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JPH10325753A - 音響センサ - Google Patents

音響センサ

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Publication number
JPH10325753A
JPH10325753A JP9135564A JP13556497A JPH10325753A JP H10325753 A JPH10325753 A JP H10325753A JP 9135564 A JP9135564 A JP 9135564A JP 13556497 A JP13556497 A JP 13556497A JP H10325753 A JPH10325753 A JP H10325753A
Authority
JP
Japan
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acoustic sensor
resonators
frequency
sensor according
resonance
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Granted
Application number
JP9135564A
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JP3248452B2 (ja
Inventor
Shigeru Ando
繁 安藤
Naoya Miyano
尚哉 宮野
Toshiyuki Matsumoto
松本　　俊行
Muneo Harada
宗生 原田
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Metal Industries Ltd filed Critical Sumitomo Metal Industries Ltd
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Priority to AU67107/98A priority patent/AU709224B2/en
Priority to TW087107860A priority patent/TW369597B/zh
Priority to CA002238205A priority patent/CA2238205C/en
Priority to DK98304095T priority patent/DK0881477T3/da
Priority to EP98304095A priority patent/EP0881477B1/en
Priority to DE69825363T priority patent/DE69825363T2/de
Priority to US09/084,096 priority patent/US6012334A/en
Priority to KR1019980018972A priority patent/KR100283358B1/ko
Publication of JPH10325753A publication Critical patent/JPH10325753A/ja
Priority to US09/384,202 priority patent/US6227054B1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3248452B2 publication Critical patent/JP3248452B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G01H3/04—Frequency
    • G01H3/08—Analysing frequencies present in complex vibrations, e.g. comparing harmonics present

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 音響信号のスペクトル分析を１つのハードウ
ェア上にて高速かつ正確に行うことができる音響センサ
を提供する。 【解決手段】 受波部分24にて受けた音波が、それぞれ
に異なる特定の周波数に共振するような長さを持つ棒状
の共振子25を有するう片持ち梁の棒状の共振部分21に伝
搬すると、共振部分21の各共振子25が共振する。共振に
よって、各共振子25の先端部と電極３とで構成されるキ
ャパシタの容量が変化する。この容量の変化を検出回路
４で電気信号に変換し、その電気信号を任意の設時間内
で積算することにより、各周波数における音波のレベル
の経時的変化を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、音声認識処理，音
響信号処理等において音信号の特徴を抽出するための音
響センサに関し、特に、各周波数帯域における音信号の
強度を検出するための音響センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】音声認識を実行するシステムにおいて、
従来は、音声信号を受信したマイクロフォンの振動を、
アンプにて電気信号に変換・増幅した後、Ａ／Ｄ変換器
でアナログ信号をディジタル化して音声ディジタル信号
を得、この音声ディジタル信号にコンピュータ上でソフ
トウェアにより高速フーリエ変換を施し、音声の特徴を
抽出する。このような音声認識のシステムについては、
IEEE Signal ProcessingMagazine, Vol.13, No.5, pp.4
5-57(1996) に開示されている。
【０００３】音声信号の特徴を効率良く抽出するために
は、音声信号が定常であると見做せる時間内の音響スペ
クトルを計算する必要がある。音声信号の場合には、通
常10〜20msecの時間内で定常と見做せると考えられてい
る。従って、10〜20msecを周期としてその時間内に含ま
れる音声ディジタル信号に対して、コンピュータ上のソ
フトウェアにより、高速フーリエ変換等の信号処理を実
行する。
【０００４】以上のように、従来の音声認識方式では、
瞬時の全帯域を含んだ音声信号をマイクロフォンによっ
て電気信号に変換し、その電気信号のスペクトルを分析
するために、Ａ／Ｄ変換を施して各周波数をディジタル
化し、その音声ディジタル信号データを特定の音声波形
のデータと比較して、音声の特徴を抽出している。
【０００５】ところで、聴覚機構及び音の心理物理的性
質について、甘利俊一監修、中川聖一・鹿野清宏・東倉
洋一著「ニューロサイエンス＆テクノロジーシリーズ
音声・聴覚と神経回路網モデル」（オーム社，1992年）
に詳細な説明がなされている。この文献には、人間が聴
く音の高さ（ピッチ）の尺度が、物理量としての周波数
と線形に対応するものではなく、メルスケールという尺
度に線形に対応することが示されている。このメルスケ
ールとは、音階に表されるような音の高さを表す心理的
属性（心理尺度）を示すものであり、人間に等間隔に聞
こえるピッチと呼ばれる周波数の間隔を直接数量化した
スケールであって、１０００Ｈｚ，４０フォンの音のピ
ッチを１０００ｍｅｌと定義する。そして、５００ｍｅ
ｌの音響信号は０．５倍ピッチの音に聞こえ、２０００
ｍｅｌの音響信号は２倍ピッチの音に聞こえる。このメ
ルスケールは物理量としての周波数ｆ〔Ｈｚ〕を用いて
次の（１）式のように近似できる。また、この近似式に
おける音の高さ〔ｍｅｌｓ〕と周波数〔Ｈｚ〕との関係
を図７に示す。 ｍｅｌ＝（１０００／ｌｏｇ２）ｌｏｇ（ｆ／１０００＋１） …（１）
【０００６】そして、音声の特徴を効率良く抽出するた
めに、音響スペクトルの周波数帯をこのようなメルスケ
ールに変換することが良く行われている。この音響スペ
クトルのメルスケールへの変換は、スペクトルの分析と
同様に、通常コンピュータ上でソフトウェアにより実行
される。
【０００７】また、音声の特徴を効率良く抽出する手法
として、音響スペクトルの周波数帯をバークスケールに
変換することも良く行われている。このバークスケール
は、人間の心理的な音の大きさ（ラウドネス）に対応す
る尺度であり、ある程度以上の大きな音において、人間
が聴き分けられる周波数帯域幅（これを臨界帯域幅とい
う）を示したものであり、この臨界帯域幅内の音は周波
数が異なっていても同じように聞こえる。例えば、その
臨界帯域幅内に大きなノイズが発生すると、信号音がそ
のノイズと周波数が異なっているにも拘らず、ノイズと
信号音とを人間の聴覚では判別できないような周波数帯
域を示すスケールがバークスケールである。
【０００８】音声信号処理の分野ではコンピュータ上で
取り扱いが容易な臨界帯域幅が要求され、音響スペクト
ルの周波数軸は１つの臨界帯域を１バーク〔Ｂａｒｋ〕
と定義するバークスケールで示される。図８に、臨界帯
域幅とバークスケールとの数値関係を示す。また、これ
らの臨界帯域幅及びバークスケールは、物理量としての
周波数ｆ〔ｋＨｚ〕を用いて次の（２）及び（３）式の
ように近似できる。 臨界帯域幅：ＣＢ〔Ｈｚ〕＝２５＋７５（１＋１．４ｆ2 ）0.69 …（２） バークスケール：Ｂ〔Ｂａｒｋ〕 ＝１３ｔａｎ-1（０．７６ｆ）＋３．５ｔａｎ-1（ｆ／７．５） …（３）
【０００９】ところで、音声認識の分野で聴覚末梢系の
工学的機能モデルを用いることが知られており、前記文
献「ニューロサイエンス＆テクノロジーシリーズ 音声
・聴覚と神経回路網モデル」に詳細な説明がなされてい
る。工学的機能モデルでは、帯域フィルタ群による周波
数スペクトル分析を前処理としており、例えば代表的な
工学的機能モデルの１つであるSeneffのモデルにおける
前処理では１３０〜６４００Ｈｚの周波数領域に４０個
の独立したチャネルを持つ臨界帯域幅フィルタ群により
周波数スペクトル分析がなされる。このとき、音響スペ
クトルの周波数帯はバークススケールに変換される。こ
のモデルではコンピュータシミュレーションによっ入力
音刺激に対するモデルの出力が求められ、生理データと
良く一致することが示されている。よって、このような
工学的機能モデルを使用することにより、音声自動認識
において雑音中の音声認識率の向上を図ることができ
る。
【００１０】このような臨界帯域幅フィルタ群により周
波数スペクトル分析及び音響スペクトルのメルスケール
への変換は、スペクトルの分析と同様に、通常コンピュ
ータ上でソフトウェアにより実行される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】コンピュータ上のソフ
トウェアにより、ディジタル音響信号に高速フーリエ変
換処理を施して、その音響信号のスペクトルを分析する
従来の手法では、計算量が莫大となって計算負荷が大き
いという問題がある。また、音響信号のスペクトルを高
速フーリエ変換し、かつ、メルスケールに変換する一連
の処理を、コンピュータ上のソフトウェアで行う場合
も、計算量が莫大となって計算負荷が大きい。更に、音
響信号のスペクトルを臨界帯域幅フィルタ群により周波
数スペクトル分析し、かつ、バークスケールに変換する
一連の処理をコンピュータ上のソフトウェアで行う場合
も、計算量が莫大となって計算負荷が大きい。
【００１２】また、従来の方法では、母音のように、時
間の変化と共に音響スペクトルが変化しないような音声
については問題が生じないが、子音と母音との組合せの
音、例えば、「か，き，く，け，こ，さ，た」等のよう
に初めに子音が出てきて時間の経過と共に母音の強度が
大きくなるような音、または、英語のように複雑な子音
と母音との組合せの音では、以下のような問題が生じ
る。従来では、瞬時に音声を記録し、一定時間毎に区切
って全帯域の音響スペクトルを積算して、音声を分析し
ているので、どの時点で子音から母音に変わったのかを
判定することは困難であり、そのために音声認識の判別
率の低下が引き起こされていた。この問題を解消するた
めに、より多くの音声パターンを予めコンピュータに記
憶させておき、これらの音声パターンの何れかにあては
めるようにしているが、このことが計算負荷をますます
増大させる原因となっている。
【００１３】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、音響信号の検出及び周波数スペクトル分析を１
つのハードウェア上にて高速かつ正確に行うことができ
る音響センサを提供することを目的とする。
【００１４】本発明の他の目的は、音響信号の検出，周
波数スペクトル分析及び周波数スケールの変換（メルス
ケールまたはバークスケールへの変換）を１つのハード
ウェア上にて高速かつ正確に行うことができる音響セン
サを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】請求項１に係る音響セン
サは、媒質中を伝搬する音波を受ける受波部分と、夫々
が異なる特定の周波数に共振するような長さを持つ複数
の棒状の共振子を有する共振部分と、該共振部分を保持
する保持部分と、前記各共振子の先端で前記特定の周波
数毎の振動強度を検出する振動強度検出部分とを備える
ことを特徴とする。
【００１６】請求項２に係る音響センサは、媒質中を伝
搬する音波を受ける受波部分と、夫々が異なる特定の周
波数に共振するような長さを持つ複数の棒状の共振子を
有する共振部分と、該共振部分を保持する保持部分と、
前記各共振子の先端で振動強度を検出する振動強度検出
部分とを有し、媒質中を伝搬した前記音波が前記受波部
分から前記保持部分を経て前記共振部分に伝わり、前記
振動強度検出部分により異なる周波数成分の強度を検出
する音響センサであって、検出された前記特定の周波数
毎の振動強度を示す信号を電気信号に変換する変換手段
と、変換された電気信号を任意に設定された時間にわた
って積算する積算手段と、該任意に設定された時間が経
過した後、前記積算手段により積算された結果を前記特
定の周波数毎に出力する出力手段とを備えることを特徴
とする。
【００１７】請求項３に係る音響センサは、請求項１ま
たは２において、隣合う二つの前記共振子間の距離が異
なっていることを特徴とする。
【００１８】請求項４に係る音響センサは、請求項１ま
たは２において、隣合う二つの前記共振子間の距離を異
ならせて、各共振子における共振周波数の帯域幅を所定
値に設定していることを特徴とする。
【００１９】請求項５に係る音響センサは、請求項１〜
４の何れかにおいて、前記複数の共振子における共振周
波数を、メルスケールで分布するように設定しているこ
とを特徴とする。
【００２０】請求項６に係る音響センサは、請求項１〜
４の何れかにおいて、前記複数の共振子における共振周
波数を、バークスケールで分布するように設定している
ことを特徴とする。
【００２１】請求項７に係る音響センサは、請求項１〜
４の何れかにおいて、前記複数の共振子における共振周
波数を、バークスケールで分布するように設定してお
り、各共振周波数に対応する帯域幅が臨界帯域幅である
ことを特徴とする。
【００２２】請求項８に係る音響センサは、請求項５に
おいて、音楽曲を認識するための音楽曲入力用マイクロ
フォンであることを特徴とする。
【００２３】請求項９に係る音響センサは、請求項１〜
７の何れかにおいて、音声を認識するための音声入力用
マイクロフォンであることを特徴とする。
【００２４】請求項10に係る音響センサは、請求項２〜
９の何れかにおいて、前記出力手段は、任意に選択した
少なくとも１つの特定の周波数における積算結果を出力
するフィルタ機能を有することを特徴とする。
【００２５】請求項11に係る音響センサは、請求項10に
おいて、特定の周波数の異常音を検出するための異常音
入力用マイクロフォンであることを特徴とする。
【００２６】請求項12に係る音響センサは、請求項１〜
11の何れかにおいて、音響センサが半導体基板上に構成
してあることを特徴とする。
【００２７】本発明の第１音響センサは、夫々が特定の
周波数に共振するように長さが異なる複数の共振子を有
し、媒質中を伝搬した音波をこれらの共振子に伝え、各
共振子での振動をその先端の振動強度検出部分で検出す
る。そして、検出した振動振幅を電気信号に変換し、そ
の電気信号を任意周期のクロックに同期して動作する積
算手段に入力して任意周期の期間で入力電気信号を積算
する。そして、その積算結果を任意周期毎に出力する。
この場合、一つの特定の周波数毎にその積算結果を出力
しても良いし、または、複数の特定の周波数毎にその積
算結果を出力しても良い。
【００２８】また、本発明の第２音響センサは、第１音
響センサと同様の構成であるが、各共振子における共振
周波数を、数学的に線形なスケールで分布させるのでは
なく、メルスケールにて線形に分布させるようにする。
実際の振動周波数とメルスケールとの対応は、前記
（１）式及び図７に基づいて決められるので、各共振子
の設計仕様は容易に決定できる。そして、メルスケール
仕様に合わせた各共振子での振動をその先端の振動強度
検出部分で検出し、その後、上述した第１音響センサと
同様の処理を行うことにより、音響信号のスペクトルに
相当する物理量をメルスケールで検出できる。
【００２９】また、本発明の第３音響センサは、第１音
響センサと同様の構成であるが、各共振子における共振
周波数を、数学的に線形なスケールで分布させるのでは
なく、バークスケールにて線形に分布させるようにする
と共に、各共振周波数の帯域幅が臨界帯域幅になるよう
にする。実際の振動周波数とバークスケールとの対応、
及び、臨界帯域幅を決める遮断周波数は、前記（２），
（３）式及び図７に基づいて決められるので、各共振子
の設計仕様は容易に決定できる。そして、バークスケー
ル仕様に合わせた各共振子での振動をその先端の振動強
度検出部分で検出し、その後、上述した第１音響センサ
と同様の処理を行うことにより、音響信号のスペクトル
に相当する物理量を臨界帯域幅を持ってバークスケール
で検出できる。
【００３０】本発明の音響センサでは、所望の周波数毎
に音の強さを検知できるので、分析処理を行うことな
く、音響スペクトルをリアルタイムで得ることができ
る。よって、全帯域の音響信号を入力して各周波数帯域
に電気的にフィルタリングする従来の方式に比べて、こ
のように音響信号を機械的に周波数毎に分解する本発明
では、電気的なフィルタリングが不要となって処理速度
が速くなる。また、一定時間毎に区切ったとしてもどこ
にも音響データの欠落がない。また、一定時間毎に各周
波数毎の音響データが得られるので、時間の経過に合わ
せて各周波数の強度の推移を確認でき、例えば母音と子
音との時間的変化の判別をより正確に行えて、音声認識
の判別率を高めることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面に基づいて具体的に説明する。
【００３２】（第１の実施の形態）図１は、本発明の音
響センサの実施の形態を示す図である。本発明の音響セ
ンサは、半導体シリコン基板１に形成されるセンサ本体
２と電極３と周辺回路である検出回路４とから構成され
ている。センサ本体２は、すべての部分が半導体シリコ
ンで形成されており、長さが異なる複数（図１の例では
６個）の棒状の部分を有する共振部分21と、この共振部
分21を共振の固定端側で保持する板状の保持部分22と、
保持部分22の一方の端部に立設された短寸棒状の伝搬部
分23と、伝搬部分23に連なり空気中を伝搬した音波を受
ける板状の受波部分24とから構成されている。
【００３３】共振部分21は片持ち梁となっており、それ
ぞれの棒状の部分は特定の周波数に共振するように長さ
が調整された共振子25となっている。これらの複数の共
振子25は、下記（４）式で表される共振周波数ｆにて選
択的に応答振動するようになっている。
【００３４】 ｆ＝（ＣＨＥ1/2 ）／（Ｌ2 ρ1/2 ） …（４） 但し、Ｃ：実験的に決定される定数 Ｈ：各共振子の厚さ Ｌ：各共振子の長さ Ｅ：材料物質（半導体シリコン）のヤング率 ρ：材料物質（半導体シリコン）の密度
【００３５】上記（４）式から分かるように、共振子25
の厚さＨまたは長さＬを変えることにより、その共振周
波数ｆを所望の値に設定することができる。図１に示す
例では、すべての共振子25の厚さＨは一定とし、その長
さＬを左側から右側に向かうにつれて順次長くなるよう
に設定しており、各共振子25が固有の共振周波数を持つ
ようにしている。具体的には、左側から右側に向かって
可聴帯域の１５〜／２０ｋＨｚ程度の範囲内で高周波数
から低周波数まで対応できるようになっている。
【００３６】以上のような構成をなすセンサ本体２は、
半導体集積回路製造技術またはマイクロマシン加工技術
を用いて半導体シリコン基板１上に作製される。そし
て、このような構成において、音波が受波部分24に伝わ
るとその板状の受波部分24が振動し、音波を示すその振
動は伝搬部分23を経て保持部分22に伝搬し、これに保持
された共振部分21の棒状の各共振子25をそれぞれの特定
の周波数にて順次共振させながら図１の左方から右方へ
伝わっていくようになっている。
【００３７】センサ本体２には適当なバイアス電圧Ｖ
biasが印加されており、共振部分21の各共振子25の先端
部と、該先端部に対向する位置の半導体シリコン基板１
に形成された電極３とにてキャパシタが構成されてい
る。共振子25の先端部は共振子25の振動に伴って位置が
上下する可動電極であって、一方、半導体シリコン基板
１に形成された電極３はその位置が移動しない固定電極
となっている。そして、共振子25がそれぞれの特定の周
波数にて振動すると、両電極間の距離が変動するので、
キャパシタの容量が変化するようになっている。
【００３８】各電極３には、このような容量変化を電圧
信号に変換し、変換した電圧信号を所定時間内で積算し
て出力する検出回路４が接続されている。図２は、検出
回路４の構成を示す図であり、検出回路４は、前記キャ
パシタの容量Ｃs と基準容量Ｃf とのインピーダンス比
に応じた増幅比にて増幅する演算増幅器41，42と、基準
電圧Ｖref より高い演算増幅器42の出力信号を所定時間
だけ積算する積算回路43と、積算回路43から出力信号を
取り出して一時的に保持して出力するサンプルホールド
回路44とを備える。このような構成の検出回路４は、例
えばシリコンＣＭＯＳプロセスによって形成されてい
る。
【００３９】演算増幅器41，積算回路43及びサンプルホ
ールド回路44には、それぞれクロックパルスφ0 ，φ1
及びφ2 が供給され、演算増幅器41，積算回路43及びサ
ンプルホールド回路44はそれぞれこれらのクロックパル
スに同期して動作する。なお、これらのクロックパルス
は、外部から供給するようにしても良いし、同一の半導
体シリコン基板上にカウンタ回路を形成してそこから供
給するようにしても良い。
【００４０】次に、動作について説明する。空気中を伝
搬した音波がセンサ本体２の受波部分24に伝わると、板
状の受波部分24が振動してその振動がセンサ本体２内を
伝搬する。この際、図１の左方から右方へ音波が、順次
長さが長くなっていく片持ち梁の各共振子25を共振させ
ながら伝わっていく。各共振子25は固有の共振周波数を
有しており、各共振子25はその固有の周波数の音波が伝
搬すると共振し、その先端部が上下に振動する。この振
動によって、その先端部と電極３との間で構成されるキ
ャパシタの容量が変化する。なお、音波が伝搬していく
につれて音波のエネルギは共振子25の振動エネルギに順
次変換されていくので、このような共振により音波のエ
ネルギは除々に減衰し、最も長い共振子25（図１の右
端）に音波が到達する頃には、音波としてのエネルギは
殆ど無くなっており、反射波は生じない。よって、反射
波が容量変化に影響を及ぼす虞はなく、伝搬した音波の
スペクトルに合致した正確な容量変化を検出できる。
【００４１】得られた容量変化が検出回路４内に送られ
る。図３は、検出回路４内におけるタイミングチャート
を示す図であり、演算増幅器41，積算回路43及びサンプ
ルホールド回路44にそれぞれ供給するクロックパルスφ
0 ，φ1 及びφ2 を示す。なお、本例でのクッロクパル
ス制御は、ローレベルでオン状態とする。
【００４２】まず、検出回路４内では、演算増幅器41で
得られたキャパシタの容量Ｃs と基準容量Ｃf とのイン
ピーダンス比に応じて増幅比が決まる。例えば、１／ω
Ｃf（ω＝２πｆ，ｆ：周波数）に対する１／ωＣs の
値が１／２である場合には、得られる電圧信号が２倍に
なる。但し、演算増幅器41は、その＋入力端子が接地さ
れている反転増幅器であるので、次段の演算増幅器42で
電圧位相を１倍で反転させる。得られた増幅電圧信号が
積算回路43へ入力される。積算回路43では、クロックパ
ルスφ1 に応じた所定の時間内において基準電圧Ｖref
より高い増幅電圧信号が積算され、その積算信号がサン
プルホールド回路44へ入力される。サンプルホールド回
路44では、クロックパルスφ2 に応じて積算信号のサン
プリングとホールドとを繰り返して外部へ積算信号を出
力する。
【００４３】以上のような処理は、長さが異なる共振子
25にそれぞれ対応する検出回路４毎に並列的に行われ
る。なお、図３に示すクロックパルスφ0 ，φ1 及びφ
2 の周期は一例であり、これらの各クロックパルスの周
期は任意に設定しても良いことは勿論である。
【００４４】以上のようにして、本発明では、特定の周
波数に共振する共振子25に対応する検出回路４の出力信
号を調べることにより、任意の時間を周期とした、その
特定の周波数の音の強さの経時変化を知ることができ
る。また、複数の共振子25に対応する検出回路４の出力
信号を調べることにより、任意の時間を周期とした、複
数の周波数帯域毎の音の強さの経時変化を知ることがで
きる。
【００４５】図４は、特定の周波数に対応する各検出回
路４の関係を示す図である。例えば、ｎ種類の共振周波
数ｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 ，ｆ4 ，…，ｆn にそれぞれ選択的
に応答振動するようにｎ本の共振子を設ける場合には、
各共振周波数毎にその共振強度に応じた検出回路の出力
信号Ｖ1 ，Ｖ2 ，Ｖ3 ，Ｖ4 ，…，Ｖn を得ることがで
きる。例えば、音声認識のための音声入力用マイクロフ
ォンとして本発明の音響センサを使用する場合には、可
聴帯域における各共振周波数毎の共振強度に応じてその
周波数の強度を求め、求めた分析パターンに基づいて音
声を認識する。
【００４６】なお、音波の任意に選択した周波数のみの
強度を求めたい場合には、必要な共振周波数に対応する
検出回路の出力信号のみを得るようにすれば良い。例え
ば、図４において周波数ｆ1 ，ｆ3 の強度を求める場合
には、対応しない他の検出回路４-2，４-4，…，４-nの
出力を遮断するか、予めこれらの検出回路４-2，４-4，
…，４-nは設けないようにするかして、必要な出力信号
Ｖ1 ，Ｖ3 が得られて、不要な出力信号Ｖ2 ，Ｖ4 ，
…，Ｖn が得られないようにすれば良い。このような音
響センサの使用例としては、特定の１または複数の周波
数の異常音を検出するための異常音入力用マイクロフォ
ンが好適である。
【００４７】（第２の実施の形態）次に、各共振子にお
ける共振周波数を、音階に表されるような音の高さを表
す心理的属性であるメルスケールにて線形に分布させる
ようにした第２の実施の形態について説明する。なお、
この第２の実施の形態の音響センサの構成は、前述した
第１の実施の形態の構成と同様であるが、第２の実施の
形態では、各共振子25における共振周波数を、数学的に
線形なスケールで分布させるのではなく、メルスケール
にて線形に分布させるようにしている。つまり、ｎ本の
共振子25における共振周波数をｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 ，…，
ｆn とした場合に、 ｆ1 〔Ｈｚ〕＝αｆ2 〔Ｈｚ〕＝…………＝αn-1 ｆn 〔Ｈｚ〕 のように設定するのではなく、 ｆ1 〔ｍｅｌ〕＝αｆ2 〔ｍｅｌ〕＝…………＝αn-1 ｆn 〔ｍｅｌ〕 のように設定する。なお、αは任意に設定可能な係数で
ある。
【００４８】各共振子25の共振周波数は、前記（４）式
にて決められ、また、実際の振動周波数とメルスケール
との対応は、前述したように、前記（１）式及び図７に
基づいて決められるので、メルスケールでの任意の共振
周波数を各共振子25に容易に割り当てることができる。
本例では、すべての共振子25の厚さＨは一定とし、その
長さＬを異ならせて、メルスケール上で等間隔になるよ
うな周波数に対応した共振周波数を得ている。
【００４９】なお、他の構成及び動作は、前述した第１
の実施の形態の場合と同じであるので、それらの説明は
省略する。
【００５０】第２の実施の形態では、各共振子25の共振
周波数をメルスケールにて分布するようにしたので、人
間の耳に聞こえるオクターブ音，半音等を選択的にリア
ルタイムで認識でき、人間の聴覚に合わせた周波数特性
を持つマイクロフォンの製作が可能となる。オクターブ
音，半音等のピッチ音の時間的変化をより正確に判別で
きるので、音声認識，異常音検出に効果を奏することは
勿論、朗読，和歌等の抑揚がある音声、楽曲等の音階が
ある音に対する識別性に優れた音声入力用マイクロフォ
ンを構成できる。
【００５１】（第３の実施の形態）次に、各共振子にお
ける共振周波数を、音の大きさを表す心理的属性である
バークスケールにて線形に分布させるようにした第３の
実施の形態について説明する。なお、この第３の実施の
形態の音響センサの構成は、前述した第１の実施の形態
の構成と同様であるが、第３の実施の形態では、各共振
子25における共振周波数を、数学的に線形なスケールで
分布させるのではなく、バークスケールにて分布させる
ようにしていると共に、各共振子25における共振周波数
の帯域幅を臨界帯域幅になるようにしている。
【００５２】図８で示されるバークスケールと実周波数
との対応関係に基づいて、各共振子25の共振周波数が決
定される。そして、各共振子25の共振周波数は前記
（４）式にて決められるが、本例では、すべての共振子
25の厚さＨは一定とし、その長さＬを異ならせることに
より、バークスケールでの任意の共振周波数を各共振子
25に割り当てている。
【００５３】各共振子25の共振周波数の帯域幅は、共振
部分21を振動エネルギが伝送していく過程において、隣
合う共振子25との相互作用に依存する。即ち、隣合う共
振子25の共振周波数の変化率，隣合う共振子25までの距
離のような構造上の設計値、及び、隣合う共振子25間の
気体の粘性等により、その帯域幅は決定されるが、本例
では、隣合う共振子25間の距離を変えることにより、各
共振子25の共振周波数の帯域幅を制御している。
【００５４】図５は、共振周波数が３ｋＨｚである単結
晶シリコン製の共振子25について、隣合う共振子25まで
の距離Ｄ（横軸）を変化させた場合の帯域幅（縦軸）の
変化を示すグラフである。図６は、共振子25における長
さＬ，厚さＨ，幅Ｗ及び距離Ｄの関係を表す図であり、
この共振子25の設計値は長さＬ＝１７０６μｍ、厚さＨ
＝１０μｍ、幅Ｗ＝８０μｍであって、隣合う共振子25
間の気体は空気である。隣合う共振子25までの距離Ｄを
調整することにより、所望の帯域幅を設定できること
が、図５から理解される。よって、このことを考慮し
て、本例では、各共振子25の帯域幅が図８に示す臨界帯
域幅になるように、隣合う共振子25間の距離Ｄを決定し
ている。
【００５５】第３の実施の形態では、各共振子25の共振
周波数をバークスケールにて分布するようにしたので、
人間の聴力に合った周波数特性と帯域幅を持たせること
ができ、雑音中に隠れている音響信号を選別することが
容易になり、雑音が多い状況の中での音声認識の判別率
を向上させることが可能となる。また、人間の聴覚によ
り近いセンサを提供できる。
【００５６】
【発明の効果】以上のように、本発明の音響センサで
は、電気信号に変換する前に、音波が各周波数帯域毎に
機械的に分解されるので、従来のようなソフトウェアを
用いた電気的なフィルタリング処理は不要になり、処理
速度が速くなる。また、半導体基板上に容易に作製可能
であって、従来のシステムに比べて占有面積を縮小で
き、低コスト化も図ることがきる。更に、所望の周波数
毎に音の強さを検知できるので、分析処理を行うことな
く、音響スペクトルをリアルタイムで得ることができ、
また、一定時間毎に各周波数毎の音響データが得られる
ので、時間の経過に合わせて各周波数の強度の推移を確
認でき、音声の時間的変化の判別をより正確に行えて、
音声認識の判別率を高めることに寄与できる。
【００５７】また、本発明の音響センサは、メルスケー
ルで分布する共振周波数を持つ複数の共振子の集合体、
または、共振周波数がバークスケールで分布し、臨界帯
域幅を持つ複数の共振子の集合体を有するので、人間の
聴覚により近似させた状態で音声を認識でき、音声認識
時に音声の特徴を効率良く抽出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の音響センサの実施の形態を示す図であ
る。
【図２】本発明の音響センサにおける検出回路の構成を
示す図である。
【図３】本発明の音響センサにおける検出回路のタイミ
ングチャートを示す図である。
【図４】特定の周波数に対応する各検出回路の関係を示
す図である。
【図５】共振子間距離と帯域幅との関係を示すグラフで
ある。
【図６】本発明の音響センサにおける共振子の長さ，厚
さ，幅及び距離の関係を表す図である。
【図７】実際の周波数とメルスケール値との関係を示す
グラフである。
【図８】臨界帯域幅とバークスケールとの数値関係を示
す図表である。
【符号の説明】
１ 半導体シリコン基板 ２ センサ本体 ３ 電極 ４ 検出回路 21 共振部分 22 保持部分 23 伝搬部分 24 受波部分 25 共振子 41，42 演算増幅器 43 積算回路 44 サンプルホールド回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 宗生 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 媒質中を伝搬する音波を受ける受波部分
    と、夫々が異なる特定の周波数に共振するような長さを
    持つ複数の棒状の共振子を有する共振部分と、該共振部
    分を保持する保持部分と、前記各共振子の先端で前記特
    定の周波数毎の振動強度を検出する振動強度検出部分と
    を備えることを特徴とする音響センサ。
  2. 【請求項２】 媒質中を伝搬する音波を受ける受波部分
    と、夫々が異なる特定の周波数に共振するような長さを
    持つ複数の棒状の共振子を有する共振部分と、該共振部
    分を保持する保持部分と、前記各共振子の先端で振動強
    度を検出する振動強度検出部分とを有し、媒質中を伝搬
    した前記音波が前記受波部分から前記保持部分を経て前
    記共振部分に伝わり、前記振動強度検出部分により異な
    る周波数成分の強度を検出する音響センサであって、検
    出された前記特定の周波数毎の振動強度を示す信号を電
    気信号に変換する変換手段と、変換された電気信号を任
    意に設定された時間にわたって積算する積算手段と、該
    任意に設定された時間が経過した後、前記積算手段によ
    り積算された結果を前記特定の周波数毎に出力する出力
    手段とを備えることを特徴とする音響センサ。
  3. 【請求項３】 隣合う二つの前記共振子間の距離が異な
    っていることを特徴とする請求項１または２記載の音響
    センサ。
  4. 【請求項４】 隣合う二つの前記共振子間の距離を異な
    らせて、各共振子における共振周波数の帯域幅を所定値
    に設定していることを特徴とする請求項１または２記載
    の音響センサ。
  5. 【請求項５】 前記複数の共振子における共振周波数
    を、メルスケールで分布するように設定していることを
    特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の音響センサ。
  6. 【請求項６】 前記複数の共振子における共振周波数
    を、バークスケールで分布するように設定していること
    を特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の音響セン
    サ。
  7. 【請求項７】 前記複数の共振子における共振周波数
    を、バークスケールで分布するように設定しており、各
    共振周波数に対応する帯域幅が臨界帯域幅であることを
    特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の音響センサ。
  8. 【請求項８】 音楽曲を認識するための音楽曲入力用マ
    イクロフォンであることを特徴とする請求項５記載の音
    響センサ。
  9. 【請求項９】 音声を認識するための音声入力用マイク
    ロフォンであることを特徴とする請求項１〜７の何れか
    に記載の音響センサ。
  10. 【請求項１０】 前記出力手段は、任意に選択した少な
    くとも１つの特定の周波数における積算結果を出力する
    フィルタ機能を有することを特徴とする請求項２〜９の
    何れかに記載の音響センサ。
  11. 【請求項１１】 特定の周波数の異常音を検出するため
    の異常音入力用マイクロフォンであることを特徴とする
    請求項１０記載の音響センサ。
  12. 【請求項１２】 音響センサが半導体基板上に構成して
    あることを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載の
    音響センサ。
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