近距離場を優先的に計測できるマイクアレイ

• Project/Area Number: 22K03984
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
• Research Institution: Kogakuin University
• Principal Investigator: 貝塚 勉 工学院大学, 先進工学部, 准教授 (50756369)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: マイクロホンアレイ / 雑音除去 / 雑音抑圧 / 音声強調 / 放射モード / マイクアレイ / 音声通話

Outline of Research at the Start

音声通話を快適に行うためには、音声信号の明瞭度が高い必要がある。したがって、携帯電話やヘッドセット等の通話機器では、話者の音声を計測しつつ、周囲の雑音を除去することが求められる。話者の口元が通話機器の近くにあり、雑音（例えば、話者の周囲の人々の話し声や、自動車や電車の走る音）の源が通話機器の遠くにあることに注目し、近くの音源から放射される音を優先的に計測できるマイクアレイの実現を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度の研究目的は、マイクロホンアレイの近傍に話者の頭部が存在するときの収音性能を評価することであった。3個のMEMSマイクロホンを5cm間隔で直線状に並べ、アレイを構築し、それをダミーヘッドの口元の正面から3cmの距離に配置した。各マイクロホンの感度・極性の設定に当たっては、ダミーヘッドを考慮せず、自由空間を仮定した場合の音響伝達関数に基づき、放射モードの理論を適用した。すなわち、前記伝達関数に関する一般化固有値問題を解き、固有値が最大の固有ベクトルに従って、各マイクロホンの感度・極性を設定した。固有ベクトルの周波数依存性が緩やかであることから、周波数依存性を無視し、300Hz（音声通話の下限周波数）の固有ベクトルに従って各マイクロホンの感度・極性を設定した。
ダミーヘッドにはマウスシミュレータが搭載されており、これを使ってホワイトノイズを再生した。ダミーヘッドが話者を想定したものなのに対し、周囲の騒音源を想定してモニタースピーカを設置し、これを使ってホワイトノイズを再生した。マイクロホンアレイの中心から半径1mの円周上を15度間隔で移動させるかたちで、様々な方向から騒音が到来する場合を模擬した。
本マイクロホンアレイは、放射モードの理論に基づき、近距離場から到来する音を優先的に計測するものである。言い換えれば、到来音の距離減衰の促進を狙ったものである。その原理上、低周波音に対して性能を発揮しやすい。前記実験の結果から、1000Hz以下の周波数帯（一般的な環境騒音の主成分と考えうる周波数帯）で単一マイクロホンに対する優位性が示された。すなわち、各方向で7～18dBの距離減衰の利得が得られ、全方向の平均では11dBの距離減衰の利得を得られた。つまり、自由音場を仮定した簡易な設計であっても性能を発揮できたわけであり、本マイクロホンアレイのロバスト性が示された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2022年度の研究目的は、自由空間での収音性能を示すことであるところ、複数のMEMSマイクロホンを並べてマイクロホンアレイを構築し、無響室での性能評価実験を行い、単一マイクロホンに対する優位性を示した。なお、3個のMEMSマイクロホンを用いる構成と、5個のMEMSマイクロホンを用いる構成を試し、いずれも単一マイクロホンに対する優位性を示したが、より優れた性能を示したのは後者だった。以上のとおり、概ね順調に研究を進められた。
2023年度の研究目的は、マイクロホンアレイの近傍に話者の頭部が存在するときの収音性能を示すことであるところ、無響室にダミーヘッドを設置して性能評価実験を行い、単一マイクロホンに対する優位性を示した。小型化を狙いとして、3個のMEMSマイクロホンを用いる構成を採用した。マイクロホンアレイの設計においては、簡素化を狙いとして、ダミーヘッドを考慮せず、自由空間を仮定した。それでもなお単一マイクロホンに対する優位性を確認できたことは、「簡単な方法でありながら、性能を発揮できる」という本マイクロホンアレイの特徴を示すものである。以上のとおり、概ね順調に研究を進められた。

Strategy for Future Research Activity

2024年度の研究目的は、マイクロホンアレイが室内に置かれたときの収音性能を評価することである。すなわち、部屋の壁により生じる音の反射（残響）が収音性能に与える影響を調査する。残響時間の異なる複数の部屋を対象に調査を行う予定である。2023年度までに構築したマイクロホンアレイ（3個のMEMSマイクロホンを5cm間隔で直線状に並べたもの。ヘッドセットとしての応用を想定）を引き続き使用する。なお、本実験の際にも、マイクロホンアレイの近傍にダミーヘッドを配置し、話者の頭部による音の反射・回折の影響もあるなかで収音性能を評価する。