JPH05216495A - 音声信号入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 騒音環境下で高いＳＮ比を得る。 【構成】 発声者１１の前方において単一指向性主マイ
クロホン１２がその最大指向方向を口元に向けて配さ
れ、発声者１１の後方において単一指向性副マイクロホ
ン１３が、その最大指向方向が発声者１１と反対向きに
配される。マイクロホン１２，１３の各出力はそれぞれ
帯域通過ろ波器１４，１５で、音声の特徴量抽出に十分
な周波数帯域のみが通過され、その各出力はそれぞれ利
得調整器１６，１７でレベル調整され、更に移相器１
８，１９を通じて減算器２１で互いに減算される。発声
者１１が発声しない状態で、減算器２１の出力がゼロに
なるように利得調整器１６，１７、移相器１８，１９が
調整される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、周囲騒音や反射音の
生ずる環境下で発声した音声収音してその音声を認識す
る、音声認識装置や各種の音響信号収録装置に適用され
る音声信号入力装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】情報の伝達手段としては、一般的には手
で操作するタイプライタや押しボタン等に比べて、音声
を用いた場合の方が伝送速度や操作性の点で優れてい
る。音声を情報伝達の手段に用いる場合には、伝達する
相手が人間もしくは機械の別なく、発声音声の内容を正
しく認識理解出来ることが必要である。

【０００３】発声音声の認識・理解を向上するために
は、騒音や反響音の影響を極力排除してクリヤな音声信
号を得ることが必要となり、これを実現するために指向
性の鋭いマイクロホンを用いたり、２個の指向性マイク
ロホンをほぼ同一箇所でその基準軸（感度が最大となる
指向性の主軸) を互いに逆方向に設定して各マイクロホ
ン間の差分信号を用いたり、さらには複数のマイクロホ
ンを用いた構成により騒音源方向に対して感度を低下さ
せ、話者方向に高感度となるような技術を用いて騒音を
除去する等の手法が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、指向性の鋭い
マイクロホンを実現するにはその外形寸法、特に長さ方
向の寸法を大きくする必要が有り、狭い空間での使用に
際しての制約や、スペースが十分にある場所での使用に
おいても外観上目障りになるという欠点がある。さら
に、複数のマイクロホンを用いて感度指向特性を適応的
に設定する技術を用いた収音装置は、現在ではまだ汎用
的に使用するには高価であると言う欠点がある。一方、
従来例の構成法の一つとして、２個の指向性マイクロホ
ンをほぼ同一箇所に設定して各々のマイクロホンの基準
軸が逆方向となるように設定して、各マイクロホンの出
力信号の減算により騒音信号を低減しようとするものが
ある。しかしこの場合は、２個のマイクロホンが近接し
ているために音声に対する２個のマイクロホン間の出力
比が十分大きくとれないと言う欠点があった。従って、
騒音や反響音の大きな場所で収音した音声から、音声以
外の不要な成分を除去した音声信号の抽出に関しては、
上記した従来例においては形状寸法、価格及び性能等の
面からそれぞれ一長一短があり、実用上十分な特性を得
ているとはいい難い状況下にある。

【０００５】この発明はこの様な点に鑑み、騒音や反射
音の存在する環境下で発声した音声から、これらの不要
成分を除去して認識・理解を向上できるクリーンな音声
を得ることを狙いとし、小型化を図ってかつ安価に提供
できる音声信号入力装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明によれば発声者
の前方に単一指向特性の主マイクロホンが配され、その
主マイクロホンの基準軸と発声者の口元を通る前後方向
とがなす角度は９０°以下とされる。発声者の後方に単
一指向特性の副マイクロホンが配され、その副マイクロ
ホンの基準軸と前記前後方向とがなす角度は９０°以上
とされる。これら主マイクロホン、副マイクロホンの各
出力相互の位相を変化することができる移相器が設けら
れる。その相互に位相変化された両マイクロホンの出力
は互いに減算器で差がとられる。

【０００７】発声者の近くにその前後方向に延長した音
響的反射体が存在する場合は、その反射体に主マイクロ
ホン、副マイクロホンがなるべく接近され、かつこれら
両マイクロホンの各基準軸は反射体とほぼ平行とされ
る。

【０００８】

【作用】主マイクロホンの出力中の騒音成分と、副マイ
クロホンの出力中の騒音成分とが同位相となるように移
相器が調整され、両マイクロホン出力の差分がとられ
て、その騒音成分はほぼ零となる。一方、発声者の音声
に対しては、主マイクロホンと副マイクロホンとがその
基準軸が異なることと、発声者自身の頭部回折効果によ
って前方と後方とで生ずる指向性との相乗効果とによ
り、両マイクロホンの出力中の音声のレベル差が強調さ
れ、両マイクロホン出力の差分をとった状態で主マイク
ロホン出力中の音声がそれ程レベル低下することなく取
り出される。

【０００９】

【実施例】図１Ａにこの発明の実施例を示す。発声者１
１の前方に単一指向特性の主マイクロホン１２が配され
る。主マイクロホン１２は主に音声信号を収音するため
のものであり、その基準軸は、発声者１１の口元に向か
い、前後方向と平行とされている。発声者１１の後方に
単一指向特性の副マイクロホン１３が配される。副マイ
クロホン１３は主として騒音信号を収音するためのもの
であり、その基準軸は発声者１１の口元と反射向きで前
後方向と平行とされている。

【００１０】マイクロホン１２，１３の各基準軸を図に
おいて矢印で示している。マイクロホン１２，１３は例
えば図１Ｂに実線で示すような単一指向特性、あるいは
更に指向特性の鋭いものであり、同図に示すようにマイ
クロホンの基準軸（信号源方向に対して最大感度となる
方向) を０度として、その１８０度方向の感度が低減し
ている、通常的に使用される汎用的なものを用いること
ができる。図１Ｂ中の破線は、全方向に対して同等の感
度を有する無指向性マイクロホンの特性を比較のために
示している。

【００１１】主マイクロホン１２、副マイクロホン１３
の各出力はそれぞれ帯域通過ろ波器１４，１５に通され
て、音声信号の特徴量を抽出するために十分な周波数帯
域幅の信号が取り出される。これら帯域通過ろ波器１
４，１５の各出力はそれぞれ利得調整器１６，１７を通
り、更に移相器１８，１９を通って減算器２１へ供給さ
れる。

【００１２】まず、主マイクロホン１２及び副マイクロ
ホン１３によって受音される各音響信号の中で、音声信
号を含まない騒音信号に対する出力が以下の過程で各部
の調整及び制御が行われる。すなわち、主マイクロホン
１２及び副マイクロホン１３によって受音される騒音信
号は、音声信号の特徴量を抽出するのに十分な帯域幅で
設定された帯域通過ろ波器１４，１５で周波数制限さ
れ、次に利得調整器１６，１７で各マイクロホンの出力
レベルが等しくなるように調整される。さらに、騒音信
号に対する両マイクロホン１２，１３間の位相差がほぼ
零となるように移相器１６，１７で調整される。このよ
うにして振幅並びに位相差の補正がなされたマイクロホ
ン１２，１３で収音された各騒音信号の出力レベルは、
減算器２１で差分処理がなされその出力が信号出力端子
２２へ取り出される。以上の処理によれば基本的に、騒
音信号に対しての出力端子２２の出力レベルは零とな
る。

【００１３】このような調整の後、発声者１１からの音
声信号を収音する。この音声信号は、主マイクロホン１
２と副マイクロホン１３との各々のマイクロホン基準軸
が互いに逆方向に設定されていることによって生ずるマ
イクロホンの指向特性によるレベル差と、後述する発声
者１１自身による頭部の回折効果による放射指向特性に
よって生ずるレベル差とが相乗的に加算されて得られ、
比較的大きなレベルで音声信号は得られる。

【００１４】図２に、マイクロホンの個数を増加した場
合のその配置構成例を示す。図２Ａは水平面内で主マイ
クロホン１２ａ，１２ｂ，１２ｃと副マイクロホン１３
ａ，１３ｂ，１３ｃとを配した場合で、主マイクロホン
１２ａ，１２ｂ，１２ｃは発声者１１の前方に位置し、
その各基準軸は発声者１１の口元に向かっている。副マ
イクロホン１３ａ，１３ｂ，１３ｃは発声者１１の後方
に位置し、その各基準軸は発声者１１の口元と反対向方
に向いている。主マイクロホン１２ａと副マイクロホン
１３ａとの各基準軸は発声者１１の口元を前後に通る直
線２３上に位置し、主マイクロホン１２ｂと副マイクロ
ホン１３ｂとの各基準軸は発声者１１の口元を通り、直
線２３に対し角度θ₁ （＜９０°) だけ左に斜めの直線
２４上に位置し、主マイクロホン１２ｃと副マイクロホ
ン１３ｃとの各基準軸は発声者１１の口元を通り、直線
２３に対し角度θ₂ （＜９０°) だけ右に斜めの直線２
５上に位置している。マイクロホン１２ａと１３ａとの
各出力中の騒音の差がゼロとなり、マイクロホン１２ｂ
と１３ｂとの各出力中の騒音の差がゼロとなり、マイク
ロホン１２ｃと１３ｃとの各出力中の騒音の差がゼロと
なるように、各マイクロホンの出力側に図１Ａと同様に
設けられた利得調整器、移相器が調整される。

【００１５】図２Ｂは垂直面内で発声者１１の前方に主
マイクロホン１２ａ，１２ｄ，１２ｅを、後方に副マイ
クロホン１３ａ，１３ｄ，１３ｅを配した例である。主
マイクロホン１２ｄ、副マイクロホン１３ｄの各基準軸
は発声者１１の口元を通り、直線２３に対し角度θ
₃ （＜９０°) だけ上に斜めの直線２６上に位置し、主
マイクロホン１２ｅ、副マイクロホン１３ｅの各基準軸
は発声者１１の口元を通り、直線２３に対し角度θ
₄ （＜９０°) だけ下に斜めの直線２７上に位置してい
る。これら対応する主マイクロホンの出力と副マイクロ
ホンの出力との各騒音を互いにゼロにするようにされ
る。

【００１６】なお、主マイクロホン１２（１２ａ) と副
マイクロホン１３（１３ａ) との各特性が全く同一の場
合は利得調整器１６，１７は省略できる。つまり、各マ
イクロホンの騒音に対する出力特性を考えると、騒音源
が発声者１１よりも遠方にあるとすればマイクロホン１
２，１３で収音されて出力されるレベル差は、騒音源に
対するマイクロホン１２，１３の基準軸が同一方向を向
いた配置であるため、発声者１１の音声に比べて少ない
かほぼ同等と見なされるため、単純にマイクロホン１
２，１３の出力信号の差分成分を抽出しただけでも、騒
音信号成分はかなり除去されることとなる。同様に主マ
イクロホン１２ｂ（又は１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ) と副
マイクロホン１３ｂ（又は１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ) と
の各特性を全く同一とする時は対応する利得調整器を省
略できる。角度θ₁ とθ₂ は等しくてもよいし、同様に
θ₃ とθ₄ は等しくてもよい。

【００１７】また利得調整器１６，１７、移相器１８，
１９を設けることにより、主マイクロホン１２（１２
ａ) の基準軸と、副マイクロホン１３（１３ｂ) の基準
軸とは必ずしも同一直線上になくてもよく、互いに角度
をなす二つの直線上にそれぞれ位置していてもよい。主
マイクロホン１２（１２ａ) の基準軸は発声者１１の口
元に向き、副マイクロホン１３（１３ａ) の基準軸は口
元と反対向きとなればよい。これらのことは他のマイク
ロホン１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１３ｂ，１３
ｃ，１３ｄ，１３ｅについても同様のことが云える。

【００１８】つまり、例えば主マイクロホン１２ａと副
マイクロホン１３ｂとを組にして用いてもよいことも意
味している。ここで、発声者１１自身による発声時の放
射指向特性について述べる。図３は、文献（例えば、電
子通信学会編，“聴覚と音声”，ｐ２３６，ｓ４４年１
１月３０日発行，コロナ社) から引用した発声者の発声
レベルについての指向特性を示したもので、図中Ａは水
平面内での値、Ｂは垂直面内での値であって、これから
発声者の口元前方と口元よりも後方の背面部では、音声
の明瞭性に効果のある１ｋＨｚ以上の高周波数領域で
は、頭部回折効果により１０ｄＢ以上のレベル差が得ら
れることが分かる。この発明は、この物理現象を効果的
に利用すべく、収音用マイクロホンの配置とその基準軸
の方向とに制約を設けて構成したものである。椅子など
に腰を掛けた状態での使用に際しては、例えば主マイク
ロホンを胸元に付けてその基準軸を口元方向（上向き)
とし、副マイクロホンを椅子の背もたれ等に配置し、そ
の基準軸を下方向に設定して構成することが有効であ
る。

【００１９】図４に、発声者１１に近接して音響的な反
射体２８が配置されている場合のマイクロホンの配置例
を示す。図４Ａは反射体２８が天井のように発声者１１
上側で水平に配された場合、Ｂは壁のように発声者１１
の側面で垂直に配された場合を示している。また図４Ａ
は６つのマイクロホンが図２Ａの相対関係で配され、図
４Ｂは６つのマイクロホンが図２Ｂの相対関係で配され
ているものとする。何れの配置においても主マイクロホ
ンは、発声者１１の口元から前方に配置すると共に反射
体２８に対して各マイクロホンの基準軸を平行にし、副
マイクロホンは発声者１１の口元から後方に配置すると
共に反射体２８に対して各マイクロホンの基準軸を平行
にして配置する。マイクロホンの基準軸を反射体２８に
対して平行にすることの利点は、以下の理由による。

【００２０】図５は、単一指向性マイクロホンを反射体
に近接して配置して、音響信号（ここではピンクノイズ
を用いた) の入力方向を変化したときのマイクロホンの
感度周波数特性の相対レベルを示したものである。同図
Ａは、マイクロホンの基準軸を常に反射体に平行に配置
した場合、Ｂはマイクロホンの端面を反射体に接近させ
かつマイクロホンの基準軸を音源方向及び音源に対して
１８０度方向としたときの測定結果である。同図Ａか
ら、音源方向とマイクロホン基準軸との角度θが、０度
（曲線３１) と４５度（曲線３２) とは、反射体なし
（図中の実線) の場合よりも、全ての周波数領域でレベ
ルが上昇していることが分かる。θが９０度の（曲線３
３) の場合では、２〜３ｋＨｚにディップ（落込み) を
生じた特性を示しており、音声を収音するためには好ま
しくない特性となる。さらに曲線３４，３５は、θが１
３５度と１８０度の場合であって、反射体が無い場合の
実線で示したレベルよりも何れの周波数領域でもレベル
が低減している。これらから、発声者１１が反射体２８
に極めて接近して発声しているような場合には、主マイ
クロホン１２ａの出力特性は図４Ａ中の曲線３１とな
り、副マイクロホン１３ａの出力特性は曲線３５とな
り、音声に対する出力はこれらの差分となって出力され
る。図４に示したように発声者１１が反射体２８から多
少離れている状態で、主、副マイクロホンを前述したよ
うに反射体２８に平行に配置して収音した場合は、図Ａ
の曲線３２，３４で示したレベルの差分として音声信号
が検出される。

【００２１】図５Ｂはマイクロホン端面を反射体から５
ｍｍ程度離して、かつ反射体とマイクロホン基準軸との
角度を４５度とし、マイクロホン基準軸の延長上に音源
があるとしたとき（曲線３６) と、マイクロホン基準軸
を音源と逆方向すなわち反射体の方向に向けたとき（曲
線３７) の特性とを示す。この結果を、図５Ａ中の曲線
３２，３４の値と比較すると、顕著な差は認められな
い。従って、マイクロホン反射体に取り付ける場合の容
易さと反射体面からの突起量の低減化を図ることを考え
れば、マイクロホンの一端を反射体から離して発声者方
向に設定してやる必要性は見あたらない。すなわちマイ
クロホンの反射体への取り付けは、まずマイクロホン基
準軸を反射体と平行にした状態として、次にマイクロホ
ン基準軸が主マイクロホンにおいては発声者の口元方向
を、副マイクロホンにおいては発声者とは逆方向となる
ように設定することが推奨されるものである。

【００２２】以上の結果から、発声者に対するマイクロ
ホン基準軸の推奨設定範囲は主マイクロホンについては
その基準軸と、発声者の口元を通る前後方向とのなす角
度を９０°以下とし、副マイクロホンについてはその基
準軸と発声者の口元を通る前後方向とのなす角度を少く
とも９０°以上とすることが重要である。なお、反射体
２８へ極力マイクロホンを近接して配置することの有効
性は、以下の理由による。そのモデルを示すごとく、音
源からマイクロホンへの直接音と反射体２８よりの反射
音との各距離Ｄ１とＤ２との差と、音源が出力する波長
との関係から、音源・マイクロホン間の伝送周波数特性
は図６Ｂに示すような特性を呈する。すなわち、同図
（Ｂ) の実線は、音源・マイクロホン間の水平距離Ｌが
５０ｃｍ、音源と反射体２８との距離Ｈ１が３０ｃｍ、
反射体２８とマイクロホンとの間の距離Ｈ２が２．５ｃ
ｍの時の音源・マイクロホン間の伝送特性を示したもの
である。さらに、同図（Ｂ) の破線は、Ｈ１，Ｈ２が共
に３０ｃｍ、Ｌが５０ｃｍの場合の音源・マイクロホン
間の伝送特性を示したものである。これから、反射体２
８とマイクロホンとの距離Ｈ２が小となってＤ１がＤ２
に近い値になると、Ｈ２が大の場合よりディップ（落込
み) を生ずる最初の周波数ｆｄ１が高い方へ移動すると
共にそのディップ量も大となる。このとき、ディップを
生ずる周波数を音声を収音するに必要な帯域外になるよ
うな寸法のＨ２としてやれば、所要周波数帯域内では平
坦な伝送特性を得ることが出来ることとなる。

【００２３】図７Ａは、この発明を自動車内の発声者か
らの音声の収音に適用した場合のマイクロホンの配置例
を示したものである。自動車内では、マイクロホンの設
置場所の候補として、エンジン音やカーステレオなどの
音を拾わずに、かつ発声者１１から主マイクロホンまで
の距離が小さく、これら間の伝送特性が平坦な箇所が望
ましく、一方副マイクロホンについては、発声者１１の
声が入らずに騒音のみが収音される場所が好ましい。主
マイクロホン１２ａはサンバイザ部を含む天井部分、主
マイクロホン１２ｂはフロントガラスやフロントピラ部
分、主マイクロホン１２ｃはダッシュボード部分、主マ
イクロホン１２ｄはハンドル部分、主マイクロホン１２
ｅは発声者１１の胸元位置、主マイクロホン１２ｆは側
面のフロントガラス部分などであり、副マイクロホン１
３ａは車両天井部分、副マイクロホン１３ｂはリヤガラ
スやリヤピラー部分、副マイクロホン１３ｃはリヤトレ
イ部分、副マイクロホン１３ｄは座席ヘッドレスト部
分、副マイクロホン１３ｅは座席背もたれ部分、副マイ
クロホン１３ｆはサイドウィンド部分にそれぞれ配置さ
れた場合である。

【００２４】この中で、マイクロホン１２ａ，１３ａの
配置位置が図４Ａで説明した反射体２８がある場合の例
に相当し、反射体２８が天井部分である。実際に走行す
る車内で発声した音声について、音声の認識実験を行っ
てみた。このとき認識実験は、比較のために２個のマイ
クロホンをマイクロホン１２ａとほぼ同じ位置に各々の
基準軸を逆方向に配置した従来技術で収音した時につい
ても、同一の騒音低減法と認識手法を用いて行った。こ
の結果、従来技術によるマイクロホンの配置での認識率
が９０．５％であったのに対し、この発明の実施例によ
るマイクロホン配置での認識率は９６．５％と言う結果
が得られ、この発明によるマイクロホン配置を用いたと
きの認識装置への有効性が確認された。

【００２５】次に、使用するマイクロホンの数と配置位
置との関係については、例えば発声者が運転席と助手席
とで異なる場合などでは、主マイクロホンの配置は前に
も述べたように発声者の口元に近いことがより高いＳＮ
比を得ることが出来るため有利であることから、それぞ
れの発声者に専用の主マイクロホンを配置して使用者に
応じて切り替えて使用するか、ＳＮ比が最も向上するマ
イクロホンの組合せを適応的に抽出、選択して実用に供
することが大切な要素となる。

【００２６】図７Ｂは、発声者が１１ａ，１１ｂの２人
で、各発声者に対応して主マイクロホン１２ａ，１２ｂ
及び副マイクロホン１３ａ，１３ｂが配置されている状
態を例示したものである。この時、発声者１１ａが発声
している場合は、主マイクロホンとしては１２ａが、副
マイクロホンとしては１３ａまたは１３ｂが選択され、
発声者１１ｂが発声している場合は、主マイクロホンと
して１２ｂが、副マイクロホンとして１３ｂもしくは１
３ａが選択されることとなる。なお、車室内に限らず一
般の室内での使用を考えた場合でも、発声者が増加すれ
ばその人数に応じてマイクロホンの数を増やしても良い
し、マイクロホンの数を増やさずに既に設定されている
マイクロホンの中からＳＮ比の向上するマイクロホンの
組合せを選択して使用しても良いことは言うまでもな
い。各マイクロホンで収音した後の騒音成分の除去につ
いては、前に述べた通りである。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、発
声者の前方において単一指向特性の主マイクロホンをそ
の基準軸が口元に向くように配し、かつ単一指向特性の
副マイクロホンを、発声者の後方においてその基準軸を
発声者と反対向きとして配しているため、マイクロホン
の指向特性と、発声者の頭部回折効果による指向特性と
の相乗効果により、音声信号のレベルの低下が少なく、
かつ騒音を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａはこの発明の実施例を示すブロック図、Ｂは
マイクロホンの指向特性の例を示す図である。

【図２】この発明の実施例における複数の主、副マイク
ロホンの配置の他の例を示し、Ａは平面図、Ｂは側面図
である。

【図３】発声者自身の発声時の放射特性を示し、Ａは水
平面内特性図、Ｂは垂直面内特性図である。

【図４】Ａは発声者の上側に接近して反射体が在る場合
にこの発明を適用したマイクロホンの配置例を示す側面
図、Ｂは発声者の横に接近して反射体が在る場合に、こ
の発明を適用したマイクロホンの配置例を示す平面図で
ある。

【図５】反射体の影響による単一指向マイクロホンの基
準軸と音源方向との角度をパラメータとする伝送周波数
特性を示す図。

【図６】Ａは音源とマイクロホンと、反射体との配置寸
法を示す図、Ｂは音源とマイクロホンとの間の伝送周波
数特性を示す図である。

【図７】Ａはこの発明を自動車内の収音に適用した場合
のマイクロホンの配置例を示す側面図、Ｂは発声者が２
名の場合にこの発明を適用した場合のマイクロホンの配
置例を示す平面図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発声者の前方に配され、その発声者の口
   元を通る前後方向に対し、基準軸が９０°以下の主マイ
   クロホンと、 上記発声者の後方に配され、その発声者の口元を通る前
   後方向に対し、基準軸が９０°以上の副マイクロホン
   と、 上記主マイクロホン及び上記副マイクロホンの各出力の
   相対位相を変化させることができる移相器と、 その移相器により相対位相が変化された上記主及び副マ
   イクロホンの両出力の差をとる減算器と、 を具備する音声信号入力装置。
2. 【請求項２】 上記主マイクロホン及び上記副マイクロ
   ホンは上記発声者と近接し、その発声者の前後方向に延
   長した反射体に極力接近して設けられ、かつ両マイクロ
   ホンの各基準軸が上記反射体とほぼ平行とされているこ
   とを特徴とする請求項１記載の音声信号入力装置。