JP4987358B2 - マイクロフォンのモデリング - Google Patents

Description

本発明は、結合された信号が、個々のカプセルから由来する個々の信号の結合によって生成される、いくつかのカプセルからなるマイクロフォンのモデリングのための方法に関し、個々のカプセルの指向性パターンは、本質的に、球面調和関数（ｓｐｈｅｒｉｃａｌｌｙ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）によって記載され得、これらの結合された信号の少なくとも二つは、マイクロフォンの信号の決められた指向性パターンを達成することに特定される重みを用いて、追加される。

指向性（ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ）パターンは、マイクロフォンの選択における重要な基準である。応用の領域に依存し、無指向性（ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）、カージオイド、または８の字（ｆｉｇｕｒｅ−ｅｉｇｈｔ）の指向性パターンを有するマイクロフォンが使用される。これらの指向性パターンは周波数依存であることは、しばしば看過される。例えば、無指向性パターンを有するマイクロフォンは、高周波数における音源は、好ましくは、マイクロフォンの主軸において受信されるため、より高い周波数において指向的な効果を展開する。利用的な指向性の動きからのそのような逸脱は所望されず、というのは、結果としての周波数応答は、音（空間における反響）の変化を拡散させるために、音の発生の角度および直接音（すなわち、主方向からの音）の比率の関数となる。

異なる指向性パターンが二つのカプセル信号を結合させることによって得られ得る方法は、特許文献１に記載されており、例えば、「球体」および「８の字」をカージオダイドに追加したものなどである。これに対する必須条件は、両方の信号の強さが等しく大きいことである。無指向性および８の字の信号に重みを置くことによって、その結果としての指向性パターンは、無指向性（ｏｍｎｉ）と８の字との間、例えば、低カージオイド（ｈｙｐｏ ｃａｒｄｉｏｉｄ）から、カージオイド、スーパーカージオイド（ｓｕｐｅｒｃａｒｄｉｏｉｄ）、ハイパーカージオイド（ｈｙｐｅｒｃａｒｄｉｏｉｄ）まで、段がないように調整され得る。この文献において記載されるように、無指向性および８の字信号の周波数応答は、それらの追加の前に、互いに分離して、恣意的に変更され得る。個々の信号の周波数応答に影響することによって、追加によって生成される信号の周波数応答および指向性パターンは、それゆえ、恣意的にモデル化され得る。

このシステムの弱点は、既に上述したように、増加する周波数を用いて、「無指向性マイクロフォン」の指向性パターンを含むので、所望される指向性パターンがもはや、回転的には（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ）、対称ではない。付け加えて、統合された指向性パターンは、機械的設計（空間における、関連するカプセルの配置および方向）に綿密に関連される。電子的な回転および傾斜は、それゆえ可能ではない。付け加えて、指向性パターンに影響することは、少数の帯域に限定されるため、現技術状態に従ったマイクロフォンの正確なモデリングは（それが非常に周波数選択的であるゆえに）、限定された方法においてのみ可能である。付け加えて、使用されるカプセルの特定の属性は、このインプリメンテーションにおいて可能ではない。その代わり、典型的な（ｉｄｅａｌ）カプセルが想定される。例えば、これは０度周波数応答に影響を与え、というのは、それが、無指向性信号と８の字信号との間のセット比率の関数として変化するからである。

別のアプローチは、対応する特許文献２（ＤＥ ２５ ３１ １６１ Ｃ１とともに）によって追求され、その開示は、この記載において、参照により十分に含まれ得、いわゆるサウンドフィールドマイクロフォン（時に、Ｂフォーマットマイクロフォンとも呼ばれる）が記載される。これは、個々のカプセルが４面体に配置されている４つの勾配圧力カプセルからなるマイクロフォンを含み、それらの個々のカプセルの膜が、４面体の仮想表面に対して実質的にパラレルである（図４）。これらの個々のカプセルのそれぞれは、それ自体の信号Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを伝える。それぞれ個々の圧力レシーバは無指向性（ｏｍｎｉ）から逸れる指向性パターンを有し、その無指向性はほぼ、（１−ｋ）＋ｋ×ｃｏｓ（θ）という式において表され得、θは、カプセルがサウンドに露出される方位角（ａｚｉｍｕｔｈ）を意味し、比率係数であるｋは、その信号が無指向性の（ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）信号からどれだけ強く逸脱するかを示す（球体においては、ｋ＝０、図における参照番号８においては、ｋ＝１）。個々のカプセルの信号は、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤである。それぞれ個々のマイクロフォンの指向性パターンの対称軸は、膜、または対応する４面体の表面に対して直角である。それぞれ個々のカプセルの指向性パターンの対称軸（個々のカプセルの主方向とも呼ばれる）は、それゆえ、およそ１０９．５度の角度を含む。

上記の特許における計算手順に従い、４つの個々のカプセル信号がここで、いわゆるＢフォーマット（Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ）に変換される。その計算手順は、
Ｗ＝１／２（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）
Ｘ＝１／２（Ａ＋Ｂ−Ｃ−Ｄ）
Ｙ＝１／２（−Ａ＋Ｂ＋Ｃ−Ｄ）
Ｚ＝１／２（−Ａ＋Ｂ−Ｃ＋Ｄ）
である。

形成信号は、一つの球体（Ｗ）および３つの８の字（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を含み、互いに直交している。後者は、それゆえ、３つの空間的方向に沿って配置される（図６）。平坦なエネルギー特性が可聴範囲における周波数に関連して達成されるように、全方向に対して周波数および位相応答を設定するために、信号Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚを均等にすることが必要不可欠である。ゼロ次の信号（Ｗ）および１次の信号（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に対して、理論的イコライゼーション特性は、特許文献２に記載されており、それは、マイクロフォンのカプセルの中央と４面体の中央との間の周波数および効果的なスペーシング（ｓｐａｃｉｎｇ）に依存する。

他のイコライゼーションの方式は、非特許文献１から採用され得る。

これらのイコライゼーションの方式は、実際的な状況に対して調整されない、理論的な考慮を反映する。というのは、それらは、一律に静的に分配される（例えば、反響音）音場に対して適用するのみだからである。

そのようなイコライゼーションの方式はまた、フリーの音場に対して、不十分な発生を平準化することが不可能である。というのは、それらは、一次元フィルタリング（すなわち、音の発生の方向からは独立している）に基づいているからである。おおまかに２５ｍｍのカプセル空間を用いた４面体のカプセル配置に対する無指向性信号の極座標図（図２）を参照する。カプセル空間を減じることによってのみ、おおまかに１２ｍｍのカプセル空間を用いた４面体のカプセル配置に対する無指向性信号の極座標図（図３）において明らかなように、人工物はより高い周波数にシフトされ得る。

Ｂフォーマット信号はまた、個々のカプセル信号の周波数依存によって強く影響を受ける。これは、達成された指向性パターンが、理論的に計算されたものから逸脱することを意味する。

音場マイクロフォンに関連する弱点はまた、用いられたカプセルの実際の属性、および、個々のカプセルの同時発生ではない配置を説明するのに失敗しているのは明らかである。

特許文献３は、２次元または３次元空間配置に配置された、複数の個々の感圧性の（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）マイクロフォンからなるマイクロフォンアレイを開示する。個々のマイクロフォン出力信号が処理され、異なる信号が生成され、それぞれの異なる信号は、対のマイクロフォンに対応する個々のマイクロフォン出力信号の間の違いを含む。選択的に重みを置かれた異なる信号を結合させた後、アレイ出力信号は可変となる。個々のマイクロフォン出力の周波数依存は考慮されない。

非特許文献２は、円形（ｃｉｒｃｕｌａｒ）のマイクロフォンアレイに関し、それは、硬い球体の回りに取り付けられる。異なるビームパターンが分析され、シミュレーションがなされ、結果と比較される。そのようなアレイは、同時発生的なマイクロフォンではなく、個々のセンサの周波数依存の指向性パターンは考慮されず、出力信号の周波数依存を保つための対策はとられていない。
独国特許発明第 ４４ ３６ ２７２号明細書 米国特許第４０４２７７９号明細書 欧州特許第０８６９６９７号明細書 Ｍｉｃｈａｅｌ Ａ． Ｇｅｒｚｏｎによる、「Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ ａｒｒａｙｓ ｆｏｒ ｓｔｅｒｅｏ ａｎｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄ ｓｏｕｎｄ」、５０ｔｈ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ａｕｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、 １９７５年 Ｍｅｙｅｒ Ｊｅｎｓによる、「Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ ａｒｒａｙ ｍｏｕｎｔｅｄ ｏｎ ｓｐｈｅｒｉｃａｌｌｙ ｓｈａｐｅｄ ｏｂｊｅｃｔｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、 Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ． Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、ＵＳ、ｖｏｌ．１０９、ｎｏ．１、１月、２００１年（２００１−０１）、ｐｐ．１８５−ｐｐ．１９３

本発明の目的は、従来技術における弱点を解決し、恣意的な合成された指向性パターンが、Ｂフォーマット信号（すなわち、指向性パターンが実質的に球面調和（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）によって記載され得るこれらの信号）に対応するイコライゼーションによって意図的に生成され得る方法を提供することである。実際のカプセルおよび同時発生的でないレイアウトに基づいた従来技術において生じる弱点は、可能な限り除去される。同時に、見込みとしては、異なる周波数または異なる周波数範囲に対して指向性パターンを調整することを提供し、それゆえ、周波数依存の指向性の動きに関連した、恣意的な現行の、または自由に規定されたマイクロフォンをシミュレートする。また、全空間方向における（決められた）指向性パターンを回転（ｒｏｔａｔｅ）させることが可能である。

本発明に従い、これらの目的は、マイクロフォン信号の指向性因数（ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）が計測データから少なくとも一つの空間的領域（角度領域）に対して決定され、決められた値と比較され、ならびに、この決められた値からその決定された指向性因数の偏差の関数として、結合された信号に重みを置くことが、その指向性因数が決められた値に一致し、または少なくとも決められた範囲内に存在するまで変更されるという事実に加えて、マイクロフォンが、異なる空間的方向から、および必要に応じて、異なる周波数において計測されるという、前述されたタイプの方法を用いて、達成される。

個々の信号から結合された（合成された）指向性パターンの指向性因数は、それゆえ、計測されたデータから決定され、次いで、決められた値と比較される。決められた値から指向性因数の偏差に依存し、重み因数は、その指向性因数が決められた値に一致するまで、適合プロセスにおいて変更される。「合成指向性パターン」は、個々のＢフォーマット信号の任意の結合を意味すると理解され、好ましくは、少なくとも一つの追加的なＢフォーマット信号（８の字）を有する球体（Ｗ）である。個々の信号は、次いで、対応する重みを用いて検討される。重み因数の調整は、指向性因数が決められた値に一致するまで、または、特定の範囲内に存在するまで、生じる。

「指向性パターン」という用語は、実際のカプセルの指向性パターンを意味すると単に理解されるのではなく、信号一般の指向性パターンを意味すると理解される。これらの信号は、他の信号（例えば、Ｂフォーマット信号）からなり得、複雑な指向性パターンを有する。一部の状況の下でのそのような「指向性パターン」は、個々の実際のカプセルを用いてインプリメントされ得ず、数式（ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ）指向性パターンが適用される。というのは、空間領域の形成または統合信号は、好ましくは、音声情報を供給するからである。

本発明はまた、以下の手段を提供する。

（項目１）
いくつかのカプセルからなるマイクロフォンをモデル化する方法であって、上記カプセルの個々の信号から始まり、結合信号が生成され、その指向性パターンが、球面調和関数によって本質的に記載され得、これらの結合信号の少なくとも二つが、マイクロフォン信号に対して、所定の重みを追加され、上記方法は、
上記マイクロフォンが異なる空間的方向および異なる周波数にて計測され、
上記マイクロフォン信号の指向性因数が、少なくとも一つの空間的領域に対する上記計測されたデータから決定され、決められた値と比較され、
上記決められた値から上記決定された指向性因数の偏差の関数として、上記結合信号の重みが変更されることを特徴とする、方法。

（摘要）
本発明は、いくつかのカプセルからなるマイクロフォンをモデル化するための方法に関し、そこで、個々のカプセルから由来する個々の信号を結合させることによって、結合信号が生成され、その指向性パターンは、球面調和によって本質的に記載され得、これらの結合信号の少なくとも二つが、マイクロフォン信号に対して、所定の重みを追加される。本発明は、マイクロフォンが異なる空間的方向および必要に応じて異なる周波数にて計測され、マイクロフォン信号の指向性因数が、少なくとも一つの空間的領域に対する計測されたデータから決定され、決められた値と比較され、決められた値から決定された指向性の偏差の関数として、結合信号の重みが変更されることを特徴とする。

本発明は、図面を参照して、以下でさらに説明される。

図１は、いわゆる、音場（ｓｏｕｎｄ ｆｉｅｌｄ）マイクロフォン（Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ）の信号またはカプセル１、２、３、および４が、前述計算手順に従った、マトリックス５におけるＢフォーマット（Ｗ、Ｘ、ＹおよびＺ）に変換することに従った、ブロック図を示す。対応する増幅器は、カプセルとマトリクスとの間にて接続される。フィルタ６、７、８、および９は、Ｂフォーマット信号のイコライゼーションを保証する。

図４は、球体の表面に配置された、圧力勾配カプセル１、２、３、および４を有する音場マイクロフォンを示す。特に、カプセルの膜は、４面体の側面と平行である。Ｇｅｒｚｏｎの仕事に基づいて、一つの試みが、これらの圧力勾配カプセルの手段によって、空間における単一の点における音場をイメージするためになされる。その結果、Ｂフォーマット（無指向性の信号および８の字信号）の信号構成要素が決定され得る。個々のカプセル信号自体の指向性パターンは図５に示される。「８の字」の主な方向は、４面体を囲む立方体（ｃｕｂｅ）の両側に関連する法線である（図６）。これらのＢフォーマット信号の少なくとも二つの線形の結合を介して、恣意的な（空間的な方向および指向性パターン）マイクロフォンカプセルは合成され得る。実際のカプセルの使用に基づいた理論からの偏差、および同時発生の要求の違反（ｖｉｏｌａｔｉｏｎ）は、統合されたマイクロフォンの実行における質の低下を生じる。

特に、マイクロフォンの統合またはモデル化（これは技術的な専門語において呼ばれるように）は、無指向性の信号（Ｗ）と、８の字の信号（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のうちの一つ以上とを結合させることによって生じ、線形（ｌｉｎｅａｒ）の重み因数、すなわち、Ｗ＋ｋ×Ｘを可能にする。本発明は、実際の例に関連して、それに制限されることなく、以下でさらに説明される。

無指向性とカージオイドとの間の範囲における指向性パターンにとって、これは、式Ｋ＝Ｗ＋ｋ×Ｘによって記載されるように、Ｘ方向における統合されるカプセルに対して生じ、ｋは、０よりも大きい任意の値を想定し得る。通常、得られた信号Ｋのレベルは標準化され、その結果、所望される周波数の進行（ｃｏｕｒｓｅ）は、統合されたカプセルの主な指向性に対して生成される（以下でさらなる、「最適化プロセスの結論」を参照）。統合されたカプセルが、任意の方向において閲覧される場合、追加的な重み因数は必要に応じて得られ、というのは、任意の方向における統合されたカプセルの回転（ｒｏｔａｔｉｏｎ）が、３つの直交の８の字（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の線形の結合を介して生じる。

本発明の本質は、実際の構造に基づく人工物の包含を表し、厳密に言えば、無指向性信号の比率、および、個々の８の字信号の比率に対するパラメータのセットは、カプセルのモデル化が生じるそれぞれの方法に対して計算されなければならない。個々の８の字信号（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の指向性パターンは互いに異なることが暗黙のうちに想定されている。例えば、４つの実際のカプセルのうちの一つが他の３つのカプセルと異なる場合、これは問題である。しかしながら、この状況は、８の字の信号のうちの一つが、一度足りとも正確でない場合、カプセル信号の統合は、矛盾（ａｂｓｕｒｄｉｔｙ）を導く。

現在の技術の状況では、実際（ｒｅａｌ）のカプセルの使用およびそれらの配置に基づいた、理論と実践との間の差異よりもはるかに小さい程度で、周波数応答および指向性パターンにおいて異なる、４つのカプセルを生成することが可能である。互いに関連する個々のカプセルの違いは、それゆえ、極僅かである。結果として、上記の式を用いて、無指向性信号と恣意的な８の字信号との間の比率を調べるには十分である。

マイクロフォン全体の予測可能な指向性パターンは、個々のＢフォーマット信号の大きさが、等しく大きいか、または、互いに関連して知られている場合にのみ、達成される。正確に条件を満たしていない同時発生の状況、および、個々のカプセルの指向性パターンの周波数依存によって生じる人工物に基づいて、個々のＢフォーマット信号の増幅が理想的な値から逸脱することがここで生じる。この偏差は周波数依存である。

ここで図７は、実際的な例において、この問題が本発明に従って解決され得る方法を示す。最初に、実際のマイクロフォン構造の計測されたデータが決定される。これは、全方向および全ての周波数において生じる。特に、テスト信号を発する音源は、例えば、マイクロフォン全体の配置に亘って、毎５度または１０度の空間的感覚において回転され、その結果、計測された信号は、全ての空間的方向に対して存在する。この手順は、異なる周波数または周波数範囲に対して行われる。マイクロフォンカプセルのモデル化が生じ、その結果、最初にＢフォーマット信号が、上述の手順に従って、個々のカプセル信号から決定される。これらは、例えば、無指向性信号と８の字信号との間の、特定の重み因数ｋによって、特定の指向性パターンを達成するために、互いにリンクされる。指向性因数γはここで、この結合から結果として生じる全体の信号に対して計算される。

これは、得られた指向性パターンを特徴付けるために、以下で使用される。Ｍ（θ，φ）はまた、「指向性効果関数（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）」または「感度（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）」と呼ばれる。音声受信のための電気音響学的な変換器に対する指向性因数は、特定の周波数において、主軸に沿って到達する音波に対する自由空間の感度の二乗の比率として規定され、全方向からの等しい確率を有して、変換器に到達する一連の音波の平均平方の感度である。

指向性因数の計算に対して、僅かに偏差する式もまた、従来技術において知られている。しかしながら、これらは、前因子（ｐｒｅｆａｃｔｏｒ）、平準化（ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）、および積分（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、総和（ｓｕｍｍａｔｉｏｎ）の制限（総和が、間隔の代わりに生じる場合）によってのみ異なる。自由空間の感度の二乗｜Ｍ（θ，φ）｜^２は、全ての式に対して本質的であり共通である。上述の異なる指向性パターンに対して以下の値が、上述の式に従った、指向性因数γに対して得られた。
球体 １
カージオイド ３
スーパーカージオイド ３．７３
ハイパーカージオイド ４
８の字 ３
音場マイクロフォンの計測の間、モデル化されたマイクロフォンに対する感度Ｍは、ここで、テスト音源のそれぞれの部分に対して決定される。所定のテスト配置（または方向）に対する感度Ｍは、計算方法による、および、主方向から生じる音の発生の間に生じる大きさに関連する結合において、モデル化された信号の大きさに対応する。これは、多かれ少なかれ、平準化を表す。すなわち、主方向からの感度は、１（または０ｄＢ）である。感度Ｍに対する別個の計測されたデータから、指向性因数γはここで、それぞれの計測された周波数に対して決定される。積分（ｉｎｔｅｇｒａｌ）が総和によって置き換えられ得るか、または、計測された値が関数Ｍ（θ，φ）に対して補間され得るかのいずれかである。そのようにして決定された指向性因数は、次いで、決められた値と比較される。それが決められた値に一致する場合、結合された二つの信号間の重み因数ｋは、変化しないままである。しかしながら、指向性因数γが決められた値から逸脱する場合、重み因数ｋは、その決定された指向性因数が、決められた値に一致するか、または固定された範囲内に存在するまで、調整される。

この重み因数ｋは、ここでは、フィルタにおける個々のＢフォーマット信号に対して使用される係数に対する基準である。それは、それぞれの周波数またはそれぞれの周波数範囲に対して決定され、継続的な周波数依存の関数に対して外挿され得る。

この方法は単に、本発明の好ましい変形を表す。しかしながら、本発明は、一般に、個々のカプセルから結合された信号が生成され得る、いくつかのカプセルを含むマイクロフォンに関連し、その指向性パターンは、球面調和によって本質的に記載され得る。「本質的」という表現は、正確に条件を満たしていない同時発生の状況（例えば、図２および図３の極座標表現における、花のような形をした偏差である）の結果として生じる偏差を意味する。理論においては、球面調和関数を用いて、明白に計算されるが、実際は、偏差および人工物が生成され、その大きさは、図２および図３に示されるように、個々のカプセルの互いの間隔のあき具合に依存している。

これらの人工物は、線形の平準化の式によって補われ得ず、その結果、形成信号は、正確に同時発生の構造の信号と同一である。図２において明らかであるように、無指向性信号（Ｗ信号）のみを考慮する場合、不十分な同時発生は、無指向性信号（花のような形の極座標図）の角度依存（例えば、方位角（ａｚｉｍｕｔｈ））という結果になる。理想的な無指向性信号は、音の発生角度からは独立している。図３は、同一の計測配置の結果を示すが、個々のカプセルは互いの僅かな間隔のあきを有する違いを有する。任意のタイプのイコライゼーションフィルタは、音の発生角度を考慮せずに、無指向性信号を平均化することができないのは明らかである。これらの偏差の状況において、しかしながら、信号は、球面調和を用いて記載または概算され得る。「本質的」という表現はまた、この意味において理解される。

本発明の方法において使用される球面調和（例えば、球体座標における、ゼロ次（ｚｅｒｏ−ｔｈ ｏｒｄｅｒ）球面調和に対する、Ｗ（ｒ，φ，θ）、および、３つの１次球面調和信号のうちの一つに対する、Ｘ（ｒ，φ，θ））は、ゼロ次および１次に限定されない。カプセルの数と配置に対応することによって、音場は、２次およびさらに高い次元の球面調和によって表され得る。

全てのＢフォーマット信号は互いに直交する。音場はそれゆえ、音場マイクロフォンによって分割され、互いに直交する構成要素となる。直交性は、音場の区分された（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅｄ）表示を可能にし、その結果、二つ以上の必要に応じて重みをかけられたＢフォーマット信号が、所望の指向性パターンを有するマイクロフォン信号を形成するように、意図的に結合され得る。音場を、２次球面調和を追加的に含むＢフォーマット信号に分離すると、音場のさらなる微分された表示およびさらに高度な空間的分解能を可能にする。

第２次（ｓｅｃｏｎｄ−ｏｒｄｅｒ）音場マイクロフォンは以下で検討される。マイクロフォンのこのタイプは、例えば、非特許文献１にて扱われている。

第２次まで球面調和関数を表現することができる音場マイクロフォンは、例えば、１２個の個々の勾配マイクロフォンカプセルを要求し、図８にて示されるように、それぞれの面がカプセルをキャリーする１２面体の形式において配置される。カプセルの番号付けは、上部の表側の「ａ」から始まり、右底の「１」にて終わる。以下の式を理解するために、直交座標システム（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ）が、基礎として使用され、個々のカプセルの通常のベクトルは以下のように規定される。
二つの補助的な量が導入される場合、

これらの通常のベクトル

は簡潔に記載され得る。

既知のゼロ次（ｚｅｒｏ−ｔｈ）を用いたＢフォーマット、および第１次信号Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚは、ここで、２次球面信号（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ）要素に対応する追加的な信号によって拡張され得る。これらの５つの信号は、Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｕ、およびＶという文字で示される。カプセル信号ｓ１、ｓ２・・・ｓ１２と、それに対応する信号Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｕ、およびＶとの間の関係は、以下の表において示される。

式の理解を補助する、前述の導入された一定の補助的な値χ^＋およびχ⁻もまた考慮される。

本発明は、指向性パターンが球面調和によって本質的に記載され得るこれらの信号が、マイクロフォン全体の所望の指向性パターンを達成するために、互いに結合されなければならない。Ｂフォーマットに変換される個々の信号の重みは本質的である。これらのＢフォーマットの信号はまた、結合信号とも呼ばれる。

上述の場合において、ゼロ次信号（無指向性信号）、および１次信号（８の字信号）の重み因数は、指向性因数によって調整される。しかしながら、指向性の因数の値のリストにおいて明らかであるように、一部の場合における指向性因数は、曖昧な結果を生む。すなわち、所定の値（例えば、３と４との間）に対して、それが、カージオイドとハイパーカージオイドとの間、または、ハイパーカージオイドと８の字との間の指向性パターンが含まれるかどうかが、迅速に決定され得ない。しかしながら、指向性因数の計算に要求されるデータから、感度が最小（すなわち、除去（ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）角度）になる角度が容易に決定され得る。それゆえ、例えば、スーパーカージオイドは、９０度と１０９度との間のキャンセル（ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ）方向を有する指向性パターンではなく、３．７の指向性因数の基礎を形成する。

より高次の球面調和信号がまた利用可能である場合、実際のカプセルおよび実際の構造の歪（ｄｉｓｔｏｒｔｉｎｇ）属性は、重み因数を調整することによって、可能となる。しかしながら、計測手段である「指向性因数」は、空間的角度に関連する曖昧性に適合されなければならない。というのは、さらに多くの可能性が、３つの信号（ゼロ次、１次、および２次）の結合による特定の指向性因数を達成するために生成されるからである。

この状況を可能にするために、指向性因数は、異なる空間的領域または角度領域に対して、別々に、計算され得る。積分は、それゆえ、所定の空間的領域を介してのみ実行される。この方法において決定されたこれらの個々の指向性因数構成要素の間の比較は、指向性パターンを有する、クリアーな割り当てを可能にする。

結果として、３つの信号（ゼロ次、１次、および２次）の結合として形成され得る任意の可能な指向性パターンは、指向性因数パラメータのセット（一部）によって記載され得る。最適化アルゴリズムのタスクは、次いで、指向性因数パラメータの所望のセットの実際のマイクロフォン構造の計測データからの結果として生じるこれらの３つの信号に対する重み因数の結合を見出す。周波数の関数として、線形の結合パラメータをターゲットにした最適化によって、歪は最小化され得る。統合されたマイクロフォンカプセルの主方向からの周波数応答の追加的な調整は、追加的な計算の必要なしに、可能である。

統合された指向性パターンは、コンピュータを用いて、全方向に回転可能である。音場マイクロフォンにおけるシャドーイング（ｓｈａｄｏｗｉｎｇ）効果は存在しない。というのも、マイクロフォンの入射方向全ては、球面に存在し、それゆえ、互いに、相互にマスクしないからである。実際のマイクロフォンのカプセルの配置は、個々の実際のマイクロフォンカプセルのそれぞれによって原因となる構造発生のノイズ（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−ｂｏｒｎｅ ｎｏｉｓｅ）が、計算された無指向性信号において補償されることを意味する。しかしながら、これは、８の字の信号に適用しない。最適化プロセスの結果の後、主方向（０度）からの周波数応答が決定され、その周波数応答が主方向から決められた値へ調整される、イコライゼーションフィルタが計算される。より良い表示のために、式Ｋ＝Ｗ＋ｋ×Ｘから始め、ほぼ純粋な８の字（Ｘのみ）に対して、重み因数Ｋは相当に増加され、その結果、０度の周波数応答は、それゆえ変更される。最終のステップにおいて、これは、決められた値に従って、主方向の周波数応答のイコライゼーションによって修正され得る。

調整され、および最適化された重みパラメータによって、ＦＩＲフィルタ係数が計算され、次いで、Ｂフォーマット信号の信号経路（フィルタ６、７、８および９）に影響を与える。その結果、マイクロフォンカプセルの所望されるモデル化は、その後の結合によって達成される。

本発明に従った手段を用いて、マイクロフォンの完全に新しい可能性が得られた。全ての通常のマイクロフォンの音声の動きをモデル化または模造は、以前には達成しえなかった質のレベルにおいて可能となり、新しい音声の特性の設計もまた可能である。

音場マイクロフォンのＢフォーマット信号の計算およびその後のイコライゼーションのアイアプリケーション、信号接続を表すブロック図を示す。 イコライゼーションフィルタを用いて達成される指向性パターンの極座標図を示す。 図２に対応する極座標図を示すが、個々のカプセル間のより小さい間隔を有する。 音場マイクロフォンにおけるカプセルの配置を示す。 音場マイクロフォンの個々のカプセルの指向性パターンを示す。 Ｂフォーマット（１次の球面関数）の突出部（ｌｏｂｅ）を示す。 イコライゼーションのためのフィルタ係数の計算のための略ブロック図を示す。 ２次音場マイクロフォンにおけるカプセルの配置を示す。

符号の説明

１、２、３、４ カプセル
５ マトリックス
６、７、８、９ フィルタ

Claims (3)

1. マイクロフォンをモデル化する方法であって、該マイクロフォンは、複数のカプセルを備え、該複数のカプセルは、音波を表すそれぞれのカプセル信号を生成し、
   該方法は、
   音源からテスト信号を発することにより、マイクロフォンの該カプセル信号を、複数の空間的方向から、複数の周波数において計測することと、
   該複数のカプセル信号をＢフォーマット信号に変換することによって、該それぞれのカプセル信号から複数の結合信号を生成することであって、該複数の結合信号の指向性パターンは、球面調和関数によって記述される、ことと、
   該複数の結合信号のうちの少なくとも一つの結合信号を所定の重み付け因子で重み付けすることと、
   ゼロ次指向性パターンを有する該複数の結合信号のうちの一つの結合信号を該少なくとも一つの重み付けされた結合信号と結合することによって全体の信号を生成することと、
   少なくとも一つの空間的領域に対する該マイクロフォンの少なくとも自由空間の感度の関数に従って、該全体の信号の指向性因子を計算することと、
   該指向性因子を所定の値と比較することと、
   該指向性因子が該所定の値に一致するまで、該指向性因子の該所定の値からの偏差の関数に従って、該複数の結合信号のうちの該少なくとも一つの結合信号の該重み付け因子を調整することと
   を包含する、方法。
2. 前記複数の結合信号は、前記複数のカプセル信号の線形の結合を介して、該複数のカプセル信号をＢフォーマット信号に変換することによって、生成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記全体の信号は、前記複数の結合信号のうちの前記一つの結合信号を前記少なくとも一つの重み付けされた結合信号との線形の結合を介して結合することによって生成される、請求項１または２に記載の方法。

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