专利摘要

提供一种能够解决麦克风的间隔的频率依赖性并且减少麦克风的个数的声测定装置。声测定装置包括声接收部(10)和运算部(20)。声接收部具有多个单一定向性的麦克风。声接收部(10)的多个麦克风被配置成朝向其灵敏度最大方向的单位矢量的总和为零。运算部(20)将多个麦克风各自的测定值与各单位矢量相乘，利用其矢量合成来计算质点速度矢量、声强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种声测定装置，尤其是涉及利用多个单一定向性麦克风计算声强等声信息的声测定装置。

背景技术

以往，为了进行噪声的评价、音乐厅等中声音传播的解析等，而对声强进行计测。声强与作为标量的声压不同，其是一种矢量，不仅包含来自声源的声所具有的声的大小、频率、波形等信息，还包含关于声的方向的信息。即，根据声强，不仅可以计测声的大小，还可以计测声来自哪个方向。

声强用声压和质点速度的乘积来表示。在此，声压电平可以容易地测定，但质点速度不易测定。因此，一般采用以下方式(P-P方式)：将相位匹配的两个无定向的麦克风相向或背向(背朝背)配置等，通过有限差分近似来确定质点速度。但是，在P-P方式中，由于麦克风的灵敏度差、相位差非常敏感，并且麦克风的间隔也需要严格管理等，因此难以处理。进而，需要根据来自声源的声的频率来变更麦克风的间隔。

为了解决这些问题，本申请发明人对如下方式(C-C方式)的声测定装置进行了各种开发：使用多个被配置成定向性为180度反向的单一定向性麦克风，利用其定向性信息来计测声强。例如，在专利文献1中公开了一种能够利用被配置成180度反向的麦克风的电平差的数据库来求出声源方向及声源电平的装置。

进而，本申请发明人还开发了如下的C-C方式的声测定装置(JP专利申请2007-054909)：利用由在直角坐标系的各轴上将定向性配置成180度反向的单一定向性麦克风对构成的接收部，进行预定的运算处理，从而不使用数据库等就检测出从声源发出的声的方向。

这种C-C方式的声测定装置可以解决麦克风相互间存在的固有的相位特性的不一致、麦克风间隔的频率依赖性。

专利文献1：国际公开第2006/054599号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，在现有的C-C方式的声测定装置中，例如在进行二维的方向检测时，最低使用4个(4信道)单一定向性麦克风，将180度反向配置的麦克风对配置成以坐标的原点为中心而在x轴方向和y轴方向上正交。此外，进行三维的方向检测时，最低使用6个(6信道)单一定向性麦克风，将180度反向配置的麦克风对配置成以坐标的原点为中心而分别在x轴方向、y轴方向、z轴方向正交。并且，通过与麦克风对的差分加算而求出各坐标轴方向的声强分量，通过将其合成而求出声强。从而，在现有的C-C方式的声测定装置中，在二维下最低需要4个麦克风，在三维下最低需要6个麦克风。

例如，在考虑了在玩具等中内置声源方向测定装置并向声源的方向移动或旋转的应用的情况下，优选可尽量价廉地实现的构成。此外，在这种用途中，还存在与测定精度相比更希望装置小型化的情况。这种情况下，优选尽量减少麦克风的数量，但在上述例子中在二维下最低需要4个麦克风，在三维下最低需要6个麦克风，因此希望开发出更简易的构成的声测定装置。

进而，在以180度反向配置的麦克风对为基本的现有的声测定装置中，存在若1个麦克风因故障等无法起作用则声测定装置完全无法起作用的情况。因此，难以应用于追求鲁棒性(robustness，稳定性)的用途。

本发明鉴于这种情形，而要提供一种能够解决麦克风的间隔的频率依赖性并且减少麦克风的个数的声测定装置。此外，要提供一种能够通过增加麦克风的个数来提高鲁棒性的声测定装置。

用于解决问题的手段

为了实现上述本发明的目的，本发明的声测定装置包括：声接收部，具有多个单一定向性的麦克风，多个麦克风被配置成朝向其灵敏度最大方向的单位矢量的总和为零；和运算部，将声接收部的多个麦克风各自的测定值与各单位矢量相乘，利用其矢量合成来计算声信息。

在此优选，声接收部的多个麦克风被配置成各自的单位矢量的各自分量的平方的总和相等。

此外优选，声接收部的多个麦克风的数量比计算的声信息的空间维数多。

此外优选，声接收部的多个麦克风各自的测定值为声压，运算部将多个麦克风各自的声压与各单位矢量相乘并计算作为其矢量合成的质点速度矢量。

此外优选，声接收部的多个麦克风各自的测定值为声压，运算部还计算多个麦克风各自的声压的总和、即无定向的声压。

此外优选，运算部将质点速度矢量和无定向的声压相乘来计算声强。

进而优选，声接收部的多个麦克风各自的测定值为声压，运算部将多个麦克风各自的声压的平方与各单位矢量相乘，并计算作为其矢量合成的声强。

在此优选，声接收部由三个麦克风构成，各麦克风被分别配置成各单位矢量朝向如下方向：从三角形的重心朝向各顶点的方向或从各顶点朝向重心的方向。

此外优选，声接收部由四个麦克风构成，各麦克风被分别配置成各单位矢量朝向如下方向：从三角锥的重心朝向各顶点的方向或从各顶点朝向重心的方向。

此外优选，声接收部的多个麦克风分别为心形定向麦克风、超心形定向麦克风、广角心形定向麦克风、过度超心形定向麦克风中的任一种。

进而，本发明的声测定装置包括：声接收部，具有多个单一定向性的麦克风，多个麦克风被配置成朝向其灵敏度最大方向的单位矢量的总和为零；和运算部，求出声接收部的多个麦克风各自的测定值的总和，从而计算声信息。

发明效果

本发明的声测定装置具有以下优点：能够解决麦克风的间隔的频率依赖性并且减少麦克风的个数。此外还具有以下优点：能够通过增加麦克风的个数来提高鲁棒性的。

附图说明

图1是假定了单一平面波来到声接收部的声场时的概念图。

图2是以矢量解释单一平面波来到声接收部的声场时的概念图。

图3是用于说明本发明的声测定装置的构成的框图。

图4是用于说明本发明的声测定装置的第1实施例的图。

图5是用于说明本发明的声测定装置的第2实施例的图。

图6是使来自声源的声的到来方向相对于水平角变化时本发明的声测定装置的第2实施例的模拟结果。

图7是使到来方向相对于仰角变化时本发明的声测定装置的第2实施例的模拟结果。

图8是通过本发明的声测定装置的第2实施例求出声强的绝对值的模拟结果。

标号说明

1、2麦克风(定向性)

10声接收部

11～13麦克风(定向性)

20运算部

21～24麦克风(定向性)

具体实施方式

首先，说明C-C方式的声测定装置的概念。图1是假定了单一平面波来到声接收部的声场时的概念图。如图所示，假定了单一平面波P(t)相对于x方向以角度θ到来的声场时，声场行进方向的质点速度u(t)用下式表示。

[数学式1]

u(t)＝P(t)/ρc

其中，ρc为声阻抗。

并且，x方向的质点速度u_x(t)用下式表示。

[数学式2]

u_x(t)＝-{P(t)cosθ}/ρc

因此，声强的x方向分量用下式表示。

[数学式3]

I_x(t)＝P(t)u_x(t)＝-{P²(t)cosθ}/ρc

接下来，考虑用单一定向性麦克风对测定该声场的情况。作为单一定向性麦克风例如使用了Cardioid Microphone(心形定向麦克风)时，用麦克风1及麦克风2测定的各自的响应P₁(t)、P₂(t)分别用下式表示。

[数学式4]

P₁(t)＝P(t)(0.5+0.5cosθ)

[数学式5]

P₂(t)＝P(t)(0.5-0.5cosθ)

若将这些P₁(t)、P₂(t)相加，则如下式所示成为无定向的声压。

[数学式6]

P₁(t)+P₂(t)＝P(t)

并且，这些P₁(t)、P₂(t)的差分用下式表示。

[数学式7]

P₁(t)-P₂(t)＝P(t)cosθ

将数学式7与数学式2相比可知，x方向的质点速度u_x(t)如下式所示由麦克风1和麦克风2的响应的差分求出。

[数学式8]

u_x(t)＝-{P₁(t)-P₂(t)}/ρc

因此，x方向的声强分量如下表示。

[数学式9]

I_x(t)＝P(t)u_x(t)

     ＝-{P₁(t)+P₂(t)}{P₁(t)-P₂(t)}/ρc

另外，数学式9也可以如下表示。

[数学式10]

I_x(t)＝-{P₁²(t)-P₂²(t)}/ρc

此外，求y方向、进而z方向的声强分量时，只要与上述理论同样地求出各方向的声强分量即可，只要将这些各方向的声强分量合成，就求出了声强I(t)。

根据数学式9还可知，在C-C方式中，通过与各维的麦克风对的差分相加而求出各维的声强分量。在本申请发明人发明的JP专利申请2007-054909中，根据这一理论求出了声强。

以下，尝试以矢量来解释求出上述C-C方式的声强的原理。图2是以矢量解释单一平面波来到声接收部的声场时的概念图。如图所示，考虑朝向麦克风的灵敏度最大方向的单位矢量e₁～e₄。在此，关于单位矢量，例如如图所示在直角坐标系的x轴上，朝向麦克风的灵敏度最大方向的单位矢量e₁的分量为(1，0)。

假定了单一平面波P(t)到来的声场时，无定向的声压P(t)、质点速度矢量u(t)、声强I(t)分别如下式所示。

[数学式11]

P(t)=2nΣi=1nPi(t)]]>

[数学式12]

u→(t)=-KρcΣi=1n{Pi(t)·e→i}]]>

[数学式13]

I→(t)=-2Kn·1ρcΣi=1nPi(t)×Σi=1n{Pi(t)·e→i}]]>

其中，在上述公式中，n为麦克风的个数(信道数)，K为根据信道数、麦克风的形式而不同的质点速度标准化的系数。

由这些公式可知，以矢量解释声场时，质点速度矢量被表示为将多个麦克风的各自的测定值与各单位矢量相乘(加权)并进行矢量合成后的矢量。即，作为声信息计算质点速度矢量时，只要将多个麦克风各自的声压与各单位矢量相乘并将其矢量合成即可。

此外，无定向的声压被表示为多个麦克风各自的声压的总和。即，作为声信息计算无定向的声压时，只要求出多个麦克风各自的声压的总和即可。

并且，声强用这样求出的质点速度矢量和无定向的声压的乘积表示。即，作为声信息计算声强时，只要将质点速度矢量和无定向的声压相乘即可。

进而，考虑到作为声压的平方的二乘声压时，声强I(t)如下式所示。

[数学式14]

I→(t)=-Gn·1ρcΣi=1n{Pi2(t)·e→i}]]>

其中，上述公式中，G为根据信道数、麦克风的形式而不同的标准化系数。

根据这些公式可知，以矢量解释声场时，在考虑到二乘声压的情况下，可以不求质点速度矢量而直接算出声强。即，作为声信息计算声强时，将二乘声压与各单位矢量相乘并将其矢量合成即可。

C-C方式的声测定装置的矢量合成法通过这种理论进行即可。另外，矢量合成不仅包含将矢量相加，若从反向考虑也包含相减。

在此，使用本发明的声测定装置的矢量合成法时，对朝向麦克风的灵敏度最大方向的单位矢量添加以下的条件。

(1)如下式所示，各麦克风的朝向灵敏度最大方向的单位矢量在空间上平衡。即，以使各单位矢量的总和为零的方式配置多个麦克风。

[数学式16]

Σi=1ne→i=0]]>

(2)如下式所示，各维的成分相等。即，配置成多个麦克风各自的单位矢量的各自分量的平分的总和相等。

[数学式17]

Σi=1nxi2=Σi=1nyi2=Σi=1nzi2]]>

(3)麦克风的数量比计算的声信息的矢量的空间维数多。

若多个麦克风满足这些条件，则可以使用本发明的声测定装置的矢量合成法。然而，关于(2)的条件并非必须，即使是各维的成分不相等的麦克风的配置，只要能满足(1)的条件，就可以通过适当校正来应对。

实施例

以下与图示例一起说明用于实施本发明的最佳的方式。图3是用于说明本发明的声测定装置的构成的框图。如图所示，本发明的声测定装置主要包括声接收部10和运算部20。声接收部10具有多个麦克风，各麦克风具有单一定向性。此外，为了满足上述(1)～(3)的条件，多个麦克风被配置成，朝向其灵敏度最大方向的单位矢量的总和为零，且各自的单位矢量的各自分量的平分的总和相等。关于多个麦克风的配置位置在下文说明。

此外，麦克风具有单一定向性，更具体地说，麦克风例如可以选自Cardioid Microphone(心形定向麦克风)、Super Cardioid Microphone (超心形定向麦克风)、Hyper Cardioid Microphone(广角心形定向麦克风)、Ultra Cardioid Microphone(过度超心形定向麦克风)等。另外，根据使用的麦克风的定向性的特性的不同，只要适当变更由各麦克风测定的响应(声压)特性即可。

并且，由声接收部测定的信息被发送到运算部20。运算部20例如由个人计算机、数字信号处理器(DSP)等运算装置构成。运算部20根据声测定装置的用途等，计算无定向的声压、质点速度矢量、声强。例如，求无定向的声压时，利用数学式11求出多个麦克风各自的声压的总和即可。此外，求质点速度矢量时，利用数学式12将多个麦克风各自的声压与各单位矢量相乘并将其矢量合成即可。进而，求声强时，将质点速度矢量和无定向的声压相乘即可。这些可适当组合计算。

进而，在运算部20中，也可利用数学式14，计算多个麦克风各自的声压的平方，将二乘声压与各单位矢量相乘，并将其矢量合成，从而求出声强。

以下对多个麦克风的配置位置进行更详细的说明。图4是用于说明本发明的声测定装置的第1实施例的声接收部的图。另外，在图示例中，仅示出了麦克风的定向性，而没有示出麦克风的外观。第1实施例的声测定装置用于测定二维的声信息。如图所示，本发明的声测定装置的第1实施例中，构成声接收部的麦克风由第1麦克风11、第2麦克风12、第3麦克风13这三个麦克风构成。另外，图中朝向麦克风的灵敏度最大方向的箭头表示单位矢量。并且，各麦克风被配置成各单位矢量朝向从三角形的重心朝向各顶点的方向。另外，单位矢量的朝向也可以为反向。即，也可以将麦克风配置成使单位矢量朝向从三角形的各顶点朝向重心的方向。如上所述，若将多个麦克风配置成使朝向其灵敏度最大方向的单位矢量的总和为零、且各自的单位矢量的各自分量的平方的总和相等，则在三个麦克风的情况下，三个麦克风被配置成各单位矢量朝向从正三角形的重心朝向各顶点的方向。

在本发明的声测定装置中，通过成为这种麦克风的配置，可以作为矢量解释声场。用于测定二维的质点速度矢量、声强的麦克，以往最低需要4个，而通过这样构成，本发明的声测定装置只要最低有3个即可。在这样的构成中，只要使用数学式12、数学式13就可以容易地求出质点速度矢量、声强。

另外，在二维测定中，麦克风的数量并非必须限定为3个，也可以根据用途等而使用4个、5个或更多。另外，满足上述(1)～(3)的条件的4个麦克风的配置位置为，将180度反向配置的麦克风对配置成以坐标的原点为中心而在x轴方向和y轴方向上正交。

在二维的C-C方式的声测定装置中，可以无视麦克风相互间存在的固有的相位特性的不一致的构成，为使用了4个以上的麦克风的情况。因此，严格来说，在为由3个麦克风构成的声接收部时，会产生因相位特性的不一致而引起的测定误差，但与现有的P-P方式的装置相比可以获得充分的效果。

此外，关于多个麦克风的间隔，若为单一平面波声场则没有影响，但若为多个干涉声场，则间隔越近越好。

进而，根据本发明的声测定装置，也可以使用大量的麦克风构成声接收部。因此，若使用很多麦克风构成声接收部，则即使1个麦克风发生故障，虽然测定精度会有所下降，但仍然能够在某种程度上确保作为声测定装置的功能。因此，可以应用于追求鲁棒性的用途。

接下来说明本发明的声测定装置的第2实施例。图5是用于说明本发明的声测定装置的第2实施例的声接收部的图。另外，在图示例中，仅示出了麦克风的定向性，而没有示出麦克风的外观。第1实施例的声测定装置用于测定二维的声信息，而第2实施例的声测定装置用于测定三维的声信息。如图所示，本发明的声测定装置的第2实施例中，构成声接收部的麦克风由第1麦克风21、第2麦克风22、第3麦克风23、第4麦克风24这四个麦克风构成。另外，图中朝向麦克风的灵敏度最大方向的箭头表示单位矢量。并且，各麦克风被配置成各单位矢量朝向从三角锥(四面体)的重心朝向各顶点的方向。另外，单位矢量的朝向也可以为反向。即，也可以将麦克风配置成使单位矢量朝向从三角锥的各顶点朝向重心的方向。如上所述，若将多个麦克风配置成使朝向其灵敏度最大方向的单位矢量的总和为零、且各自的单位矢量的各自分量的平方的总和相等，则在四个麦克风的情况下，四个麦克风被配置成各单位矢量朝向从正四面体的重心朝向各顶点的方向。

在本发明的声测定装置的第2实施例中也可以作为矢量解释声场。用于测定三维的质点速度矢量、声强的麦克，以往最低需要6个，但本发明中只要最低有4个即可。在这样的构成中，只要使用数学式12、数学式13就可以容易地求出质点速度矢量、声强。

在此，示出通过模拟对本发明的声测定装置的第2实施例进行解析的结果。首先，假定作为单一平面波有100Hz的正弦波到来的简易的三维声场。并且，计算使声场向声接收部的到来角度在0度～350度的范围以10度的步幅变化时的4个麦克风的响应，利用该4个信道的响应波形，根据数学式13计算出声强。进而，对其进行平均而计算三维平均声强矢量，计算出自声源的声的到来方向、声强的绝对值。图6～图8表示该结果。

图6是使来自声源的声的到来方向相对于水平角变化时本发明的声测定装置的第2实施例的模拟结果。在此，横轴为实际的声的到来方向，纵轴为基于计算结果的声的到来方向。此外，图7是使到来方向相对于仰角变化时本发明的声测定装置的第2实施例的模拟结果。在此也是横轴为实际的声的到来方向，纵轴为基于计算结果的声的到来方向。进而，图8是通过本发明的声测定装置的第2实施例的构成求出声强的绝对值的模拟结果。在此，横轴为实际的声的到来方向，纵轴为基于计算结果的声强的绝对值。

根据这些图可知，能够高精度地解析三维到来方向。此外还可知，声强的绝对值与声的到来方向无关而为相同的大小，可以无偏颇地对声源的方向进行解析。

这样一来，在本发明的声测定装置中，以矢量解释C-C方式的测定理论，因此没有作为C-C方式的效果的麦克风间隔的频率依赖性。进而，不需要在直角坐标系的各轴上以使定向性为180度反向的方式配置多个麦克风，因此可以减少麦克风的数量。

此外，在本发明的声测定装置中，无需使麦克风的定向性为180度反向地进行配置，也可以使麦克风之间倾斜地进行配置，因此麦克风的通常设置在与声接收侧相向的位置的端子之间等难以物理干涉。因此，麦克风的配置容易且可以小型化。

另外，在三维的测定中，麦克风的数量并非必须限定为4个，也可以根据用途等而使用5个、6个或更多。另外，满足上述(1)～(3)的条件的6个麦克风的配置位置为，将180度反向配置的麦克风对配置成以坐标的原点为中心而在x轴方向、y轴方向和z轴方向上正交。

在三维的C-C方式的声测定装置中，可以无视麦克风相互间存在的固有的相位特性的不一致的构成，为使用了6个以上的麦克风的情况。因此，严格来说，在为由4个麦克风构成的声接收部时，会产生因相位特性的不一致而引起的测定误差，但与现有的P-P方式的装置相比可以获得充分的效果。

此外，关于多个麦克风的间隔，若为单一声场则没有影响，但若为多个干涉声场，则间隔越近越好。

进而，根据本发明的三维的声测定装置，也可以使用大量的麦克风构成声接收部。因此，若使用很多麦克风构成声接收部，则即使1个麦克风发生故障，虽然测定精度会有所下降，但仍然能够在某种程度上确保作为声测定装置的功能。因此，可以应用于追求鲁棒性的用途。

另外，本发明的声测定装置并不仅限于上述图示例，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种变更。

声测定装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。