JP7403778B2 - 音源方向特定装置 - Google Patents

Description

本発明は、音源方向特定装置等に関するものである。

特許文献１には、３つのマイクロフォンを備え、音源方向を推定する音源方向推定装置が記載されている。具体的には、音源方向の水平角を、３つの到達時間差を用いて算出する方法が開示されている。

特開２０１５－１６１６５９号公報

３つのマイクロフォンを用いて音源を特定する方法として、特許文献１の方法では、方向を精度良く特定できないおそれがあった。

本願は、例えば上記の課題等の様々な課題に鑑み提案されたものであって、従来技術とは異なる方法で、例えば３つのマイクロフォンを用いて音源方向を精度良く特定することができる音源方向特定装置等を提供すること等を目的とする。
本願の発明の目的はこれに限定されず、本明細書および図面等に開示される構成の部分から奏する効果を得ることを目的とする構成についても分割出願・補正等により権利取得する意思を有する。例えば本明細書において「～できる」と記載した箇所を「～が課題である」と読み替えた課題が本明細書には開示されている。課題はそれぞれ独立したものとして記載しているものであり、この課題を解決するための構成についても単独で分割出願・補正等により権利取得する意思を有する。課題が明細書の記載から黙示的に把握されるものであっても、本出願人は本明細書に記載の構成の一部を補正または分割出願にて特許請求の範囲とする意思を有する。

（１）本願の音源方向特定装置は、三角形の頂点に配置された３つのマイクロフォンと、音源から前記３つのマイクロフォンの各々までの音の到達時間の差に基づき、前記音源の位置を、前記三角形を含む平面に垂直な方向に沿って前記三角形を含む平面に投影した位置から前記平面の前記三角形で囲まれた領域の内側にある基準位置へ向かう音源方向を特定する特定部と、を備えることを特徴とする。このようにすれば、３つのマイクロフォンで音源方向を特定することができる。

例えば、２つのマイクロフォンを結ぶ線分の中点を基準位置とし、当該２つのマイクロフォンを含む平面を想定した場合、２つのマイクロフォンでは、音源方向の特定は制約を受けざるを得ない。
図１に示すように、間隔Ｄａｂを開けて配置されたマイクロフォンMIC（Ａｃｈ）（以下、MICａと記載する。），MIC（Ｂｃｈ）（以下、MICｂと記載する。）および音源を含む平面を想定する。図１では、音源の位置（以下、音源位置と称する）から基準位置へ向かう音源方向を矢印にて示している。また、音源方向を、マイクロフォンMICａ，MICｂを結ぶ線分の中点を通る、マイクロフォンMICａ，MICｂを結ぶ線分の垂線（図１では０°と表記する。）と音源方向とのなす角の角度（以下、音源角度と称する。）である角度θにて示すとする。以下の記載において、垂線を０°線と記載する場合がある。
音が平面波であるとみなすと、音源位置からマイクロフォンMICａまでの距離と音源位置からマイクロフォンMICｂまでの距離との差である距離差Ｄdiffは、斜辺がマイクロフォンMICａ，MICｂを結ぶ線分、１辺が音源方向に直交する直角三角形のもう１辺の長さである。従って、距離差Ｄdiffは、次の（式１）で示される。音源位置からの距離は、マイクロフォンMICｂに対し、マイクロフォンMICａの方が距離差Ｄdiffだけ長いということになる。
Ｄdiff＝Ｄａｂ×ｓｉｎθ・・・（式１）
（式１）を変形すると、角度θは次の（式２）で示される。
θ＝ａｒｃｓｉｎ（Ｄdiff／Ｄａｂ）・・・（式２）
また、音速Ｖｓを用いて、距離差Ｄdiffと、マイクロフォンMICａにおける音の到達時間とマイクロフォンMICｂにおける音の到達時間との差である到達時間差Ｔdiffとの関係は、次の（式３）で示される。
Ｔdiff＝Ｄdiff／Ｖｓ・・・（式３）
（式３）を変形すると、距離差Ｄdiffは次の（式４）で示される。
Ｄdiff＝Ｖｓ×Ｔdiff・・・（式４）
（式２）に（式４）を代入すると、次の（式５）となる。
θ＝ａｒｃｓｉｎ（Ｖｓ×Ｔdiff／Ｄａｂ）・・・（式５）
（式５）において、間隔Ｄａｂおよび音速Ｖｓが既知とすれば、到達時間差Ｔdiffを測定などにより求めることで、角度θを算出することができる。
しかしながら、図２に示すように、マイクロフォンMICａ，MICｂに対し、同じ到達時間差Ｔdiffとなる音源方向は、角度θで示される方向と角度θ´で示される方向との２つ存在する。ここで、角度θ´は１８０°から角度θを減じた角度である。従って、到達時間差Ｔdiffだけでは、音源角度が角度θと角度θ´との何れであるかを特定することができない。マイクロフォンMICａ，MICｂを通る線に対し、一方の方向を正面方向、他方の方向を背面方向と称する場合、正面方向に音源があった場合、実際には、正面方向が実像、背面方向が虚像であるが、到達時間差Ｔdiffだけでは、何れか実像であるか区別がつかない。

これに対して、本願の構成である同一直線上にない、三角形の頂点に配置される３つのマイクロフォンの間での到達時間の差によれば、音源方向を特定することができる。例えば、マイクロフォンMICａ，MICｂおよび音源を含む平面上の、マイクロフォンMICａ，MICｂに対して、音源方向が角度θである音１から遠い位置に、３つ目のマイクロフォンであるマイクロフォンMIC（Ｃｃｈ）（以下、MICｃと記載する。）を配置したとする。この場合、マイクロフォンMICａ，MICｂよりもマイクロフォンMICｃに音が早く到達した場合には音源方向は角度θ´である音２であり、マイクロフォンMICａ，MICｂよりもマイクロフォンMICｃに音が遅く到達した場合には音源方向は角度θである音１であると特定することができる。
つまり、マイクロフォンMICａへの音の到達時間とマイクロフォンMICｂへの音の到達時間との差である到達時間差Ｔｃａを（式５）に代入して算出される、角度θおよび１８０°から角度θを減じた角度θ´のうち、マイクロフォンMICａへの音の到達時間とマイクロフォンMICｃへの音の到達時間との差である到達時間差ＴｃａもしくはマイクロフォンMICｂへの音の到達時間とマイクロフォンMICｃへの音の到達時間との差である到達時間差Ｔｂｃに基づいて、何れか一方を音源角度であると特定することができる。以下の説明において、マイクロフォンMICａ～MICｃの何れの組の到達時間差であるかを区別する場合には到達時間差Ｔａｂ，Ｔｂｃ，Ｔｃａと記載し、総称する場合には到達時間差Ｔdiffと記載する。
尚、ここでは、到達時間差Ｔdiffは、２つのマイクロフォンにおいて、音が到達するのに要した時間の長い方の時間から、短い方の時間を減じて算出される時間であるものとする。無論、２つのマイクロフォンにおいて、音が到達するのに要した時間の長短によれば、２つのマイクロフォンのどちらが音源に対して遠方にあるかを特定することができる。

以下の説明において、図２にて示した、角度θ，θ´を区別するために、３つのマイクロフォンのうち、１組をなす２つのマイクロフォンにおいて、２つのマイクロフォンを通る線に対し、残り１つのマイクロフォンがない側を「表」、残り１つのマイクロフォンがある側を「裏」と称する。例えば、図２では、１組をなすマイクロフォンMICａ、MICｂにおいて、マイクロフォンMICｃが図２の位置にある場合、音１がある側が「表」であり、音２がある側が「裏」である。以下の説明において、１組をなすマイクロフォンをマイク組として記載、例えば１組をなすマイクロフォンMICａ、MICｂをマイク組MICａ⇔MICｂと記載する場合がある。

さて、音源方向が、３つのマイクロフォンの位置を頂点とする三角形ＡＢＣの垂心を通り、三角形の各辺と平行な３本の線を境界線とする、６つの領域の何れに含まれるかを特定すれば、効率的に３組のマイクロフォンの各々における音源方向の表裏の区別をするこ
とができる。
図３に示すように、マイクロフォンMICａ～MICｃの位置を頂点とする三角形ＡＢＣの垂心を通り、三角形ＡＢＣの各辺と平行な３本の線である、平行線ＰＬａｂ，ＰＬｂｃ、ＰＬｃａを境界線とする６つの領域を領域１～６と称する。ここでは、三角形ＡＢＣの垂心を基準位置とする。音源位置から基準位置へ向かう方向が音源方向であり、図３において矢印にて音源方向の一例を示している。尚、音は平面波であるとみなしているため、音源方向は、マイクロフォンMICａ～MICｃを含む平面上にて、任意に移動して考えることができる。マイク組MICａ⇔MICｂの「表」に位置する領域は領域１～３であり、「裏」に位置する領域は領域４～６である。マイク組MICｂ⇔MICｃの「表」に位置する領域は領域３～５であり、「裏」に位置する領域は領域１，２，６である。マイク組MICｃ⇔MICａの組の「表」に位置する領域は領域１、５，６であり、「裏」に位置する領域は領域２～４である。従って、例えば、音源方向が領域３にあると特定されれば、マイク組MICａ⇔MICｂの「表」、マイク組MICｂ⇔MICｃの「表」、マイク組MICｃ⇔MICａの「表」であると、効率的に特定することができる。

ところで、図４に示す様に、三角形ＡＢＣの垂心Ｏを通る、三角形ＡＢＣの各辺と平行な平行線ＰＬａｂ，ＰＬｂｃ、ＰＬｃａに加え、頂点Ａ～Ｃの各々から、各々の対辺に下された垂線ＰＬａ，ＰＬｂ，ＰＬｃの、合計６本の線を境界線とする１２の領域において、到達時間差Ｔdiffの大きい順は自ずと決まる。説明するに当たって、１２の領域を次のように称する。垂心Ｏを基点として、垂心Ｏから頂点Ａ側の垂線ＰＬａから右回りに平行線ＰＬｃａまでの領域を領域Ｒ１ａと称し、領域Ｒ１ａから右回りに順に、領域Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ，Ｒ４ａ，Ｒ４ｂ，Ｒ５ａ，Ｒ５ｂ，Ｒ６ａ，Ｒ６ｂと称する。尚、垂線ＰＬａ，ＰＬｂ，ＰＬｃの交点が垂心Ｏである。

尚、ここでは、簡単のため、三角形ＡＢＣが正三角形である場合を例に説明する。
例えば、音源位置が垂線ＰＬａ上にある場合には、マイク組MICａ⇔MICｂの到達時間差Ｔａｂとマイク組MICａ⇔MICｃの到達時間差Ｔｃａとは同じになり、マイク組MICｂ⇔MICｃの到達時間差Ｔｂｃは０となる。つまり、到達時間差Ｔａｂ，Ｔｃａが最大で、到達時間差Ｔｂｃが最小となる。音源位置が垂線ＰＬｂ，ＰＬｃ上にある場合、同様に、到達時間差Ｔdiffの大きい順は決まる。
また、例えば、音源位置が平行線ＰＬａｂ上にある場合には、到達時間差Ｔｂｃと到達時間差Ｔｃａとは同じになり、到達時間差Ｔａｂは到達時間差Ｔｂｃおよび到達時間差Ｔｃａの２倍となる。つまり、到達時間差Ｔａｂが最大となり、到達時間差Ｔｂｃ，Ｔｃａが最小となる。これは、音源位置からマイクロフォンMICａまでの距離と音源位置からマイクロフォンMICｂまでの距離との差である距離差ＤＤａｂは辺ＡＢの長さであり、音源位置からマイクロフォンMICｂまでの距離と音源位置からマイクロフォンMICｃまでの距離との差である距離差ＤＤｂｃは頂点Ｂから辺ＡＢの中点までの距離であり、音源位置からマイクロフォンMICｃまでの距離と音源位置からマイクロフォンMICａまでの距離との差である距離差ＤＤｃａは頂点Ａから辺ＡＢの中点までの距離であるからである。音源位置が平行線ＰＬｂｃ，ＰＬｃａ上にある場合、同様に、到達時間差Ｔdiffの大きい順は決まる。以下の説明において、マイクロフォンMICａ～MICｃの何れの組の距離差であるかを区別する場合には距離差ＤＤａｂ，ＤＤｂｃ，ＤＤｃａと記載し、総称する場合には距離差Ｄdiffと記載する。
次に、音源位置が線上にない場合について、音源位置が領域Ｒ２ａにあり、音源方向と垂線ＰＬｃとのなす角が角度θである場合を例に、図５を用いて説明する。尚、音源位置は領域Ｒ２ａにあるため、角度θは３０°未満である。

図５は、各組における距離差Ｄdiffを算出するために、マイクロフォンMICａ～MICｃの位置を頂点とする三角形ＡＢＣに、図１と同様に、各辺を斜辺とする直角三角形を描いた図である。詳しくは、直角三角形ＡＢＤは、斜辺が辺ＡＢであり、一辺が音源方向と直交
する辺ＢＤである直角三角形である。また、直角三角形ＢＣＦは、斜辺が辺ＢＣであり、一辺が音源方向と直交する辺ＦＢである直角三角形である。また、直角三角形ＣＡＥは、辺ＣＡが斜辺であり、一辺が音源方向と直交する辺ＡＥである直角三角形である。
ここで、角ＤＢＡの角度はθ、角ＦＢＣの角度は（６０°＋θ）、角ＣＡＥの角度は（６０°－θ）となる。距離差ＤＤａｂは直角三角形ＡＢＤの辺ＡＤの長さである。また、距離差ＤＤｂｃは直角三角形ＢＣＦの辺ＣＦの長さである。また、距離差ＤＤｃａは直角三角形ＣＡＥの辺ＥＣの長さである。
マイクロフォンMICｂ，MICｃ間の間隔を間隔Ｄｂｃ、マイクロフォンMICｃ，MICａ間の間隔を間隔Ｄｃａとすると、距離差ＤＤａｂはＤａｂ×ｓｉｎθ、距離差ＤＤｂｃはＤｂｃ×ｓｉｎ（６０＋θ）、距離差ＤＤｃａはＤｃａ×ｓｉｎ（６０－θ）である。ここで、θ＜３０°であるので、ｓｉｎθ＜ｓｉｎ（６０－θ）＜ｓｉｎ（６０＋θ）であり、Ｄａｂ＝Ｄｂｃ＝Ｄｃａであるので、Ｄａｂ×ｓｉｎθ＜Ｄｃａ×ｓｉｎ（６０－θ）＜Ｄｂｃ×ｓｉｎ（６０＋θ）である。つまり、ＤＤａｂ＜ＤＤｃａ＜ＤＤｂｃとなる。
他の領域についても同様に、距離差Ｄdiffの大きい順は決まる。また、距離差Ｄdiffの大きい順とは、到達時間差Ｔdiffの大きい順と同じであるので、各々の領域における到達時間差Ｔdiffの大きい順は図６に示すようになる。図６では、各領域において、３つの到達時間差Ｔdiffを大きい順に記載している。尚、上記したように、音が到達するのに要した時間の長短によれば、２つのマイクロフォンのうち、どちらが音源に対して遠方にあるかを特定することができる。図６では、音源より遠方のマイクロフォンを括弧書きで示している。例えば、領域Ｒ１ａにおいて、最大の到達時間差Ｔdiffとなるのは到達時間差Ｔｃａであり、音源位置より遠方のマイクロフォンはマイクロフォンMICｃであることを示している。
以上、三角形ＡＢＣが正三角形である場合を例に、各領域における距離差Ｄdiffの大きい順について説明したが、三角形ＡＢＣが正三角形ではなく、垂心が三角形ＡＢＣで囲まれた領域の内側にある、すべての角が９０°以下である三角形である場合にも、同様に各領域における距離差Ｄdiffの大きい順は自ずと決まる。すべての角が９０°以下である三角形とは、例えば、直角三角形、鋭角三角形などである。尚、すべての角が９０°以下である三角形に該当しない三角形、鈍角三角形の場合には、距離差Ｄdiffの大きい順は図６に示す通りにはならない。

ところで、（式１）では、真横、つまり角度θが９０°に近づくほど、角度θの変化量に対する距離差Ｄdiffの変化量は小さくなる。（式１）を微分した、次の（式６）から明らかである。
Ｄdiff´＝（Ｄａｂ×ｓｉｎθ）´＝ｃｏｓθ・・・（式６）
従って、図７に示すように、例えば、音源角度が角度θの場合の距離差Ｄdiffと、角度（θ＋Δθ）の場合の距離差Ｄdiffとの差は、角度θが９０°に近づくほど微小となる。このため、角度θが９０°に近づくほど、距離差Ｄdiffの測定誤差の影響を大きく受けた角度θが算出され易くなり、算出される角度θの精度は悪くなる。尚、図７は、図１と同様の図であり、音源方向をマイクロフォンMICａ，MICｂを結ぶ線分の中点を通る、マイクロフォンMICａ，MICｂを結ぶ線分の垂線（図７では０°と表記する。）と音源方向とのなす角の角度である角度θにて示した図である。ここで、角度θが９０°に近づくとは、対象のマイク組MICａ⇔MICｂにおいて、距離差Ｄdiffおよび到達時間差Ｔdiffが最大に近づくということである。
以上を鑑み、３つのマイクロフォンのうちの２つのマイクロフォンを１組として各組から算出される３つの到達時間差Ｔdiffの各々に基づいて合計３つの角度θを算出することはできるが、３つの到達時間差Ｔdiffのうち最大の到達時間差Ｔdiffは角度θの算出から除外することで、音源方向を示す角度θの精度を上げることができることを発明者らは見出した。

さて、最大の到達時間差Ｔdiffとなる１組を除く、残り２組の到達時間差Ｔdiffを角度
θの算出に用いるのであれば、音源方向が１２の領域（図６参照）の何れにあるかを特定する必要はなく、音源方向が最大の到達時間差Ｔdiffで特定される６領域の何れにあるかを特定すれば足りる。
最大の到達時間差Ｔdiffで特定される６領域とは、図８に示す、領域Ｒ１ａ、Ｒ１ｂを含む領域Ｒ１、領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂを含む領域Ｒ２、領域Ｒ３ａ、Ｒ３ｂを含む領域Ｒ３、領域Ｒ４ａ、Ｒ４ｂを含む領域Ｒ４、領域Ｒ５ａ、Ｒ５ｂを含む領域Ｒ５、領域Ｒ６ａ、Ｒ６ｂを含む領域Ｒ６の６領域である。図８に示すように、領域Ｒ１～Ｒ６の各々における最大の到達時間差Ｔdiffは、それぞれ、到達時間差Ｔｃａ，Ｔｂｃ，Ｔａｂ，Ｔｃａ，Ｔｂｃ，Ｔａｂである。
例えば、到達時間差Ｔdiffが最大となる組のマイクロフォンがマイク組MICａ⇔MICｂであり、遠方のマイクロフォンがマイクロフォンMICａである場合、音源方向は領域Ｒ３にあると特定される。図８における領域Ｒ３は、図３における領域３，４を跨ぐ領域である。従って、音源方向が、領域Ｒ３であると特定されれば、マイク組MICａ⇔MICｂにおいては音源方向が表裏の何れかであるかを特定することができないが、マイク組MICｂ⇔MICｃにおいては音源方向が「表」にあり、マイク組MICｃ⇔MICａにおいては音源方向が「裏」にあると特定することができる。因みに、到達時間差Ｔdiffが２番目あるいは３番目に大きい組がわかったとしても、この組を除いた残り２組の表裏の特定をすることはできない。

以上、音源がマイクロフォンMICａ，MICｂ，MICｃを含む平面にあると仮定して説明した。しかしながら、（１）の構成は、音源がマイクロフォンMICａ，MICｂ，MICｃを含む平面にある場合に限定されるものではない。図９は、音源がマイクロフォンMICａ，MICｂ，MICｃを含む平面にない場合を示している。ここでは、マイクロフォンMICａ，MICｂ，MICｃを含む平面をＸＹ平面と称し、音源からＸＹ平面までの距離を距離Ｄｚと称し、音源の位置を、ＸＹ平面に垂直な方向に沿ってＸＹ平面に投影した位置を投影位置と称し、投影位置から基準位置までの距離を距離Ｄｘｙと称し、音源から基準位置までの距離を距離Ｄｄと称する。また、音源、基準位置、および投影位置を頂点とする三角形における、音源と基準位置とを結ぶ線分と基準位置と投影位置とを結ぶ線分とのなす角の角度を角度θｚと称する。距離Ｄｚに対し距離Ｄｘｙが十分長ければ、角度θｚは小さくなるため、距離Ｄｘｙを距離Ｄｄに近似することができる。同様に、投影位置から３つのマイクロフォンMICａ，MICｂ，MICｃの各々までの距離は、夫々、音源から３つのマイクロフォンMICａ，MICｂ，MICｃの各々までの距離に近似することができる。従って、例えば、投影位置からマイクロフォンMICａまでの距離と投影位置からマイクロフォンMICｂまでの距離との差は、距離差ＤＤａｂに近似することができる。そのため、音源から３つのマイクロフォンMICａ，MICｂ，MICｃの各々までの音の到達時間の差に基づいて、投影位置から３つのマイクロフォンMICａ，MICｂ，MICｃの各々までの距離の差を求めることができる。つまり、音源がＸＹ平面にない場合においても、音源の位置をＸＹ平面に対して垂直な方向に沿ってＸＹ平面に投影した投影位置から基準位置へ向かう音源方向を、音源から３つのマイクロフォンMICａ，MICｂ，MICｃの各々までの音の到達時間の差に基づいて特定することができる。
以上を鑑み、発明者らは、３つのマイクロフォンを用いた音源方向の特定において、次の（２）の構成が良いことを見出した。

（２）本願の音源方向特定装置は、前記基準位置は前記三角形の垂心であり、前記特定部は、前記３つのマイクロフォンのうちの２つのマイクロフォンを１組として各組から算出される３つの前記到達時間の差のうち、最大の前記到達時間の差である１組に基づき、前記音源方向が、前記２つのマイクロフォンを通る線の各々に引かれた前記基準位置を通る３つの垂線により区画された前記基準位置を囲む６つの領域の何れに属するかを決定し、前記最大の到達時間の差である１組を除く残り２組の前記到達時間の差に基づき、前記６つの領域のうち決定した領域となる前記音源方向と前記３つの垂線のうちの１つの垂線
とのなす角度である音源角度を算出することを特徴とする。このようにすると、音源方向を精度良く特定することができる。

つまり、最大の到達時間差Ｔdiffである１組に基づき、音源方向が６つの領域の何れに属するかを決定し、最大の到達時間差Ｔdiffである１組を除く残り２組の到達時間差Ｔdiffから算出される音源角度の候補である角度θ，θ´のうち、６つの領域のうち決定した領域となる方の角度を音源角度の算出に用いる。最大の到達時間差Ｔdiffである１組によって、残り２組の音源方向の表裏、角度θ，θ´の何れであるかを特定することができる。また、最大の到達時間差Ｔdiffである１組を除くことで、音源角度の精度を良くすることができる。

（３）前記三角形は正三角形である構成とすると良い。このようにすると、角度θを導出するための演算を簡素にすることができる。演算の際に特定部にかかる負荷を軽減することができる。

（４）前記特定部は、前記３つのマイクロフォンの各々が出力する３つの電気信号のうちの２つの電気信号を１組として各組から算出される位相差に基づき、前記到達時間の差を算出する構成とすると良い。

電気信号は、マイクロフォンの周波数特性のバラツキ、環境などによる誤差を含む。このため、例えば、電気信号のレベルが閾値を超えた時刻に基づき、到達時間の差を算出した場合には、音源方向の精度が悪くなるおそれがある。位相差に基づき、到達時間の差を算出することで、音源方向を精度良く特定することができる。尚、音が人声である（５）のように、音に複数の周波数成分が含まれる場合、電気信号を周波数解析し、周波数成分毎に位相差を算出する構成とすると良い。

（５）前記音源の音は人声であり、前記３つのマイクロフォンの各マイクロフォン間の距離は、５７ｍｍ以上１７０ｍｍ以下である構成とすると良い。このようにすると、音源である人の方向を精度良く特定することができる。

到達時間差Ｔdiffを位相差から算出する（４）の構成の場合、マイクロフォン間距離は、位相差の算出に使用する周波数成分の周波数に基づいて決定すると良い。例えば、マイクロフォン間距離を周波数の１波長分としてしまうと、一方のマイクロフォンに入る波に対し、他方のマイクロフォンには、１周期進んだ波から１周期遅れた波までの範囲の波が入る可能性が出てきてしまい、位相差を特定することができなくなってしまう。
例えば、一方のマイクロフォンに入る波に対して位相差が－１／２πである波が、他方のマイクロフォンに入る場合、実際に他方のマイクロフォンに入る波とは１／４周期遅れた波なのであるが、３／４周期早い波も入る可能性があるため、電気信号に基づき、位相差が－１／２πであるのか＋３／２πであるのか特定することはできない。
そこで、マイクロフォン間距離を位相差の算出に使用する周波数の半波長分とすると、一方のマイクロフォンに入る波に対し、他方のマイクロフォンに入る波は、１／２周期進んだ波から１／２周期遅れた波までに限定される。上記した、一方のマイクロフォンに入る波に対して位相差が－１／２πである波が他方のマイクロフォンに入る場合、他方のマイクロフォンに入る波は１／４周期遅れた波であり、位相差は－１／２πであると特定することができるようになる。
具体的な数値を挙げると、例えば、音速を３４０ｍ／ｓ、マイクロフォン間距離を５７ｍｍとすれば、３ｋＨｚ以下の周波数の波に対し、位相差を特定することができる。また、マイクロフォン間距離を１７０ｍｍとすれば、１ｋＨｚ以下の周波数の波に対し、位相差を特定することができる。

このように、マイクロフォン間距離が短い程、高い周波数においても位相差を特定することができるようになるため、位相差を特定できる周波数の範囲は広くなる。しかしながら、マイクロフォン間距離が短いと位相差は小さくなってしまうため、特に、低い周波数における位相差が小さくなり、位相差の誤差を招来するおそれがある。

ところで、人声の基本周波数の上限は２００Ｈｚ程度であり、第１フォルマント周波数の上限は１ｋＨｚ程度であり、第２フォルマント周波数の上限は３ｋＨｚ程度であることが知られている。ここで、フォルマント周波数は、音圧レベルがピークとなる、母音を特徴付ける周波数である。例えば、「あ」などの短い人声の場合にも、マイクロフォンが出力する電気信号には、１ｋＨｚ以下に、基本周波数および第１フォルマント周波数の２つの周波数成分が含まれる。また、３ｋＨｚ以下に、基本周波数、第１フォルマント周波数、および第２フォルマント周波数の３つの周波数成分が含まれる。
発明者らは、音源方向を精度良く特定するのに、音源位置を特定するのに用いる周波数範囲を１ｋＨｚ以下とすると良く、３ｋＨｚ以下とすると特に良いことを見出した。上記のように、１ｋＨｚ以下の周波数範囲とすれば、少なくとも基本周波数および第１フォルマント周波数の２つの周波数成分が含まれ、さらに範囲を広げ、３ｋＨｚ以下の周波数範囲とすれば、基本周波数、第１フォルマント周波数、および第２フォルマント周波数の３つの周波数成分が含まれるからである。また、３ｋＨｚより高い周波数を使用しなくても、音源を精度良く特定することができるからである。
上記のように、１ｋＨｚ以下の周波数の位相差を算出するには、マイクロフォン間距離を１７０ｍｍとすれば良く、３ｋＨｚ以下の周波数の位相差を算出するには、マイクロフォン間距離を５７ｍｍとすれば良い。マイクロフォン間距離を５７ｍｍ以上１７０ｍｍ以下の範囲とすると、位相差を特定できる周波数の上限値が１ｋＨｚ～３ｋＨｚとなる。従って、マイクロフォン間距離を５７ｍｍ以上１７０ｍｍ以下の範囲とすると、少なくとも基本周波数、第１フォルマント周波数を位相差の算出に使用することができる。また、位相差の算出に使用する周波数の上限を第２フォルマント周波数程度とすることで、低い周波数における位相差の精度を良くすることができる。このように、人声に対し、音源方向を精度良く特定することができる。

（６）前記特定部は、所定期間において、前記３つのマイクロフォンの各々から出力される電気信号をデジタル値に変換するサンプリング処理と前記、サンプリング処理にて変換されたデジタル値に基づき方向を特定する特定処理と、を繰り返し実行する構成とすると良い。

このようにすると、音がいつ発せられるかわからない場合であっても、音の発生に応じて、音源方向の特定をすることができる。例えば、人声に応じて動作するコミュニケーションロボット、音の発生場所を記録する監視カメラなどの、音に応じて動作する装置において適用すると良い。音に応じて動作する装置に適用する場合、音源方向に向けた動きを行う制御をすると良い。また、人の発話した位置を特定する機能を備えると良い。また、音声認識機能を設けると良い。また、特定した人の発話方向に所定の部位を向ける機能を備えると良い。特に、コミュニケーションロボットとすると良い。また、サンプリング処理の開始時刻から次のサンプリング処理の開始時刻までの時間は２００ｍｓ以下である構成とすると良い。このようにすると、例えばコミュニケーションロボットの場合、例えば「おい」などの短い呼びかけに対しても、音に応じて音源位置を特定し、確実に動作することができる。また、本願の構成によれば、特に（５）のように、マイクロフォン間の距離をコミュニケーションロボットとして好適なサイズとすることができる。

上述した（１）から（６）に示した発明は、任意に組み合わせることができる。例えば、（１）に示した発明の全てまたは一部の構成に、（２）以降の少なくとも１つの発明の少なくとも一部の構成を加える構成としてもよい。特に、（１）に示した発明に、（２）
以降の少なくとも１つの発明の少なくとも一部の構成を加えた発明とするとよい。また、（１）から（６）に示した発明から任意の構成を抽出し、抽出された構成を組み合わせてもよい。本願の出願人は、これらの構成を含む発明について権利を取得する意思を有する。

また、後述する（Ａ）から（Ｉ）に示した発明は、任意に組み合わせるとよい。例えば、（Ａ）に示した発明の全てまたは一部の構成に、（Ｂ）以降の少なくとも１つの発明の少なくとも一部の構成を加える構成としてもよい。特に、（Ａ）に示した発明に、（Ｂ）以降の少なくとも１つの発明の少なくとも一部の構成を加えた発明とするとよい。また、上述した（１）から（６）に示した発明と後述する（Ａ）から（Ｉ）に示した発明とは、任意に組み合わせることができる。また、（Ａ）から（Ｉ）に示した発明から任意の構成を抽出し、抽出された構成を組み合わせてもよい。（１）から（６）に示した発明から任意の構成を抽出し、（Ａ）から（Ｉ）に示した発明から任意の構成を抽出し、抽出された構成を組み合わせてもよい。本願の出願人は、これらの構成を含む発明について権利を取得する意思を有する。

（Ａ）複数のマイクを備える装置であって、前記複数のマイクのうち２つのマイクに対する音の到達時間の前後関係及び前記２つのマイクに対する音の到達時間の差に基づき所定の基準方向と音源の方向とのなす角度を求める機能である角度算出機能と、前記２つのマイクとは別のマイクを用いて、これらのマイクの位置を含む平面に垂直な面であって前記２つのマイクの位置を含む面によって区分される２つの領域のうちのいずれの領域側に前記音源が存在するかを特定する機能である音源方向特定機能とを備えることを特徴とする装置とするとよい。
このようにすれば、３つのマイクの位置を含む平面に垂直な面であって前記２つのマイクの位置を含む面によって区分される２つの領域のうちのいずれの領域側に音源が存在するかを確定でき、所定の基準方向と音源の方向とのなす角度を求めることができる。
所定の基準方向は例えば３つのマイクの位置を含む平面内の所定の方向とするとよく、音源の方向は３つのマイクの位置を含む平面内の方向（例えば３次元ベクトルの当該平面内の成分）とするとよい。
前記音源方向特定機能で用いる前記別のマイクは１つのマイクとしてもよいが複数のマイクとしてもよい。

（Ｂ）前記「別のマイクを用いて」は、「前記２つのマイクとは配置位置が平行でない位置に配置された別の２個のマイク間の音の到達時間の前後関係を用いて」とするとよい。
このようにすれば、３つのマイクの位置を含む平面に垂直な面であって前記２つのマイクの位置を含む面によって区分される２つの領域のうちのいずれの領域側に音源が存在するかをより確実により精度よく確定できる。例えば正五角形ABCDEの頂点にマイクAからEを各々配置し、マイクAとマイクBとを角度算出機能で用いる前記２つのマイクとし、マイクCとマイクDとを音源方向特定機能で用いる別のマイクとするとよい。

（Ｃ）前記「別のマイクを用いて」は、「前記２つのマイクとは別の１つのマイクと、前記２つのマイクのうちいずれか１つのマイクとの、音の到達時間の前後関係を用いて」とするとよい。
このようにすればマイクを少なくとも１つ追加するだけで３つのマイクの位置を含む平面に垂直な面であって前記２つのマイクの位置を含む面によって区分される２つの領域のうちのいずれの領域側に音源が存在するかをより確実に精度よく確定できる。例えば正三角形XYZの頂点にマイクXからZを各々配置し、マイクXとマイクYとを角度算出機能で用いる前記２つのマイクとし、マイクZを「別の１つのマイク」とし、「前記２つのマイクのうちいずれか１つのマイク」をマイクXとするとよい。

（Ｄ）前記複数のマイクのうちから、前記角度算出機能で用いる前記２つのマイクとして機能させるマイクのペアと、前記音源方向特定機能で用いる前記別のマイクとして機能させるマイクとを、所定のルールに基づいて決定する機能を備えるとよい。
このようにすれば、音源の位置が変化しても、より確実に、より精度よく、３つのマイクの位置を含む平面に垂直な面であって前記２つのマイクの位置を含む面によって区分される２つの領域のうちのいずれの領域側に音源が存在するかを確定でき、所定の基準方向と音源の方向とのなす角度を求めることが可能となる。
特に所定のルールは、前記複数のマイク各々に検出される音に基づくルールとするとよく、前記複数のマイク各々に検出される音の比較結果のルールとするとよい。例えば前記複数のマイク各々に検出される音の位相のずれなど、到達時間の差に基づくルールとするとよい。

（Ｅ）前記所定のルールは、前記複数のマイクのうちから、最も音の到達時間差の大きいマイクのペアである基準ペアの２マイクを除く他のいずれかのマイクを前記角度算出機能で用いる２つのマイクのうちの少なくとも１つとするルールとするとよい。
このようにすれば、音源の位置がどのような位置になっても、角度算出機能による基準方向と音源の方向とのなす角度の算出精度が大幅に低くなってしまうことを防止できる。
（Ｆ）前記所定のルールは、前記複数のマイクのうちから、最も音の到達時間差の大きいマイクのペアである基準ペアの２マイクの少なくともいずれか一方を前記音源方向特定機能で用いる前記別のマイクとするルールとするとよい。
（Ｇ）前記音源方向特定機能は、前記複数のマイクを頂点とする多角形の頂点を結ぶ辺をなすマイクのペアのうち、最も音の到達時間差の大きいマイクのペアである基準ペアの２マイク以外がなす前記多角形の各辺に対して当該基準ペアの２マイクのなす辺が前記基準ペアの音の到達時間の前から後に向かう方向に交差する方向が、各辺について当該多角形の内側から外側であるか外側から内側であるかの性質に基づいて、当該各辺のうちの少なくとも１つの辺を形成する前記２つのマイクの位置を含む面によって区分される２つの領域のうちのいずれの領域側に前記音源が存在するかを特定するとよい。
このようにすれば、音源の位置がどのような位置になっても、より確実に２つの領域のうちのいずれの領域側に音源が存在するかを特定することができる。例えば三角形ABCの頂点位置に各々のマイクを設け、マイクBとマイクCの間が最も音の到達時間差の大きいマイクのペアとした場合、辺BCについてはA→Bと向かう辺ABについては三角形ABCの外側から内側へ向かう方向となる幾何学的な性質がある。

（Ｈ）前記複数のマイクとして、三角形の頂点位置に第一のマイクと第二のマイクと第三のマイクを備え、前記音源方向特定機能は、第一のマイクと第二のマイクからなるペアと、第二のマイクと第三のマイクからなるペアと、第三のマイクと第一のマイクからなるベアの、前記三角形の３辺を形成する３組のペアのうち、最も音の到達時間差の大きい２つのマイクのペアを基準ペアとして、前記基準ペアのうち先に音が到達したマイクと前記基準ペアとは別のマイク位置を含む前記面によって区分される前記２つの領域のうち前記三角形の外側の領域から音が到達したものとする、または、前記基準ペアのうち後に音が到達したマイクと前記基準ペアとは別のマイク位置を含む前記面によって区分される前記２つの領域のうち前記三角形の内側の領域から音が到達したものとする、の少なくともいずれか一方を行うとよい。
このようにすれば、３つのマイクで、音源がいずれの領域にあるかをより確実に特定することができる。

（Ｉ）前記三角形は正三角形とするとよい。
このようにすれば、三組のペアの精度が平等となり、方向による偏りが少ない条件で360°をカバーできる。したがって、装置の全周のいずれの方向から音声が到達したかを検
知する装置において極めて優れた効果を発揮する。

本願によれば、従来技術とは異なる方法で、例えば３つのマイクロフォンを用いて音源方向を精度良く特定することができる音源方向特定装置等を提供することができる。本願の発明の効果はこれに限定されず、本明細書および図面等に開示される構成の部分から奏する効果についても開示されており、当該効果を奏する構成についても分割出願・補正等により権利取得する意思を有する。例えば本明細書において「～できる」と記載した箇所などは奏する効果を明示する記載であり、また「～できる」と記載がなくとも効果を示す部分が存在する。またこのような記載がなくとも当該構成よって把握される効果が存在する。

２つのマイクロフォンの各々への音源からの距離の差と音源方向との関係を説明する図である。 ２つのマイクロフォンの各々への音の到達時間の差が互いに同じになる音源位置が２つ存在することを説明する図である。 三角形ＡＢＣの垂心を囲む６つの領域と３つのマイクロフォンの各組における音源方向の表裏との関係を示す図である。 三角形ＡＢＣの垂心Ｏを囲む１２の領域の境界線における到達時間差を示す図である。 音源位置が図４に示す領域Ｒ２ａにある場合の音源から３つのマイクロフォンの各々までの距離の差を導出するための図である。 三角形ＡＢＣの垂心Ｏを囲む１２の領域の各々における到達時間差の大きい順を示す図である。 音源が２つのマイクロフォンを通る直線に近づくほど距離差の測定誤差が大きくなることを説明する図である。 音の到達時間の差が最大である１組にて特定される三角形ＡＢＣの垂心Ｏを囲む６の領域を示す図である。 音源が３つのマイクロフォンを含む平面にない場合を示す図である。 実施形態に係るロボットの斜視図である。 固定部下筐体とともに示す音源方向特定装置の斜視図である。 音源方向特定装置の電気的構成図である。 １組のマイクロフォンにおける音源角度の極性を説明する図である。 距離差が最大の組とその組をなす２つのマイクロフォンのうち遠方であるマイクロフォンとにより特定される６つの場合の各々において各組の表裏の音源角度の何れを音源角度の算出に採用するかを示した表である。 各組における音源角度と全体における音源角度との関係を説明する図である。

図１０に示すロボット１は、人声に反応して動作するコミュニケーションロボットである。ロボット１は、固定部２および固定部２に対して可動する可動部３を備える。以下の説明には、図１０，１１に示す方向を用いる。固定部２は固定部下筐体２１、固定部上筐体２２、および音源方向特定装置１０などを有する。固定部下筐体２１は、底面２３を有するボウル状であり、内部に音源方向特定装置１０などを収納している。尚、底面２３と平行な面がＸＹ平面である。固定部上筐体２２は筒状であり、固定部下筐体２１の上に位置し、可動部３の下部を覆う。固定部下筐体２１と固定部上筐体２２との間には、僅かな間隙が設けられており、間隙に音源方向特定装置１０が備えるマイクロフォンMICａ～MICｃ（図１１参照）が配置されている。尚、固定部上筐体２２の内部は部材がぎゅうぎゅうにつまっておらず、遮音する構造になっていない。このため、実際は固定部上筐体２２内
部に音が抜け、マイクロフォンMICａ～MICｃは、それぞれ、子基板１２ａ～１２ｃ（図１１）の後ろからも音を拾うことができる。可動部３は可動部筐体３１および表示装置３２などを備える。表示装置３２は、例えばタッチパネル、液晶ディスプレイなどで実現される。可動部筐体３１は一部が平面状に切り欠かれた球状である。表示装置３２は、可動部筐体３１の平面状の部分に取り付けられている。可動部３は、モータ（不図示）を駆動源として、固定部下筐体２１の底面２３に垂直なＺ軸回りに３６０°回転可能となっている。ロボット１は、音が発せられると、例えば人などの音を発した音源に表示装置３２が対面するように可動部３を回転させる。音源方向特定装置１０は、可動部３を回転させるための、音源の方向を特定する装置である。

図１１に示すように、音源方向特定装置１０は、円盤状の基板１１およびマイクロフォンMICａ～MICｃなどを備える。基板１１はマイクロフォンMICａ～MICｃが取り付けられる子基板１２ａ～１２ｃを有する。子基板１２ａ～１２ｃの各々は、一方の面にマイクロフォンMICａ～MICｃの各々が取り付けられ、他方の面は基板１１と直交するように基板１１に取り付けられている。マイクロフォンMICａ～MICｃは、無指向性のコンデンサマイクフォンであり、基板１１に固定されている。基板１１は、固定部下筐体２１の底面２３に対してほぼ平行であり、マイクロフォンMICａ～MICｃ各々のＺ方向の位置は、底面２３に対してほぼ同等である。マイクロフォンMICａ～MICｃは、それぞれ、ＸＹ平面に描かれる正三角形ＡＢＣ（図３参照）の頂点の位置に位置するように配置されている。これにより、例えばマイクロフォンMICａ～MICｃの各々間の距離は３組で共通であるため、例えば（式５）をなどの導出式などの導出方法を３組で共通とすることができ、音源角度θを導出するための演算を簡素にすることができる。正三角形ＡＢＣの一辺の長さ、即ち、マイクロフォンMICａ～MICｃの各々間の距離は例えば約１００ｍｍである。これにより、後述する（処理５）での位相差の算出には少なくとも基本周波数、第１フォルマント周波数が含まれることとなり、また、低い周波数における位相差の精度を良くすることができるため、マイコン４１（後述）は人声に対し、音源角度θを精度良く特定することができる。

また、音源方向特定装置１０は、基板１１の下方に、図１２に示す様にアンプＡＭＰａ～ＡＭＰｃ、サンプルホールド回路ＳＨａ～ＳＨｃ、およびマイコン４１などを備える。マイクロフォンMICａ、アンプＡＭＰａ、およびサンプルホールド回路ＳＨａはこの順に直列に接続されている。同様に、マイクロフォンMICｂ、アンプＡＭＰｂ、およびサンプルホールド回路ＳＨｂは直列に接続されており、マイクロフォンMICｃ、アンプＡＭＰｃ、およびサンプルホールド回路ＳＨｃは直列に接続されている。つまり、音源方向特定装置１０には、マイクロフォンMICａ～MICｃの各々からサンプルホールド回路ＳＨａ～ＳＨｃの各々までの３つのチャンネルがある。３つのチャンネルのそれぞれをチャンネルＡｃｈ～Ｃｃｈと称する。アンプＡＭＰａ～ＡＭＰｃは、電気的に接続されているマイクロフォンMICａ～MICｃから出力される電気信号を増幅して、電気的に接続されているサンプルアンドホールド回路ＳＨａ～ＳＨｃへ出力する。サンプルアンドホールド回路ＳＨａ～ＳＨｃは、マイコン４１から出力されるサンプリングクロック信号に同期して、入力される電気信号をホールドし、ホールドした電気信号をマイコン４１へ出力する。サンプリングクロック信号の周波数、つまりサンプリング周波数は、２０～４０ｋＨｚ程度である。

マイコン４１はロボット１の電源がオンされ、起動すると、後述する（処理１）を開始する。また、所定期間において、音源方向を特定するための、（処理１）～（処理８）を繰り返し実行する。これにより、音がいつ発せられるかわからない場合であっても、音の発生に応じて、音源方向の特定をすることができる。尚、（処理１）を実行する周期は、２００ｍｓ以下である。これにより、例えば「おい」などの短い人声であっても、音の発生に応じて、音源方向の特定をすることができる。また、マイコン４１はロボット１の電源がオフされると、実行している（処理１）～（処理８）の何れかを終了する。

（処理１）マイコン４１はサンプルアンドホールド回路ＳＨａ～ＳＨｃの各々から出力された電気信号をＡＤ変換し、各チャネル用の配列に格納する。詳しくは、マイコン４１は、サンプルアンドホールド回路ＳＨａ～ＳＨｃの各々から出力された電気信号をＡＤ変換したデータを順次、チャンネル毎に配列して内蔵するメモリに記憶する。

（処理２）一定量のデータを取得すると、マイコン４１は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を３チャンネル分、行う。詳しくは、マイコン４１は、サンプルアンドホールド回路ＳＨａ～ＳＨｃの各々から出力された電気信号をＡＤ変換したデータの数が予め決められた数となる程度の所定時間が経過すると、メモリに記憶したデータを、チャネル毎に高速フーリエ変換する。所定時間は、５０ｍｓ～１００ｍｓ程度である。例えば２００ｍｓより長くなると、声を掛けられてから動作するまでにタイムラグが生じ、不自然さが増す。一方、５０ｍｓより短くすると、データ数が少なくなるため、方向の精度が落ちる。所定時間を上記の範囲とすることで、コミュニケーションを円滑にし、音源角度の精度を確保することができる。また、声にはいろいろな波長が混ざっているため、高速フーリエ変換により周波数解析を行う。尚、高速フーリエ変換のため、データの数は２の累乗が良く、例えば２＾８、２＾９、２＾１０程度が良い。マイコン４１は、高速フーリエ変換により得られた各周波数成分の複素数データを、周波数成分の各々に付与される周波数インデックスに対応付けてメモリに記憶する。また、後述の（処理４）にて絶対位相を算出する際に１つの位相に特定することができるように、次からの処理では、半波長がマイクロフォンMICａ～MICｃの各々間の距離より長い周波数である１．７ｋＨｚより低い周波数を処理の対象とする。尚、ここでは、音速を３４０ｍ／ｓとして算出している。

（処理３）次に、マイコン４１は、１．７ｋＨｚより低い周波数成分を対象として、高速フーリエ変換により得られた周波数インデックスごとに、複素数データからパワーを算出する。パワーは実数値の２乗に虚数値の２乗を加算した値である。次に、マイコン４１は、予め設定された閾値を超えた周波数インデックスをメモリに記憶する。以後、予め設定された閾値を超えた周波数インデックスを有音周波数インデックスと称する。ここで、予め設定された閾値を超えなかった周波数インデックスは、この周波数に音声成分が無いことを示す。そこで、マイコン４１は、以降の処理において、有音周波数インデックスのみを処理の対象とする。

（処理４）次に、マイコン４１は、有音周波数インデックスごとに、複素数データから絶対位相を算出する。絶対位相を算出する式を以下に示すように、４象限を対象とするものである。
絶対位相＝ＡｒｃＴａｎ［虚数値，実数値］
尚、ここでの絶対位相は、サンプルアンドホールド回路ＳＨａ～ＳＨｃがサンプリングした実時間データの、サンプルアンドホールド回路ＳＨａ～ＳＨｃが最初にホールドした開始時間を基準としたものである。また、複素数データの範囲は複素数平面における４象限であるため、算出される絶対位相の範囲は－π～＋πとなる。

（処理５）次に、マイコン４１は、各有音周波数インデックスについて、３チャンネル分の絶対位相から、２チャンネルを１組とし、合計３組の位相差を求める。詳しくは、チャンネルＡｃｈ対チャンネルＢｃｈの位相差、チャンネルＢｃｈ対チャンネルＣｃｈの位相差、およびチャンネルＣｃｈ対チャンネルＡｃｈの位相差を求める。ここでは、チャンネルＡｃｈ対チャンネルＢｃｈの位相差を算出する際にはチャンネルＢｃｈの絶対位相からチャンネルＡｃｈの絶対位相を減じて算出し、チャンネルＢｃｈ対チャンネルＣｃｈの位相差を算出する際にはチャンネルＣｃｈの絶対位相からチャンネルＢｃｈの絶対位相を減じて算出し、チャンネルＣｃｈ対チャンネルＡｃｈの位相差を算出する際にはチャンネルＡｃｈの絶対位相からチャンネルＣｃｈの絶対位相を減じて算出するものとする。

また、１組のマイクロフォンMICにおける音源角度のプラス・マイナスの極性を図１１に示すように定義する。尚、図１１は、３組のうちマイクロフォンMICａ，MICｂの組を取り上げて説明する図である。音源角度および表裏などの定義は上記と同様である。即ち、マイクロフォンMICａ，MICｂを結ぶ線分の中点を通る、マイクロフォンMICａ，MICｂを結ぶ線分の垂線を０°線と称する。また、音源の位置を、三角形ＡＢＣを含む平面に垂直な方向に沿って三角形ＡＢＣを含む平面に投影した投影位置から、三角形ＡＢＣの垂心である基準位置へ向かう方向が音源方向である。音は平面波とみなし、音源の投影位置からマイクロフォンMICａ，MICｂを結ぶ線分の中点へ向かう方向と０°線とのなす角度が音源角度θである。マイクロフォンMICａ，MICｂを通る線に対し、マイクロフォンMICｃがない側が表であり、マイクロフォンMICｃがある側が裏である。
マイクロフォンMICａ，MICｂにおいて、０°線に対して、位相差を算出する際に、減じる方のチャンネルであるチャンネルＡｃｈのマイクロフォンMICａのない側をプラス、マイクロフォンMICａのある側をマイナスと定義する。つまり、位相差がプラスであればマイクロフォンMICａがマイクロフォンMICｂよりも音源に対して遠方にあり、一方、位相差がマイナスであればマイクロフォンMICｂがマイクロフォンMICａよりも音源に対して遠方にあることになる。
また、他の組についても同様に、定義する。即ち、マイクロフォンMICｂ，MICｃにおいて、０°線に対して、位相差を算出する際に、減じる方のチャンネルであるチャンネルＢｃｈのマイクロフォンMICｂのない側をプラス、マイクロフォンMICｂのある側をマイナスと定義する。マイクロフォンMICｃ，MICａにおいて、０°線に対して、位相差を算出する際に、減じる方のチャンネルであるチャンネルＣｃｈのマイクロフォンMICｃのない側をプラス、マイクロフォンMICｃのある側をマイナスと定義する。以下の説明において、音源角度θを方向値と記載する場合がある。

（処理６）次に、マイコン４１は、各有音周波数インデックスについて、位相差と該有音周波数インデックスの周波数から到達時間差Ｔdiffを算出する。このように、位相差から到達時間差Ｔdiffを求めることで、到達時間差Ｔdiffを精度良く求めることができる。例えば、２つの、高速フーリエ変換前の実時間波形の各々にて予め設定された音量の閾値を超えた時刻の時間差を遅延時間差とすることもできる。しかしながら、この実時間波形を用いた方式の場合、マイクロフォンの周波数特性、２つのマイクロフォン間の周波数特性の差の影響を受け易い。例えば、一方のマイクロフォンにおいて、ある帯域の周波数の感度が悪く、この帯域の周波数のレベルが落ちた場合には、実時間波形は他方のマイクロフォンとは異なるものとなってしまう。このため、遅延時間差が実際とは異なるものとなり、到達時間差Ｔdiffの精度は悪くなってしまう。また、この実時間波形を用いた方式の場合、閾値の設定が遅延時間差に大きく影響してしまう。上記のように、２つの実時間波形は互いに異なるものとなるため、音量の閾値によって遅延時間差は変動してしまう。また、この実時間波形を用いた方式の場合、周囲環境、例えば、壁などによる反射音の影響を受け易い。この点、本実施形態における位相差を用いた方式によれば、実時間波形を用いた方式と比較し、マイクロフォンの周波数特性および反射音の影響が到達時間差Ｔdiffに反映されにくいため、精度良く到達時間差Ｔdiffを求めることができる。後述するように、音声の周波数成分ごとに到達時間差Ｔdiffを求めて、求めた到達時間差Ｔdiffを用いて音源角度θを求めるので、周波数成分間における相関がなく、マイクフォンや環境の周波数特性の影響を受けにくい。

マイコン４１は、各有音周波数インデックスの到達時間差Ｔdiffを算出した後、全ての有音周波数インデックスの到達時間差Ｔdiffの加重平均を算出する。ここで使用される重み（レベル）は、当該周波数インデックスの√（実数値＾２＋虚数値＾２）である。マイコン４１は、以降の処理では各有音周波数インデックスでの値は使用せず、加重平均により求まった１つの値を使用する。
各組で１つの到達時間差Ｔdiffを算出後、マイコン４１は到達時間差Ｔdiff、音速、（
式４）から、距離差Ｄdiffを算出する。ここでは、音速を３４０ｍ／ｓとして算出するものとする。尚、ここでは、位相差のプラス・マイナスの極性を到達時間差Ｔdiffおよび距離差Ｄdiffにも踏襲させるものとする。従って、例えば、マイクロフォンMICａ，MICｂにおいて、距離差ＤdiffがプラスであればマイクロフォンMICａが遠方にあり、距離差ＤdiffがマイナスであればマイクロフォンMICｂが遠方にあることを示すこととなる。

（処理７－１）次に、マイコン４１は、算出した３つの距離差Ｄdiffの絶対値が最大である距離差Ｄdiffおよび算出した３つの距離差Ｄdiffのプラス・マイナスの極性に基づき、図１２に示す表５１の６つの行のうち、適合する行を選出する。

図１４に示す表５１は、図８を表にまとめたものである。表５１は、チェンネルＡｃｈ～Ｃｃｈの各組において、表裏のいずれの側を音源角度の算出に採用すべきかを示したものである。表５１の行の各々は、図８に示す領域Ｒ１～Ｒ６の各々のいずれかに対応している。表５１の列は、チャンネルＡｃｈ～Ｃｃｈの３組の各々における表・裏に対応している。表５１において、音源角度の算出に採用すべき側には「〇」が記され、採用すべきでない側には「－」が記されている。
例えば、表５１の１行目は、距離差Ｄdiffが最大のペアがチャンネルＡｃｈ，Ｃｃｈのペアであり、チャンネルＡｃｈのマイクロフォンMICａが音源に対して遠方である場合について示されている。この場合とは、図８における領域Ｒ４に音源方向が属する場合であり、音源方向はマイクロフォンMICｂ，MICｃのペアの表、マイクロフォンMICａ，MICｂのペアの裏に位置するため、表５１においても、「Ｂｃｈ－Ｃｃｈの表」および「Ｃｃｈ－Ａｃｈの裏」に「○」が記されている。また、この場合、上記したように、チャンネルＡｃｈ，Ｃｃｈのペアの距離差ＤＤｃａから算出される音源角度の精度は悪い為、マイコン４１はチャンネルＡｃｈ，Ｃｃｈのペアの表・裏いずれの側も音源角度の算出には採用しない。このため、表５１では、「Ａｃｈ－Ｃｃｈの表」、「Ａｃｈ－Ｃｃｈの裏」の何れにも「－」が記されている。

マイコン４１は、最大である距離差Ｄdiffであるチャンネルの組および極性に基づき、表５１を参照し、距離差Ｄdiffが最大であるチャンネルの組以外の、チャンネルの組について、「〇」が記されているのは表裏の何れであるかを選出する。例えば、最大である距離差Ｄdiffであるチャンネルの組がチャンネルＡｃｈ，Ｃｃｈであり、距離差Ｄdiffの極性がプラスであれば、表５１の１行目が適合するため、マイコン４１は、チャンネルＢｃｈ，Ｃｃｈの表、チャンネルＡｃｈ，Ｂｃｈの裏を選出し、メモリに記憶する。また、マイコン４１は、各有音周波数インデックスについて、チャンネルの２組の各々について、（式５）を用いて、音源角度θを算出する。尚、ここでは、距離差Ｄdiffのプラス・マイナスの極性を音源角度θにも踏襲させるものとする。上述したように、（式５）を用いて算出される音源角度θは、マイクロフォンMICａ～MICｃを含むＸＹ平面に対して垂直な方向に沿って音源の位置をＸＹ平面に投影した投影位置から基準位置までの距離を、音源から基準位置までの距離に近似できると仮定した場合の、投影位置から基準位置へ向かう音源方向を示すものである。

（処理７－２）次に、マイコン４１は、各々の組で算出した音源角度θを、基準方向を３組で統一させた、全体の音源角度に換算する。ここでは、図１５に示すように、マイクロフォンMICａ，MICｃの表側の０°線を全体の基準方向として、マイクロフォンMICａ，MICｃを結ぶ線分の中点を支点として右回りに０°～３６０°の範囲で全体の音源角度を示すものとする。図１５は、距離差Ｄdiffが最大のペアがチャンネルＢｃｈ，Ｃｃｈのペアであり、チャンネルＣｃｈのマイクロフォンMICｃが音源に対してマイクロフォンMICｂよりも遠方である場合について示されている。ここで、マイクロフォンMICａ，MICｃにおける音源角度を角度＋θｃａ、マイクロフォンMICａ，MICｂにおける音源角度を角度＋θａｂであるとする。この場合、角度＋θｃａは裏、角度＋θａｂは表に位置するため、全体
の音源角度は、それぞれ、１８０°－θｃａ、１２０°＋θａｂとなる。

（処理８）次に、マイコン４１は、（処理７－２）で算出した全体の音源角度に基づき、最終的な音源方向を統計的に算出する。具体的には、マイコン４１は、（処理７－２）で算出した全体の音源角度を平均し、１つの音源方向を算出する。

マイコン４１は、算出した音源方向に表示装置３２が対面するように、可動部３を回転させるモータを制御する。これにより、ロボット１の表示装置３２が音源方向に対面する。

ここで、本実施形態による音源方向特定の他方式に対するメリットを説明する。
他方式として、指向性マイクフォロンを複数用い、その音量差、もしくは音量比から音源方向を求める方式がある。この他方式では、音源の位置検出の精度は、マイクロフォンの指向性の性能に依存されてしまう。この点、本実施形態では、無指向性マイクロフォンを使用し、指向性の性能に依存されない。また、この他方式では、例えば１０個程度の指向性マイクフォロンが必要とされるが、本実施形態では、３個のマイクロフォンで、音源方向を特定することができる。また、この他方式では、周囲環境の影響を受け易い。例えば周りに壁などがあると、音が壁に反射するため、マイクロフォンは間接音を拾ってしまう。このため、複数のマイクロフォンが拾う音の互いのレベル差が小さくなってしまう。この点、本実施形態では、音量ではなく、位相で見ているので、求める音源角度を高い分解能、精度とすることができる。

ここで、音源方向特定装置１０は音源方向特定装置の一例であり、マイコン４１は特定部の一例であり、（処理１）はサンプリング処理の一例であり、（処理２）～（処理８）は特定処理の一例である。また、（処理７－２）にて算出する全体の音源角度は、「前記６つの領域のうち決定した領域となる前記音源方向と前記３つの垂線のうちの１つの垂線とのなす角度である音源角度」の一例である。

以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
音源方向特定装置１０は、正三角形ＡＢＣの頂点に配置された３つのマイクロフォンMICａ～MICｃと、音源から３つのマイクロフォンの各々までの音の到達時間差Ｔdiffに基づき、音源の位置を、正三角形ＡＢＣを含む平面に垂直な方向に沿って正三角形ＡＢＣを含む平面に投影した位置から正三角形ＡＢＣを含む平面の正三角形ＡＢＣで囲まれた領域の内側にある基準位置へ向かう音源方向を特定するマイコン４１とを備える。これにより、音源方向特定装置１０は３つのマイクロフォンMICａ～MICｃで音源方向を特定することができる。また、３つのマイクロフォンMICａ～MICｃは正三角形ＡＢＣの頂点に配置されるため、音源角度θを導出するための演算を簡素にすることができる。

また、マイコン４１は、（処理７－１）において、マイクロフォンMICａ～MICｃのうちの２つのマイクロフォンを１組として各組から算出される３つの到達時間差Ｔdiffのうち、最大の到達時間差Ｔdiffに基づき、音源方向がマイクロフォンMICａ～MICｃのうちの２つのマイクロフォンを通る線の各々に引かれた基準位置を通る３つの垂線ＰＬａ～ＰＬｃ（図８）により区画された基準位置を囲む６つの領域である領域Ｒ１～Ｒ６（図８）に対応する表２１の何れの行に適合するかを決定し、最大の到達時間差Ｔdiffである１組を除く残り２組の到達時間差Ｔdiffに基づき、領域Ｒ１～Ｒ６のうち決定した領域となる、表裏および極性の情報を付加した音源角度θを算出する。実施形態においては、音源角度θの範囲を０°以上９０°以下の範囲とし、音源角度θにプラス・マイナスの極性および表裏の情報を付加することで、３６０°を示すこととしている。マイコン４１は、（処理７－２）において、（処理７－１）にて算出した音源角度θを、基準方向を３組で統一させた、全体の音源角度に換算する。これにより、音源方向特定装置１０は、音源角度θを精
度良く特定することができる。

また、マイコン４１は、（処理６）において、位相差に基づき、到達時間差Ｔdiffを算出する。これにより、音源方向特定装置１０は、音源角度θを精度良く特定することができる。

また、マイクロフォンMICａ～MICｃのマイクロフォン間の距離は約１００ｍｍである。これにより、音源方向特定装置１０は、音源である人の方向を精度良く特定することができる。

また、マイコン４１は、所定期間において、マイクロフォンMICａ～MICｃの各々から出力される電気信号をデジタル値に変換する（処理１）と、（処理１）にて変換されたデジタル値に基づき方向を特定する（処理２）～（処理８）と、を繰り返し実行する。これにより、音源方向特定装置１０は、短い呼びかけに対しても、音に応じて音源位置を特定し、確実に動作することができる。

また、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記では、マイクロフォンMICａ～MICｃは正三角形ＡＢＣの頂点の位置に配置されると説明したが、これに限定されない。正三角形ではなく、すべての角が９０°以下である三角形であっても良い。

また、上記では、音源方向特定装置１０は、サンプルホールド回路ＳＨａ～ＳＨｃを備えると説明したが、これに限定されない。例えば、マイコン４１が、アンプのＡＭＰａ～ＡＭＰｃからの出力信号を同時にサンプリング可能な構成を備えている場合には、サンプルホールド回路ＳＨａ～ＳＨｃを備えない構成としても良い。

また、上記では、（処理４）および（処理５）において、組をなす一方のチャンネルの絶対位相から他方のチャンネルを減じて位相差を算出すると説明した。これに限定されず、組をなす一方のチャンネルを基準に決め、基準としたチャンネルの絶対位相が０°となる様に他方のチャンネルを座標回転させて算出しても良い。座標回転させた後の他方のチャンネルの絶対位相が位相差となる。

また、上記では、（処理７－２）において、最終的な音源方向を統計的に算出すると説明したが、これに限定されない。ここで、複数の音源方向を相加平均するのではなく、角度が０°に近い程、重みを付けた重み付け平均とすると良い。

また、上記では、マイクロフォンMICａ～MICｃは無指向性マイクロフォンであると説明したが、これに限定されず、単一指向性マイクロフォンでも良い。コンデンサマイクロフォンは単一指向性といっても、指向性はするどくない。単一指向性のコンデンサマイクロフォンであっても、裏から、つまり集音側でない側で話をした場合に、音が取れないということはなく、全指向性と単一指向性との差はわずかであるからである。但し、本実施形態では、マイクロフォンMICａ～MICｃの各々は、マイクロフォンMICａ～MICｃを含む平面における３６０°方向のどの方向に音源が位置したとしても、同等に音を拾うことが好適であるため、マイクロフォンMICａ～MICｃは無指向性マイクロフォンであることが好ましい。

また、上記では、例えば、音源方向の表裏の定義、音源角度の極性の定義を説明したが、これに限定されない。これらは、算出される位相差に対して全体の音源方向が整合されるように、任意に定義することができる。

また、上記では、ロボット１の電源がオンされ、マイコン４１が起動している期間、（処理１）～（処理８）を繰り返し実行すると説明したが、これに限定されない。例えば、音量レベルが閾値を超えたことをトリガとして、（処理１）を開始する構成としても良い。この構成によれば、音を確実に取り込み、音に反応して確実に動作することができる。

また、上記では、音源方向特定装置１０はロボット１に備えられると説明したが、これに限定されない。例えば、音源方向特定装置１０が可動式の監視カメラに備えられても良い。この構成によれば、音源方向特定装置１０が特定した方向にカメラを向けることができる。また、音源方向特定装置１０が判定した音源方向を記録する機能を備える構成、音源方向特定装置１０が判定した音源方向を記録装置に出力する構成としても良い。また、マイクロフォンMICａ～MICｃが集音した音声を音源方向特定装置１０が記録する機能を備える構成、マイクロフォンMICａ～MICｃが集音した音声を例えばＰＣなどの処理装置に出力する構成を音源方向特定装置１０が備える構成としても良い。

また、上記では、（処理６）にて、各組にて、加重平均により１つの到達時間差Ｔdiffを求め、以降の処理を行うと説明した。これに限定されず、１つの到達時間差Ｔdiffを求めずに、各組において、各有音周波数インデックスについて、（処理７－１）以降の処理を行う構成としても良い。この構成の場合、（処理８）にて、マイコン４１は、（処理７－２）で算出した、「有音インデックス数×２」個の全体の音源角度に基づき、最終的な音源方向を統計的に算出する。具体的には、マイコン４１は、（処理７－２）で算出した、「有音インデックス数×２」個の全体の音源角度のうち、外れ値を除外して平均し、１つの音源方向を算出する。このように、周波数成分ごとに音源角度を求め、それらの統計から最終的な音源角度を求めるため、条件の悪い周波数成分による誤差の影響を受けにくい。例えばマイクロフォン、アンプなどの周波数特性にはバラツキがある。このため、算出する位相差の誤差が比較的大きい周波数成分と、誤差が比較的小さい周波数成分とが含まれることが考えられる。そこで、複数の周波数成分に基づき最終的な音源角度を求めることで、１つの周波数成分に基づき最終的な音源角度を求める場合よりも、音源角度θの精度を良くすることができる。

本発明の範囲は，明細書に明示的に説明された構成や限定されるものではなく，本明細書に開示される本発明の様々な側面の組み合わせをも，その範囲に含むものである。本発明のうち，特許を受けようとする構成を，添付の特許請求の範囲に特定したが，現在の処は特許請求の範囲に特定されていない構成であっても，本明細書に開示される構成を，将来的に特許請求の範囲とする意思を有する。
本願発明は上述した実施の形態に記載の構成に限定されない。上述した各実施の形態や変形例の構成要素は任意に選択して組み合わせて構成するとよい。また各実施の形態や変形例の任意の構成要素と，発明を解決するための手段に記載の任意の構成要素または発明を解決するための手段に記載の任意の構成要素を具体化した構成要素とは任意に組み合わせて構成するとよい。これらについても本願の補正または分割出願等において権利取得する意思を有する。
また，意匠出願への変更出願により，全体意匠または部分意匠について権利取得する意思を有する。図面は本装置の全体を実線で描画しているが，全体意匠のみならず当該装置の一部の部分に対して請求する部分意匠も包含した図面である。例えば当該装置の一部の部材を部分意匠とすることはもちろんのこと，部材と関係なく当該装置の一部の部分を部分意匠として包含した図面である。当該装置の一部の部分としては，装置の一部の部材としても良いし，その部材の部分としても良い。全体意匠はもちろんのこと，図面の実線部分のうち任意の部分を破線部分とした部分意匠を，権利化する意思を有する。

１ ロボット
１０ 音源方向特定装置
４１ マイコン
MICａ，MICｂ，MICｃ マイクロフォン

Claims (4)

1. 複数のマイクロフォンが集音した音声を記録する機能と、
   前記複数のマイクロフォンが集音した音声に基づき音源方向を特定し、特定した音源方向を記録する機能を備え、
   前記複数のマイクロフォンは３つのマイクロフォンであり、
   ３つのマイクロフォンは三角形の頂点に配置され、
   音源から前記３つのマイクロフォンの各々までの音の到達時間の差に基づき前記音源方向を特定し、
   前記３つのマイクロフォンが収納された筐体の内部は音が抜ける構造であり、前記３つのマイクロフォンは、それぞれ、後ろからも音を拾う構成としたこと
   を特徴とするカメラ。
2. 前記三角形の頂点に配置された３つのマイクロフォンはいずれも無指向性のマイクロフォンとしたこと
   を特徴とする請求項１に記載のカメラ。
3. 前記３つのマイクロフォンの各々が出力する３つの電気信号のうちの２つの電気信号を１組として各組から算出される位相差に基づき、前記到達時間の差を算出する機能を備えたこと
   を特徴とする請求項１または２に記載のカメラ。
4. 前記複数のマイクロフォンが集音した音声に基づき音源方向を特定し、特定した音源方向にカメラを向ける機能を備えること
   を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のカメラ。

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