检测到讲话者方向。麦克风单元MU1至MU8采集声音采集区MA1至MA8中的声音，声音采集区MA1至MA8被形成为以扬声器SP1和SP2的布置位置为中心呈旋转对称，并且麦克风单元MU1至MU8产生合成信号SA1至SA8(下文中为SAk)。对数计算部分L1至L8计算合成信号SAk的功率电平的对数值Pk。放大部分11根据功率电平的对数值Pk计算功率电平的平均值AV，以及减法部分从功率电平的对数值Pk中减去功率电平的平均值AV，以产生差分信号电平Dk。最大值检测部分12比较差分信号电平Dk并检测最大值。控制部分20检测与表示最大值的差分信号电平DkM相对应的声音采集区的方向，来作为讲话者方向。

Description

声音发射和采集装置
技术领域
本发明涉及一种声音发射和采集装置，其用于根据采集的声音信号来检测讲话者的方向。
背景技术
通常，声音发射和采集装置通过改变由多个麦克风组成的麦克风阵列的指向性来检测声音采集方向，其中将麦克风阵列的输出变为最大的方向看作声源的到达方向。
但是，如上所述的声音发射和采集装置存在如下问题，即，当扬声器产生声音时，所产生的声音被麦克风采集，则错误地将位于扬声器附近的麦克风的声音采集方向(方位)检测为声音到达方向。
专利文献1公开了一种声音发射和采集装置，当检测到来自通讯目的地的接收信号时，该声音发射和采集装置用于防止麦克风阵列的指向性瞄准位于基于该接收信号来发射声音的扬声器附近的声音采集区。
专利文献1：JP-A-11-18192
发明内容
<本发明要解决的问题>
但是，专利文献1中所示的声音发射和采集装置存在如下问题，即，当扬声器基于接收信号(所产生的声音信号)发射声音时，声音发射和采集装置不能精确地检测到讲话者的方向。
因此，本发明的目的是提供一种声音发射和采集装置，即使在扬声器发射声音时，该声音发射和采集装置也可以基于采集的声音信号精确地检测到讲话者的方向。
<解决上述问题的手段>
本发明的声音发射和采集装置包括声音发射部分、多个声音采集部分、差分电平计算部分、以及讲话者方向检测部分，并且其基于发射声音信号来发出声音、从该装置的周围采集声音以产生采集的声音信号、并且基于该采集的声音信号来检测讲话者的方向。声音发射部分基于发射声音信号来输出发射声音。多个声音采集部分形成声音采集区，对声音采集区进行设置以使所有声音采集部分均等地采集来自声音发射部分的发射声音，并且多个声音采集部分采集来自声音采集区的声音以产生采集的声音信号。差分电平计算部分计算来自多个声音采集部分的采集的声音信号的功率的对数值和采集的声音信号的功率的对数值的平均值，并且从每个采集的声音信号的功率的对数值中减去该平均值，从而产生分别对应于各声音采集部分的差分电平信号。讲话者方向检测部分比较差分电平信号的电平值，以检测出这些电平值中的最大值，并且检测出与表示最大值的差分电平信号相对应的声音采集部分的方向，作为讲话者的方向。
在该结构中，通过声音采集区采集声音以产生采集的声音信号，所述声音采集区被设置为使得所有声音采集部分均等地采集从声音发射部分发射的声音。计算采集的声音信号的功率的对数值和采集的声音信号的功率的对数值的平均值。从采集的声音信号的功率的对数值中减去所述平均值，以产生差分电平信号。另外，检测出与表示最大值的差分电平信号相对应的声音采集部分的声音采集方向，作为讲话者的方向。因此，即使当声音发射部分发射声音时，也可以基于表示通过比较差信号获得的最大值的声音采集区来检测出讲话者方向。
优选地，讲话者方向检测部分为差分电平信号的电平值预设讲话者声音检测阈值。当最大值变为大于讲话者声音检测阈值时，讲话者方向检测部分检测出与表示最大值的差分电平信号相对应的声音采集部分的方向，作为讲话者方向。
优选地，差分电平计算部分仅使用采集的声音信号中的低频分量来计算采集的声音信号的功率的对数值以及采集的声音信号的功率的对数值的平均值。
因此，可以使用包含于采集的声音信号中的可听范围的频率分量中的低频分量来检测讲话者方向，所述低频分量更多地包含人的说话声的频率分量。
<本发明的优点>
根据本发明，在具有安装在一个外壳中的扬声器和多个麦克风的声音发射和采集装置中，如果扬声器发射声音，则可以基于采集的声音信号来精确地检测出讲话者方向。
附图说明
图1是示意性地示出了在根据本发明的一个实施例的声音发射和采集装置的俯视图上观察到的扬声器、麦克风单元以及声音采集区之间的位置关系的示图。
图2是示意性地示出了图1所示的声音发射和采集装置中讲话者方向检测的流程的示图。
图3(A)是示出了每个声音采集区中发射声音信号S的电平与发出的声音(讲话者声音)的电平Wk的变化的示图，图3(B)是示出了功率电平的对数值Pk与功率电平的平均值AV的变化的示图，以及图3(C)是示意性地示出了阈值Th与差分信号电平Dk的示图。
参考标号说明
1  声音发射和采集装置
10  加法器
11  放大部分
12  最大值检测部分
14  比较器
20  控制部分
AV  功率电平的平均值
Dk，DKM  差分信号电平
F1-F32  线性滤波器
L1-L8  对数计算部分
MA1-MA8  声音采集区
MU1-MU8  麦克风单元
Pk  功率电平的对数值
S  发射声音信号
SAk  合成信号
SBk  功率信号
SP1SP2  扬声器
SR1-SR8  减法器
SU1-SU8  加法器
具体实施方式
以下将参考附图来讨论根据本发明的一个实施例的声音发射和采集装置1。
声音发射和采集装置1具有管状外壳(未示出)，该管状外壳的俯视图的形状类似于圆形。图1是示意性地示出了俯视图上声音发射和采集装置1的扬声器SP1和SP2、麦克风单元MU1至MU8、以及形成在声音发射和采集装置1周围的声音采集区MA1至MA8之间的关系的示图。图2是示意性地示出了声音发射和采集装置1中的讲话者方向检测的流程的示图。
如图1和图2所示，声音发射和采集装置1包括麦克风单元MU1至MU8、对数计算部分L1至L8、加法器10、放大部分11、减法器SR1至SR8、最大值检测部分12、比较器14、控制部分20、扬声器SP1和SP2、以及回声消除器(未示出)等。
扬声器SP1和SP2被设置在外壳中从俯视图上看大体为声音发射和采集装置1的中心的位置上，并且扬声器SP1和SP2使用外壳的上面侧和下面侧的区域作为声音发射区来基于发射声音信号S发射声音。
布置麦克风单元MU1至MU8，以使得从俯视图上看这些麦克风单元MU1至MU8以扬声器SP1和SP2的布置位置为中心呈45度旋转对称。此处，“45度旋转对称”是指当以旋转对称中心点为参考将一个图形旋转45度时，所得图形与原始图形重叠。45度旋转对称也可以被称为8重旋转对称。
在麦克风单元MU1至MU8的每一个中设置声音采集指向性，从而分别在声音采集区MA1至MA8中的每一个中采集声音。形成声音采集区MA1至MA8，以使这些声音采集区MA1至MA8以扬声器SP1和SP2的布置位置为中心呈8重旋转对称。
在麦克风单元的这种布置中，在各麦克风单元MU1至MU8通过声音采集区MA1至MA8采集来自扬声器SP1和SP2的发射声音之前，在所有麦克风单元MU1至MU8中的回声传输路径长度大致相同。因此，可以使得麦克风单元MU1至MU8采集从扬声器SP1和SP2发射的声音的回声电平相同。
下面以麦克风单元MU1为示例来讨论麦克风单元MU1至MU8的每一个的结构。麦克风单元MU1至MU8仅在声音采集区方面不同，具有相同的结构。
麦克风单元MU1具有麦克风MIC1至MIC4、线性滤波器F1至F4、以及加法器SU1。
沿预定参考面将麦克风MIC1至MIC4布置成一排，并且麦克风MIC1至MIC4中的每一个均具有预定的声音采集指向性。
线性滤波器F1至F4对麦克风MIC1至MIC4采集的采集的声音信号执行延迟处理。加法器SU1对经过线性滤波器F1至F1的延迟处理的采集的声音信号执行结合处理。使用这种结构及处理，从而设置了实现作为整个麦克风单元MU1的声音采集区MA1的声音采集指向性。
加法器SU1将由结合处理得到的合成信号SA1输出到对数计算部分L1(参见图2)。
对数计算部分L1至L8根据表达式(1)计算包含于从麦克风单元MU1至MU8输出的合成信号SAk的低频分量的对数值(对数功率)。K为表示麦克风单元MU1至MU8的从1至8的下标。
通常，人类可听范围的频带为从20Hz到20000Hz；人类的说话声大量地包含400Hz至4000Hz的频带分量，其为可听范围中比较低的低频分量。
接着，在声音发射和采集装置1中，例如，在对数计算部分L1至L8中使用上述低频分量的400Hz至4000Hz的频带的信号功率的对数值。因此，人类的说话声中大量地包含的频率分量可用于讲话者方向检测。因此，可以更精确地检测讲话者的方向。
[表达式1]
P k = log 10 { 1 T &Sigma; 0 &le; t < T x k 2 ( t ) } - - - ( 1 )
其中xk表示合成信号SAk(SA1至SA8)的信号电平，Pk表示合成信号SAk的功率信号SBk(SB1至SB8)的信号电平(功率电平)的对数值。k为1至8的下标，表示麦克风单元MU1至MU8中输出合成信号的是哪个麦克风单元。t表示时间。T是根据合成信号SAk的采样时间长度设置的。
对数计算部分L1至L8输出根据上述表达式(1)计算出的功率电平的对数值Pk中的每一个(参见图2)。
加法器10和放大部分11基于表达式(2)根据功率电平的对数值Pk来计算功率电平的平均值AV。更具体地，加法器10计算功率电平的对数值Pk之和，并且将结果输出至放大部分11。放大部分11将对数值的功率电平Pk之和除以合成信号SAk的个数N(该实施例中，N＝8)，从而计算出功率电平的平均值AV。
[表达式2]
AV = { 1 N &Sigma; k = 1 N P k } - - - ( 2 )
减法器SR1至SR8从每个功率电平的对数值Pk中减去功率电平的平均值AV，以产生差分信号电平Dk(参见如下表达式(3))。
[表达式3]
Dk＝Pk-AV                   (3)
此处，Dk表示差分信号电平。
最大值检测部分12从差分信号电平Dk中检测出表示最大值的差分信号电平Dkm，并将检测到的差分信号电平Dkm输出到比较器14(参见图2)。
比较器14在阈值Th与从最大值检测部分12输出的表示最大值的差分信号电平Dkm之间进行比较。如果差分信号电平Dkm大于阈值Th，则将差分信号电平Dkm输出到控制部分20。阈值Th是能够断定该装置的讲话者正在讲话并且讲话所产生的声音被采集到的电平，并且阈值Th是从当基于该电平采集的声音信号电平相对于发射声音电平高达预定电平的状态下的差分信号电平来设置的。另一方面，如果差分信号电平DkM变为小于或等于阈值Th，比较器14则不将差分信号电平DkM输出到控制部分20。因此，当讲话者以某种程度上大于任意一个声音采集区MA1至MA8中的发射声音的说话声讲话时，讲话者讲话的声音采集区中的差分信号电平DkM可用于讲话者方向的检测。
当控制部分20接受来自比较器14的差分信号电平DkM时，控制部分20输出与麦克风单元MU1至MU8中输出差分信号电平DkM的麦克风单元相关的方向信息来作为讲话者的方向信息。在从比较器14重新接受到超出阈值Th的差分信号电平DkM之前，控制部分20保持检测得到的讲话者位置。
因此，如果扬声器SP1和SP2基于发射声音信号S发射声音，则基于从麦克风单元MU1至MU8输出的合成信号SAk，能够精确地检测到讲话者的方向。
在根据该实施例的声音发射和采集装置1中，通过示例的方式，比较器14对差分信号电平DkM与阈值Th进行比较。但是，本发明并不限于该示例。例如，还可以每隔预定时间就将表示最大值的差分信号电平DkM直接输出到控制部分20以用于检测讲话者的方向，从而代替使用比较器14。
作为讲话者方向的检测方法，还可以考虑对发射声音信号S的信号电平与合成信号SA1至SA8的信号电平xk进行比较，并且基于发射声音信号的信号电平与合成信号SA1至SA8的信号电平xk之间的差信号来检测讲话者的位置。但是，在该情况下，如果不存在发射的声音，则发射声音信号S的值变为0。因此，如果试图使用发射声音信号的电平“0”作为参考电平来执行计算，则很容易产生较大的计算错误并且在信号处理中可能会发生问题。由于发射声音信号的噪声特性和采集的声音信号的噪声特性不同，因此，如果简单地比较二者，则很难非常准确地检测到讲话者的方向，这也是一个问题。
另一方面，在声音发射和采集装置1中，从功率电平的对数值Pk中减去对数值的功率电平的平均值AV来计算差分信号电平Dk，如表达式(3)所示。因此，对于该计算表达式，在不直接使用发射声音信号S的信号电平的情况下，能够计算出差分信号电平Dk。因此，仅仅基于合成信号SA1至SA8的信号电平xk，就能非常准确地检测出讲话者的方向。在表达式(3)中，使用对数值，能够计算出差分信号电平Dk，作为功率电平的对数值Pk与功率电平的平均值AV之间的差。因此，可以将阈值Th设置为固定值，并且还有利地的是，可以使用固定值的阈值Th来检测讲话者的方向。
在该实施例中，通过示例的方式来固定阈值Th。但是，本发明并不限于该实施例。例如，还可以预先将多个阈值存储于比较器14中。在该情况下，可以对阈值Th进行切换，以响应于声音发射和采集装置1的使用环境。
接着，将参考图3来讨论声音发射和采集装置1的讲话者方向检测的特定示例。
图3(A)是示出了每个声音采集区中发射声音信号S的电平与发出的声音(讲话者声音)的电平Wk的变化的示图。图3(B)是示出了功率电平的对数值Pk与功率电平的平均值AV的变化的示图。图3(C)是示意性地示出了阈值Th与差分信号电平Dk的示图。在图3中，下标i表示声音采集区MA1至MA8中功率电平的对数值Pk变为最大值的声音采集区。与此相比，下标j表示除下标i所表示的声音采集区之外的任意其他声音采集区。在图3中，为了简单起见，仅示出Pj的一个输出。
在图3中所示的时区I中，示意性地示出了没有声音从扬声器SP1和SP2发出并且声音采集区MA1至MA8中没有讲话者讲话时的信号电平状态。如图3(C)所示，在该情况下，差分信号电平Di和Dj均变为小于阈值Th，并且因此控制部分20不设置新的讲话者方向。
在图3所示的时区II中，示意性地示出了讲话者在声音采集区MA1至MA8中的一个(对应于i的声音采集区)中讲话并且没有声音从扬声器SP1和SP2发出时的每个信号电平的状态。
如图3(C)所示，在该情况下，差分信号电平Di变为大于阈值Th，并且任意其他差分信号电平Dj变为小于阈值Th。因此，控制部分20将讲话者方向设置为由下标i表示的麦克风单元的方向。
在图3所示的时区III中，示意性地示出了讲话者在声音采集区MA1至MA8中的一个(对应于i的声音采集区)中讲话并且有声音从扬声器SP1和SP2发出以及讲话者声音电平大致等于由发射的声音所产生的回声的声音发射电平时的每个信号电平的状态。
如图3(C)所示，在该情况下，差分信号电平Di变为小于阈值Th。因此，控制部分20不会更新讲话者方向。即，其保持在前一时区II的时间点设置的讲话者方向。
在图3所示的时区IV中，示出了虽然有声音从扬声器SP1和SP2发出，但是讲话者在声音采集区MA1至MA8中的一个(对应于i的声音采集区)中讲话的声音在某种程度上大于从扬声器SP1和SP2发出的声音时的每个信号电平的状态。
如图3(C)所示，在该情况下，差分信号电平Di变为大于阈值Th，并且任意其他差分信号电平Dj变为小于阈值Th。因此，控制部分20将讲话者方向设置为由下标i表示的麦克风单元的方向。
通过执行这种处理，可以可靠地检测出讲话者的方向，而与来自扬声器SP1和SP2的声音发射状态无关。如果不能根据从扬声器发射的声音电平来检测讲话者方向，则维持前一讲话者方向，从而使得讲话者方向不会消失或随意改变并且可以原原本本地维持最可能为讲话者方向的方向。
在上述实施例中，麦克风单元MU1至MU8被布置为类似一个八角形，从而以扬声器SP1和SP2为中心呈8重旋转对称。但是，本发明不限于该实施例。即，从扬声器发射的声音的回声可以均等地到达所有麦克风单元；例如，如果声音采集区被形成为以扬声器SP1和SP2为中心呈旋转对称，则麦克风单元可以被布置为类似一个等边三角形。在这种情况下，麦克风单元采集声音的声音采集区可以被形成为呈3重旋转对称，从而可以实现类似上述实施例的优点。
在上述实施例中，以示例的方式，声音采集区MA1至MA8被形成为以扬声器SP1和SP2为中心呈旋转对称。但是，本发明并不限于该示例。例如，在所有采集声音的麦克风单元中，以预定的采样时间宽度从扬声器发射的声音的回声相等，也可以设置为针对每个预定的采样时间宽度来切换采集声音的麦克风单元的开/关或者改变每个声音采集区的形状。在该情况下，也可以提供类似上述实施例的优点。
如果来自扬声器SP1和SP2的声音产生特性(指向性)可变，则可以响应于该改变来控制每个麦克风单元的声音采集指向性，从而使得在所有麦克风单元中获得相同电平的回声。即，如果所有麦克风单元中的回声电平变为相同，则不限制机械位置关系。
应该理解的是，实施例的描述是说明性的而非限制性的。本发明的保护范围由权利要求而非上述实施例表明。此外，所有落入权利要求范围或该范围的等价物的变型都被认为包含于权利要求。
本申请基于2007年10月1日提交的日本专利申请(No.2007-257419)，通过引用方式将该申请并入本申请中。

Claims (3)

1.一种声音发射和采集装置，其包括：
声音发射部分，其基于发射声音信号来输出发射声音；
多个声音采集部分，所述多个声音采集部分形成声音采集区，对声音采集区进行设置，以使所有的声音采集部分均等地采集到来自声音发射部分的发射声音，并且所述多个声音采集部分对来自声音采集区的声音进行采集，以产生采集的声音信号；
差分电平计算部分，其计算来自所述多个声音采集部分的采集的声音信号的功率的对数值和采集的声音信号的功率的对数值的平均值，并且从每个采集的声音信号的功率的对数值中减去所述平均值，以产生分别对应于各声音采集部分的差分电平信号；以及
讲话者方向检测部分，其比较差分电平信号的电平值以检测出这些电平值中的最大值，并且检测出与表示最大值的差分电平信号相对应的声音采集部分的方向，作为讲话者方向。
2.根据权利要求1所述的声音发射和采集装置，其中讲话者方向检测部分为差分电平信号的电平值预设讲话者声音检测阈值；并且
其中，当最大值变为大于讲话者声音检测阈值时，讲话者方向检测部分检测出与表示最大值的差分电平信号相对应的声音采集部分的方向，作为讲话者方向。
3.根据权利要求1或2所述的声音发射和采集装置，其中差分电平计算部分仅使用采集的声音信号中的低频分量来计算采集的声音信号的功率的对数值和采集的声音信号的功率的对数值的平均值。
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