JP2008048294A - Directional array microphone and directional array speaker - Google Patents

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清 西川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a directional array microphone which has the same directional characteristics from the upper register down to a lower register and also has unidirectional characteristics with a narrow beam width even when the array size is small. <P>SOLUTION: The microphone array 2 arrayed along an (x) axis and a (y) axis, and first and second two-dimensional FIR filters 12 and 13 are cascaded to obtain directivity corresponding to the (y)-axial direction by the first two-dimensional FIR filter 12 and directivity corresponding to the (x)-axial direction by the second two-dimensional FIR filter 13. Those two-dimensional FIR filters 12 and 13 are configured to have a passing range formed from one nonphysical area to a portion of a physical area adjacent to the nonphysical area in a cross section parallel to a spatial frequency axis and also to have a larger amplitude in the nonphysical area than in the physical area when amplitude characteristics are represented on a two-dimensional frequency plane comprising a time frequency axis and the spatial frequency axis. Consequently, the band of the directional characteristics is made wide. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、指向性アレーマイクロホンおよび指向性アレースピーカに関する。   The present invention relates to a directional array microphone and a directional array speaker.

特定の方向から到来する音波だけを受音する指向性マイクロホンを実現する１つの方法として、マイクロホンが複数個配列されたマイクロホンアレーを用いる指向性アレーマイクロホンがある。また特定の方向にだけ音波を放射する指向性スピーカとして、複数個のスピーカが配列されたスピーカアレーを用いる指向性アレースピーカが知られている。   One method for realizing a directional microphone that receives only sound waves coming from a specific direction is a directional array microphone that uses a microphone array in which a plurality of microphones are arranged. Further, as a directional speaker that emits sound waves only in a specific direction, a directional array speaker using a speaker array in which a plurality of speakers are arranged is known.

指向性アレーマイクロホンでは、マイクロホンアレーを構成する各マイクロホンに入力される音響信号から、特定の方向から到来する音波の成分だけが、ディジタルフィルタによって取り出されることによって指向特性が得られる。また指向性アレースピーカでは、スピーカアレーを構成する各スピーカから出力される音響信号の振幅および位相が、ディジタルフィルタによって個々に制御されることによって、指向特性を持った音波を出力することができる。以下、指向性アレーマイクロホンによって取り出された特定方向の音波、および指向性アレースピーカから放射される特定方向の音波を総称して音響ビームという。またマイクロホンおよびスピーカなどの電気音響変換器を総称して変換器という場合がある。   In a directional array microphone, a directivity characteristic is obtained by extracting only a component of a sound wave coming from a specific direction from a sound signal input to each microphone constituting the microphone array by a digital filter. In the directional array speaker, sound waves having directional characteristics can be output by individually controlling the amplitude and phase of the acoustic signal output from each speaker constituting the speaker array by a digital filter. Hereinafter, sound waves in a specific direction extracted by a directional array microphone and sound waves in a specific direction emitted from a directional array speaker are collectively referred to as an acoustic beam. In addition, electroacoustic transducers such as microphones and speakers may be collectively referred to as transducers.

このような指向性アレーマイクロホンおよび指向性アレースピーカで用いられるディジタルフィルタを設計する際には、各変換器毎に音響信号を表示するのでなく、時間と各変換器の配置位置とを変数とする２次元音響信号として表示する方法（非特許文献１参照）が用いられる。この方法では、２次元音響信号に２次元フーリエ変換を行って得られる周波数スペクトルが、時間周波数軸と空間周波数軸とによって表される２次元周波数平面において、音響ビームの進行方向に応じた直線上に現れることが利用される。したがって、ディジタルフィルタの特性は、２次元周波数平面上で扇形状の特性を持つファンフィルタ（fan filter）によって表すことができる。   When designing a digital filter used in such a directional array microphone and a directional array speaker, an acoustic signal is not displayed for each converter, but time and the position of each converter are used as variables. A method of displaying as a two-dimensional acoustic signal (see Non-Patent Document 1) is used. In this method, a frequency spectrum obtained by performing a two-dimensional Fourier transform on a two-dimensional acoustic signal is on a straight line corresponding to the traveling direction of the acoustic beam on a two-dimensional frequency plane represented by a time frequency axis and a spatial frequency axis. Appears to be used. Therefore, the characteristics of the digital filter can be represented by a fan filter having a fan-shaped characteristic on a two-dimensional frequency plane.

具体的にファンフィルタの目標振幅特性を設計する方法として、２次元周波数平面の時間周波数軸を分割し、分割された各時間周波数毎に空間周波数軸方向の断面での振幅特性が、ドルフ・チェビシェフフィルタ（Dolph-Chebyshev filter）の振幅特性となるように設計する方法（非特許文献２参照）が知られている。この方法では、通過域が単一のピークになり、阻止域が複数の等振幅のリプルになるように、空間周波数軸方向の断面での振幅特性にチェビシェフ多項式を対応させる。この結果、通過域振幅に比べて阻止域等リプルの振幅を低減することができる。得られた目標振幅特性の離散データから、２次元ＦＩＲフィルタのフィルタ係数は、２次元離散フーリエ逆変換によって求めることができる（非特許文献３参照）。   Specifically, as a method of designing the target amplitude characteristic of the fan filter, the time frequency axis of the two-dimensional frequency plane is divided, and the amplitude characteristic in the cross section in the spatial frequency axis direction for each divided time frequency is represented by Dorf Chebyshev. A method (see Non-Patent Document 2) for designing so as to have an amplitude characteristic of a filter (Dolph-Chebyshev filter) is known. In this method, the Chebyshev polynomial is made to correspond to the amplitude characteristic in the cross section in the spatial frequency axis direction so that the passband has a single peak and the stopband has a plurality of equiamplitude ripples. As a result, it is possible to reduce the amplitude of ripples such as the stopband compared to the passband amplitude. The filter coefficients of the two-dimensional FIR filter can be obtained from the obtained discrete data of the target amplitude characteristics by inverse two-dimensional discrete Fourier transform (see Non-Patent Document 3).

指向性マイクロホンおよび指向性スピーカでは、同一の指向特性が高音域から低音域まで広帯域で実現されることが望ましい。しかしながら、ファンフィルタでは高音域に比べて低音域での空間周波数軸方向断面での通過域が狭くなるので、低音域において高音域と同一の振幅および指向性を得ようとすると、急峻なピークを持つ通過域が必要になる。しかし、そのような急峻なピークを持つ通過域を得ることは困難であるので、従来技術においては、通過域が狭い低音域まで高音域と同程度に振幅を維持するために、低音域での通過域を拡げて低音域だけ幅広の指向性にするか、または変換器の数を増やしてアレーのサイズを増加させることによって急峻なピークを持つ通過域の特性を実現していた（非特許文献２参照）。   In the directional microphone and the directional speaker, it is desirable that the same directivity characteristic is realized in a wide band from a high sound range to a low sound range. However, since the fan filter has a narrower pass band in the spatial frequency axis direction cross section in the low frequency range than in the high frequency range, a steep peak appears when trying to obtain the same amplitude and directivity as the high frequency range in the low frequency range. A passband is required. However, since it is difficult to obtain a passband having such a steep peak, in the conventional technique, the low pass range is maintained in the low frequency range in order to maintain the same amplitude as the high frequency range. The characteristics of a pass band with a steep peak have been realized by expanding the pass band and making the directivity wider in the low sound range, or by increasing the number of transducers and increasing the size of the array (non-patent literature) 2).

アレーサイズを増加させることなく、より低音域まで同一指向特性が拡がった２次元ファンフィルタを設計する方法として、２次元周波数平面の非物理領域を積極的に利用する方法がある（非特許文献４，５参照）。ここで、非物理領域とは、２次元周波数平面で、空間周波数を時間周波数で割った値が音速の逆数を超える領域であり、物理的には音響信号のスペクトルが分布し得ない領域をいう。   As a method of designing a two-dimensional fan filter having the same directivity extended to a lower sound range without increasing the array size, there is a method of actively using a non-physical region of a two-dimensional frequency plane (Non-Patent Document 4). , 5). Here, the non-physical region is a region in which a value obtained by dividing the spatial frequency by the time frequency exceeds the reciprocal of the sound speed on the two-dimensional frequency plane, and physically the spectrum of the acoustic signal cannot be distributed. .

非特許文献４に記載される設計法では、Ｐａｒｋｓ＆ＭｃＣｌｅｌｌａｎの設計法を用いて、２次元周波数平面の非物理領域で阻止域リプルが大きな振幅を有するように設計される。通過域の幅は、阻止域リプルの振幅を増加させるほど狭くなるので、急峻なピークの通過域を有する振幅特性が実現でき、結果として、より低音域まで高音域と同一の指向特性を実現することができる。   In the design method described in Non-Patent Document 4, the design is made so that the stopband ripple has a large amplitude in the non-physical region of the two-dimensional frequency plane using the Parks & McCellan design method. Since the width of the pass band becomes narrower as the amplitude of the stop band ripple is increased, an amplitude characteristic having a steep peak pass band can be realized, and as a result, the same directivity characteristic as the high sound area is realized up to a lower sound range. be able to.

また非特許文献５に記載される設計法では、２次元周波数平面で空間周波数方向の断面での振幅特性を設計する際に、通過域が一方の非物理領域から、物理領域のうち、その非物理領域に隣接する一部の領域にかけて形成され、かつ物理領域よりも非物理領域で大きな振幅を持つように、チェビシェフ多項式を空間周波数軸方向の振幅特性に対応させる。非物理領域で通過域の最大振幅を与えることによって、物理領域のうち、その非物理領域に隣接した領域で急峻な通過域の振幅特性が実現できるので、低音域まで高音域と同一の指向特性を与えることができる。   Further, in the design method described in Non-Patent Document 5, when designing the amplitude characteristics in the cross section in the spatial frequency direction on the two-dimensional frequency plane, the pass band is changed from one non-physical area to the non-physical area. The Chebyshev polynomial is made to correspond to the amplitude characteristic in the spatial frequency axis direction so that it is formed over a part of the region adjacent to the physical region and has a larger amplitude in the non-physical region than in the physical region. By giving the maximum amplitude of the pass band in the non-physical area, the steep pass band amplitude characteristics can be realized in the physical area adjacent to the non-physical area, so the same directivity characteristics as the high sound range up to the low range Can be given.

西川清、「ビームフォーミングの２次元領域解析」、電子通信学会論文誌、社団法人電子情報通信学会、１９９４年９月、第Ｊ７７−Ａ巻、第９号、ｐ．１３０４−１３０６Kiyoshi Nishikawa, “Two-dimensional domain analysis of beamforming”, IEICE Transactions, The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, September 1994, Vol. J77-A, No. 9, p. 1304-1306 松本康志、西川清、「一定サイドローブ量の指向性アレースピーカの設計法」、信学技報、社団法人電子情報通信学会、２００４年１０月、ＥＡ２００４−７４、ｐ．１３−１８Matsumoto Yasushi and Nishikawa Kiyoshi, “Design Method of Directional Array Speaker with Constant Sidelobe”, IEICE Technical Report, The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, October 2004, EA 2004-74, p. 13-18 西川清、外４名、「広帯域ビーム形成用２次元ＦＩＲファンフィルタの２次元フーリエ級数近似による設計法」、電子通信学会論文誌、社団法人電子情報通信学会、２０００年１２月、第Ｊ８３−Ａ巻、第１２号、ｐ．１３５７−１３６７Kiyoshi Nishikawa, 4 others, “Design method of 2D FIR fan filter for broadband beam forming by 2D Fourier series approximation”, IEICE Transactions, IEICE, December 2000, J83-A Volume 12, No. 12, p. 1357-1367 太田充、西川清、「一定サイドローブ量の指向性アレースピーカの広帯域設計」、信学技報、社団法人電子情報通信学会、２００５年１０月、ＥＡ２００５−５０、ｐ．７−１２Mitsuru Ota, Kiyoshi Nishikawa, “Wide-band design of directional array speakers with constant side lobe”, IEICE Technical Report, The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, October 2005, EA2005-50, p. 7-12 西川長宏、西川清、「一定サイドローブ量の単一指向性アレーマイクロホンの広帯域設計」、信学技報、社団法人電子情報通信学会、２００５年１０月、ＥＡ２００５−４９、ｐ．１−６Nishikawa Nagahiro, Nishikawa Kiyoshi, “Wide-band Design of Unidirectional Array Microphone with Constant Sidelobe”, IEICE Technical Report, The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, October 2005, EA 2005-49, p. 1-6

前述のように、指向性アレーマイクロホンおよび指向性アレースピーカにおいては、高音域での振幅および指向性が、低音域でも同様に得られるようにすることに技術的な課題がある。多数の変換器を広範囲に配置すれば、広帯域で同一の指向特性を実現することは可能だが、システムが大規模になるので、できるだけ小さなアレーサイズで、低音域から高音域までの広帯域で同一の指向特性が得られることが望ましい。この点で、前述した非特許文献４，５のように２次元周波数平面における非物理領域を積極的に利用するような設計法を採用すれば、指向特性の広帯域化が図られる。   As described above, in the directional array microphone and the directional array speaker, there is a technical problem in that the amplitude and directivity in the high sound range can be obtained similarly in the low sound range. It is possible to achieve the same directivity characteristics in a wide band by arranging a large number of converters in a wide range, but the system becomes large, so the same in a wide band from the low range to the high range with the smallest array size possible. It is desirable to obtain directivity characteristics. In this respect, if a design method that positively uses a non-physical region in a two-dimensional frequency plane as in Non-Patent Documents 4 and 5 described above, a wide band of directivity can be achieved.

しかしながら、変換器を一直線に沿って配置した場合の音響特性は、変換器が配列された直線まわりの回転対称の特性になるので、前述した非特許文献４記載の設計法での音響ビームの方向は、変換器が配列される直線と交差する方向であり、かつその直線まわりに回転対称になる。たとえば、音響ビームの方向が変換器の配列方向と直交する場合、変換器の配列方向に垂直な断面で見ると、音波の波面は円弧状に拡がるように形成されることになる。したがって、この設計法では、音響ビームの進行方向がビームの中心軸線のまわりに分布するような、いわゆる単一指向特性にはならない。   However, since the acoustic characteristics when the transducers are arranged along a straight line are rotationally symmetric characteristics around the straight lines where the transducers are arranged, the direction of the acoustic beam in the design method described in Non-Patent Document 4 described above. Is the direction intersecting the straight line on which the transducers are arranged and is rotationally symmetric about the straight line. For example, when the direction of the acoustic beam is orthogonal to the arrangement direction of the transducers, when viewed in a cross section perpendicular to the arrangement direction of the transducers, the wavefront of the sound wave is formed to expand in an arc shape. Therefore, this design method does not have a so-called unidirectional characteristic in which the traveling direction of the acoustic beam is distributed around the central axis of the beam.

これに対し、前述した非特許文献５記載の設計法では、音波の通過域は、２次元周波数平面の空間周波数軸に平行な断面で、一方の非物理領域から物理領域のうち、その非物理領域に隣接する領域に設定されるので、音響ビームの中心軸は直線状に配列された変換器の配列方向に一致し、音響ビームは、変換器が配列する軸線まわりに円錐状に放射されることになる。したがって、非特許文献５記載の設計法では、いわゆる単一指向特性が実現されることになるが、前述した非特許文献４のように変換器の配列方向と交差する方向に音響ビームが形成される場合に比べると、同程度のアレーサイズの場合には、音響ビームのビーム幅が広くなる欠点がある。   On the other hand, in the design method described in Non-Patent Document 5 described above, the sound wave passage area is a cross section parallel to the spatial frequency axis of the two-dimensional frequency plane, and one non-physical area to the non-physical area is the non-physical area. Since the central axis of the acoustic beam coincides with the arrangement direction of the linearly arranged transducers, the acoustic beam is radiated conically around the axis line where the transducers are arranged. It will be. Therefore, in the design method described in Non-Patent Document 5, so-called unidirectional characteristics are realized. However, as in Non-Patent Document 4 described above, an acoustic beam is formed in a direction intersecting with the arrangement direction of the transducers. Compared to the case of the above, in the case of the same array size, there is a drawback that the beam width of the acoustic beam becomes wide.

本発明の目的は、アレーサイズが小さくても、より低音域まで高音域と同一の指向特性を有するとともに、よりビーム幅の狭い単一指向特性を有する指向性アレーマイクロホンおよび指向性アレースピーカを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a directional array microphone and a directional array speaker having a directional characteristic that is the same as that of a high sound range up to a low sound range and has a narrow beam width even when the array size is small. There is to do.

本発明は、同一平面上で互いに交差する第１および第２の方向に沿って配列された複数のマイクロホンから成るマイクロホンアレーと、
前記第１の方向に沿って配列される複数のマイクロホンから成るマイクロホン列毎に設けられ、前記各マイクロホン列を構成する複数のマイクロホンから出力された信号に対して、前記第１の方向に対応した指向性を有するようにフィルタ処理を行う第１の２次元ディジタルフィルタと、
前記複数の第１の２次元ディジタルフィルタから出力された信号に対して、前記第２の方向に対応した指向性を有するようにフィルタ処理を行う第２の２次元ディジタルフィルタとを備え、
前記第１および第２の２次元ディジタルフィルタは、これらの振幅特性を時間周波数軸と空間周波数軸とから成る２次元周波数平面上で表したとき、空間周波数軸に平行な断面での通過域が、一方の非物理領域から物理領域の前記一方の非物理領域に隣接した一部の領域にかけて形成され、かつ物理領域よりも非物理領域で大きな振幅を有するように構成されることを特徴とする指向性アレーマイクロホンである。 The present invention comprises a microphone array comprising a plurality of microphones arranged along first and second directions intersecting each other on the same plane;
Provided for each microphone row composed of a plurality of microphones arranged along the first direction, and corresponding to the first direction with respect to signals output from the plurality of microphones constituting each microphone row A first two-dimensional digital filter that performs filtering so as to have directivity;
A second two-dimensional digital filter that performs a filtering process on the signals output from the plurality of first two-dimensional digital filters so as to have directivity corresponding to the second direction;
In the first and second two-dimensional digital filters, when these amplitude characteristics are represented on a two-dimensional frequency plane composed of a time frequency axis and a spatial frequency axis, a pass band in a cross section parallel to the spatial frequency axis is obtained. The non-physical region is formed from one non-physical region to a part of the physical region adjacent to the one non-physical region, and is configured to have a larger amplitude in the non-physical region than in the physical region. Directional array microphone.

また本発明は、前記マイクロホンアレーを構成する各マイクロホンは、前記第１の方向と第２の方向とが成す角度を変更可能な保持手段によって保持されていることを特徴とする。   Further, the invention is characterized in that each microphone constituting the microphone array is held by holding means capable of changing an angle formed by the first direction and the second direction.

また本発明は、同一平面上で互いに交差する第１および第２の方向に沿って配列された複数のスピーカから成るスピーカアレーと、複数の第１の２次元ディジタルフィルタと、第２の２次元ディジタルフィルタとを含む指向性アレースピーカであって、
前記第２の２次元ディジタルフィルタは、入力された信号に対して、前記第２の方向に対応した指向性を有するようにフィルタ処理を行って、このフィルタ処理後の信号を各第１の２次元ディジタルフィルタに出力し、
前記第１の２次元ディジタルフィルタは、前記第１の方向に沿って配列される複数のスピーカから成るスピーカ列毎に設けられ、前記第２の２次元ディジタルフィルタから出力される信号を、前記第１の方向に対応した指向性を有するようにフィルタ処理を行って各スピーカに出力し、
前記第１および第２の２次元ディジタルフィルタは、振幅特性を時間周波数軸と空間周波数軸とから成る２次元周波数平面上で表したとき、空間周波数軸に平行な断面での通過域が、一方の非物理領域から物理領域の前記一方の非物理領域に隣接した一部の領域にかけて形成され、かつ物理領域よりも非物理領域で大きな振幅を有するように構成されることを特徴とする指向性アレースピーカである。 The present invention also provides a speaker array comprising a plurality of speakers arranged along first and second directions intersecting each other on the same plane, a plurality of first two-dimensional digital filters, and a second two-dimensional A directional array speaker including a digital filter,
The second two-dimensional digital filter performs a filtering process on the input signal so as to have directivity corresponding to the second direction, and the signal after the filtering process is applied to each of the first two-dimensional digital filters. Output to a dimensional digital filter,
The first two-dimensional digital filter is provided for each speaker row including a plurality of speakers arranged along the first direction, and a signal output from the second two-dimensional digital filter is output from the second two-dimensional digital filter. Filter processing so as to have directivity corresponding to the direction of 1 and output to each speaker,
In the first and second two-dimensional digital filters, when the amplitude characteristic is represented on a two-dimensional frequency plane composed of a time frequency axis and a spatial frequency axis, a pass band in a cross section parallel to the spatial frequency axis is The directivity is formed from a non-physical area to a part of the physical area adjacent to the one non-physical area and configured to have a larger amplitude in the non-physical area than in the physical area. It is an array speaker.

また本発明は、前記スピーカアレーを構成する各スピーカは、前記第１の方向と第２の方向とが成す角度を変更可能な保持手段によって保持されていることを特徴とする。   Further, the invention is characterized in that each speaker constituting the speaker array is held by holding means capable of changing an angle formed by the first direction and the second direction.

本発明によれば、指向性アレーマイクロホンは、同一平面上で互いに交差する第１および第２の方向に沿って配列された複数のマイクロホンから成るマイクロホンアレーを有し、マイクロホンアレーによって受音された音響信号に対して、第１および第２の２次元ディジタルフィルタによるフィルタ処理が行われることによって指向性が与えられる。   According to the present invention, the directional array microphone has a microphone array composed of a plurality of microphones arranged along the first and second directions intersecting each other on the same plane, and the sound is received by the microphone array. Directivity is given to the acoustic signal by performing filter processing using the first and second two-dimensional digital filters.

ここで、第１および第２の２次元ディジタルフィルタの、２次元周波数平面上の空間周波数軸に平行な断面における通過域は、一方の非物理領域から物理領域の前記一方の非物理領域に隣接した一部の領域にかけて形成されるので、第１の方向に沿うマイクロホン列毎に設けられる第１の２次元ディジタルフィルタによるフィルタ処理によって、第１の方向を中心方向とする音響ビームが形成され、また第１の２次元ディジタルフィルタからの出力が供給される第２の２次元ディジタルフィルタによるフィルタ処理によって、第２の方向を中心方向とする音響ビームが形成されることになる。この結果、最終的に指向性マイクロホンによって形成される音響ビームは、第１の２次元ディジタルフィルタによるフィルタ処理によって形成される音響ビームと、第２の２次元ディジタルフィルタによるフィルタ処理によって形成される音響ビームとの共通領域に形成される。したがって、第１および第２のいずれか一方の方向に沿うマイクロホン列だけでは、幅広の音響ビームしか形成できなくても、両方向の特性の共通部分が最終的な音響ビームの特性になるので、より狭いビーム幅を得ることができる。   Here, the pass band in the cross section parallel to the spatial frequency axis on the two-dimensional frequency plane of the first and second two-dimensional digital filters is adjacent to the one non-physical area from one non-physical area to the one non-physical area. Therefore, an acoustic beam having the first direction as the central direction is formed by the filtering process using the first two-dimensional digital filter provided for each microphone array along the first direction. Further, an acoustic beam having the second direction as the center direction is formed by the filtering process by the second two-dimensional digital filter to which the output from the first two-dimensional digital filter is supplied. As a result, the acoustic beam finally formed by the directional microphone is the acoustic beam formed by the filtering process by the first two-dimensional digital filter and the acoustic beam formed by the filtering process by the second two-dimensional digital filter. It is formed in a common area with the beam. Therefore, even if only a wide acoustic beam can be formed only by the microphone row along one of the first and second directions, the common part of the characteristics in both directions becomes the final acoustic beam characteristics. A narrow beam width can be obtained.

さらに、従来技術のように一直線に沿ってマイクロホンを配置した場合と比較すると、本発明ではマイクロホンを同一平面上に２次元的に配列することによって幅狭の音響ビームを実現しているので、全体としてより小型で小さなアレーサイズの指向性アレーマイクロホンを実現することができる。   Furthermore, compared with the case where the microphones are arranged along a straight line as in the prior art, the present invention realizes a narrow acoustic beam by two-dimensionally arranging the microphones on the same plane. As a result, a directional array microphone having a smaller size and a smaller array size can be realized.

また、２次元周波数平面上の空間周波数軸に平行な断面における第１および第２の２次元ディジタルフィルタの通過域は、物理領域よりも非物理領域での振幅が大きくなるように形成されるので、物理領域のうち非物理領域に隣接した領域の通過域の振幅特性をより急峻にすることができる。したがって、より低音域まで高音域と同一の指向特性を実現することができる。   Further, the passbands of the first and second two-dimensional digital filters in the cross section parallel to the spatial frequency axis on the two-dimensional frequency plane are formed so that the amplitude in the non-physical region is larger than that in the physical region. The amplitude characteristics of the passband of the area adjacent to the non-physical area in the physical area can be made steeper. Therefore, it is possible to realize the same directivity characteristics as the high sound range up to the low sound range.

また本発明によれば、前記マイクロホンアレーを構成する各マイクロホンを保持する保持手段によって、第１の方向と第２の方向とが成す角度を変更することができる。前述のように、本発明による音響ビームは、第１の方向を中心方向とする音響ビームと第２の方向を中心方向とする音響ビームとの共通領域に形成される。したがって、第１の方向に沿った音響ビームの中心方向と第２の方向に沿った音響ビームの中心方向とのなす角度が小さいほど、両音響ビームの共通領域は広くなるので、より広いビーム幅が実現できる。逆に第１の方向に沿った音響ビームの中心方向と第２の方向に沿った音響ビームの中心方向とのなす角度が大きいほど、両音響ビームの共通領域は狭くなるので、より狭いビーム幅が実現できる。このように第１の方向と第２の方向とがなす角度を変更することによって、音響ビームの幅を変化させることができる。   Further, according to the present invention, the angle formed by the first direction and the second direction can be changed by the holding means for holding the microphones constituting the microphone array. As described above, the acoustic beam according to the present invention is formed in the common region of the acoustic beam having the first direction as the central direction and the acoustic beam having the second direction as the central direction. Therefore, the smaller the angle formed between the central direction of the acoustic beam along the first direction and the central direction of the acoustic beam along the second direction, the wider the common area of both acoustic beams, so a wider beam width. Can be realized. Conversely, the larger the angle formed between the central direction of the acoustic beam along the first direction and the central direction of the acoustic beam along the second direction, the narrower the common area of both acoustic beams, and thus a narrower beam width. Can be realized. Thus, the width of the acoustic beam can be changed by changing the angle formed by the first direction and the second direction.

また本発明によれば、指向性アレースピーカは、同一平面上で互いに交差する第１および第２の方向に沿って配列された複数のスピーカから成るスピーカアレーを有し、外部から入力された信号に対して、第１および第２の２次元ディジタルフィルタによるフィルタ処理が行われることによって、スピーカアレーから放射される音波に指向性が与えられる。   According to the invention, the directional array speaker has a speaker array including a plurality of speakers arranged along the first and second directions intersecting each other on the same plane, and a signal input from the outside. On the other hand, the directivity is given to the sound wave radiated from the speaker array by performing the filter processing by the first and second two-dimensional digital filters.

ここで、第１および第２の２次元ディジタルフィルタの、２次元周波数平面上の空間周波数軸に平行な断面における通過域は、一方の非物理領域から、物理領域のうち、その非物理領域に隣接する一部の領域にかけて形成される。したがって、前述した指向性アレーマイクロホンと同様に、指向性アレースピーカによって形成される音響ビームは、第１の２次元ディジタルフィルタによって形成される第１の方向に沿った中心軸を持つ音響ビームと、第２の２次元ディジタルフィルタによって形成される第２の方向に沿った中心軸を持つ音響ビームとの共通領域に形成されるので、小型で小さなアレーサイズであっても、より狭いビーム幅を実現することができる。   Here, the pass band in the cross section parallel to the spatial frequency axis on the two-dimensional frequency plane of the first and second two-dimensional digital filters is from one non-physical area to the non-physical area of the physical area. It is formed over a part of adjacent areas. Therefore, similar to the directional array microphone described above, the acoustic beam formed by the directional array speaker is an acoustic beam having a central axis along the first direction formed by the first two-dimensional digital filter; Since it is formed in the common area with the acoustic beam having the central axis along the second direction formed by the second two-dimensional digital filter, a narrow beam width is realized even with a small and small array size. can do.

また、前述した指向性アレーマイクロホンの場合と同様に、２次元周波数平面の空間周波数軸に平行な断面における第１および第２の２次元ディジタルフィルタの通過域は、物理領域よりも非物理領域での振幅が大きくなるように形成されるので、物理領域のうち非物理領域に隣接した領域の通過域の振幅特性が急峻になることによって、指向特性の広帯域化を図ることができる。   As in the case of the directional array microphone described above, the pass band of the first and second two-dimensional digital filters in the cross section parallel to the spatial frequency axis of the two-dimensional frequency plane is a non-physical region rather than a physical region. Since the amplitude characteristic of the passband of the physical area adjacent to the non-physical area becomes steep, the directional characteristic can be widened.

また本発明によれば、前記スピーカアレーを構成する各スピーカを保持する保持手段によって、第１の方向と第２の方向とが成す角度を変更することができるので、マイクロホンアレーの場合と同様に、音響ビームの幅を変化させることができる。   Further, according to the present invention, the angle formed between the first direction and the second direction can be changed by the holding means for holding the speakers constituting the speaker array, so that the same as in the case of the microphone array. The width of the acoustic beam can be changed.

図１は、本発明の実施の一形態である指向性アレーマイクロホン１の構成を示すブロック図である。指向性アレーマイクロホン１は、第１の方向であるｙ軸方向および第２の方向であるｘ軸方向の両方向に沿って配列される複数のマイクロホン１０から成るマイクロホンアレー２と、ｙ軸方向に沿ったマイクロホン列１１毎に設けられた第１の２次元ＦＩＲ（finite impulse response：有限応答長）フィルタ１２と、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３とを含む。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a directional array microphone 1 according to an embodiment of the present invention. The directional array microphone 1 includes a microphone array 2 composed of a plurality of microphones 10 arranged along both the y-axis direction as the first direction and the x-axis direction as the second direction, and the y-axis direction. The first two-dimensional FIR (finite impulse response) filter 12 provided for each microphone array 11 and the second two-dimensional FIR filter 13 are included.

図１において、マイクロホンアレー２には、第２の方向であるｘ軸方向に沿って、相互に一定の間隔ＤＡをあけてＮＡ＋１個（ＮＡは２以上の偶数）のマイクロホン１０が配置され、また第１の方向であるｙ軸方向に沿って、相互に一定の間隔ＤＢをあけてＮＢ＋１個（ＮＢは２以上の偶数）のマイクロホン１０が配置されて、全体で（ＮＡ＋１）×（ＮＢ＋１）個のマイクロホン１０が格子状に配置されている。図１では、ＮＡ＝ＮＢ＝２の最小構成の場合が図示されている。ここでマイクロホン列１１とは、第１の方向であるｙ軸方向に沿ったＮＢ＋１個（ＮＢは２以上の偶数）のマイクロホン１０の一群をいう。図１に示すマイクロホンアレー２には、ＮＡ＋１個のマイクロホン列１１が含まれることになる。 In Figure 1, the microphone array 2, along the x-axis direction as the second direction, the microphone 10 mutually spaced a fixed distance D A N A +1 pieces (N A is an even number of 2 or more) is N B +1 (N B is an even number of 2 or more) microphones 10 are arranged along the first direction along the y-axis direction and spaced apart by a certain distance D B. (N A +1) × (N B +1) microphones 10 are arranged in a grid pattern. In FIG. 1, the case of the minimum configuration of N A = N B = 2 is illustrated. Here, the microphone row 11 refers to a group of N B +1 (N B is an even number of 2 or more) microphones 10 along the y-axis direction that is the first direction. The microphone array 2 shown in FIG. 1 includes N A +1 microphone rows 11.

本実施の形態では、第１の方向であるｙ軸方向と第２の方向であるｘ軸方向は直交しており、マイクロホン１０はｘｙ平面上に配置されている。各マイクロホン１０は同一形状で、同一の全指向性の音響特性を有しているものとする。また、本実施の形態では、前記ＮＡおよびＮＢを２以上の偶数として、ｘ軸およびｙ軸方向に奇数個のマイクロホン１０が配列した場合を例示しているが、これに限らず、ＮＡおよびＮＢを３以上の奇数として、各方向に偶数個のマイクロホン１０を配列してもよい。この場合は、マイクロホンアレー２の対称軸上にはマイクロホン１０が配置されないことになる。さらに、ＮＡおよびＮＢのいずれか一方を２以上の偶数とし、他方を３以上の奇数にして、一方向に奇数個のマイクロホン１０を配列し、他の方向に偶数個のマイクロホン１０を配列してもよい。 In the present embodiment, the y-axis direction that is the first direction and the x-axis direction that is the second direction are orthogonal to each other, and the microphone 10 is disposed on the xy plane. Each microphone 10 has the same shape and the same omnidirectional acoustic characteristics. In the present embodiment, N A and N B are set to an even number of 2 or more, and an example is shown in which an odd number of microphones 10 are arranged in the x-axis and y-axis directions. as odd number greater than 3 a and N B, may be arranged an even number of microphone 10 in each direction. In this case, the microphone 10 is not disposed on the symmetry axis of the microphone array 2. Further, either one of N A and N B is set to an even number of 2 or more, the other is set to an odd number of 3 or more, an odd number of microphones 10 is arranged in one direction, and an even number of microphones 10 is arranged in the other direction. May be.

マイクロホンアレー２を構成する各マイクロホン１０に到達する音波１４は、平面波で近似できる。平面波である音波の進行方向は、波面に垂直な方向になる。ここで、図１に示すｘｙ平面内で、平面波の進行方向とｙ軸とのなす角度φを音波の入射角度とする。ｙ軸方向に沿ってｙ軸の正側から負側へ音波が入射する場合の入射角度をφ＝０°とし、ｘ軸の正方向側から音波が入射する場合の入射角度を正で表し、ｘ軸の負方向側から音波が入射する場合を負で表すものとする。本明細書において、マイクロホン１０への音波の入射角度を表すときは、図１と同様に表すものとする。   The sound wave 14 that reaches each microphone 10 constituting the microphone array 2 can be approximated by a plane wave. The traveling direction of a sound wave that is a plane wave is a direction perpendicular to the wavefront. Here, in the xy plane shown in FIG. 1, an angle φ formed by the traveling direction of the plane wave and the y-axis is defined as the incident angle of the sound wave. The incident angle when the sound wave enters along the y-axis direction from the positive side to the negative side of the y-axis is φ = 0 °, and the incident angle when the sound wave enters from the positive direction side of the x-axis is expressed as positive, A case where a sound wave is incident from the negative direction side of the x-axis is expressed as negative. In this specification, the incident angle of the sound wave to the microphone 10 is expressed in the same manner as in FIG.

第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２は、各マイクロホン列１１に対応してＮＡ＋１個設けられる。各第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２には、その第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２に対応するマイクロホン列１１を構成する複数のマイクロホン１０で受音された音響信号が、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）コンバータ（図示省略）でディジタル信号に変換されてから入力される。 N A +1 number of first two-dimensional FIR filters 12 are provided corresponding to each microphone row 11. Each first two-dimensional FIR filter 12 receives an A / D (analog / digital) acoustic signal received by a plurality of microphones 10 constituting a microphone array 11 corresponding to the first two-dimensional FIR filter 12. ) It is input after being converted into a digital signal by a converter (not shown).

第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３には、各第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２によってフィルタ処理された信号が入力される。そして第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３によってフィルタ処理されることによって、特定の方向から到来した音波１４による音響信号が得られる。ここで、本実施の形態ではディジタルフィルタとして、ＦＩＲフィルタを用いているが、ＩＩＲ（infinite impulse response：無限応答長）フィルタを使用してもよい。ＦＩＲフィルタおよびＩＩＲフィルタなどのディジタルフィルタにおける信号処理は、マイクロプロセッサによる演算として行われる。   A signal filtered by each first two-dimensional FIR filter 12 is input to the second two-dimensional FIR filter 13. Then, by performing the filtering process by the second two-dimensional FIR filter 13, an acoustic signal by the sound wave 14 coming from a specific direction is obtained. Here, although the FIR filter is used as the digital filter in the present embodiment, an IIR (infinite impulse response) filter may be used. Signal processing in digital filters such as FIR filters and IIR filters is performed as a calculation by a microprocessor.

第１および第２の２次元ＦＩＲフィルタ１２，１３は、それぞれ１次元ＦＩＲフィルタの並列和の構成とみなすことができる。図２は、図１に示す指向性アレーマイクロホン１において、第１および第２の２次元ＦＩＲフィルタ１２，１３として用いられる２次元ＦＩＲフィルタ２０の構成を示すブロック図である。   Each of the first and second two-dimensional FIR filters 12 and 13 can be regarded as a parallel sum configuration of one-dimensional FIR filters. FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a two-dimensional FIR filter 20 used as the first and second two-dimensional FIR filters 12 and 13 in the directional array microphone 1 shown in FIG.

２次元ＦＩＲフィルタ２０は、ＮＣ＋１個（ＮＣは２以上の偶数）の入力端子２１から入力されたディジタル信号にフィルタ処理を施すＮＣ＋１個の１次元ＦＩＲフィルタ２２と、各１次元ＦＩＲフィルタ２２からの出力を加算する加算器２３とを含む。 2-D FIR filter 20, N C +1 pieces (N C is an even number of at least two) and N C +1 or one-dimensional FIR filter 22 performing filter processing on the digital signal inputted from the input terminal 21 of each one-dimensional And an adder 23 for adding outputs from the FIR filter 22.

２次元ＦＩＲフィルタ２０が図１に示す第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２として用いられるときは、ＮＣ＝ＮＢであり、１次元ディジタルフィルタ２２の個数は、各マイクロホン列１１を構成するマイクロホン１０の個数であるＮＢ＋１個に等しい。各マイクロホン列１１を構成するマイクロホン１０からの出力は、各々のマイクロホン１０に対応する１次元ＦＩＲフィルタ２２に入力され、各１次元ＦＩＲフィルタ２２からの出力は加算器２３に入力されて、加算された結果が出力される。 When two-dimensional FIR filter 20 is used as the first two-dimensional FIR filter 12 shown in FIG. 1, a N C = N B, the number of one-dimensional digital filter 22, a microphone 10 constituting each microphone array 11 Is equal to N B +1. The outputs from the microphones 10 constituting each microphone array 11 are input to the one-dimensional FIR filters 22 corresponding to the respective microphones 10, and the outputs from the one-dimensional FIR filters 22 are input to the adder 23 and added. Results are output.

また２次元ＦＩＲフィルタ２０が図１に示す第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３として用いられるときは、ＮＣ＝ＮＡであり、１次元ディジタルフィルタ２２の個数は、各第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の個数であるＮＡ＋１個に等しい。各第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の出力は、対応する各１次元ＦＩＲフィルタ２２に入力端子２１を介して入力され、各１次元ＦＩＲフィルタ２２からの出力は加算器２３に入力されて、加算された結果が出力される。 Also when the two-dimensional FIR filter 20 is used as the second two-dimensional FIR filter 13 shown in FIG. 1, a N C = N A, the number of one-dimensional digital filter 22, the first two-dimensional FIR filter It is equal to 12 N A +1. The output of each first two-dimensional FIR filter 12 is input to each corresponding one-dimensional FIR filter 22 via an input terminal 21, and the output from each one-dimensional FIR filter 22 is input to an adder 23 for addition. Results are output.

以下、図１に示す指向性アレーマイクロホン１の構成および機能についてさらに詳細に説明する。先ず、指向性アレーマイクロホン１は、以下に示すように、マイクロホンが直線状に配列された直線型の指向性アレーマイクロホンが２段にカスケード接続された構成であるとみなすことができる。   Hereinafter, the configuration and function of the directional array microphone 1 shown in FIG. 1 will be described in more detail. First, as shown below, the directional array microphone 1 can be regarded as a configuration in which linear directional array microphones in which microphones are linearly arranged are cascade-connected in two stages.

図３および図４は、マイクロホン１０が直線状に配列された直線型の指向性アレーマイクロホン１５ａ，１５ｂ（以下、「直線型アレーマイクロホン」という）の構成を示すブロック図である。図３に示す直線型アレーマイクロホン１５ａは、間隔ＤＢをあけて直線に沿って配置されたＮＢ＋１個（ＮＢは２以上の偶数）のマイクロホン１０と、第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２とを含み、図４に示す直線型アレーマイクロホン１５ｂは、間隔ＤＡをあけて直線に沿って配置されたＮＡ＋１個（ＮＡは２以上の偶数）のマイクロホン１０と、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３とを含む。図３の直線型アレーマイクロホン１５ａと図４の直線型アレーマイクロホン１５ｂとでは、各マイクロホン１０の配列する方向が異なり、図３ではマイクロホン１０はｙ軸方向に配列され、図４では図３と直交するｘ軸方向にマイクロホン１０が配列されている。 3 and 4 are block diagrams showing the configuration of linear directional array microphones 15a and 15b (hereinafter referred to as “linear array microphones”) in which the microphones 10 are linearly arranged. A linear array microphone 15a shown in FIG. 3 includes N B +1 (N B is an even number of 2 or more) microphones 10 arranged along a straight line with a distance D B and a first two-dimensional FIR filter 12. wherein the door, linear array microphone 15b shown in FIG. 4, N a +1 pieces arranged along a straight line at an interval D a microphone 10 (N a is an even number of at least two), the second 2 Dimensional FIR filter 13. The linear array microphone 15a of FIG. 3 and the linear array microphone 15b of FIG. 4 have different arrangement directions of the microphones 10. In FIG. 3, the microphones 10 are arranged in the y-axis direction, and in FIG. 4, orthogonal to FIG. The microphones 10 are arranged in the x-axis direction.

図３において、ｘｙ平面の原点に配置されたマイクロホン１０の番号を０として、＋ｙ方向に向かって１，２，３，…と順に番号を付し、−ｙ方向に向かって−１，−２，−３，…と順に番号を付す。したがって、図３に示す直線型アレーマイクロホン１５ａでは、−ｙ方向から＋ｙ方向へ向かって−ＮＢ／２からＮＢ／２までの番号が付されることになる。また図４において、ｘｙ平面の原点に配置されたマイクロホン１０の番号０として、＋ｘ方向に向かって１，２，３，…と順に番号を付し、−ｘ方向に向かって−１，−２，−３，…と順に番号を付すものとする。したがって、図４に示す直線型アレーマイクロホン１５ｂでは、−ｘ方向から＋ｘ方向へ向かって−ＮＡ／２からＮＡ／２までの番号が付されることになる。 3, the numbers of the microphones 10 arranged at the origin of the xy plane are set to 0, numbers are assigned in the order of 1, 2, 3,... In the + y direction, and −1, −2 in the −y direction. , -3,... Therefore, in the linear array microphone 15a shown in FIG. 3, numbers from -N B / 2 to N B / 2 are assigned from the -y direction to the + y direction. In FIG. 4, as the number 0 of the microphone 10 arranged at the origin of the xy plane, numbers are assigned in the order of 1, 2, 3,... In the + x direction, and −1, −2 in the −x direction. , -3,... Therefore, in the linear array microphone 15b shown in FIG. 4, numbers from -N A / 2 to N A / 2 are assigned from the -x direction to the + x direction.

図３および図４と図１とを比較すると、図１に示す指向性アレーマイクロホン１は、図４に示す直線型アレーマイクロホン１５ｂのマイクロホン１０の代わりに、図３に示す直線型アレーマイクロホン１５ａが配置された構成となっている。各マイクロホン１０の位置関係は、図４に示す直線型アレーマイクロホン１５ｂを構成する各マイクロホン１０の位置に、図３に示す直線型アレーマイクロホン１５ａで原点の第０番のマイクロホン１０が位置するように配置される。   Comparing FIG. 3 and FIG. 4 with FIG. 1, the directional array microphone 1 shown in FIG. 1 has a linear array microphone 15a shown in FIG. 3 instead of the microphone 10 of the linear array microphone 15b shown in FIG. It is an arranged configuration. The positional relationship between the microphones 10 is such that the zeroth microphone 10 at the origin of the linear array microphone 15a shown in FIG. 3 is located at the position of each microphone 10 constituting the linear array microphone 15b shown in FIG. Be placed.

このように、図１に示す指向性アレーマイクロホン１は、直線型アレーマイクロホン１５ａ，１５ｂが２段のカスケードに接続された構成をしているので、指向性アレーマイクロホン１の特性は直線型アレーマイクロホン１５ａ，１５ｂの特性に基づいて説明することができる。そこで以下では、先ず直線型アレーマイクロホン１５ａ，１５ｂの指向特性について説明する。   As described above, the directional array microphone 1 shown in FIG. 1 has a configuration in which the linear array microphones 15a and 15b are connected in a cascade of two stages. Therefore, the characteristic of the directional array microphone 1 is a linear array microphone. This can be explained based on the characteristics of 15a and 15b. Therefore, hereinafter, directivity characteristics of the linear array microphones 15a and 15b will be described first.

図５は、直線に沿って互いに等間隔に配列されたマイクロホンから成るマイクロホンアレーによる音波の受音の様子を示すための説明図である。本発明の２次元配列のマイクロホンアレー２と区別するために、図５に示す直線配列のマイクロホンアレーをマイクロホン列１６ということにする。図５では、ｘｙ平面でｘ軸上にＮ個（Ｎは自然数）の全指向性のマイクロホン１０＿ｎ（ｎは０〜Ｎ−１の整数）が、互いに間隔ｄをあけて配置されている。ここで、ｘｙ平面の原点に配置されるマイクロホンの参照符号を１０＿０で表し、原点から＋ｘ方向へｄ離れた位置に配置されるマイクロホンの参照符号を１０＿１で表し、同様に原点から＋ｘ方向へｎ×ｄの距離だけ離れた位置に配置されるマイクロホンの参照符号を１０＿ｎで表すものとする。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state of sound wave reception by a microphone array composed of microphones arranged at equal intervals along a straight line. In order to distinguish from the two-dimensional microphone array 2 of the present invention, the linear microphone array shown in FIG. In FIG. 5, N (N is a natural number) omnidirectional microphones 10_n (n is an integer of 0 to N-1) are arranged at an interval d from each other on the x axis in the xy plane. Here, the reference symbol of the microphone disposed at the origin of the xy plane is represented by 10_0, the reference symbol of the microphone disposed at a position d away from the origin in the + x direction is represented by 10_1, and similarly, the reference symbol of n from the origin to the + x direction is represented by n. A reference sign of a microphone arranged at a position separated by a distance of xd is represented by 10_n.

図５において、平面波として近似される音速ｃの音波１４がマイクロホン列１６に入射する角度をφとすると、あるマイクロホン１０＿ｎに到来した音波は、さらにｄ・ｓｉｎφだけ進むと、−ｘ方向に間隔ｄをあけて配置されるマイクロホン１０＿ｎ−１に到達する。時間に直すと、−ｘ方向に間隔ｄをあけて配置されるマイクロホン１０＿ｎ−１には、ｄ・（ｓｉｎφ）／ｃの時間だけ遅れて音波１４が到達することになる。   In FIG. 5, if the angle at which the sound wave 14 having the speed of sound c approximated as a plane wave is incident on the microphone row 16 is φ, the sound wave that has arrived at a certain microphone 10 — n further advances by d · sin φ and is spaced by a distance d in the −x direction. To the microphone 10_n-1 arranged with a gap. In terms of time, the sound wave 14 arrives at the microphone 10_n−1 arranged with an interval d in the −x direction with a delay of d · (sin φ) / c.

図６は、図５に示すマイクロホン列１６において、各マイクロホン１０＿ｎで観測される音響信号の時間変化を表す図である。図６では、横軸は時刻ｔを表し、縦軸は各マイクロホンの位置を、図５と同様にｘ軸の原点からの距離で表している。そして原点からの距離がｎｄ（ｎは０〜Ｎ−１の整数）の位置に配置されるマイクロホン１０＿ｎの音響特性は、ｘ＝ｎｄの直線上の点が各時刻ｔにおける原点とし、＋ｘ方向を正として表示されている。前述のとおり、ｘ＝ｎｄの位置にあるマイクロホン１０＿ｎの音響特性よりも、ｘ＝（ｎ＋１）ｄの位置にあるマイクロホン１０＿ｎ＋１の音響特性は、時間ｄ・（ｓｉｎφ）／ｃだけ進み、ｘ＝（ｎ−１）ｄの位置にあるマイクロホン１０＿ｎ−１の音響特性は、時間ｄ・（ｓｉｎφ）／ｃだけ遅れるので、マイクロホン列１６全体で観測される音響信号を図６に示すようなｘ−ｔ平面での２次元音響信号ｅｎ（ｔ）として表示すると、観測される２次元音響信号ｅｎ（ｔ）の傾きは−ｃ／ｓｉｎφになる。 FIG. 6 is a diagram illustrating a time change of an acoustic signal observed by each microphone 10_n in the microphone row 16 illustrated in FIG. In FIG. 6, the horizontal axis represents time t, and the vertical axis represents the position of each microphone as a distance from the origin of the x-axis as in FIG. 5. The acoustic characteristics of the microphone 10_n arranged at a position where the distance from the origin is nd (n is an integer of 0 to N-1) are the points on the straight line x = nd as the origin at each time t, and the + x direction is Displayed as positive. As described above, the acoustic characteristic of the microphone 10_n + 1 located at the position x = (n + 1) d is advanced by the time d · (sinφ) / c, compared with the acoustic characteristic of the microphone 10_n located at the position x = nd. n-1) Since the acoustic characteristic of the microphone 10_n-1 at the position d is delayed by the time d · (sin φ) / c, the acoustic signal observed in the entire microphone array 16 is represented by xt as shown in FIG. When displayed as a two-dimensional acoustic signal e n (t) in a plane, the inclination of the two-dimensional acoustic signal e n observed (t) becomes -c / sin [phi.

図７は、図６に示す２次元音響信号ｅｎ（ｔ）に対して、時刻ｔおよびマイクロホンの位置座標ｘについて２次元フーリエ変換を施した音響信号のスペクトルを２次元周波数平面で表示した図である。図７で横軸は時間周波数ｆ１を表し、縦軸は空間周波数ｆ２を表す。 7 was displayed for two-dimensional acoustic signal e n (t) shown in FIG. 6, the time t and the position coordinates x microphone spectrum of the acoustic signal subjected to two-dimensional Fourier transform by two-dimensional frequency plane Figure It is. The horizontal axis in FIG. 7 represents time frequency f 1, the vertical axis represents the spatial frequency f 2.

ここで、非特許文献１に記載されるように、音響信号のスペクトルは、２次元周波数平面の原点を通る傾き（ｓｉｎφ）／ｃの直線３０となり、図６に示すｘ−ｔ平面での２次元音響信号ｅｎ（ｔ）の傾き−ｃ／ｓｉｎφと直交する関係にある。したがって、非特許文献１に記載されるように時間周波数ｆ１と空間周波数ｆ２との関係について次式１が成立する。 Here, as described in Non-Patent Document 1, the spectrum of the acoustic signal becomes a straight line 30 with an inclination (sin φ) / c passing through the origin of the two-dimensional frequency plane, and 2 on the xt plane shown in FIG. a relationship that is perpendicular to the slope -c / sin [phi of dimensional acoustic signal e n (t). Therefore, as described in Non-Patent Document 1, the following expression 1 is established for the relationship between the time frequency f 1 and the spatial frequency f 2 .

Figure 2008048294
Figure 2008048294

式１において、φ＝９０°のときはｆ２＝ｆ１／ｃが成立するので、図７では傾き１／ｃの直線３１として表される。このとき、図５では音波１４は＋ｘ方向から到来することになり、マイクロホンの配列方向と音波の進行方向が一致する。また式１において、φ＝−９０°のときはｆ２＝−ｆ１／ｃが成立するので、図７では傾き−１／ｃの直線３２として表される。このとき、図５では音波１４は−ｘ方向から到来することになり、φ＝９０°の場合と反対方向になる。 In Equation 1, when φ = 90 °, f 2 = f 1 / c is established, and therefore, it is represented as a straight line 31 having an inclination of 1 / c in FIG. At this time, in FIG. 5, the sound wave 14 comes from the + x direction, and the arrangement direction of the microphones coincides with the traveling direction of the sound wave. Further, in Equation 1, when φ = −90 °, f 2 = −f 1 / c is established, and therefore, it is represented as a straight line 32 having an inclination of −1 / c in FIG. At this time, in FIG. 5, the sound wave 14 comes from the −x direction, and is in the opposite direction to the case of φ = 90 °.

図７においてｆ２とｆ１との比の値ｆ２／ｆ１の絶対値が音速ｃの逆数を超える領域は、音響信号のスペクトルが物理的に存在し得ない非物理領域である。したがって、ｆ２／ｆ１の絶対値が音速ｃ以下の領域に音響信号のスペクトルが存在することになる。また、空間エイリアシングが起きないように、空間周波数ｆ２の絶対値について｜ｆ２｜≦１／（２ｄ）が守られる必要があり、時間周波数ｆ１の絶対値についても同様にサンプリング周期Ｔとすると、｜ｆ１｜≦１／（２Ｔ）が守られなければならない。 Region where the absolute value of the value f 2 / f 1 of the ratio of the f 2 and f 1 in FIG. 7 is greater than the reciprocal of the speed of sound c is a non-physical area where the spectrum of the acoustic signal can not physically present. Therefore, the spectrum of the acoustic signal exists in a region where the absolute value of f 2 / f 1 is equal to or lower than the sound speed c. In order to prevent spatial aliasing, the absolute value of the spatial frequency f 2 needs to be | f 2 | ≦ 1 / (2d), and the absolute value of the temporal frequency f 1 is similarly set to the sampling period T and Then, | f 1 | ≦ 1 / (2T) must be observed.

ここで、時間周波数ｆ１をサンプリング周期Ｔの逆数１／Ｔによって規格化し、空間周波数ｆ２をマイクロホン間の距離ｄの逆数１／ｄで規格化し、規格化されたＴ×ｆ１を単にｆ１と表し、規格化されたｄ×ｆ２を単にｆ２と表せば、式１は次式２および３のように表現される。 Here, the time frequency f 1 is normalized by the reciprocal 1 / T of the sampling period T, the spatial frequency f 2 is normalized by the reciprocal 1 / d of the distance d between the microphones, and the normalized T × f 1 is simply f If 1 is expressed as 1 and the normalized d × f 2 is simply expressed as f 2 , Expression 1 is expressed as Expressions 2 and 3 below.

Figure 2008048294
Figure 2008048294

以下、本明細書では、特に断らない限り、時間周波数ｆ１および空間周波数ｆ２は規格化された値を意味するものとして用いる。したがって、時間および空間のエイリアシングが生じないようにするための条件は、｜ｆ１｜≦０．５かつ｜ｆ２｜≦０．５になる。また式２から、非物理領域は、ｆ２とｆ１との比の値の絶対値について、｜ｆ２／ｆ１｜＞ρが成立する領域になる。 Hereinafter, unless otherwise specified, in this specification, the temporal frequency f 1 and the spatial frequency f 2 are used as meaning standardized values. Therefore, the conditions for preventing the occurrence of time and space aliasing are | f 1 | ≦ 0.5 and | f 2 | ≦ 0.5. Also, from Equation 2, the non-physical region is a region where | f 2 / f 1 |> ρ holds for the absolute value of the ratio value of f 2 and f 1 .

このように、入射角φで到来する音波１４をマイクロホン列１６で受音したときの２次元音響信号ｅｎ（ｔ）の周波数スペクトルは、２次元周波数平面で原点を通る傾きρ・ｓｉｎφの直線で表されるので、入射角φがある範囲にわたる２次元音響信号ｅｎ（ｔ）の場合には、２次元周波数平面での周波数スペクトルは、原点を通るある傾きの範囲の直線で表されることになる。したがって、２次元周波数平面での通過域の形状が扇形をしたファンフィルタを用いることによって、特定の方向の到来波のみ受音するような指向特性をマイクロホン列１６に持たせることができる。ここで、ファンフィルタによって取り出された特定方向の音波のことを音響ビームという。音響ビームを単にビームと記載する場合がある。 Thus, the frequency spectrum of the 2-dimensional acoustic signal e n (t) when the sound receiving sound waves 14 arriving at an incident angle φ in the microphone array 16 may slope [rho · sin [phi passing through the origin in a two-dimensional frequency plane linear in so represented, in the case of 2-dimensional acoustic signal over a range of incident angle φ e n (t) is the frequency spectrum of the 2-dimensional frequency plane, is represented by a straight line in the range of inclination in through the origin It will be. Therefore, by using a fan filter in which the shape of the passband on the two-dimensional frequency plane is a fan shape, the microphone array 16 can have directivity characteristics that only receive incoming waves in a specific direction. Here, sound waves in a specific direction extracted by the fan filter are referred to as acoustic beams. An acoustic beam may be simply referred to as a beam.

図８は、２次元周波数平面での、２次元音響信号のスペクトルとファンフィルタの特性との関係を説明するための図である。図８で横軸は時間周波数ｆ１を表し、縦軸は空間周波数ｆ２を表す。 FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the spectrum of the two-dimensional acoustic signal and the characteristics of the fan filter in the two-dimensional frequency plane. The horizontal axis in FIG. 8 represents time frequency f 1, the vertical axis represents the spatial frequency f 2.

前述のとおり、図８に示す２次元周波数平面で、非物理領域３３は、φ＝９０°の直線とφ＝−９０°の直線を境界としてｆ２とｆ１との比の値の絶対値｜ｆ２／ｆ１｜がρより大きい側であり、音響信号のスペクトルが存在し得ない領域である。また、２次元周波数平面で非物理領域３３を除く領域を物理領域という。一方、本実施の形態でのファンフィルタの通過域３４は、空間周波数ｆ２に平行な断面で、物理領域から非物理領域にかけて単峰型の通過域として設定される。図８では物理領域内のφ＝φｓの直線とφ＝−９０°の直線とに挟まれた領域に阻止域３５が設定され、その阻止域３５を除く領域に通過域３４が設定される。ただし、図８では物理領域での通過域３４、阻止域３５のみ表示している。また通過域３４は、その振幅が物理領域よりも非物理領域３３のほうが大きくなるように設定される。したがって、２次元音響信号の周波数スペクトルが存在する物理領域ではφ＝９０°の直線が最大振幅となるので、音響ビームの中心方向は、マイクロホンの配列方向であるφ＝９０°の方向になり、単一指向特性が実現できる。さらに、通過域３４において阻止域３５との境界線φ＝φｓに至る過渡的な部分での振幅の変化を急峻にすることができるので、空間周波数軸に平行な断面での通過域の幅が狭くなる低音域においても、高音域と同一の指向特性を持った直線型アレーマイクロホンを実現することができる。 As described above, in the two-dimensional frequency plane shown in FIG. 8, the non-physical region 33 has an absolute value of a ratio value of f 2 and f 1 with a straight line φ = 90 ° and a straight line φ = −90 ° as a boundary. This is a region where | f 2 / f 1 | is larger than ρ and the spectrum of the acoustic signal cannot exist. An area excluding the non-physical area 33 on the two-dimensional frequency plane is referred to as a physical area. On the other hand, the pass band 34 of the fan filter in the present embodiment has a cross section parallel to the spatial frequency f 2 and is set as a single-peak pass band from the physical region to the non-physical region. In FIG. 8, a stop zone 35 is set in a region sandwiched between a straight line φ = φ s and a straight line φ = −90 ° in the physical region, and a pass band 34 is set in a region excluding the stop zone 35. . However, in FIG. 8, only the pass band 34 and the blocking area 35 in the physical area are shown. The pass band 34 is set so that the amplitude of the non-physical area 33 is larger than that of the physical area. Therefore, in the physical region where the frequency spectrum of the two-dimensional acoustic signal exists, a straight line of φ = 90 ° has the maximum amplitude, so the central direction of the acoustic beam is the direction of φ = 90 °, which is the microphone arrangement direction, Unidirectional characteristics can be realized. Furthermore, it is possible to sharpen the change in amplitude in the transient portion leading to boundaries phi = phi s the stopband 35 in the pass band 34, the passband in a cross section parallel to the spatial frequency axis width A linear array microphone having the same directivity characteristics as the high sound range can be realized even in a low sound range where the noise becomes narrow.

次に、図１に示す指向性アレーマイクロホン１のように、直線型アレーマイクロホン１５ａ，ｂを２段のカスケード接続した場合の指向特性について、図１、図３および図４を参照して説明する。   Next, the directivity characteristics when the linear array microphones 15a and 15b are cascade-connected as in the directional array microphone 1 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. .

図４に示す１段構成の直線型アレーマイクロホン１５ｂにおいて、各マイクロホンの周波数特性ＨｍＡ（ｆ１，ｆ２）を一定感度かつ全指向性、すなわちＨｍＡ（ｆ１，ｆ２）＝１とし、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の特性をＨＡ（ｆ１，ｆ２）とすると、図４に示す直線型アレーマイクロホン１５ｂの周波数特性ＨｔＡ（ｆ１，ｆ２）は次式４で表される。 In the one-stage linear array microphone 15b shown in FIG. 4, the frequency characteristic H mA (f 1 , f 2 ) of each microphone is constant sensitivity and omnidirectional, that is, H mA (f 1 , f 2 ) = 1. When the characteristic of the second two-dimensional FIR filter 13 is H A (f 1 , f 2 ), the frequency characteristic H tA (f 1 , f 2 ) of the linear array microphone 15b shown in FIG. expressed.

Figure 2008048294
Figure 2008048294

図３に示す１段構成の直線型アレーマイクロホン１５ａの周波数特性ＨｔＢ（ｆ１，ｆ２）も、図４に示す直線型アレーマイクロホン１５ｂの場合と同様に、各マイクロホンの周波数特性ＨｍＢ（ｆ１，ｆ２）を一定感度かつ全指向性、すなわちＨｍＢ（ｆ１，ｆ２）＝１とし、第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の周波数特性をＨＢ（ｆ１，ｆ２）とすると、次式５で表される。 Frequency characteristic H tB of linear array microphone 15a of the one-stage configuration illustrated in FIG. 3 (f 1, f 2), as in the case of linear array microphone 15b shown in FIG. 4, for each microphone frequency response H mB ( f 1 , f 2 ) is constant sensitivity and omnidirectional, that is, H mB (f 1 , f 2 ) = 1, and the frequency characteristic of the first two-dimensional FIR filter 12 is H B (f 1 , f 2 ). Then, it is expressed by the following formula 5.

Figure 2008048294
Figure 2008048294

前述のように、図１に示す全２段の指向性アレーマイクロホン１は、図４に示す１段構成の直線型アレーマイクロホン１５ｂの各マイクロホン１０の代わりに、図３に示す１段構成の直線型アレーマイクロホン１５ａを置いた構成となっているので、図１に示す全２段の指向性アレーマイクロホン１の周波数特性Ｈｔ（ｆ１，ｆ２）は、各１段構成の直線型アレーマイクロホン１５ａ，１５ｂの周波数特性であるＨｔＢ（ｆ１，ｆ２）とＨｔＡ（ｆ１，ｆ２）との積で表され、次式６で与えられる。 As described above, the two-stage directional array microphone 1 shown in FIG. 1 is a single-stage straight line shown in FIG. 3, instead of the microphones 10 of the single-stage linear array microphone 15b shown in FIG. Since the type array microphone 15a is placed, the frequency characteristics H t (f 1 , f 2 ) of the two-stage directional array microphone 1 shown in FIG. 1 are linear array microphones each having a single stage configuration. This is expressed by the product of H tB (f 1 , f 2 ) and H tA (f 1 , f 2 ), which is the frequency characteristic of 15a and 15b, and is given by the following equation (6).

Figure 2008048294
Figure 2008048294

結果として、図１に示す指向性アレーマイクロホン１の周波数特性Ｈｔ（ｆ１，ｆ２）は、第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の周波数特性ＨＢ（ｆ１，ｆ２）と、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の特性ＨＡ（ｆ１，ｆ２）との積で表される。したがって、２次元周波数平面上で、２段構成の指向性アレーマイクロホン１の通過域は、第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の通過域と第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３との通過域の共通部分で表されることになり、１段構成の直線型アレーマイクロホン１５ａ，１５ｂに比べてより狭いビーム幅を持つ指向特性を実現することができる。以下、図１，図３，図４，図９〜図１２を参照して、具体的に２次元周波数平面上での指向性アレーマイクロホン１の振幅特性について説明する。 As a result, the frequency characteristic H t (f 1 , f 2 ) of the directional array microphone 1 shown in FIG. 1 is equal to the frequency characteristic H B (f 1 , f 2 ) of the first two-dimensional FIR filter 12 and the second characteristic. This is expressed by a product with the characteristic HA (f 1 , f 2 ) of the two-dimensional FIR filter 13. Therefore, on the two-dimensional frequency plane, the pass band of the two-stage directional array microphone 1 is the common part of the pass band of the first two-dimensional FIR filter 12 and the second two-dimensional FIR filter 13. Therefore, it is possible to realize a directional characteristic having a narrower beam width than the linear array microphones 15a and 15b having a single stage configuration. The amplitude characteristics of the directional array microphone 1 on the two-dimensional frequency plane will be specifically described below with reference to FIGS. 1, 3, 4, and 9 to 12. FIG.

図９は、図３に示す直線型アレーマイクロホン１５ａにおける第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の周波数特性ＨＢ（ｆ１，ｆ３）の振幅特性を、２次元周波数平面上で表した図である。図９で横軸は時間周波数ｆ１を表し、縦軸はｙ軸に対する空間周波数ｆ３を表す。ここで、図３では、マイクロホン１０の配列方向がｙ軸方向であるので、空間周波数はｙ軸に対する空間周波数ｆ３となっている。 FIG. 9 is a diagram showing the amplitude characteristic of the frequency characteristic H B (f 1 , f 3 ) of the first two-dimensional FIR filter 12 in the linear array microphone 15a shown in FIG. 3 on a two-dimensional frequency plane. . The horizontal axis in FIG. 9 represents time frequency f 1, the vertical axis represents the spatial frequency f 3 with respect to the y-axis. Here, in FIG. 3, since the arrangement direction of the microphones 10 is the y-axis direction, the spatial frequency is the spatial frequency f 3 with respect to the y-axis.

図８において説明したように、本実施の形態では、ファンフィルタの通過域を物理領域の一部の領域から非物理領域３３にわたる領域に設定し、かつ非物理領域３３における通過域の振幅が物理領域における通過域の振幅よりも大きくなるように設定している。したがって、物理領域で最大振幅が得られるマイクロホン１０の配列方向であるφ＝０°の方向がビーム中心方向になる。図９において、物理領域における通過域３６ｂは、φ＝０°の直線とφ＝９０°−φｓの直線とによって挟まれる領域に設定されている。図解を容易にするために、非物理領域におけるファンフィルタの通過域は表示していない。後述するように、最終的な２段構成の指向性アレーマイクロホン１におけるビーム中心方向はφ＝４５°の方向になるので、図９においてφ＝４５°の直線上での通過域３６ｂの振幅を１に設定する。 As described with reference to FIG. 8, in the present embodiment, the pass band of the fan filter is set to an area extending from a partial area of the physical area to the non-physical area 33, and the amplitude of the pass band in the non-physical area 33 is physically It is set to be larger than the amplitude of the passband in the area. Therefore, the direction of φ = 0 °, which is the arrangement direction of the microphones 10 that provides the maximum amplitude in the physical region, is the beam center direction. 9, the passband 36b in the physical region is set to a region sandwiched by the straight line and φ = 90 ° -φ s of φ = 0 °. For ease of illustration, the passband of the fan filter in the non-physical region is not shown. As will be described later, since the beam center direction in the final two-stage directional array microphone 1 is φ = 45 °, the amplitude of the passband 36b on the straight line φ = 45 ° in FIG. Set to 1.

図１０は、図４に示す直線型アレーマイクロホン１５ｂにおける第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の周波数特性ＨＡ（ｆ１，ｆ２）の振幅特性を、２次元周波数平面上で表した図である。図１０で横軸は時間周波数ｆ１を表し、縦軸はｘ軸に対する空間周波数ｆ２を表す。図４では、マイクロホン１０の配列方向がｘ軸方向であるので、空間周波数はｘ軸に対する空間周波数ｆ２となっている。 FIG. 10 is a diagram showing the amplitude characteristics of the frequency characteristics H A (f 1 , f 2 ) of the second two-dimensional FIR filter 13 in the linear array microphone 15b shown in FIG. 4 on a two-dimensional frequency plane. . The horizontal axis in FIG. 10 represents time frequency f 1, the vertical axis represents the spatial frequency f 2 with respect to x-axis. In FIG. 4, since the arrangement direction of the microphones 10 is the x-axis direction, the spatial frequency is the spatial frequency f 2 with respect to the x-axis.

図９の場合と同様に、物理領域で最大振幅が得られるマイクロホン１０の配列方向であるφ＝９０°の方向がビーム中心方向になる。したがって、物理領域における通過域３６ａは、φ＝９０°の直線とφ＝φｓの直線とによって挟まれる領域に設定される。図解を容易にするために、非物理領域におけるファンフィルタの通過域は表示していない。後述するように、最終的な２段構成の指向性アレーマイクロホン１におけるビーム中心方向はφ＝４５°の方向になるので、図１０においてφ＝４５°の直線上での通過域３６ａの振幅を１に設定する。 As in the case of FIG. 9, the direction of φ = 90 °, which is the arrangement direction of the microphones 10 that provides the maximum amplitude in the physical region, is the beam center direction. Therefore, passband 36a in the physical region is set in an area sandwiched between straight line and phi = phi s of φ = 90 °. For ease of illustration, the passband of the fan filter in the non-physical region is not shown. As will be described later, since the beam center direction in the final two-stage directional array microphone 1 is φ = 45 °, the amplitude of the passband 36a on the straight line φ = 45 ° in FIG. Set to 1.

図１１は、図９に示す第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の周波数特性ＨＢ（ｆ１，ｆ３）を、ｘ軸に対する空間周波数ｆ２についての周波数特性ＨＢ（ｆ１，ｆ２）に変換して、その振幅特性を表した図である。図１１で横軸は時間周波数ｆ１を表し、縦軸はｘ軸に対する空間周波数ｆ２を表す。 FIG. 11 shows the frequency characteristic H B (f 1 , f 3 ) of the first two-dimensional FIR filter 12 shown in FIG. 9 and the frequency characteristic H B (f 1 , f 2 ) for the spatial frequency f 2 with respect to the x axis. It is the figure which converted into, and represented the amplitude characteristic. The horizontal axis in FIG. 11 represents time frequency f 1, the vertical axis represents the spatial frequency f 2 with respect to x-axis.

前述のとおり、指向性アレーマイクロホン１の周波数特性Ｈｔ（ｆ１，ｆ２）は、第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の周波数特性ＨＢ（ｆ１，ｆ２）と、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の周波数特性ＨＡ（ｆ１，ｆ２）との積である合成特性によって表される。しかしながら、図９に示す第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の周波数特性ＨＢ（ｆ１，ｆ３）は、ｙ軸に対する空間周波数ｆ３と時間周波数ｆ１による表現（ｆ３＝ρ（ｃｏｓφ）ｆ１）であるので、合成特性を求めるために、次式によって、図１０に示す第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の周波数特性ＨＡ（ｆ１，ｆ２）と同様の、ｘ軸に対する空間周波数ｆ２と時間周波数ｆ１による表現（ｆ２＝ρ（ｓｉｎφ）ｆ１）に変換する。 As described above, the frequency characteristic H t (f 1 , f 2 ) of the directional array microphone 1 is equal to the frequency characteristic H B (f 1 , f 2 ) of the first two-dimensional FIR filter 12 and the second two-dimensional. It is represented by a composite characteristic that is a product of the frequency characteristic H A (f 1 , f 2 ) of the FIR filter 13. However, the frequency characteristic H B (f 1 , f 3 ) of the first two-dimensional FIR filter 12 shown in FIG. 9 is expressed by the spatial frequency f 3 and the time frequency f 1 with respect to the y-axis (f 3 = ρ (cos φ)). f 1 ), in order to obtain the synthesis characteristics, the following equation gives the same space for the x-axis as the frequency characteristics H A (f 1 , f 2 ) of the second two-dimensional FIR filter 13 shown in FIG. The expression is converted into an expression (f 2 = ρ (sinφ) f 1 ) by the frequency f 2 and the time frequency f 1 .

Figure 2008048294
Figure 2008048294

図１１に示すように、第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の振幅特性の通過域３６ｃは、φ＝φｓ−９０°の直線とφ＝９０°−φｓの直線に挟まれた領域になり、ビームの中心はφ＝０°の方向と一致する。振幅＝１となるのは、φ＝±４５°の直線上においてである。 As shown in FIG. 11, the pass band 36c of the amplitude characteristic of the first two-dimensional FIR filter 12 is an area sandwiched between a straight line φ = φ s −90 ° and a straight line φ = 90 ° −φ s. The center of the beam coincides with the direction of φ = 0 °. The amplitude = 1 is on a straight line of φ = ± 45 °.

図１２は、図１０に示す第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の周波数特性ＨＡ（ｆ１，ｆ２）と、図１１に示す第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の周波数特性ＨＢ（ｆ１，ｆ２）との積である、指向性アレーマイクロホン１の周波数特性Ｈｔ（ｆ１，ｆ２）について、その振幅特性を表した図である。 12 shows the frequency characteristic H A (f 1 , f 2 ) of the second two-dimensional FIR filter 13 shown in FIG. 10 and the frequency characteristic H B (f 1 of the first two-dimensional FIR filter 12 shown in FIG. , F 2 ) is a diagram representing the amplitude characteristic of the frequency characteristic H t (f 1 , f 2 ) of the directional array microphone 1, which is a product of the directional array microphone 1.

図１２に示すように、指向性アレーマイクロホン１の通過域３６ｄは、図１０に示す第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の通過域３６ａと、図１１に示す第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の通過域３６ｃとの共通部分となっており、φ＝φｓの直線とφ＝９０°−φｓの直線とによって挟まれた領域に一致する。また指向性アレーマイクロホン１による音響ビームの中心方向は、図１０に示す第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３によるビームの中心方向のφ＝９０°と、図１１に示す第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２によるビームの中心方向であるφ＝０°との中央値であるφ＝４５°となる。 As shown in FIG. 12, the pass band 36d of the directional array microphone 1 includes the pass band 36a of the second two-dimensional FIR filter 13 shown in FIG. 10 and the pass band of the first two-dimensional FIR filter 12 shown in FIG. It has become a common part of the frequency band 36c, matching the region sandwiched between straight line and φ = 90 ° -φ s of phi = phi s. Further, the central direction of the acoustic beam by the directional array microphone 1 is φ = 90 ° in the central direction of the beam by the second two-dimensional FIR filter 13 shown in FIG. 10, and the first two-dimensional FIR filter 12 shown in FIG. The central value of φ = 0 °, which is the center direction of the beam, is φ = 45 °.

次に、以上のような指向特性を持つ第１および第２の２次元ＦＩＲフィルタ１２，１３を具体的に設計する手順について説明する。   Next, a procedure for specifically designing the first and second two-dimensional FIR filters 12 and 13 having the above directivity will be described.

非特許文献３，５に記載されるように、先ず、図８および図９に示したような振幅特性を目標振幅特性Ｈｄ（ｆ１，ｆ２）として与える。ここで、目標振幅特性Ｈｄ（ｆ１，ｆ２）はｆ１＝［−０．５，０．５］，ｆ２＝［−０．５，０．５］を基本周期とする周期特性である。目標振幅特性Ｈｄ（ｆ１，ｆ２）が与えられると、２次元離散フーリエ逆変換によって、時間の次数Ｎ１および空間の次数Ｎ２（ただし、Ｎ１，Ｎ２は正の偶数である）の２次元ＦＩＲフィルタのフィルタ係数ｈ（ｎ１，ｎ２）を次式８に従って求めることができる。ただし、ｎ１，ｎ２は離散化された時間と空間の変数を表し、ｎ１は０〜Ｎ１の整数であり、ｎ２は−Ｎ２／２〜Ｎ２／２の整数である。また式８において、Ｍ１，Ｍ２は２次元離散フーリエ逆変換を高速フーリエ変換によって実行するために、Ｎ１，Ｎ２の１０倍程度で２のべき乗の整数に選ばれる。また、ｋ１，ｋ２はそれぞれ離散化された時間周波数と空間周波数の変数を表し、ｋ１は−Ｍ１／２〜Ｍ１／２−１の整数であり、ｋ２は−Ｍ２／２〜Ｍ２／２−１の整数である。 As described in Non-Patent Documents 3 and 5, first, amplitude characteristics as shown in FIGS. 8 and 9 are given as target amplitude characteristics H d (f 1 , f 2 ). Here, the target amplitude characteristic H d (f 1 , f 2 ) is a periodic characteristic whose basic period is f 1 = [− 0.5, 0.5] and f 2 = [− 0.5, 0.5]. It is. When the target amplitude characteristic H d (f 1 , f 2 ) is given, the time order N 1 and the space order N 2 (where N 1 and N 2 are positive even numbers) by two-dimensional inverse discrete Fourier transform. The filter coefficient h (n 1 , n 2 ) of the two-dimensional FIR filter of FIG. However, n 1, n 2 represents the variable of the discrete time and space, n 1 is an integer of 0 to N 1, n 2 is an integer of -N 2 / 2~N 2/2. In Equation 8, M 1 and M 2 are selected to be integers of powers of 2 that are about 10 times N 1 and N 2 in order to perform two-dimensional discrete Fourier inverse transform by fast Fourier transform. Also, k 1, k 2 represents the variable of each discrete time frequency and a spatial frequency, k 1 is an integer of -M 1 / 2~M 1 / 2-1, k 2 is -M 2 / It is an integer of 2 to M 2 / 2-1.

Figure 2008048294
Figure 2008048294

非特許文献５に記載されるように、目標振幅特性Ｈｄ（ｆ１，ｆ２）（ただし、ｆ１＝ｋ１／Ｍ１，ｆ２＝ｋ２／Ｍ２）は、チェビシェフ多項式を用いて設計する。なお、ファンフィルタの特性は原点について対称であるので、ｆ１について０〜０．５の範囲で設計し、負のｆ１についての目標振幅特性Ｈｄ（ｆ１，ｆ２）は、原点対称の点（ｆ１，ｆ２）での目標振幅特性Ｈｄ（ｆ１，ｆ２）の値を用いる。 As described in Non-Patent Document 5, the target amplitude characteristic H d (f 1 , f 2 ) (where f 1 = k 1 / M 1 , f 2 = k 2 / M 2 ) uses a Chebyshev polynomial. Design. Since the characteristics of the fan filter are symmetric with respect to the origin, f 1 is designed in the range of 0 to 0.5, and the target amplitude characteristics H d (f 1 , f 2 ) for negative f 1 are symmetric with respect to the origin. The value of the target amplitude characteristic H d (f 1 , f 2 ) at the point (f 1 , f 2 ) is used.

図１３は、図１に示す指向性アレーマイクロホン１の第１および第２の２次元ＦＩＲフィルタ１２，１３の目標振幅特性Ｈｄ（ｆ１，ｆ２）を設計する手順を説明するための図である。図１３（ｂ）は時間周波数ｆ１および空間周波数ｆ２から成る２次元周波数平面での目標振幅特性を与えた図であり、図１３（ａ）は、２次元周波数平面のある時間周波数ｆ１における空間周波数軸に平行な断面４０での振幅特性をチェビシェフ多項式によって与えた図である。ここで、チェビシェフ多項式は変数ｘについての整式であり、Ｎ次のチェビシェフ多項式ＴＮ（ｘ）は次のような漸化式で表すことができる。 FIG. 13 is a diagram for explaining a procedure for designing the target amplitude characteristics H d (f 1 , f 2 ) of the first and second two-dimensional FIR filters 12 and 13 of the directional array microphone 1 shown in FIG. It is. FIG. 13B is a diagram in which a target amplitude characteristic in a two-dimensional frequency plane composed of a time frequency f 1 and a spatial frequency f 2 is given. FIG. 13A shows a time frequency f 1 having a two-dimensional frequency plane. It is the figure which gave the amplitude characteristic in the cross section 40 parallel to the spatial frequency axis in Chebyshev polynomial. Here, the Chebyshev polynomial is an integer formula for the variable x, and the Nth-order Chebyshev polynomial T N (x) can be expressed by the following recurrence formula.

Figure 2008048294
Figure 2008048294

図１３（ａ）に示すように、本実施の形態では、空間周波数軸に平行な断面４０での振幅特性は、非物理領域で最大の振幅を持つように設定する。図１３（ａ）では、非物理領域における最大の振幅をＡ０とし、物理領域と非物理領域の境界のφ＝９０°での空間周波数ｆ２をＦ０、振幅を１としている。また、阻止域の両端の空間周波数ｆ２をＦｓ１，Ｆｓ２とし、そのときの振幅をδｓ、空間周波数Ｆｓ１，Ｆｓ２に対応するφの値をφ＝φｓ、φ＝−９０°としている。２段構成の指向性アレーマイクロホン１での振幅特性は、ビーム中心φ＝φｂ（本実施の形態ではφｂ＝４５°である）で振幅が１となるように、最終的に全体をＫ倍することによって得られる。図１３（ａ）では全体をＫ倍した最終的な振幅を図示している。このφ＝φｂにおける空間周波数ｆ２をＦｂとする。以上の関係から、次の式１０〜式１３が成り立つ。 As shown in FIG. 13A, in the present embodiment, the amplitude characteristic in the cross section 40 parallel to the spatial frequency axis is set so as to have the maximum amplitude in the non-physical region. In FIG. 13A, the maximum amplitude in the non-physical region is A 0 , the spatial frequency f 2 at φ = 90 ° at the boundary between the physical region and the non-physical region is F 0 , and the amplitude is 1. The spatial frequencies f 2 at both ends of the stop band are F s1 and F s2 , the amplitude at that time is δ s , and the values of φ corresponding to the spatial frequencies F s1 and F s2 are φ = φs, φ = −90 °. It is said. The amplitude characteristics of the directional array microphone 1 having the two-stage configuration are as follows. The entire amplitude is finally K so that the amplitude becomes 1 at the beam center φ = φ b (in this embodiment, φ b = 45 °). Obtained by doubling. FIG. 13A shows the final amplitude obtained by multiplying the whole by K. The spatial frequency f 2 in the phi = phi b and F b. From the above relationship, the following formulas 10 to 13 hold.

Figure 2008048294
Figure 2008048294

ここで次数がＮで阻止域が等リプルとなるフィルタの振幅特性Ａは、周波数のパラメータｆを用いたＮ次のチェビシェフ多項式によって、次式１４のように与えることができる。ただし、式１４でｘ１は最大の振幅を与えるときのチェビシェフ多項式（式９）の変数ｘの値であり、ｘ＝ｘ１・ｃｏｓ（πｆ）が成り立つ。 Here, the amplitude characteristic A of the filter whose order is N and the stopband is equiripple can be given by the Nth-order Chebyshev polynomial using the frequency parameter f as shown in the following Expression 14. However, x 1 in Formula 14 is the value of the variable x of Chebyshev polynomials (Equation 9) when giving the greatest amplitude, x = x 1 · cos ( πf) holds.

Figure 2008048294
Figure 2008048294

式１４において、δを阻止域リプルの大きさ、ｆｓｔを阻止域端周波数とし、ｘ＝ｘ１のときｆ＝０で最大振幅Ａ０になり、ｘ＝ｘ０のときｆ＝ｆ０で振幅が１になり、ｘ＝ｘｂのときｆ＝ｆｂで振幅が１／Ｋになるとすると、以下の式１５〜式２０が成り立つ。 In Equation 14, the size of the stop band ripple and [delta], and stopband edge frequency f st, the maximum amplitude A 0 at f = 0 when x = x 1, with f = f 0 when x = x 0 amplitude becomes 1, the amplitude at f = f b when x = x b is to be a 1 / K, is established formula 15 formula 20 below.

Figure 2008048294
Figure 2008048294

式１４を用いて、図１３（ｂ）に示す２次元周波数平面上での空間周波数軸に平行な断面４０での振幅特性を与えるために、空間周波数ｆ２を式１４の周波数パラメータｆに周波数変換を行う。図１４は、式９で用いられるチェビシェフ多項式ＴＮ（ｘ）の変数ｘと、式１４で用いられる周波数パラメータｆと、空間周波数ｆ２との対応関係を示す図である。横軸は変数ｘ、ｃｏｓ（πｆ）、周波数パラメータｆ、および空間周波数ｆ２の対応関係を表し、縦軸は変数ｘに対するチェビシェフ多項式ＴＮ（ｘ）の値を表す。また図１５は、図１４に示すチェビシェフ多項式で、横軸を周波数パラメータｆにして表した図である。横軸は周波数パラメータｆを表し、縦軸は周波数パラメータｆについてのチェビシェフ多項式ＴＮ（ｘ）をＫ・δ倍してφ＝φｂ（本実施の形態ではφｂ＝４５°である）で振幅が１となるようにしている。 In order to give the amplitude characteristic in the cross section 40 parallel to the spatial frequency axis on the two-dimensional frequency plane shown in FIG. 13B using Equation 14, the spatial frequency f 2 is set to the frequency parameter f of Equation 14 as a frequency. Perform conversion. FIG. 14 is a diagram illustrating a correspondence relationship between the variable x of the Chebyshev polynomial T N (x) used in Expression 9, the frequency parameter f used in Expression 14, and the spatial frequency f 2 . The horizontal axis variable x, cos (πf), represents the frequency parameter f, and the correspondence between the spatial frequencies f 2, the vertical axis represents the value of Chebyshev polynomial T N for the variable x (x). FIG. 15 is a diagram showing the Chebyshev polynomial shown in FIG. 14 with the horizontal axis representing the frequency parameter f. The horizontal axis represents the frequency parameter f, and the vertical axis represents the Chebyshev polynomial T N (x) for the frequency parameter f multiplied by K · δ and φ = φ b (in this embodiment, φ b = 45 °). The amplitude is set to 1.

図１４において周波数パラメータｆと空間周波数ｆ２との対応関係に示すように、ｆ軸上のｆ０，ｆｓｔ，１−ｆｓｔ，ｆｂにｆ２軸上のＦ０，Ｆｓ１，Ｆｓ２，Ｆｂがそれぞれ対応するとすれば、次の式２１〜式２５が成り立つ。 As shown in the correspondence relationship between the frequency parameter f and the spatial frequency f 2 in FIG. 14, f 0 , f st , 1-f st , f b on the f axis is changed to F 0 , F s1 , F on the f 2 axis. s2, if F b corresponding respectively following equation 21 to equation 25 is established.

Figure 2008048294
Figure 2008048294

以上の式１０〜式２５の関係式を用いて、時間周波数ｆ１（ただしｆ１＝［０，０．５］）が与えられたとき、空間周波数軸に平行な断面での振幅特性Ａ（ｆ）を決定することができる。具体的な設定方法は、ｆ１の値によって第１領域〜第５領域までの５つの領域毎に異なる。 Using the above relational expressions 10 to 25, when the time frequency f 1 (where f 1 = [0, 0.5]) is given, the amplitude characteristic A (in the section parallel to the spatial frequency axis) ( f) can be determined. Specific setting method is different for each five areas to the first region to fifth regions by the value of f 1.

第１領域では、ｆ１の上限を０．５とし、下限として以下のｆｈまでのｆ１について断面での振幅特性を与える。 In the first region, the upper limit of f 1 is set to 0.5, and the amplitude characteristic in the cross section is given for f 1 up to f h below as the lower limit.

Figure 2008048294
Figure 2008048294

この領域では、非物理領域が物理領域の通過域よりも狭いので、式１２の関係式を用いずに、ｆ０＝０、Ａ０＝１と置いて、振幅特性を決める。この場合、ｆ１が決まると式１０，１１，２１よりｆｓｔが決まり、ｆｓｔが決まると式１６，１８，１９よりｘ１とδが決まり、この結果、式２４，１４によって振幅特性Ａ（ｆ）が決まる。さらに、式１３，２５よりｆｂが決まり、ｆｂが決まると式１７，２０によりＫが決まる。したがって、最終的な振幅特性はＫ・Ａ（ｆ）によって与えられる。 In this region, since the non-physical region is narrower than the pass region of the physical region, the amplitude characteristic is determined by setting f 0 = 0 and A 0 = 1 without using the relational expression of Equation 12. In this case, when f 1 is determined determine f st from the expression 10,11,21, the f st is determined determine x 1 and δ from formulas 16, 18, 19, as a result, the amplitude characteristic A by the formula 24, 14 (F) is determined. Furthermore, determines the f b from equation 13, 25, f b is determined if K is determined by the equation 17 and 20. Therefore, the final amplitude characteristic is given by K · A (f).

第２領域では、ｆ１の上限をｆｈとし、下限として、阻止域リプルδが予め定めるδｓに等しくなるときのｆ１＝ｆｇに選ぶ。第２領域では、上限のｆ１＝ｆｈにおける阻止域リプルδｈがδｈ＞δｓの場合とδｈ＜δｓの場合とで振幅特性Ａ（ｆ）の設定方法が異なる。 In the second region, the upper limit of f 1 is set to f h and the lower limit is set to f 1 = f g when the stop band ripple δ is equal to a predetermined δ s . In the second region, the setting method of the amplitude characteristic A (f) differs depending on whether the stop band ripple δ h at the upper limit f 1 = f h is δ h > δ s or δ h <δ s .

δｈ＞δｓの場合には、リプルδをより小さくするために、式１２の関係式を用いて、最大振幅Ａ０＞１となる設計を行う。具体的には、式１０〜１２，２２，２３からｆｓｔ，ｆ０が決まり、ｆｓｔ，ｆ０が決まると、式１６，１８，１９よりｘ１とδが決まり、この結果、式２４，１４によって振幅特性Ａ（ｆ）が決まる。さらに、第１領域と同様にしてＫが決まるので、最終的な振幅特性はＫ・Ａ（ｆ）によって与えられる。 In the case of δ h > δ s , in order to make the ripple δ smaller, the relational expression of Equation 12 is used to design the maximum amplitude A 0 > 1. Specifically, f st from equation 10～12,22,23, determines the f 0, f st, when f 0 is determined, determines the x 1 and δ from formulas 16, 18, 19, as a result, Equation 24 , 14 determines the amplitude characteristic A (f). Furthermore, since K is determined in the same manner as in the first region, the final amplitude characteristic is given by K · A (f).

一方、δｈ＜δｓの場合には、リプルδをより大きくするために、第１領域と同様の設定方法で振幅を決める。 On the other hand, when δ h <δ s , the amplitude is determined by the same setting method as in the first region in order to increase the ripple δ.

第３領域では、ｆ１の上限をｆｇとし、下限として、非物理領域での最大振幅Ａ０が予め定めるＡ０ｍａｘに等しくなるときのｆ１＝ｆｌに選ぶ。最大振幅Ａ０について、Ａ０＞１とするために、式１２の関係式を用いずに、阻止域リプルδを予め定めるδｓに固定する。この場合、ｆ１が決まると式１０，１１，２１よりｆｓｔ−ｆ０が決まり、ｆｓｔ−ｆ０が決まると式１６，１８，１９によりｆｓｔ，ｆ０，ｘ１が決まり、この結果、式２４，１４によって振幅特性Ａ（ｆ）が決まる。さらに、第１領域と同様にしてＫが決まるので、最終的な振幅特性はＫ・Ａ（ｆ）によって与えられる。 In the third region, the upper limit of f 1 and f g, as a lower limit, chosen to f 1 = f l when the maximum amplitude A 0 of the non-physical area is equal to the previously determined A 0max. In order to make A 0 > 1 for the maximum amplitude A 0 , the stopband ripple δ is fixed to a predetermined δ s without using the relational expression of Equation 12. In this case, determines the f st -f 0 from the equation 10,11,21 when f 1 is determined, f the st -f 0 is determined by the formula 16, 18, 19 determines the f st, f 0, x 1 , this As a result, the amplitude characteristic A (f) is determined by the equations 24 and 14. Furthermore, since K is determined in the same manner as in the first region, the final amplitude characteristic is given by K · A (f).

第４領域では、式１１，１２の関係式を用いずに、阻止域リプルδを予め定めるδｓに固定し、非物理領域での最大振幅Ａ０を予め定めるＡ０ｍａｘに固定する。この場合式１５からｘ１が決まり、式１６，１９によりｆ０が決まるので、式２４，１４によって振幅特性Ａ（ｆ）が決まる。さらに、第１領域と同様にしてＫが決まるので、最終的な振幅特性はＫ・Ａ（ｆ）によって与えられる。この領域のｆ１の上限はｆｌであり、下限として、設定される振幅特性がφ＝φｓの直線上で振幅０．５となるときのｆ１＝ｆＬに選ぶ。振幅が０．５となるとき、ｘ＝ｘｃ，ｆ＝ｆｃ，Ｆ＝Ｆｃとなるとすると、以下の関係式２７が成り立つので、ＦＬが決まる。 In the fourth region, without using the relational expression of Formula 11 and 12, defines a stop band ripple [delta] previously fixed to [delta] s, is fixed to the A 0max defining the maximum amplitude A 0 of the non-physical area in advance. In this case determines the x 1 from the equation 15, since f 0 by the equation 16 and 19 are determined, the amplitude characteristic A (f) is determined by Equation 24, 14. Furthermore, since K is determined in the same manner as in the first region, the final amplitude characteristic is given by K · A (f). The upper limit of f 1 in this region is f 1 , and the lower limit is selected as f 1 = f L when the set amplitude characteristic is 0.5 on the straight line φ = φ s . When the amplitude is 0.5 and x = x c , f = f c , and F = F c , the following relational expression 27 is established, and therefore FL is determined.

Figure 2008048294
Figure 2008048294

第５領域では、ｆ１の上限のｆＬから原点までの振幅特性を与える。本実施の形態では、原点での振幅を１に設定するので、この領域での非物理領域の最大振幅Ａ０を次式２８で与える。 In the fifth region, an amplitude characteristic from the upper limit f L of f 1 to the origin is given. In this embodiment, since setting the amplitude at the origin to 1, giving the maximum amplitude A 0 of the non-physical area in this region with the following equation 28.

Figure 2008048294
Figure 2008048294

また阻止域リプルδを予め定めるδｓに固定して、第４領域と同様の手順によって、最終的な振幅特性はＫ・Ａ（ｆ）が決まる。以上の第１〜第５領域の設計手順に従って、本実施の形態の２次元ＦＩＲフィルタの目標振幅特性を決定することができる。 The final amplitude characteristic is determined as K · A (f) by the same procedure as in the fourth region with the stopband ripple δ fixed at a predetermined δ s . The target amplitude characteristic of the two-dimensional FIR filter of the present embodiment can be determined according to the design procedure for the first to fifth regions.

図１６は、本実施の形態の指向性アレーマイクロホン１を構成する各マイクロホンを取り付けるためのマイクロホン取り付け器具５０の構成の一例を示す平面図である。また図１７は、図１６の切断面線ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩから見たマイクロホン取り付け器具５０の構成を示す断面図であり、図１８は、図１６に示すマイクロホン取り付け器具５０の構成を示す側面図である。   FIG. 16 is a plan view showing an example of the configuration of a microphone mounting device 50 for mounting each microphone constituting the directional array microphone 1 of the present embodiment. 17 is a cross-sectional view showing the configuration of the microphone mounting device 50 as viewed from the section line XVII-XVII in FIG. 16, and FIG. 18 is a side view showing the configuration of the microphone mounting device 50 shown in FIG. .

図１６に示すマイクロホン取り付け器具は、マイクロホンを取り付けて固定するための可動板５１と、可動板５１を支持する筐体５３と、可動板５１を筐体５３に固定するためのボルト５２とを含む。可動板５１をボルト５２によって筐体５３に固定するために、可動板５１の両端部には厚み方向一方に突出する突出部５１ｂが設けられ、この突出部５１ｂにはねじ孔が形成される。一方、筐体５３は底面部５３ｂと底面部５３ｂの両端部に立設する側面部５３ａから構成される。筐体５３の両側面部５３ａには貫通孔が設けられ、ボルト５２がこの貫通孔に挿通して前記突出部５１ｂのねじ孔に螺合されることによって、可動板５１が筐体５３の両側面部５３ａに挟まれて固定される。   16 includes a movable plate 51 for attaching and fixing the microphone, a casing 53 that supports the movable plate 51, and a bolt 52 for fixing the movable plate 51 to the casing 53. . In order to fix the movable plate 51 to the housing 53 with the bolts 52, protruding portions 51b protruding in one thickness direction are provided at both ends of the movable plate 51, and screw holes are formed in the protruding portions 51b. On the other hand, the housing 53 includes a bottom surface portion 53b and side surface portions 53a standing on both ends of the bottom surface portion 53b. Through holes are provided in both side surface portions 53 a of the casing 53, and the bolts 52 are inserted into the through holes and screwed into the screw holes of the protruding portions 51 b, so that the movable plate 51 is in the both side surface portions of the housing 53. It is fixed between 53a.

可動板５１に取り付けられるマイクロホン１０は、その振動板が可動板５１の厚み方向の一方に面するように取り付けられる。図１６では、９個のマイクロホン１０が３×３の正方格子状に設けられ、その一方の対角線の方向は前記ねじ孔の軸線方向と一致し、他方の対角線の方向は前記ねじ孔の軸線方向と直交するように配置される。ボルト５２の締め付けを緩めることによって、可動板５１は、ねじ孔の軸線まわりに角変位可能であるので、マイクロホン１０の振動板の方向を変えることができる。   The microphone 10 attached to the movable plate 51 is attached so that the diaphragm faces one side in the thickness direction of the movable plate 51. In FIG. 16, nine microphones 10 are provided in a 3 × 3 square lattice shape, and one diagonal direction thereof coincides with the axial direction of the screw hole, and the other diagonal direction is the axial direction of the screw hole. Are arranged so as to be orthogonal to each other. By loosening the tightening of the bolt 52, the movable plate 51 can be angularly displaced about the axis of the screw hole, so that the direction of the diaphragm of the microphone 10 can be changed.

前述のように、本実施の形態の指向性アレーマイクロホン１の指向特性は、各マイクロホン１０が全指向性の場合には、マイクロホンアレーのｘ軸方向に配列するマイクロホン列の指向特性とｙ軸方向に配列するマイクロホン列の指向特性とが合成された特性になる。したがって、図１６に示すマイクロホン取り付け器具５０を用いたマイクロホンアレーでは、ビームの中心方向を正方格子の対角線方向のうち前記ねじ孔の軸線方向と直交する方向にすることができる。   As described above, the directivity characteristics of the directional array microphone 1 of the present embodiment are the directivity characteristics of the microphone array arranged in the x-axis direction of the microphone array and the y-axis direction when each microphone 10 is omnidirectional. It becomes a characteristic synthesized with the directivity characteristics of the microphone rows arranged in a row. Therefore, in the microphone array using the microphone mounting device 50 shown in FIG. 16, the center direction of the beam can be set to a direction orthogonal to the axial direction of the screw hole in the diagonal direction of the square lattice.

実際上は、マイクロホン取り付け器具５０の影響によって、指向特性が影響を受ける場合、およびマイクロホンが指向性を有する場合などが考えられる。この場合には、マイクロホンの振動板の方向を音源の方向に傾けて、指向性アレーマイクロホンとして最適な指向特性に調整することができる。たとえば、図１８に示すように、筐体５３の底面部５３ｂの面方向を水平方向にした場合で、全指向性のマイクロホン１０を用いたときには、図１８（ａ）に示すように可動板５１の面方向を水平に固定することによって、理論的には水平方向から到来する音波に対して最も感度良く受音することができる。一方、マイクロホン１０の指向性について調整が必要なときには、図１８（ｂ）に示すように可動板５１の面方向を水平方向から傾けることによって、マイクロホン１０の指向性が調整されて、指向性アレーマイクロホンの感度を改善することができる。   Actually, there are cases where the directivity is affected by the influence of the microphone mounting device 50, the case where the microphone has directivity, and the like. In this case, the direction of the diaphragm of the microphone can be tilted toward the direction of the sound source, and the directivity characteristics can be adjusted to be optimal as a directivity array microphone. For example, as shown in FIG. 18, when the surface direction of the bottom surface portion 53b of the casing 53 is horizontal, and the omnidirectional microphone 10 is used, the movable plate 51 is shown in FIG. By fixing the surface direction of the horizontal direction, it is theoretically possible to receive the sound with the highest sensitivity to the sound wave coming from the horizontal direction. On the other hand, when the directivity of the microphone 10 needs to be adjusted, the directivity of the microphone 10 is adjusted by tilting the surface direction of the movable plate 51 from the horizontal direction as shown in FIG. The sensitivity of the microphone can be improved.

図１９は、本発明の実施の一形態である指向性アレースピーカ１０１の構成を示すブロック図である。また図２０は、図１９に示す指向性アレースピーカ１０１において、第１および第２の２次元ＦＩＲフィルタ１１２，１１３として用いられる２次元ＦＩＲフィルタ１２０の構成を示すブロック図である。   FIG. 19 is a block diagram showing a configuration of a directional array speaker 101 according to an embodiment of the present invention. FIG. 20 is a block diagram showing a configuration of a two-dimensional FIR filter 120 used as the first and second two-dimensional FIR filters 112 and 113 in the directional array speaker 101 shown in FIG.

図１９に示す指向性アレースピーカ１０１は、第１の方向であるｙ軸方向および第２の方向であるｘ軸方向の両方向に沿って配列される複数のスピーカ１１０から成るスピーカアレー１０２と、ｙ軸方向に沿ったスピーカ列１１１毎に設けられた第１の２次元ＦＩＲフィルタ１１２と、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１１３とを含む。図１９に示すスピーカアレー１０２には、ｘ軸方向に沿って、相互に一定の間隔ＤＡをあけてＮＡ＋１個（ＮＡは２以上の偶数）のスピーカ１１０が配置され、またｙ軸方向に沿って、相互に一定の間隔ＤＢをあけてＮＢ＋１個（ＮＢは２以上の偶数）のスピーカ１１０が配置される。図１９では、ＮＡ＝ＮＢ＝２の最小構成の場合が図示されている。ここでｙ軸方向に沿ったＮＢ＋１個（ＮＢは２以上の偶数）のスピーカ１１０の一群をスピーカ列１１１という。 A directional array speaker 101 shown in FIG. 19 includes a speaker array 102 composed of a plurality of speakers 110 arranged along both the y-axis direction as the first direction and the x-axis direction as the second direction, and y It includes a first two-dimensional FIR filter 112 and a second two-dimensional FIR filter 113 provided for each speaker array 111 along the axial direction. The speaker array 102 shown in FIG. 19, along the x-axis direction, another at regular intervals D A N A +1 pieces (N A is an even number of at least two) loudspeaker 110 is arranged, also y-axis Along with the direction, N B +1 (N B is an even number of 2 or more) speakers 110 are arranged at a constant distance D B from each other. In FIG. 19, the case of the minimum configuration of N A = N B = 2 is illustrated. Here, a group of N B +1 speakers (N B is an even number of 2 or more) along the y-axis direction is referred to as a speaker row 111.

本実施の形態の指向性アレースピーカ１０１と前述の図１に示した指向性アレーマイクロホン１との違いは、マイクロホン１０に代えて、スピーカ１１０を配置した点にある。このために、本実施の形態では、図１に示した指向性アレーマイクロホン１とは信号の流れる向きが逆になっている。たとえば図１９に示す指向性アレースピーカ場合では、入力された信号が第２の２次元ＦＩＲフィルタ１１３によってフィルタ処理され、その出力信号はスピーカ列１１１と同数の第１の２次元ＦＩＲフィルタ１１２に入力される。続いて、第１の２次元ＦＩＲフィルタ１１２によってフィルタ処理された信号は、各第１の２次元ＦＩＲフィルタ１１２に対応するスピーカ列１１１を構成する各スピーカ１１０に、Ｄ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換されて入力される。各スピーカ１１０では入力された音響信号に応じた音響が出力される。また図２０に示す２次元ＦＩＲフィルタ１２０においても、２次元ＦＩＲフィルタ１２０は、図２に示す場合と同様に、複数の１次元ＦＩＲフィルタ１２２の並列構成となっているが、信号の向きは逆である。図２０に示す２次元ＦＩＲフィルタ１２０では、入力端子１２４から入力された音響信号が分岐されて各１次元ＦＩＲフィルタ１２２に入力され、音響信号の供給先のスピーカ１１０の配置位置に応じたフィルタ処理がなされる。   The difference between the directional array speaker 101 of the present embodiment and the directional array microphone 1 shown in FIG. 1 described above is that a speaker 110 is disposed instead of the microphone 10. For this reason, in the present embodiment, the direction of signal flow is opposite to that of the directional array microphone 1 shown in FIG. For example, in the case of the directional array speaker shown in FIG. 19, the input signal is filtered by the second two-dimensional FIR filter 113, and the output signal is input to the same number of first two-dimensional FIR filters 112 as the speaker rows 111. Is done. Subsequently, the signal filtered by the first two-dimensional FIR filter 112 is transmitted to each speaker 110 constituting the speaker array 111 corresponding to each first two-dimensional FIR filter 112 by D / A (digital / analog). Converted and input. Each speaker 110 outputs sound corresponding to the input sound signal. Also in the two-dimensional FIR filter 120 shown in FIG. 20, the two-dimensional FIR filter 120 has a parallel configuration of a plurality of one-dimensional FIR filters 122 as in the case shown in FIG. It is. In the two-dimensional FIR filter 120 shown in FIG. 20, the acoustic signal input from the input terminal 124 is branched and input to each one-dimensional FIR filter 122, and the filter processing according to the arrangement position of the speaker 110 to which the acoustic signal is supplied. Is made.

このように本実施の形態の指向性アレースピーカ１０１は、図１に示す指向性アレーマイクロホン１と異なる点があるが、音響信号の周波数スペクトルが２次元周波数平面で原点を通る直線上で表される点は共通している。したがって、２次元ＦＩＲフィルタの設計方法は図１に示す指向性アレーマイクロホン１の場合と全く共通しているので、本実施の形態の指向性アレースピーカ１０１は、図１に示す指向性アレーマイクロホン１と同一の効果を得ることができる。   As described above, the directional array speaker 101 of the present embodiment is different from the directional array microphone 1 shown in FIG. 1, but the frequency spectrum of the acoustic signal is represented on a straight line passing through the origin on the two-dimensional frequency plane. The points are common. Therefore, since the design method of the two-dimensional FIR filter is completely the same as that of the directional array microphone 1 shown in FIG. 1, the directional array speaker 101 of the present embodiment is the directional array microphone 1 shown in FIG. The same effect can be obtained.

図２１は、本発明の他の実施の形態として、図１に示す指向性アレーマイクロホン１を取り付けるための保持手段であるマイクロホン取り付け器具６０の構造を概略的に示すための斜視図である。図２１に示すマイクロホン取り付け器具６０は、長手方向がｘ軸方向に沿って配置された３本の第１アーム６１と、長手方向がｙ軸方向に沿って配置された３本の第２アーム６２とを含み、これらが格子状に配置された構成を有する。第１アーム６１と第２アーム６２とが交差する点には、第１アームと第２アームを連結するための連結部材６３が設けられ、両アームが交差する点での両アームの交差角が角変位自在に連結されている。ｘｙ平面内で、最端に配置される第１アーム６１の長手方向端部にはその長手方向に沿って操作レバー６４が取り付けられ、その第１アーム６１に近接する第２アームの長手方向端部にもその長手方向に沿って操作レバー６４が取り付けられる。そして操作レバー６４を開閉させると、マジックハンドと同様の連結機構によって第１アーム６１と第２アーム６２とのなす角度を変化させることができる。連結された第１アーム６１と第２アームは、支持台６６から鉛直方向に突出する支柱６５によって、両アームの中央の交差点の下方で支持される。図１に示す指向性アレーマイクロホン１に用いられる各マイクロホン１０は、第１アーム６１と第２アーム６２が交差する連結部材６３の位置に取り付けられて保持される。したがって、第１アーム６１および第２アーム６２の長手方向はマイクロホン１０の配列方向と一致する。   FIG. 21 is a perspective view schematically showing a structure of a microphone attachment device 60 as a holding means for attaching the directional array microphone 1 shown in FIG. 1 as another embodiment of the present invention. A microphone mounting device 60 shown in FIG. 21 includes three first arms 61 whose longitudinal directions are arranged along the x-axis direction and three second arms 62 whose longitudinal directions are arranged along the y-axis direction. And have a configuration in which these are arranged in a lattice pattern. A connecting member 63 for connecting the first arm and the second arm is provided at a point where the first arm 61 and the second arm 62 cross each other, and the crossing angle of both arms at the point where both arms cross each other is provided. They are connected so that they can be angularly displaced. In the xy plane, an operating lever 64 is attached along the longitudinal direction of the longitudinal end of the first arm 61 disposed at the outermost end, and the longitudinal end of the second arm adjacent to the first arm 61. The operation lever 64 is also attached to the portion along the longitudinal direction. When the operation lever 64 is opened and closed, the angle formed by the first arm 61 and the second arm 62 can be changed by a connection mechanism similar to that of the magic hand. The connected first arm 61 and second arm are supported below a central intersection of both arms by a support column 65 protruding vertically from a support base 66. Each microphone 10 used in the directional array microphone 1 shown in FIG. 1 is attached and held at the position of the connecting member 63 where the first arm 61 and the second arm 62 intersect. Therefore, the longitudinal directions of the first arm 61 and the second arm 62 coincide with the arrangement direction of the microphones 10.

図２２は、図２１に示すマイクロホン取り付け器具６０の動作を説明するための平面図である。マイクロホン取り付け器具６０では、マジックハンドと同様の原理によって、第１アーム６１の長手方向（ｘ軸方向）と第２アーム６２の長手方向（ｙ軸方向）とがなす角度は角変位可能となっている。図２２（ａ）に示すように、＋ｘ方向と＋ｙ方向のなす角度α１を鈍角にすることもでき、また図２２（ｂ）に示すように、＋ｘ方向と＋ｙ方向のなす角度α２を鋭角にすることもできる。この結果、マイクロホン１０の配列方向である第１の方向である＋ｘ方向と第２の方向である＋ｙ方向のなす角度も変化することになる。 FIG. 22 is a plan view for explaining the operation of the microphone attachment device 60 shown in FIG. In the microphone mounting device 60, the angle between the longitudinal direction of the first arm 61 (x-axis direction) and the longitudinal direction of the second arm 62 (y-axis direction) can be angularly displaced by the same principle as that of the magic hand. Yes. As shown in FIG. 22 (a), + the angle alpha 1 in the x direction and + y direction can also be an obtuse angle, and as shown in FIG. 22 (b), the + x direction and the + y direction of the angle alpha 2 It can also be an acute angle. As a result, the angle formed between the + x direction, which is the first direction, which is the arrangement direction of the microphones 10, and the + y direction, which is the second direction, also changes.

図２３は、図２２に示すマイクロホン取り付け器具６０の動作と、指向性アレーマイクロホン１の指向特性との関係を示すための説明図である。図２３（ａ）は、図２２（ａ）の＋ｘ方向と＋ｙ方向のなす角度が鈍角α１である場合に対応し、図２３（ｂ）は、図２２（ｂ）の＋ｘ方向と＋ｙ方向とのなす角度が鋭角α２である場合に対応する。また、図２３（ｃ）は＋ｘ方向と＋ｙ方向とのなす角度が直角α３である場合を示す。 FIG. 23 is an explanatory diagram for illustrating a relationship between the operation of the microphone attachment device 60 illustrated in FIG. 22 and the directivity characteristics of the directivity array microphone 1. 23 (a) is corresponding to the case where the + x direction and + y direction of angle shown in FIG. 22 (a) is an obtuse angle alpha 1, FIG. 23 (b), the + x direction and + y direction of FIG. 22 (b) This corresponds to the case where the angle formed by is an acute angle α 2 . Further, FIG. 23 (c) shows the case where the angle between the + x direction and + y direction at right angles alpha 3.

前述したように、指向性アレーマイクロホン１の特性は、ｘ軸方向に沿って配列されるマイクロホン１０の指向特性と、ｙ軸方向に沿って配列されるマイクロホン１０の指向特性とが重ね合わされた特性になり、両特性の共通部分の指向特性を有する。図２３（ｃ）に示すように、ｘ軸方向に沿ったマイクロホン１０の配列による指向特性が、ビーム幅がおよそ１８０°でビームの中心方向が＋ｘ方向であるとし、ｙ軸方向に沿ったマイクロホン１０の配列による指向特性が、ビーム幅がおよそ１８０°でビームの中心方向が＋ｙ方向であるとすると、図２３（ｃ）に示すように、＋ｘ方向と＋ｙ方向とのなす角度が直角α３である場合には、両指向特性の共通部分７２はビーム幅が直角α３になる。これに対し、図２３（ａ）のように＋ｘ方向と＋ｙ方向のなす角度が鈍角α１である場合には、ｘ軸に垂直な直線７０とｙ軸に垂直な直線７１とによって挟まれた共通部分７２が指向性アレーマイクロホン１全体の指向特性になるので、ビーム幅は１８０°−α１となり鋭角のビーム幅が得られる。また図２３（ｂ）のように＋ｘ方向と＋ｙ方向のなす角度が鋭角α２である場合には、ｘ軸に垂直な直線７０とｙ軸に垂直な直線７１とによって挟まれた共通部分７２が指向性アレーマイクロホン１全体の指向特性になるので、ビーム幅は１８０°−α２となり鈍角のビーム幅が得られる。このように、指向性アレーマイクロホン１を構成する各マイクロホン１０の配列方向である＋ｘ方向と＋ｙ方向とのなす角度を変化させることによって、指向性アレーマイクロホン１のビーム幅を変化させることができる。 As described above, the characteristics of the directional array microphone 1 are obtained by superimposing the directional characteristics of the microphones 10 arranged along the x-axis direction and the directional characteristics of the microphones 10 arranged along the y-axis direction. And has the directivity of the common part of both characteristics. As shown in FIG. 23C, it is assumed that the directivity characteristic by the arrangement of the microphones 10 along the x-axis direction is that the beam width is approximately 180 ° and the center direction of the beam is the + x direction, and the microphones along the y-axis direction. Assuming that the beam width is approximately 180 ° and the center direction of the beam is the + y direction, as shown in FIG. 23C, the angle formed by the + x direction and the + y direction is a right angle α 3. If it is, the intersection 72 of the two directional characteristics beam width at right angles alpha 3. In contrast, the + x direction and + y direction of the angle as shown in FIG. 23 (a) in the case of an obtuse angle alpha 1 is sandwiched by a straight line perpendicular 71 to a straight line perpendicular 70 and y-axis to the x-axis since the common portion 72 becomes a directional characteristic of the entire directional array microphone 1, the beam width is obtained beamwidth 180 °-.alpha. 1 becomes acute. The intersection 72 + x direction and + y direction of the angle formed when an acute angle alpha 2 is sandwiched by a straight line perpendicular 71 to a straight line perpendicular 70 and y-axis to the x axis as shown in FIG. 23 (b) Becomes the directional characteristics of the entire directional array microphone 1, so that the beam width is 180 ° −α 2 and an obtuse beam width is obtained. In this way, the beam width of the directional array microphone 1 can be changed by changing the angle formed between the + x direction and the + y direction, which are the arrangement directions of the microphones 10 constituting the directional array microphone 1.

（実施例）
以下に本発明の指向性アレーマイクロホンの設計例を挙げることによって、本発明を具体的に説明する。 (Example)
The present invention will be specifically described below by giving a design example of the directional array microphone of the present invention.

図２４〜図３３は、これまで説明した本発明の指向性アレーマイクロホンの設計手順に従って、具体的に３×３の９個のマイクロホンを配列させた指向性アレーマイクロホンの設計例を示すものである。   FIGS. 24 to 33 show a design example of a directional array microphone in which 9 microphones of 3 × 3 are specifically arranged according to the design procedure of the directional array microphone of the present invention described so far. .

設計は、ビーム中心φｂ＝４５°、サイドローブレベル（各マイクロホン列でのサイドローブ）δｓ＝−２８ｄＢ、各マイクロホンの配列の間隔ＤＡ＝ＤＢ＝２．５ｃｍ、各マイクロホンの配列の個数ＮＡ＋１＝ＮＢ＋１＝３、阻止域端φＳ＝−１０°、式（３）のρ＝０．６６３４（サンプリング周波数ｆｓ＝９０２３Ｈｚ）、Ａ０ｍａｘ＝７９．８、フィルタの時間の次数Ｎ１＝１００として行った。マイクロホンの大きさを直径１０ｍｍとすると、アレーサイズは１辺あたり約６ｃｍで、マイクロホンアレーの対角では約８ｃｍとなる。 The design is such that the beam center φ b = 45 °, the side lobe level (side lobe in each microphone row) δs = −28 dB, the spacing between each microphone array D A = D B = 2.5 cm, the number of each microphone array N A + 1 = N B + 1 = 3, stop band edge φ S = −10 °, ρ = 0.6634 (sampling frequency f s = 9023 Hz) in equation (3), A 0max = 79.8, filter time The order was N 1 = 100. If the microphone has a diameter of 10 mm, the array size is about 6 cm per side and the diagonal of the microphone array is about 8 cm.

設計の結果、ビーム中心方向の振幅の０．５倍（６ｄＢ低下）によって定義したビーム幅は約７０°、指向性アレーマイクロホン全体でのサイドローブレベルは−２０ｄＢ、ビームの方向と反対方向の背面（φ＝−９０°〜−１８０°）でのサイドローブレベルは−４０ｄＢ、指向性アレーマイクロホンの帯域ｆＬ〜ｆＨは２２０Ｈｚ〜４３００Ｈｚ（ｆ１＝０．０２４〜０．４７５）になった。 As a result of the design, the beam width defined by 0.5 times the amplitude in the beam center direction (down by 6 dB) is about 70 °, the sidelobe level of the entire directional array microphone is −20 dB, and the back surface is opposite to the beam direction. The sidelobe level at (φ = −90 ° to −180 °) is −40 dB, and the band f L to f H of the directional array microphone is 220 Hz to 4300 Hz (f 1 = 0.024 to 0.475). .

図２４は、図１に示す指向性アレーマイクロホン１の設計例として、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の振幅特性をφ＝−９０°〜９０°の範囲で表示した図である。図２４では、時間周波数軸ｆ１とｘ軸方向に対する空間周波数ｆ２とから成る２次元周波数平面内での振幅（Amplitude）を表す。以下の図２５〜図２９についても同様の表示を行っている。 FIG. 24 is a diagram showing the amplitude characteristics of the second two-dimensional FIR filter 13 as a design example of the directional array microphone 1 shown in FIG. 1 in the range of φ = −90 ° to 90 °. In Figure 24, it represents the amplitude (Amplitude) in a 2-dimensional frequency plane consisting of time-frequency axis f 1 and the spatial frequency f 2 Metropolitan respect to the x-axis direction. The same display is performed for the following FIGS.

また設計はｆ１＝［−０．５，０．５］，ｆ２＝［−０．５，０．５］の範囲で行っていてその範囲での振幅特性が決定されるが、図２４では図解を容易にするために非物理領域の振幅を０にして表示している。以下に示す図２５〜図２９についても同様に、図解を容易にするために非物理領域の振幅を０にして表示している。 The design is performed in the range of f 1 = [− 0.5, 0.5] and f 2 = [− 0.5, 0.5], and the amplitude characteristics in the range are determined. In order to facilitate the illustration, the amplitude of the non-physical region is set to zero. Similarly, in FIGS. 25 to 29 shown below, the amplitude of the non-physical region is set to 0 for easy illustration.

図２５は、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の振幅特性をφ＝９０°〜２７０°（−９０°）の範囲で表示した図である。図２５では、図２４に示したφ＝−９０°〜９０°の範囲の振幅特性の背面の特性である、φ＝９０°〜２７０°（−９０°）での特性が表示される。ここで、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３はｘ軸方向のマイクロホン１０の配列に対応する指向性を与えるものであるので、その特性はマイクロホンの配列方向であるφ＝９０°について対称である。したがって、図２４と図２５とでは同一の振幅特性になる。   FIG. 25 is a diagram showing the amplitude characteristics of the second two-dimensional FIR filter 13 in the range of φ = 90 ° to 270 ° (−90 °). In FIG. 25, the characteristics at φ = 90 ° to 270 ° (−90 °), which are the characteristics of the amplitude characteristics in the range of φ = −90 ° to 90 ° shown in FIG. 24, are displayed. Here, since the second two-dimensional FIR filter 13 provides directivity corresponding to the arrangement of the microphones 10 in the x-axis direction, the characteristic is symmetric with respect to φ = 90 ° which is the arrangement direction of the microphones. Therefore, the amplitude characteristics are the same in FIG. 24 and FIG.

図２６は、第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の振幅特性をφ＝−９０°〜９０°の範囲で表示した図である。また図２７は、第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の振幅特性をφ＝９０°〜２７０°（−９０°）の範囲で表示した図である。第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２はｙ軸方向のマイクロホン１０の配列に対応する指向性を与えるものであり、その特性はマイクロホン１０の配列方向であるφ＝０°について対称になる。したがって、図２６に示すマイクロホン１０の配列方向と逆方向のφ＝１８０°の特性を示す図２７では、指向性アレーマイクロホンの帯域ｆＬ〜ｆＨである２２０Ｈｚ〜４３００Ｈｚ（ｆ１＝０．０２４〜０．４７５）での振幅は非常に小さくなっている。 FIG. 26 is a diagram showing the amplitude characteristics of the first two-dimensional FIR filter 12 in the range of φ = −90 ° to 90 °. FIG. 27 is a diagram showing the amplitude characteristics of the first two-dimensional FIR filter 12 in the range of φ = 90 ° to 270 ° (−90 °). The first two-dimensional FIR filter 12 provides directivity corresponding to the arrangement of the microphones 10 in the y-axis direction, and its characteristics are symmetric with respect to φ = 0 °, which is the arrangement direction of the microphones 10. Therefore, in FIG. 27 which shows the characteristic of φ = 180 ° in the direction opposite to the arrangement direction of the microphones 10 shown in FIG. 26, 220 Hz to 4300 Hz (f1 = 0.024˜) which are the bands f L to f H of the directional array microphones. The amplitude at 0.475) is very small.

図２８は、図２４に示す振幅特性と図２６に示す振幅特性の積を表示した図であり、指向性アレーマイクロホン１全体での振幅特性をφ＝−９０°〜９０°の範囲で表示した図である。また、図２９は、図２５に示す振幅特性と図２７に示す振幅特性の積を表示した図であり、指向性アレーマイクロホン１全体での振幅特性をφ＝９０°〜２７０°（−９０°）の範囲で表示した図である。図２８と図２９とから明らかなように、指向性アレーマイクロホン１全体ではφ＝４５°にピークを有する振幅特性になり、その反対方向であるφ＝２２５°での振幅は非常に小さくなっている。   FIG. 28 is a diagram showing the product of the amplitude characteristics shown in FIG. 24 and the amplitude characteristics shown in FIG. 26. The amplitude characteristics of the entire directional array microphone 1 are displayed in the range of φ = −90 ° to 90 °. FIG. FIG. 29 is a diagram showing the product of the amplitude characteristics shown in FIG. 25 and the amplitude characteristics shown in FIG. 27. The amplitude characteristics of the directional array microphone 1 as a whole are represented by φ = 90 ° to 270 ° (−90 °). It is the figure displayed in the range of). As is apparent from FIGS. 28 and 29, the entire directional array microphone 1 has an amplitude characteristic having a peak at φ = 45 °, and the amplitude at φ = 225 °, which is the opposite direction, becomes very small. Yes.

図３０は、図１に示す指向性アレーマイクロホン１の設計結果である、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の指向特性を示す図であり、図３１は、第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の指向特性を示す図であり、図３２は、指向性アレーマイクロホン１全体での指向特性を示す図である。図３０〜図３２において、時間周波数ｆ１をパラメータとして、音響ビームの進行方向の角度φに対する振幅（ｄＢ）を極座標表示したものである。第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３ではφ＝９０°がビームの中心方向になり、第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２ではφ＝０°がビームの中心方向になり、また指向性アレーマイクロホン１全体ではφ＝４５°がビームの中心方向になっている。また最大振幅から６ｄＢ低下した位置でビーム幅を定義すれば、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３でのビーム幅は１２０°になり、第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２でのビーム幅が１２０°になり、また指向性アレーマイクロホン１全体でのビーム幅は７０°になっている。 FIG. 30 is a diagram showing the directivity characteristics of the second two-dimensional FIR filter 13, which is the design result of the directivity array microphone 1 shown in FIG. 1, and FIG. 31 is the directivity of the first two-dimensional FIR filter 12. FIG. 32 is a diagram showing directional characteristics of the directional array microphone 1 as a whole. 30 to 32, the amplitude (dB) with respect to the angle φ in the traveling direction of the acoustic beam is displayed in polar coordinates using the time frequency f 1 as a parameter. In the second two-dimensional FIR filter 13, φ = 90 ° is the center direction of the beam, in the first two-dimensional FIR filter 12, φ = 0 ° is the center direction of the beam, and in the directional array microphone 1 as a whole. φ = 45 ° is the direction of the center of the beam. If the beam width is defined at a position 6 dB lower than the maximum amplitude, the beam width in the second two-dimensional FIR filter 13 is 120 °, and the beam width in the first two-dimensional FIR filter 12 is 120 °. Further, the beam width of the directional array microphone 1 as a whole is 70 °.

図３３は、指向性アレーマイクロホン１全体での周波数特性を示す図である。図３３では、ビーム方向φをパラメータとして、横軸の時間周波数ｆ１に対する縦軸の振幅（ｄＢ）を表示している。図３３から、音響ビームの進行方向と反対方向のφ＝−９０°〜−１８０°では、振幅は−４０ｄＢ以下となっていることが確認できた。 FIG. 33 is a diagram illustrating frequency characteristics of the directional array microphone 1 as a whole. In FIG. 33, the vertical axis amplitude (dB) with respect to the horizontal time frequency f 1 is displayed with the beam direction φ as a parameter. From FIG. 33, it was confirmed that the amplitude was −40 dB or less at φ = −90 ° to −180 ° in the direction opposite to the traveling direction of the acoustic beam.

比較例として、直線型の指向性アレーマイクロホンを使って同一のビーム特性および同一の時間周波数の帯域を得るために必要なマイクロホンの数を計算すると、マイクロホンの間隔Ｄ＝２．５ｃｍに対して、マイクロホンの数は、Ｎ２＋１＝７個必要であり、アレーサイズは約１６ｃｍとなった。したがって、従来技術の直線型の場合には本発明の場合に比べてアレーサイズが２倍以上になる。 As a comparative example, when calculating the number of microphones required to obtain the same beam characteristics and the same time frequency band using a linear directional array microphone, the distance between the microphones D = 2.5 cm is The number of microphones is N 2 + 1 = 7, and the array size is about 16 cm. Therefore, in the case of the linear type of the prior art, the array size becomes twice or more as compared with the case of the present invention.

前述の実施の各形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば、図１に示す指向性アレーマイクロホン１では、ｘ軸方向の各列のマイクロホン数ＮＡおよび各マイクロホン間の間隔ＤＡ、ならびにｙ軸方向の各列のマイクロホン数ＮＢおよび各マイクロホン間の間隔ＤＢは全て同じとしたが、これらは必ずしも全て同じでなくても、本発明の効果を得ることができる。 Each of the embodiments described above is merely an example of the present invention, and the configuration can be changed within the scope of the present invention. For example, the directional array microphone 1 shown in FIG. 1, the spacing D A of Microphones number N A and the microphone of each column in the x-axis direction, and the y-axis direction between each row number of microphones N B and the microphone was all interval D B are the same, they necessarily all not be the same, it is possible to obtain the effect of the present invention.

本発明の実施の一形態である指向性アレーマイクロホン１の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the directional array microphone 1 which is one Embodiment of this invention. 図１に示す指向性アレーマイクロホン１において、第１および第２の２次元ＦＩＲフィルタ１２，１３として用いられる２次元ＦＩＲフィルタ２０の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a two-dimensional FIR filter 20 used as the first and second two-dimensional FIR filters 12 and 13 in the directional array microphone 1 shown in FIG. 1. マイクロホン１０がｙ軸方向に直線状に配列された直線型アレーマイクロホン１５ａの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the linear array microphone 15a with which the microphone 10 was linearly arranged by the y-axis direction. マイクロホン１０がｘ軸方向に直線状に配列された直線型アレーマイクロホン１５ｂの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the linear array microphone 15b in which the microphone 10 was linearly arranged by the x-axis direction. 直線に沿って互いに等間隔に配列されたマイクロホンから成るマイクロホンアレーによる音波の受音の様子を示すための説明図である。It is explanatory drawing for showing the mode of the sound wave reception by the microphone array which consists of the microphones arranged at equal intervals along the straight line. 図５に示すマイクロホン列１６において、各マイクロホン１０＿ｎで観測される音響信号の時間変化を表す図である。In the microphone row | line | column 16 shown in FIG. 5, it is a figure showing the time change of the acoustic signal observed with each microphone 10_n. 図６に示す２次元音響信号ｅｎ（ｔ）に対して、時刻ｔおよびマイクロホンの位置座標ｘについて２次元フーリエ変換を施した音響信号のスペクトルを２次元周波数平面で表示した図である。For two-dimensional acoustic signal e n (t) shown in FIG. 6 is a diagram of the display by the two-dimensional frequency plane the spectrum of the sound signal subjected to two-dimensional Fourier transform on the time t and the position coordinate x of the microphone. ２次元周波数平面での、２次元音響信号のスペクトルとファンフィルタの特性との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the spectrum of a two-dimensional acoustic signal and the characteristic of a fan filter in a two-dimensional frequency plane. 図３に示す直線型アレーマイクロホン１５ａにおける第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の周波数特性ＨＢ（ｆ１，ｆ３）の振幅特性を、２次元周波数平面上で表した図である。The amplitude characteristic of the frequency characteristic H B of the first two-dimensional FIR filter 12 in the linear array microphone 15a (f 1, f 3) shown in FIG. 3 is a diagram showing a two-dimensional frequency plane. 図４に示す直線型アレーマイクロホン１５ｂにおける第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の周波数特性ＨＡ（ｆ１，ｆ２）の振幅特性を、２次元周波数平面上で表した図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an amplitude characteristic of a frequency characteristic H A (f 1 , f 2 ) of the second two-dimensional FIR filter 13 in the linear array microphone 15 b illustrated in FIG. 4 on a two-dimensional frequency plane. 図９に示す第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の周波数特性ＨＢ（ｆ１，ｆ３）を、ｘ軸に対する空間周波数ｆ２についての周波数特性ＨＢ（ｆ１，ｆ２）に変換して、その振幅特性を表した図である。The frequency characteristic H B (f 1 , f 3 ) of the first two-dimensional FIR filter 12 shown in FIG. 9 is converted into a frequency characteristic H B (f 1 , f 2 ) for the spatial frequency f 2 with respect to the x axis. It is a figure showing the amplitude characteristic. 図１０に示す第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の周波数特性ＨＡ（ｆ１，ｆ２）と、図１１に示す第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の周波数特性ＨＢ（ｆ１，ｆ２）との積である、指向性アレーマイクロホン１の周波数特性Ｈｔ（ｆ１，ｆ２）について、その振幅特性を表した図である。Frequency characteristic H A of the second two-dimensional FIR filter 13 shown in FIG. 10 (f 1, f 2) and the frequency characteristic H B of the first two-dimensional FIR filter 12 shown in FIG. 11 (f 1, f 2) is the product of the, the directivity of array microphones 1 frequency characteristic H t (f 1, f 2 ), is a view showing the amplitude characteristics. 図１に示す指向性アレーマイクロホン１の第１および第２の２次２０ＦＩＲフィルタ１２，１３の目標振幅特性Ｈｄ（ｆ１，ｆ２）を設計する手順を説明するための図である。Is a diagram for explaining the procedure for designing the target amplitude characteristic H d (f 1, f 2 ) of the directional array first and second secondary 20FIR filters 12 and 13 of the microphone 1 shown in FIG. 式９で用いられるチェビシェフ多項式ＴＮ（ｘ）の変数ｘと、式１４で用いられる周波数パラメータｆと、空間周波数ｆ２との対応関係を示す図である。And variable x Chebyshev polynomial T N (x) used in Equation 9, the frequency parameter f used in the equation 14 is a diagram showing the correspondence between the spatial frequency f 2. 図１４に示すチェビシェフ多項式で、横軸を周波数パラメータｆにして表した図である。FIG. 15 is a diagram showing the Chebyshev polynomial shown in FIG. 14 with the horizontal axis representing the frequency parameter f. 本実施の形態の指向性アレーマイクロホン１を構成する各マイクロホンを取り付けるためのマイクロホン取り付け器具５０の構成の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of a structure of the microphone attachment tool 50 for attaching each microphone which comprises the directional array microphone 1 of this Embodiment. 図１６の切断面線ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩから見たマイクロホン取り付け器具５０の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the microphone attachment instrument 50 seen from the cut surface line XVII-XVII of FIG. 図１６に示すマイクロホン取り付け器具５０の構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the microphone attachment instrument 50 shown in FIG. 本発明の実施の一形態である指向性アレースピーカ１０１の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the directional array speaker 101 which is one Embodiment of this invention. 図１９に示す指向性アレースピーカ１０１において、第１および第２の２次元ＦＩＲフィルタ１１２，１１３として用いられる２次元ＦＩＲフィルタ１２０の構成を示すブロック図である。FIG. 20 is a block diagram showing a configuration of a two-dimensional FIR filter 120 used as the first and second two-dimensional FIR filters 112 and 113 in the directional array speaker 101 shown in FIG. 19.

図１に示す指向性アレーマイクロホン１を取り付けるための保持手段であるマイクロホン取り付け器具６０の構造を概略的に示すための斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing a structure of a microphone attaching device 60 that is a holding means for attaching the directional array microphone 1 shown in FIG. 1. 図２１に示すマイクロホン取り付け器具６０の動作を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating operation | movement of the microphone attachment tool 60 shown in FIG. 図２２に示すマイクロホン取り付け器具６０の動作と、指向性アレーマイクロホン１の指向特性との関係を示すための説明図である。FIG. 23 is an explanatory diagram for illustrating a relationship between the operation of the microphone mounting device 60 illustrated in FIG. 22 and the directivity characteristics of the directivity array microphone 1; 図１に示す指向性アレーマイクロホン１の設計例として、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の振幅特性をφ＝−９０°〜９０°の範囲で表示した図である。As a design example of the directional array microphone 1 shown in FIG. 1, the amplitude characteristic of a second two-dimensional FIR filter 13 is displayed in a range of φ = −90 ° to 90 °. 第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の振幅特性をφ＝９０°〜２７０°（−９０°）の範囲で表示した図である。It is the figure which displayed the amplitude characteristic of the 2nd two-dimensional FIR filter 13 in the range of (phi) = 90 degrees -270 degrees (-90 degrees). 第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の振幅特性をφ＝−９０°〜９０°の範囲で表示した図である。It is the figure which displayed the amplitude characteristic of the 1st two-dimensional FIR filter 12 in the range of (phi) =-90 degrees-90 degrees. 第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の振幅特性をφ＝９０°〜２７０°（−９０°）の範囲で表示した図である。It is the figure which displayed the amplitude characteristic of the 1st two-dimensional FIR filter 12 in the range of (phi) = 90 degrees -270 degrees (-90 degrees). 図２４に示す振幅特性と図２６に示す振幅特性の積を表示した図である。FIG. 27 is a diagram displaying a product of the amplitude characteristic shown in FIG. 24 and the amplitude characteristic shown in FIG. 26. 図２５に示す振幅特性と図２７に示す振幅特性の積を表示した図である。It is the figure which displayed the product of the amplitude characteristic shown in FIG. 25, and the amplitude characteristic shown in FIG. 図１に示す指向性アレーマイクロホン１の設計結果である、第２の２次元ＦＩＲフィルタ１３の指向特性を示す図である。It is a figure which shows the directivity characteristic of the 2nd two-dimensional FIR filter 13 which is a design result of the directivity array microphone 1 shown in FIG. 第１の２次元ＦＩＲフィルタ１２の指向特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing directivity characteristics of the first two-dimensional FIR filter 12. 指向性アレーマイクロホン１全体での指向特性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing directional characteristics of the directional array microphone 1 as a whole. 指向性アレーマイクロホン１全体での周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic in the directional array microphone 1 whole.

符号の説明Explanation of symbols

１ 指向性アレーマイクロホン
２ マイクロホンアレー
１０ マイクロホン
１１ マイクロホン列
１２ 第１の２次元ＦＩＲフィルタ
１３ 第２の２次元ＦＩＲフィルタ
３３ 非物理領域
３４ 通過域
５０，６０ マイクロホン取り付け器具
１０１ 指向性アレースピーカ
１０２ スピーカアレー
１１０ マイクロホン
１１１ マイクロホン列
１１２ 第１の２次元ＦＩＲフィルタ
１１３ 第２の２次元ＦＩＲフィルタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Directional array microphone 2 Microphone array 10 Microphone 11 Microphone array 12 First two-dimensional FIR filter 13 Second two-dimensional FIR filter 33 Non-physical region 34 Passband 50,60 Microphone mounting instrument 101 Directional array speaker 102 Speaker array 110 microphone 111 microphone array 112 first two-dimensional FIR filter 113 second two-dimensional FIR filter

Claims (4)

同一平面上で互いに交差する第１および第２の方向に沿って配列された複数のマイクロホンから成るマイクロホンアレーと、
前記第１の方向に沿って配列される複数のマイクロホンから成るマイクロホン列毎に設けられ、前記各マイクロホン列を構成する複数のマイクロホンから出力された信号に対して、前記第１の方向に対応した指向性を有するようにフィルタ処理を行う第１の２次元ディジタルフィルタと、
前記複数の第１の２次元ディジタルフィルタから出力された信号に対して、前記第２の方向に対応した指向性を有するようにフィルタ処理を行う第２の２次元ディジタルフィルタとを備え、
前記第１および第２の２次元ディジタルフィルタは、これらの振幅特性を時間周波数軸と空間周波数軸とから成る２次元周波数平面上で表したとき、空間周波数軸に平行な断面での通過域が、一方の非物理領域から物理領域の前記一方の非物理領域に隣接した一部の領域にかけて形成され、かつ物理領域よりも非物理領域で大きな振幅を有するように構成されることを特徴とする指向性アレーマイクロホン。 A microphone array comprising a plurality of microphones arranged along first and second directions intersecting each other on the same plane;
Provided for each microphone row composed of a plurality of microphones arranged along the first direction, and corresponding to the first direction with respect to signals output from the plurality of microphones constituting each microphone row A first two-dimensional digital filter that performs filtering so as to have directivity;
A second two-dimensional digital filter that performs a filtering process on the signals output from the plurality of first two-dimensional digital filters so as to have directivity corresponding to the second direction;
In the first and second two-dimensional digital filters, when these amplitude characteristics are represented on a two-dimensional frequency plane composed of a time frequency axis and a spatial frequency axis, a pass band in a cross section parallel to the spatial frequency axis is obtained. The non-physical region is formed from one non-physical region to a part of the physical region adjacent to the one non-physical region, and is configured to have a larger amplitude in the non-physical region than in the physical region. Directional array microphone. 前記マイクロホンアレーを構成する各マイクロホンは、前記第１の方向と第２の方向とが成す角度を変更可能な保持手段によって保持されていることを特徴とする請求項１記載の指向性アレーマイクロホン。   2. The directional array microphone according to claim 1, wherein each of the microphones constituting the microphone array is held by a holding unit capable of changing an angle formed by the first direction and the second direction. 同一平面上で互いに交差する第１および第２の方向に沿って配列された複数のスピーカから成るスピーカアレーと、複数の第１の２次元ディジタルフィルタと、第２の２次元ディジタルフィルタとを含む指向性アレースピーカであって、
前記第２の２次元ディジタルフィルタは、入力された信号に対して、前記第２の方向に対応した指向性を有するようにフィルタ処理を行って、このフィルタ処理後の信号を各第１の２次元ディジタルフィルタに出力し、
前記第１の２次元ディジタルフィルタは、前記第１の方向に沿って配列される複数のスピーカから成るスピーカ列毎に設けられ、前記第２の２次元ディジタルフィルタから出力される信号を、前記第１の方向に対応した指向性を有するようにフィルタ処理を行って各スピーカに出力し、
前記第１および第２の２次元ディジタルフィルタは、振幅特性を時間周波数軸と空間周波数軸とから成る２次元周波数平面上で表したとき、空間周波数軸に平行な断面での通過域が、一方の非物理領域から物理領域の前記一方の非物理領域に隣接した一部の領域にかけて形成され、かつ物理領域よりも非物理領域で大きな振幅を有するように構成されることを特徴とする指向性アレースピーカ。 A speaker array including a plurality of speakers arranged along first and second directions intersecting each other on the same plane; a plurality of first two-dimensional digital filters; and a second two-dimensional digital filter A directional array speaker,
The second two-dimensional digital filter performs a filtering process on the input signal so as to have directivity corresponding to the second direction, and the signal after the filtering process is applied to each of the first two-dimensional digital filters. Output to a dimensional digital filter,
The first two-dimensional digital filter is provided for each speaker row including a plurality of speakers arranged along the first direction, and a signal output from the second two-dimensional digital filter is output from the second two-dimensional digital filter. Filter processing so as to have directivity corresponding to the direction of 1 and output to each speaker,
In the first and second two-dimensional digital filters, when the amplitude characteristic is represented on a two-dimensional frequency plane composed of a time frequency axis and a spatial frequency axis, a pass band in a cross section parallel to the spatial frequency axis is The directivity is formed from a non-physical area to a part of the physical area adjacent to the one non-physical area and configured to have a larger amplitude in the non-physical area than in the physical area. Array speaker. 前記スピーカアレーを構成する各スピーカは、前記第１の方向と第２の方向とが成す角度を変更可能な保持手段によって保持されていることを特徴とする請求項３記載の指向性アレースピーカ。   4. The directional array speaker according to claim 3, wherein each speaker constituting the speaker array is held by holding means capable of changing an angle formed by the first direction and the second direction.
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