JP2004173053A

JP2004173053A - 超指向性マイクロフォン装置

Info

Publication number: JP2004173053A
Application number: JP2002337933A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kasuya; 修粕谷
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】音質を重視した自然な音の収音用に、小型で、全帯域に渡ってより指向性の鋭い超指向性マイクロフォン装置を提供する。
【解決手段】この超指向性マイクロフォン装置は、３個の単一指向性マイクロフォンセル（１０，１１，１２）を前後方向に所定の間隔を隔てて配置し、二つのマイクロフォンセル（１０，１２）の出力信号から抽出した差分信号と、他の二つのマイクロフォンセル（１１，１２）の出力信号から抽出した差分信号と、これらの両差分信号間の差分信号を計算して、所定の周波数より高い周波数信号を高域通過フィルタ１６で取り出す。また、他の二つのマイクロフォンセル（１０，１２）の出力信号から抽出した差分信号から、周波数より低い周波数信号を低域通過フィルタ１８で取り出す。これら２つのフィルタ（１６，１８）の出力信号の帯域境界付近の位相を合わせ、イコライザ回路２０で補正した出力信号を得る。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音源に対する指向性の向上を図った超指向性マイクロフォン装置に関し、具体的には、小型で、全帯域に渡ってより鋭い指向性を有し、音質を重視した自然な音を収音するビデオカメラ等に使われて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超指向性マイクロフォン装置として、図５に示すような構造のものが広く知られている。特性の揃った二つの単一指向性マイクロフォン（１次音圧傾度型マイクロフォン）１および２を前後方向に所定の間隔を隔てて配置し、マイクロフォン１の出力信号を反転回路３で反転させた反転信号と、マイクロフォン２の出力信号をミックス回路４でミックス処理することによって両信号の差分信号を抽出する。
【０００３】
この差分信号は、横方向から入射する音に関しては同位相・同振幅信号の差成分となるため理論的にはゼロとなり、前方向から入射する音に関しては前方に配置されたマイクロフォン１と後方に配置されたマイクロフォン２の間隔を伝播する時間差分の位相差に応じた差成分が得られる（マイクロフォン間隔が音の波長の１／２に相当する時に最大出力が得られる）。
【０００４】
尚、後方向から入射する音に関しては単一指向性マイクロフォンの指向特性上からそれぞれのマイクロフォン出力の信号成分がゼロであるためその差成分もゼロである。イコライザ５は、差分信号の周波数特性をフラットに補正するのが目的の回路である。
従って、マイクロフォン１と２の差分信号を周波数補正したマイクロフォン出力は前方向に鋭い指向性を有するマイクロフォン装置（２次音圧傾度型マイクロフォン）として機能する。
【０００５】
また、特許文献１の技術は、音源に対して集音面を同一方向に向け、且つ指向性の主軸と直交する方向に所定の距離を隔てて配された、少なくとも３個の単一指向性マイクロフォン素子と、各マイクロフォン素子からの出力信号を加算する加算器とを備え、鋭い指向性を得るマイクロフォン装置を提案している。
【０００６】
【特許文献１】
国際公開第９６／２５０１８号パンフレット
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の技術を用いた２次音圧傾度型マイクロフォンは、周囲の雑音をカットして正面の目的音を収音し易くするため、望遠マイクロフォンとしての効果を得ることができる。
この２次音圧傾度型マイクロフォンと一般的なステレオマイクロフォン（またはモノラルマイクロフォン）を組み合わせ、両信号のミックス比を連続的に可変させればズームマイクロフォンとして機能することは一般に知られている。
これは、例えば民生用ビデオカメラのズームレンズと連動させることによって映像と音声が一緒にズームしているような効果を得ることができ、このような処理を行なった２次音圧傾度型マイクロフォンには、原理的に下記の課題が発生する。
【０００８】
（１）高域の帯域が狭くなる。
（２）低域感度が不足する。
（３）低域信号のＳ／Ｎが悪い。
【０００９】
原理的に、前後に配置するマイクロフォンの間隔によって確保し得る高域の帯域が制限される（確保できる高域の帯域は、マイクロフォン間隔が通過する音の波長の１／２に相当する周波数までである）。間隔を狭めれば高域の帯域は拡がるが、逆に低域感度が確保できなくなる。低域感度を確保するためにマイクロフォン間隔を広げると高域の帯域がますます狭くなる。
【００１０】
現実的には、この処理を行なった２次音圧傾度型マイクロフォンは、その鋭い指向性と引き換えに、確保できる周波数帯域が高域・低域共に不足したものとなり、音質的には満足いくものとはなり難い。
特に、前記のようなズームマイクロフォンとして機能させる場合、組合せるステレオマイクロフォン（またはモノラルマイクロフォン）側の周波数帯域はかなり広く確保できているために、特性をステレオマイクロフォン側（ワイド側）から２次音圧傾度型マイクロフォン側（テレ側）に変化させた時の音質差が際立ち、大きな違和感を与えるという問題がある。
【００１１】
また、より強いズーム感を得るためには、テレ側の特性を受け持っている超指向性マイクロフォン装置の指向性を更に鋭くする必要があるが、そのために音圧傾度の次数を更に上げるような処理を行なうと低域感度が益々不足し実用になり難いという課題がある。
【００１２】
また、特許文献１のマイクロフォン装置は、その主目的を音声認識装置の音声入力手段に置いているため、中音域でのみ鋭い指向性が得られるものである。対象方向からの人間の声のみを効率的に取り込む目的にはよいが、低域から高域までのすべての帯域の音を収音目的とするような一般的な用途には、周辺雑音の中音域成分のみがカットされた極めて不自然な音となり不向きである。
【００１３】
本発明は、上述の実情を考慮してなされたものであって、単一指向性マイクロフォンセルの前後方向配置を３個に増やし、中高域の指向性を更にアップさせると同時に低域の感度も改善する、または中低域のＳ／Ｎを同等に確保した上で高域の帯域を広げることができる、音質を重視した自然な音の収音用に、小型で、全帯域に渡ってより指向性の鋭い超指向性マイクロフォン装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項１の超指向性マイクロフォン装置は、３個の単一指向性マイクロフォンセルを前後方向に所定の間隔を隔てて配置（配置順に、第１マイクロフォンセル、第２マイクロフォンセル、第３マイクロフォンセルとする）し、第１マイクロフォンセルと第２マイクロフォンセルの出力信号から抽出した差分信号と、第２マイクロフォンセルと第３マイクロフォンセルの出力信号から抽出した差分信号とから、これらの両差分信号間の差分信号を抽出して、所定の周波数より高い周波数信号を第１フィルタ（ＨＰＦ：高域通過フィルタ）で取り出す。
また、第１マイクロフォンセルと第３マイクロフォンセルの出力信号から抽出した差分信号から、所定の周波数より低い周波数信号を第２フィルタ（ＬＰＦ：低域通過フィルタ）で取り出す。
これらの第１フィルタと第２フィルタの出力信号の帯域境界付近の位相を合わせて、その合成出力信号の周波数特性をイコライザ回路でフラット化して、鋭い指向性を実現する出力信号を得る。
【００１５】
以上の構成により、高域側の指向特性を更に鋭くしつつ低域感度を改善したり、中低域感度を劣化させること無く高域側帯域を広げる（しかも広げた帯域の指向性は非常に鋭いものとなる）ことが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る超指向性マイクロフォン装置の好適な実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る超指向性マイクロフォン装置の実施形態の構成を示すブロック図であり、図１（Ａ）は３個の単一指向性マイクロフォンセルの配置を示し、図１（Ｂ）は全体の構成を示している。
図１（Ａ）に示すように、本実施形態では、特性の揃った３個の単一指向性マイクロフォンセル（第１マイクロフォンセル１０、第２マイクロフォンセル１１、第３マイクロフォンセル１２）が前後方向に等間隔で指向性の主軸が同一方向を向くように直列に配置されている。
【００１７】
図１（Ｂ）に示すように、本実施形態は、第１マイクロフォンセル１０と第２マイクロフォンセル１１の出力信号の差分信号を抽出する第１差分回路１３、第２マイクロフォンセル１１と第３マイクロフォンセル１２の出力信号の差分信号を抽出する第２差分回路１４、第１差分回路１３と第２差分回路１４の出力信号同士の差分信号を抽出する第３差分回路１５、第３差分回路１５の出力信号から所定の周波数より高い周波数帯域信号を抽出する第１フィルタ（ＨＰＦ：高域通過フィルタ）１６、第１マイクロフォンセル１０と第３マイクロフォンセル１２の出力信号の差分信号を抽出する第４差分回路１７、第４差分回路１７の出力信号から所定の周波数より低い周波数帯域信号を抽出する第２フィルタ（ＬＰＦ：低域通過フィルタ）１８、第２フィルタ１８からの出力信号の位相を第１フィルタ１６からの出力信号の位相に合わせた信号と第１フィルタ１６の出力信号を加算する加算回路１９、加算回路１９の出力信号の周波数特性を補正するイコライザ回路（ＥＱ）２０とから構成される。
【００１８】
上記のように構成した超指向性マイクロフォン装置では、まず、同じ間隔ｄを隔てて前後方向に配置された第１マイクロフォンセル１０と第２マイクロフォンセル１１間、および第２マイクロフォンセル１１と第３マイクロフォンセル１２間で従来行なわれてきた２次音圧傾度型マイクロフォン処理（差分信号抽出処理）を行なう。
本実施形態では、図１（Ｃ）に示すように、各差分回路（１３，１４，１５，１７）は、前方に配置されている側のマイクロフォンセルの出力信号（信号ａ）に位相を反転させる位相反転回路３１を入れ、後方に配置されている側のマイクロフォンセルの出力信号（信号ｂ）とミックス処理するミックス回路３２を入れて差分信号ｃ（２次音圧傾度型信号）を抽出する。
【００１９】
更に、それぞれ第１差分回路１３と第２差分回路１４で抽出された差分信号（２次音圧傾度型信号）同士の差分信号を第３差分回路１５で抽出する。この第３差分回路１５からの出力信号は、４次音圧傾度相当の鋭い指向性を有する信号（Ｓ１）となり、従来の２次音圧傾度型よりも更に鋭い指向性を実現できる（図２参照）。
【００２０】
しかし、イコライザ処理を加える前の２次音圧傾度型の周波数特性が最大出力周波数ｆに向かって６ｄＢ／ｏｃｔの傾斜であるのに対し、上述の処理を加えた４次音圧傾度相当の周波数特性は最大出力周波数ｆに向かって１２ｄＢ／ｏｃｔの傾斜になるため低域の感度は非常に低くなってしまい、そのままでの実用は難しい。そこで、低域感度を次のようにして確保する。
【００２１】
本実施形態において、第１マイクロフォンセル１０と第３マイクロフォンセル１２の間隔が２ｄであるから、第１マイクロフォンセル１０と第３マイクロフォンセル１２間の差分信号を第４差分回路１７で抽出することによって、最大出力周波数をｆ／２とした２次音圧傾度型の出力信号（Ｓ２）を得ることができる。
この出力信号は、ｆ／２以下の周波数帯域では、マイクロフォンセル間隔がｄの時の２次音圧傾度型信号に比べて６ｄＢ高い感度を有する。
【００２２】
更に、ｆ／２より低い所定の周波数ｆ０をカットオフ周波数とする第１フィルタ１６（ＨＰＦ：高域通過フィルタ）に４次音圧傾度相当信号（Ｓ１）を通し、同じくｆ０をカットオフ周波数とする第２フィルタ１８（ＬＰＦ：低域通過フィルタ）に２次音圧傾度型信号（Ｓ２）を通して、加算回路１９でミックス処理することによって、ｆ０より高い周波数帯域では４次音圧傾度相当の非常に高い指向性を備え、且つ、ｆ０より低い周波数帯域では２次音圧傾度相当の指向性ながら低域感度が高い出力信号を得ることができる。
【００２３】
この加算回路１９は、図１（Ｄ）に示すように、第２フィルタ１８からの出力信号（信号ｅ）の位相を第１フィルタ１６の出力信号（信号ｆ）の位相に合わせた信号を出力する移相回路４１、移相回路４１からの出力信号と信号ｆとをミックスした信号ｇを出力するミックス回路４２から構成される。
【００２４】
最終的に、加算回路１９からの出力信号をイコライザ回路２０にて周波数特性全体のフラット化が行なわれ、中高域指向性に優れ、中低域Ｓ／Ｎの良好な出力信号を実現できる。
【００２５】
また、本実施形態のマイクロフォンセルの間隔をｄ／２に設定した場合、マイクロフォンセルの間隔が１／２になることによって、４次音圧傾度相当信号（Ｓ１）の高域側の帯域は２倍となるが、帯域が伸びた分、低域感度は益々低くなるが、２次音圧傾度型の出力信号（Ｓ２）としては、マイクロフォンセル間隔ｄの現状２次音圧傾度型の出力信号そのままを得る。
【００２６】
従って、本実施形態の出力信号は、現状同等の中低域特性を保持した上で、高域は４次音圧傾度相当の鋭い指向性を実現し、且つ帯域を２倍に拡大した出力信号を得ることが可能となる。
【００２７】
＜実施例１＞
まず、実施例１としてマイクロフォンセルの間隔ｄを３４ｍｍに設定した場合について説明する。
一対のマイクロフォンセル間で差分信号抽出処理を行なった後の正面方向入力音信号の周波数特性は、次の式１で表すことができる。
【００２８】
Ｅｏ＝Ｅ√｛（１−ｃｏｓα）^２＋ｓｉｎ^２α｝ … 式１
ここで α＝（２πｆｄ）／ｃ
ｃ≒３４０［ｍ／ｓ］：（音速）
ｆ：周波数［Ｈｚ］
ｄ：マイクロフォンセル間隔［ｍ］
Ｅ：マイクロフォン出力レベル
Ｅｏ：差分信号レベル
【００２９】
この式１に、ｄ＝３４ｍｍを適用すると、差分信号の周波数特性は図３の曲線ａになる。この差分信号同士で更に差分信号を取った４次音圧傾度相当信号（Ｓ１）の周波数特性は、図３の曲線ｂとなる。
また、マイクロフォンセル間隔が２ｄ＝６８ｍｍとなる第１マイクロフォンセル１０と第３マイクロフォンセル１２間の差分信号（Ｓ２）の周波数特性は、図３の曲線ｃとなる。
図３の曲線ａと曲線ｂの最大出力が得られる周波数は、５ｋＨｚであり、１．６５ｋＨｚより高い周波数帯域においては、曲線ｂの方が高い感度を得ることができることを示している。
【００３０】
一方、図３の曲線ｃの最大出力が得られる周波数は、２．５ｋＨｚであるが、それより低い周波数帯域では常に曲線ａより６ｄＢ高い感度が得られることを示している。
【００３１】
従って、本実施例１で第１フィルタ１６と第２フィルタ１８のカットオフ周波数ｆ０を１．６５ｋＨｚ付近に設定すれば、全帯域に渡って従来技術による周波数特性ａよりも高い感度が確保できることになる。
また、ｆ０よりも高い周波数帯域においては、従来技術によるよりも更に鋭い指向特性が得られる。
【００３２】
＜実施例２＞
次に、実施例２としてマイクロフォンセル間隔ｄを１７ｍｍに設定した場合について説明する。
上述の式１にｄ＝１７ｍｍを適用すると、差分信号の周波数特性は図４の曲線ａとなり、この差分信号同士で更に差分信号を取った４次音圧傾度相当信号（Ｓ１）の周波数特性は、図４の曲線ｂとなる。
また、マイクロフォンセル間隔が２ｄ＝３４ｍｍとなる第１マイクロフォンセル１０と第３マイクロフォンセル１２間の差分信号（Ｓ２）の周波数特性は図４の曲線ｃとなる。
【００３３】
図４の曲線ａと曲線ｂの最大出力が得られる周波数は１０ｋＨｚであり、３．３５ｋＨｚより高い周波数帯域においては曲線ｂの方が高い感度を得ることができることを示している。
一方、図４の曲線ｃの最大出力が得られる周波数は５ｋＨｚであり、これは従来技術による２次音圧傾度型の特性そのものである。
【００３４】
従って、本実施例２の第１フィルタ１６と第２フィルタ１８のカットオフ周波数ｆ０を５ｋＨｚ付近に設定すれば、５ｋＨｚ以下の帯域で従来特性を維持したままで高域側帯域を１０ｋＨｚまで伸ばすことが可能となる。
また、伸びた高域側の指向性は４次音圧傾度相当の非常に鋭いものとなる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、高域側の指向特性を更に鋭くしつつ低域感度を改善したり、中低域感度を劣化させること無く高域側帯域を広げる（しかも広げた帯域の指向性は非常に鋭いものとなる）ことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超指向性マイクロフォン装置の実施形態の構成を示すブロック図であり、（Ａ）は３個の単一指向性マイクロフォンセルの配置を示し、（Ｂ）は全体の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態を説明する指向特性図である。
【図３】実施例１を説明する周波数特性図である。
【図４】実施例２を説明する周波数特性図である。
【図５】従来の指向性マイクロフォン装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，２…マイクロフォン、３…反転回路、４…ミックス回路、５…イコライザ、１０…第１マイクロフォンセル、１１…第２マイクロフォンセル、１２…第３マイクロフォンセル、１３…第１差分回路、１４…第２差分回路、１５…第３差分回路、１６…第１フィルタ（ＨＰＦ：高域通過フィルタ）、１７…第４差分回路、１８…第２フィルタ（ＬＰＦ：低域通過フィルタ）、１９…加算回路、２０…イコライザ回路、３１…位相反転回路、３２，４２…ミックス回路、４１…移相回路。

Claims

単一指向性マイクロフォンセルを配置して、前方向に指向性を持つマイクロフォン装置において、３個の単一指向性マイクロフォンセルを前後方向に所定の間隔を隔てて配置（以下、配置順に第１マイクロフォンセル、第２マイクロフォンセル、第３マイクロフォンセルという）し、前記第１マイクロフォンセルと前記第２マイクロフォンセルの出力信号の差分信号を抽出する第１差分回路と、前記第２マイクロフォンセルと前記第３マイクロフォンセルの出力信号の差分信号を抽出する第２差分回路と、前記第１差分回路と前記第２差分回路の出力信号同士の差分信号を抽出する第３差分回路と、前記第３差分回路の出力信号から所定の周波数より高い周波数帯域信号を抽出する第１フィルタと、前記第１マイクロフォンセルと前記第３マイクロフォンセルの出力信号の差分信号を抽出する第４差分回路と、前記第４差分回路の出力信号から所定の周波数より低い周波数帯域信号を抽出する第２フィルタと、前記第１フィルタの出力信号と前記第２フィルタの出力信号の帯域境界付近の位相を合わせてミックス処理する加算回路と、前記加算回路の出力信号の周波数特性を補正するイコライザ回路とを有することを特徴とする超指向性マイクロフォン装置。
請求項１に記載の超指向性マイクロフォン装置において、各前記差分回路は、前方に配置されている側のマイクロフォンセルの出力信号の位相を反転させる位相反転回路と、後方に配置されている側のマイクロフォンセルの出力信号と前記位相反転回路からの出力信号とをミックス処理するミックス回路を有することを特徴とする超指向性マイクロフォン装置。
請求項１に記載の超指向性マイクロフォン装置において、前記加算回路は、前記第２フィルタからの出力信号の位相を前記第１フィルタの出力信号の位相に合わせた信号を出力する移相回路と、この移相回路からの出力信号と前記第１フィルタからの出力信号とをミックス処理するミックス回路とを有することを特徴とする超指向性マイクロフォン装置。
３個の単一指向性マイクロフォンセルを前後方向に所定の間隔を隔てて配置し、隣接するマイクロフォンセルの２次音圧傾度信号を２つ求め、これらの２次音圧傾度信号から求めた４次音圧傾度相当信号に高域通過フィルタを通し、先頭のマイクロフォンセルと最後尾のマイクロフォンセルの２次音圧傾度信号を求めて低域通過フィルタを通し、これら２つのフィルタからの出力信号の帯域境界付近の位相を合わせてミックス処理して、周波数特性を補正するイコライザ処理をすることを特徴とする超指向性マイクロフォン装置。