JPH05316587A

JPH05316587A - マイクロホン装置

Info

Publication number: JPH05316587A
Application number: JP4143209A
Authority: JP
Inventors: Toru Sasaki; 徹佐々木; Kaoru Gyotoku; 薫行徳
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-05-08
Filing date: 1992-05-08
Publication date: 1993-11-26
Also published as: DE69325942T2; DE69325942D1; US5471538A; EP0569216A1; EP0569216B1

Abstract

(57)【要約】【目的】小型で、所望の指向性を容易に得ることがで
きるマイクロホン装置を実現する。【構成】希望音声を収音するための第１のマイクロホ
ン１１と、希望音声の到来方向の感度が低い指向性の第
２のマイクロホン１２とを設ける。第２のマイクロホン
１２からの音声信号は適応フィルタ手段２４を介して減
算手段１５に供給する。減算手段１５では第１のマイク
ロホン１１の音声信号から適応フィルタ手段２４の出力
信号を減算する。減算手段１５の出力パワーが最小化さ
れるように適応フィルタ手段２４を調整する手段を設け
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロホン装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、カメラ一体型ＶＴＲでは、被写
体を撮影しながら、この被写体の周囲の音声を同時に記
録するようにしている。この音声の収音に当たっては、
一般に、被写体の方向からの音声のみを収音するように
考慮されている。すなわち、カメラの前方からの音声の
みを収音するような指向性を有するマイクロホン装置を
用いている。

【０００３】これ種のマイクロホン装置の一例として、
例えばいわゆるガンマイクと呼ばれるものが知られてい
る。これは、図１０に示すように、振動板１の前方に伸
びるパイプ部２を備えている。そして、このパイプ部２
の側壁には、多数の貫通穴３が設けられて、このパイプ
部２の中心線方向の前方（振動板とは反対方向）からの
音声に対して高い感度を有する指向性を有するように構
成されている。

【０００４】すなわち、図１０Ａに示すように、マイク
ロホンの前方（図の右側）からの音波は、パイプ部２の
先端から入射したものも、パイプ部２のいずれの位置の
貫通穴３から入射したものも、すべて振動板１に到達す
るまでのパス長は同一であるので、振動板１に対して同
相で入射し、互いに加算される。

【０００５】これに対して、図１０Ｂに示すように、パ
イプ部２の側方から入射する音波は、入射穴３の位置に
よって、その入射位置から振動板１までの経路長が異な
るので、位相差が生じる。また、同様に、図１０Ｃに示
すように、マイクロホンの後方からの音波も、回り込ん
で入射する穴３の位置により、振動板１に入射する信号
に位相差が生じる。パイプ部２の複数個の穴３は、入射
音声が互いに弱め合うような位置に形成されており、図
１０のマイクロホンは、パイプの側方及び後方からの音
声に対して感度が低い指向性を有する。

【０００６】以上のようにして、図１０のガンマイクに
よれば、マイクロホンの前方からの音声に対して高い感
度を有する有指向性のマイクロホンが得られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このマ
イクロホンは長いパイプ部２を必要とし、大型になる欠
点がある。また、マイクロホンの前方にのみ高い感度を
有する単指向性であり、固定的な指向性しか得られな
い。このため、希望音声到来方向からの音声だけでな
く、例えばカメラ周囲の側方からの音声をも収音したい
場合などに対応することが困難であり、指向性の方向に
自由度がない。

【０００８】この発明は、以上の点にかんがみ、小型で
あって、しかも所望の指向性を容易に得ることができる
マイクロホン装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明によるマイクロホン装置は、後述の実施例
の参照符号を対応させると、希望音声を収音するための
第１のマイクロホン１１と、希望音声到来方向の感度が
低い指向性の第２のマイクロホン２１と、第２のマイク
ロホン２１からの音声信号が供給される適応フィルタ手
段２４と、第１のマイクロホン１１の音声信号から、適
応フィルタ手段２４の出力信号を減算する減算手段１５
とを備え、減算手段１５の出力パワーが最小化されるよ
うに適応フィルタ手段２４を調整するようにしたことを
特徴とする。

【００１０】

【作用】上述の構成において、第２のマイクロホン２１
の指向性は、希望音声の到来方向に感度が低い。収音対
象となる入力音声の到来方向が異なると、音源が異な
り、互いに相関が少ないことが多い。したがって、第２
のマイクロホンからの音声信号と、第１のマイクロホン
１１からの希望音声とは相関が少ない。そこで、第２の
マイクロホン２１からの音声信号を雑音として考える
と、この発明のマイクロホン装置は、適応型雑音低減シ
ステムの構成となり、減算手段の出力パワーが最小化さ
れると、第２のマイクロホン２１の音声信号が第１のマ
イクロホン１１からの音声信号から除去され、出力音声
信号としては第１のマイクロホン１１からの希望音声の
みとなる。

【００１１】すなわち、この発明のマイクロホン装置
は、音声の到来方向により希望音声と、雑音とを区別し
た適応型雑音低減システムの構成を有し、第２のマイク
ロホン２１の指向性を考慮することにより、希望音声到
来方向にのみ感度を有するマイクロホン装置が得られ
る。

【００１２】

【実施例】以下、この発明によるマイクロホン装置の一
実施例を図１を参照しながら説明する。図１において、
１１は希望音声を収音するための主要入力用マイクロホ
ン、２１は雑音として除去したい方向の音声を収音する
ための参照入力用マイクロホンである。この例は、希望
音声の到来方向は、主として、図２において矢印ＡＲで
示すように、図上、上方から下方に向かう方向（以下正
面方向という）であり、この方向と逆方向（以下背面方
向という）からの音声を雑音として収音しないようにす
るマイクロホン装置を実現する例である。

【００１３】この例の場合には、主要入力用マイクロホ
ン１１は、図２に示すような全指向性のマイクロホンで
構成される。一方、参照入力用マイクロホン２１は、図
２に示すように、希望音声到来方向に感度を有せず、背
面方向にのみ感度を有する単一指向性のマイクロホンで
構成される。

【００１４】そして、主要入力用マイクロホン１１によ
り収音され、電気信号に変換されて得られた音声信号
は、アンプ１２を介してＡ／Ｄコンバータ１３に供給さ
れて、デジタル信号に変換され、遅延回路１４を介して
減算回路１５に供給される。

【００１５】また、参照入力用マイクロホン２１により
収音され、電気信号に変換されて得られた音声信号は、
アンプ２２を介してＡ／Ｄコンバータ２３に供給され
て、デジタル信号に変換され、適応フィルタ回路２４に
供給される。そして、この適応フィルタ回路２４の出力
信号が減算回路１５に供給される。減算回路１５の出力
信号は、適応フィルタ回路２４に帰還されると共に、Ｄ
／Ａコンバータ１６によりアナログ信号に戻され、出力
端子１７に導出される。

【００１６】なお、Ｄ／Ａコンバータ１６を介さずにデ
ジタル信号のままで音声信号を出力するようにしてもよ
い。また、遅延回路１４は、適応フィルタ回路２４での
適応処理のための演算に要する時間遅れや適応フィルタ
での伝播時間その他の時間遅延を補償するためのもので
ある。

【００１７】適応フィルタ回路２４では、後述するよう
に、主要入力音声中に含まれる雑音としての音声に、参
照入力音声が近似するように制御される。これにより、
主要入力用マイクロホン１１で収音された音声中の希望
音声と、雑音とが無相関であるとすると、減算回路１５
では、参照入力用マイクロホン２１で収音された雑音信
号が主要入力用マイクロホン１１からの音声信号から減
算されて除去され、減算回路１５からは、希望音声のみ
が得られる。

【００１８】すなわち、この構成は、主要入力として主
要入力用マイクロホン１１の出力音声信号が供給され、
参照入力としての雑音として参照入力用マイクロホン２
１の出力音声信号が供給された適応型雑音低減システム
の構成となっている。このシステムの動作を次に説明す
る。

【００１９】この場合、Ａ／Ｄコンバータ１３からの主
要入力音声信号は、矢印ＡＲの正面方向からの希望音声
信号ｓと、これと無相関と考えられる背面方向からの音
声信号（以下、これを雑音と称する）ｎ0 とが加算され
たものである。一方、Ａ／Ｄコンバータ２３からの参照
入力音声信号をｎ1 とすると、上記の説明から明らかな
ように、この参照入力音声信号ｎ1 は、希望音声信号と
は無相関であるが、雑音ｎ0 とは相関がある。適応フィ
ルタ回路２４は、参照入力音声信号ｎ1 をフィルタリン
グして信号ｙを出力し、適応のアルゴリズムは、減算回
路１５の出力である減算誤差ｅを最小にするように働
く。

【００２０】今、ｓ，ｎ0 ，ｎ1 ，ｙが統計的に定常で
あり、平均値が０であると仮定すると出力は、ｅ＝ｓ＋ｎ0 −ｙとなる。これを二乗したものの期待値は、ｓがｎ0 と、
また、ｙと無相関であるから、Ｅ［ｅ²］＝Ｅ［ｓ²］＋Ｅ［（ｎ0 −ｙ）²］＋２Ｅ［ｓ（ｎ0 −ｙ）］＝Ｅ［ｓ²］＋Ｅ［（ｎ0 −ｙ）²］となる。適応フィルタ回路２４が収束するものとすれ
ば、適応フィルタ回路２４は、Ｅ［ｅ²］が最小になる
ように調整される。このとき、Ｅ［ｓ²］は影響を受け
ないので、Ｅmin ［ｅ²］＝Ｅ［ｓ²］＋Ｅmin ［（ｎ0 −ｙ）²］となる。すなわち、Ｅ［ｅ²］が最小化されることによ
ってＥ［（ｎ0 −ｙ）²］が最小化され、適応フィルタ
回路２４の出力ｙは、雑音ｎ0 の推定量になる。そし
て、減算回路１５からの出力の期待値は、希望信号のみ
となる。すなわち、適応フィルタ回路２４を調整して全
出力パワーを最小化することは、減算出力ｅが、希望音
声信号ｓの最小二乗推定値になることに等しい。

【００２１】適応フィルタ回路２４の一実施例を、適応
のアルゴリズムとして、いわゆるＬＭＳ（最小平均自
乗）法のアルゴリズムを使用した場合の例を図３に示
す。

【００２２】図３に示すように、この例では、ＦＩＲフ
ィルタ型の適応線形結合器３００を使用する。これは、
それぞれ単位サンプリング時間の遅延時間Ｚ^-1を有する
複数個の遅延回路ＤＬ１，ＤＬ２，……ＤＬｍ（ｍは正
の整数）と、入力信号ｎ1 及び各遅延回路ＤＬ１，ＤＬ
２，……ＤＬｍの出力信号と加重係数との掛け算を行う
加重回路ＭＸ０，ＭＸ１，ＭＸ２，……ＭＸｍと、加重
回路ＭＸ０〜ＭＸｍの出力を加算する加算回路３１０を
備える。加算回路３１０の出力はｙである。

【００２３】加重回路ＭＸ０〜ＭＸｍに供給する加重係
数は、例えばマイクロコンピュータからなるＬＭＳ演算
回路３２０で、減算回路１５からの残差信号ｅから形成
される。このＬＭＳ演算回路３２０で実行されるアルゴ
リズムは、次のようになる。

【００２４】今、時刻k における入力ベクトルＸ_kを、
図３にも示すように、Ｘ_k＝［ｘ_0k ｘ_1k ｘ_2k ・・・ｘ_mk］^T とし、出力をｙ_k、加重係数をｗ_jk（j=0,1,2,…m ）と
すると、入出力の関係は、次の数１に示すように、

【００２５】

【数１】となる。

【００２６】そして、時刻k における加重ベクトルＷ_k
を、Ｗ_k＝［ｗ_0k ｗ_1k ｗ_2k ・・・ｗ_mk］^T と定義すれば、入出力関係は、ｙ_k＝Ｘ_k ^T・Ｗ_k で与えられる。希望の応答をｄ_kとすれば、出力との誤
差ｅ_kは次のように表される。ｅ_k＝ｄ_k−ｙ_k ＝ｄ_k−Ｘ_k ^T・Ｗ_k ＬＭＳ法では、加重ベクトルの更新を、Ｗ_k+1＝Ｗ_k＋２μ・ｅ_k・Ｘ_k なる式により行っていく。ここで、μは適応の速度と安
定性を決める利得因子（ステップゲイン）である。

【００２７】こうして、出力端子１７には、雑音、この
例では背面方向からの音声信号が除去された、主として
希望音声信号からなる音声信号が得られる。

【００２８】ところで、上述のように適応処理により参
照入力を用いて主要入力中の雑音を低減するには、前述
したように、希望音声と参照雑音とは無相関である必要
がある。このため、従来、この種の適応型雑音低減シス
テムでは、参照入力としては希望音声を収音しないよう
に、参照入力用マイクロホンに防音の工夫を凝らした
り、雑音源のできるだけ近くに設置し、主要入力用マイ
クロホンから離しておくなどの対策を取ることが行われ
ている。しかし、これではシステムが大きくなり、移動
も困難である。

【００２９】これに対して、この発明の場合、音声の到
来方向によって希望音声と雑音とを区別する。そして、
主要入力用マイクロホン１１は、希望音声到来方向から
の音声を収音できる指向特性（無指向性を含む）を有す
るような構成とすると共に、参照入力用マイクロホン２
１は、希望音声到来方向に感度を有しない、あるいは低
い感度の指向性とする構成として、主要入力用マイクロ
ホン１１で収音された音声中の希望音声と、参照入力用
マイクロホン２１で収音された雑音とは無相関となるよ
うにしている。

【００３０】したがって、この発明の場合には、主要入
力用マイクロホンと参照入力用マイクロホンの指向性の
みを考えればよく、両マイクロホンを近接して配置する
ことも可能であり、従来のマイクロホンシステムに比べ
て、小型にできる。

【００３１】そして、この発明の構成により、雑音信号
は主要入力から良好に除去され、その結果、雑音入力到
来方向に感度の低い、あるいは感度がない指向性のマイ
クロホン装置を簡単に実現することができる。図４は、
この例の場合の効果を実験的に確認したものを示すため
の図である。

【００３２】すなわち、この実験装置は、図２に示すよ
うに、希望音声到来方向を矢印ＡＲの方向として、主要
入力用マイクロホン１１と、参照入力用マイクロホン２
１とを、主要入力用マイクロホン１１を前として、希望
音声到来方向に沿って前後に配置する。そして、例えば
１ｋＨｚの正弦波信号を希望音声として、矢印ＡＲの方
向から到来させ、また、背面方向と例えば３０°の方向
から６００Ｈｚの正弦波を雑音として到来させるように
して、音声の収音を行う。

【００３３】この例の場合、全指向の主要入力用マイク
ロホン１１の感度は０ｄＢ、参照入力用マイクロホン２
１は、正面からの音声に対しては−２０ｄＢ、背面方向
の感度は０ｄＢ、背面から３０°の方向から入力する音
声に対する感度は−０．７ｄＢとされている。

【００３４】このとき、主要入力用マイクロホン１１の
入力波形は、図４Ａに示すように、１ｋＨｚの正弦波
と、６００Ｈｚの正弦波の合成されたものとなるが、出
力端子１７に得られた出力音声波形は図４Ｂに示すよう
になり、図４Ｃに示す出力理想波形の１ｋＨｚの正弦波
に近似しており、この発明によるマイクロホン装置の効
果が確認できた。

【００３５】図５及び図６は、この発明によるマイクロ
ホン装置の他の実施例の主要入力用マイクロホン１１
と、参照入力用マイクロホン２１の指向特性の例であ
る。これらの例の場合も、希望音声到来方向を矢印ＡＲ
の方向として、主要入力用マイクロホン１１と、参照入
力用マイクロホン２１とを、主要入力用マイクロホン１
１を前として、希望音声到来方向に沿って前後に配置す
る。

【００３６】図５の例では、主要入力用マイクロホン１
１は、単一指向性で正面方向に最も高い感度の方向を向
けて配置する。また、参照入力用マイクロホン２１は、
単一指向性で、例えば背面方向に最も高い感度の方向を
向けて配置する。つまり、参照入力用マイクロホン２１
は、希望音声の到来方向の感度が低く、この例の場合の
雑音信号の到来方向とされた背面方向の感度が高い。

【００３７】したがって、この例の場合も、前述と同様
にして、希望音声のみを出力として得るマイクロホン装
置を実現することができる。そして、この例の場合に
は、雑音信号は、およそ９０度方向から背面方向の間で
到来するものとすれば、この方向は主要入力用マイクロ
ホン１１も感度が低い方向となるので、主要入力中の雑
音レベルは低くなる。したがって、主要入力用マイクロ
ホン１１、それ自体で雑音低減効果がある。

【００３８】図６の例は、除去したい雑音の到来方向を
希望音声到来方向の９０度方向付近に制限したり、９０
度方向の参照入力用マイクロホン感度をより高くしたい
場合の例である。この例の場合には、参照用マイクロホ
ン２１の指向特性を、図示のような双指向性（８字型指
向性）とする。主要入力用マイクロホン１１は、図５の
例と同様に希望音声方向を最も感度が高くなるように配
置された単一指向性のものとされる。もっとも、この例
においても、主要入力用マイクロホン１１は、無指向性
であってもよい。

【００３９】以上の例は、主要入力用マイクロホン１１
及び参照入力用マイクロホン２１は、指向特性が上記の
ような指向特性のマイクロホンユニット単体を使用した
場合であるが、これらのマイクロホンとしては、複数個
のマイクロホンユニットを用いたものとして、希望する
指向性のマイクロホンを実現するタイプのものを使用す
ることができる。

【００４０】図７及び図８を用いて、無指向性のマイク
ロホンユニットを２個用いて単一指向性のマイクロホン
を実現する例を説明する。図７に示すように、この例で
は、無指向性のマイクロホンユニット３０及び３１は、
距離ｄだけ離れて配置される。そして、図８に示すよう
に、一方のマイクロホンユニット３０の出力音声信号
は、図示を省略したアンプを介して減算回路３２に供給
される。他方のマイクロホンユニット３１の出力音声信
号は、同様に図示を省略したアンプ及びフィルタ回路３
３を介して減算回路３２に供給される。フィルタ回路３
３は、この例では、抵抗器３４とコンデンサ３５とから
構成される。そして、抵抗器３４の抵抗値をＲ1 、コン
デンサ３５の容量をＣ1 としたとき、Ｃ1 ・Ｒ1 ＝ｄ／ｃ（ただし、ｃは音速である）となるように抵抗値Ｒ1 及
び容量Ｃ1 が選定されている。

【００４１】そして、この例では、減算回路３２の出力
は、周波数特性を平坦にするための積分器など周波数特
性補正回路３６を介して出力端子３７に出力音声信号が
導出される。後述するように、この周波数特性補正回路
３６は、必要に応じて設けられるものであって、これは
設けなくてもよい。

【００４２】この例のマイクロホンの動作について説明
する。図７に示すように、音源が２個のマイクロホンユ
ニット３０，３１の配列方向に対してθなる角度の方向
にあって、これら２個のマイクロホンユニット３０，３
１に入射しているとした場合に、各ユニット３０，３１
の出力をＰ0 ，Ｐ1 とすると、出力Ｐ1 は、Ｐ1 ＝Ｐ0 ε^{−ｊω（ｄ／ｃ）ｃｏｓθ} となる。なお、ωは角周波数である。

【００４３】マイクロホンユニット３１の出力はフィル
タ回路３３を通じて減算回路３２に供給されるので、減
算回路３２の出力信号Ｐａは、次の数２に示すようなも
のとなる。

【００４４】

【数２】なお、数２において、Ａはフィルタ回路３３のフィルタ
関数を表わし、また、ω・ｄ／ｃ＜＜１である。

【００４５】そして、数２において、次の数３を満足す
れば、出力Ｐａは単一指向性を示すものとなる。

【００４６】

【数３】つまり、次の数３の式を満足すると、前記数２は、Ｐａ＝Ｐ0 ・ｊω（ｄ／ｃ）（１＋ｃｏｓθ）となり、角度θに関して単一指向性となる。

【００４７】ところで、フィルタ回路３３のフィルタ関
数Ａは、上記の例の場合、Ａ＝１／（１＋ｊωＣ1 ・Ｒ1 ）で表され、Ｃ1 ・Ｒ1 ＝ｄ／ｃとなるように構成されて
いるので、Ａ＝１／（１＋ｊωｄ／ｃ）となり、数３から図７の実施例のマイクロホンは単一指
向性になることは明らかである。ただし、このマイクロ
ホンの周波数特性は右上がり（高域ほどレスポンスが
大）の特性になる。この例では、周波数特性補正回路３
６が、この右上がりの特性を平坦に補正するために設け
られている。

【００４８】なお、図８の例において、フィルタ回路３
３、減算回路３２、さらには周波数特性補正回路３６
は、デジタルフィルタや処理プログラム（ソフトウエ
ア）によっても実現することができる。

【００４９】例えば、フィルタ回路３３は、図９のよう
に、加算器４１と、遅延回路４２と、伝達関数Ａの帰還
アンプ４３とからなるデジタルフィルタで構成すること
ができる。

【００５０】なお、以上の例は、カメラ一体型ＶＴＲの
収音マイクロホン装置の場合として、この発明のマイク
ロホン装置を説明したが、この発明は、この例に限ら
ず、単体のマイクロホン装置はもちろんのこと、業務用
ビデオカメラや、測定用マイクロホン装置など、すべて
のマイクロホン装置に適用可能である。

【００５１】なお、上記の例では適応フィルタ回路２４
はデジタル回路で構成したので、全体としてデジタル回
路の構成としたが、適応フィルタ回路２４をアナログ回
路の構成として、全体としてアナログ回路の構成とする
ことも可能である。また、適応フィルタ回路部分のみを
デジタル構成とするようにしてもよい。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、第１及び第２のマイクロホンの指向特性を変更する
だけで、所望の指向特性を有するマイクロホン装置を実
現することができる。そして、特に第２のマイクロホン
を、指向特性の異なるマイクロホンに変更するだけで、
マイクロホン装置の指向特性を変更することができ、実
現できる指向特性の自由度が大きい特長がある。このた
め、種々の用途に対応することができるから、実用上の
効果は著しいものがある。

【００５３】また、この発明によれば、第１及び第２の
マイクロホンは、比較的近接して配置することができ、
しかもガンマイクのような特種形状にする必要もないの
で、小型のマイクロホン装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるマイクロホン装置の一実施例の
ブロック図である。

【図２】第１及び第２のマイクロホンの指向性の一例を
示す図である。

【図３】図１の例の適応フィルタ回路の一例を示す図で
ある。

【図４】この発明によるマイクロホン装置の動作の説明
のための図である。

【図５】第１及び第２のマイクロホンの指向性の他の例
を示す図である。

【図６】第１及び第２のマイクロホンの指向性のさらに
他の例を示す図である。

【図７】複数個のマイクロホンユニットによりマイクロ
ホンを構成する例を説明するための図である。

【図８】複数個のマイクロホンユニットによりマイクロ
ホンを構成する例を示す図である。

【図９】図８の例の一部の他の構成例を示す図である。

【図１０】従来のマイクロホン装置の一例を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１１第１のマイクロホン１５減算回路２１第２のマイクロホン２４適応フィルタ回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希望音声を収音するための第１のマイク
ロホンと、前記希望音声の到来方向の感度が低い指向性の第２のマ
イクロホンと、前記第２のマイクロホンからの音声信号が供給される適
応フィルタ手段と、前記第１のマイクロホンの音声信号から、前記適応フィ
ルタ手段の出力信号を減算する減算手段と、前記減算手段の出力パワーが最小化されるように前記適
応フィルタ手段を調整する手段とを備えたマイクロホン
装置。
【請求項２】前記第１のマイクロホンが、近接して配
置された複数個の無指向性マイクロホンユニットからな
ると共に、各ユニットの出力音声信号を合成処理するこ
とにより、有指向性のマイクロホンとされてなる請求項
１記載のマイクロホン装置。
【請求項３】前記第２のマイクロホンが、近接して配
置された複数個の無指向性マイクロホンユニットからな
ると共に、各ユニットの出力音声信号を合成処理するこ
とにより、有指向性のマイクロホンとされてなる請求項
１記載のマイクロホン装置。