近距離場を優先的に計測できるマイクアレイ

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K03984
• 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
• Keywords: マイクロホンアレイ / 雑音除去 / 雑音抑圧 / 音声強調

Outline of Annual Research Achievements

携帯電話やヘッドセット等の接話型の通話機器では、話者の口元がマイクロホンの近傍にあり、騒音の音源はそれと比べれば遥か遠方にある。よって、近距離場に存在する音源から届く音のみを計測しやすいマイクロホンアレイを実現できれば、周囲の騒音が煩い状況でも話者の音声を明瞭に通話相手へ届けやすいはずである。そこで、一般化放射モードの理論を拠り所として、遠距離場よりも近距離場に存在する音源から届く音を優先して計測しやすいマイクロホンアレイを設計・試作した。通話機器に搭載しやすいことを意識して、マイクロホンの配列は直線状とし、個数は3個もしくは5個とした。マイクロホン同士の配置間隔は5cmとした。
2022年度では、基本性能を確認するべく、自由空間での収音特性を調査した。自由空間とは、音を反射させたり、回折させたりする障害物のない空間のことである。実験では、自由空間を模擬した無響室で収音特性を評価した。計算機シミュレーションも行い、理論的な性能限界を示しつつ、それに対して実際にはどの程度の性能が得られるのかを確認した。
結果としては、マイクロホンが3個であれ、5個であれ、シミュレーション結果と実験結果には乖離が見られた。実際のマイクロホンの感度・位相には個体差があるところ、本マイクロホンのアレイ信号処理は多重極の様相を呈する（各マイクロホンの計測信号に、ある重みづけをしたうえで、加算・減算するような信号処理）ため、マイクロホンの個体差に由来する性能の劣化が生じたものと推察される。とはいえ、通常のマイクロホンと比べれば、およそ1000Hz以下では全方向で遠距離場の音源から届く音を抑えやすく、およそ1000Hz以上では正面方向で遠距離場の音源から届く音を抑えやすかった。また、3個よりも5個のマイクロホンを用いたほうが良好な収音特性を得られた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

計画どおり、自由空間を仮定した計算機シミュレーションを実施し、また、自由空間を模擬した無響室での実験を実施できた。実験では、複数の小型・軽量なMEMSマイクを使って同期計測を行える環境を整えられた。

Strategy for Future Research Activity

上記のとおり自由空間での有効性が確認できたところ、2023年度では、マイクロホンアレイの周囲に障害物が存在する環境での収音特性について調査を進めていく。具体的には、通話機器のユーザーの頭部を障害物として想定し、それに対するロバスト性を評価する。実験では、ダミーヘッドを用意し、その口元の近傍にマイクロホンアレイを設置したうえで、収音特性を評価する。一般化放射モードに基づくマイクロホンアレイの設計では、それぞれのマイクロホンの設置位置間の音響インピーダンスを用いるが、まずは自由空間を仮定して（ダミーヘッドがないことを仮定して）音響インピーダンスを計算し、それを用いてマイクロホンアレイを設計して、ダミーヘッドの近傍に置いた場合の収音特性を評価する。もしロバスト性が乏しければ、ダミーヘッドを考慮して音響インピーダンスを計算もしくは計測し、それを用いてマイクロホンアレイを設計する予定である。さらに、2024年度では、室内音響（部屋の壁による音の反射等）に対するロバスト性についても検証を進めていく。

Causes of Carryover

研究期間全体の研究環境を出来るだけ早期に整えられればと考え、2022年度から高性能計算機やダミーヘッド等の調達を進めようと検討していたところ、それが2023年度にずれ込んだ。とはいえ、これらの機器を用いた計算機シミュレーションや実験は2023年度以降に実施するのが当初からの計画であり、その意味では問題ない。2023年度では、これらの機器を調達し、計画に沿って実験を実施する予定である。