专利名称：声音发射和采集装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种声音发射和采集装置，其基于声音信号发射声音并且采集声音，以输出声音信号。
背景技术：
目前，声学回声消除器已被用作去除从扬声器传送到麦克风的回声分量的装置 (例如，参见非专利文献1)。该声学回声消除器估计从扬声器到麦克风的声学传输系统的 传输函数，从而估计回声分量并且从声音采集信号中将其去除。非专利文献 1 :“Acoustic systems and digital technology" editedby Juro OHGA,Yoshio YAMASAKI,and Yutaka KANEDA,thelnstitute of Electronics,Information and Communication Engineers, 1995, pp.210—211。
发明内容
<本发明要解决的问题>然而，如果扬声器或麦克风的位置改变以及声学传输系统的环境改变，则非专利 文献1中的回声消除器在其再次估计声学传输系统的传输函数并且可以输出误差信号之 前需要些时间。因此，本发明的目的是提供一种声音发射和采集装置，该声音发射和采集装置在 扬声器和麦克风之间的相对位置改变时能够实现稳定的回声消除。〈解决问题的手段〉本发明的声音发射和采集装置包括声音发射部分，其基于声音发射信号来发射声 音；声音采集部分，其采集声音并且产生声音采集信号；回声消除器，其具有用于对声音发 射信号进行滤波并且产生伪回声信号的自适应滤波器，回声消除器从声音采集信号中减去 伪回声信号以去除回声分量；可移动部分，其中设有声音采集部分；检测部分，其检测可移 动部分的移动和移动量；存储部分，其存储定义了可移动部分的移动量和自适应滤波器的 滤波器系数之间的关系的表格；以及设置部分，当检测部分检测到可移动部分的移动时，设 置部分输入来自检测部分的可移动部分的移动量、从存储部分读取与可移动部分的移动量 相对应的滤波器系数、并且对所读取的自适应滤波器的滤波器系数进行设置。在该配置中，声音采集部分(麦克风)设置在可移动部分中。可移动部分的移动量 由传感器等的检测部分进行检测。移动量和滤波器系数之间的关系预先存储在存储器中， 并且当移动部分移动时，设置响应于移动量的滤波器系数。因此，如果扬声器和麦克风的位 置相对改变，则能够立刻设置适当的滤波器系数以及能够实现稳定的回声消除。而且，在本发明中，设置部分在从自适应滤波器的滤波器系数的设置起的一段预 定时间之后读取自适应滤波器的滤波器系数，并且将所读取的滤波器系数存储到存储部分 中，从而更新了定义在表格中的与可移动部分的移动量相对应的滤波器系数。在该配置中，在从滤波器系数的设置起的一段预定时间之后改变存储器存储的内容。当时间度量之后，自适应滤波器自动设置最佳的滤波器系数，从而采用已经调整的滤波 器系数来更新存储器的内容，并且当可移动部分再次移动时，能够设置最佳的滤波器系数。而且，在本发明中，回声消除器包括系数更新部分，系数更新部分基于声音发射信 号及从声音采集信号中去除了回声分量后的剩余信号来更新自适应滤波器的滤波器系数。 所述表格还定义了可移动部分的移动量和系数更新部分中的更新参数之间的关系。设置部 分从存储部分中读取与可移动部分的移动量相对应的更新参数并且对所读取的系数更新 部分中的更新参数进行设置。在该配置中，用于更新滤波器系数的系数更新部分的各种参数响应于可移动部分 的移动量而改变。例如，改变各种参数来促进更新。而且，在本发明中，回声消除器包括延迟电路，该延迟电路用于给声音发射信号赋 予延迟并且将延迟信号输入到自适应滤波器中。所述表格还定义了可移动部分的移动量和 延迟电路的延迟量之间的关系。设置部分从存储部分中读取与可移动部分的移动量相对应 的延迟量并且设置所读取的延迟电路中的延迟量。在该配置中，改变设置在自适应滤波器的前级的延迟电路的延迟量。如果从扬声 器到麦克风的声学传输系统的延迟量改变，则能够实现稳定的回声消除。〈本发明的优点〉根据本发明，即使扬声器和麦克风的相对位置改变，也能够实现稳定的回声消除。
图1 (A)是处于初始状态的具有臂IlL和IlR的声音发射和采集装置的外观图，图 I(B)是处于臂IlL和IlR旋转大约90度的状态的声音发射和采集装置的外观图。图2是示出声音发射和采集装置的配置的框图。图3是示出回声消除器41C的详细配置的框图。图4是示出回声消除器41A的详细配置的框图。图5是示出存储在存储器53中的定义了旋转角度、滤波器系数和参数三者之间的 关系的表格的示图。图6(A)、6(B)和6 (C)是示出滤波器系数的内插技术的示图。参考标号说明1声音发射和采集装置10 外壳IlLUlR 臂12LU2R 铰链13LU3R 扬声器15A、15B、15C 麦克风阵列
具体实施例方式将描述根据本发明的实施例的声音发射和采集装置。图1 (A)和图1 (B)是该声音 发射和采集装置的外观图(俯视图)，图2是示出该声音采集和发射装置的配置的框图。在 图KA)和图I(B)中，该图的平面的上侧是Y方向，该图的平面的下侧是-Y方向，该图的平面的右侧是X方向，该图的平面的左侧是-X方向从外观来看，声音发射和采集装置1包括 外壳10、臂11L、臂11R、铰链12L、铰链12R、扬声器13L、扬声器13R、麦克风阵列15A、麦克 风阵列15B、以及麦克风阵列15C。从上面看，外壳10具有三角形形状(下三角支撑)。扬声器13L和扬声器13R设置在该三角形的中心附近。麦克风阵列15C设置在下侧(-Y方向)。外壳10具有位于下侧 的左边和右边的铰链12L和铰链12R。臂IlL通过铰链12L可旋转地连接至外壳10，而臂 IlR通过铰链12R可旋转地连接至外壳10。臂IlL和臂IlR分别具有麦克风阵列15B和麦克风阵列15A。臂IlL和臂IlR中 的每一个的形状像一根细杆。臂IlL和臂IlR的一个端部分别连接至铰链12L和铰链12R。 在图KA)所示的状态中，麦克风阵列15B设置在臂IlL的长边的一侧的外部(_X，Y方向)； 类似地，麦克风阵列15Α设置在臂IlR的长边的一侧的外部(X，Y方向)。麦克风阵列15Α具有排成一行的麦克风单元121、麦克风单元122、麦克风单元 123、以及麦克风单元124。类似地，麦克风阵列15Β具有排成一行的麦克风单元131、麦克 风单元132、麦克风单元133、以及麦克风单元134，麦克风阵列15C具有排成一行的麦克风 单元141、麦克风单元142、麦克风单元143、以及麦克风单元144。在图I(A)中，麦克风单元121、麦克风单元122、麦克风单元123、以及麦克风单元 124的声音采集方向指向Χ、Υ方向(该图的平面的右上方)。麦克风单元131、麦克风单元 132、麦克风单元133、以及麦克风单元134的声音采集方向指向_Χ、Υ方向(该图的平面的 左上方)。麦克风单元141、麦克风单元142、麦克风单元143、以及麦克风单元144的声音 采集方向指向-Y方向(该图的平面的下方)。每个麦克风单元所采集的声音被赋予一个预定的延迟，然后被结合，从而使得整 个麦克风阵列具有很强的声音采集指向性。例如，如果所有麦克风单元的延迟都相同，则通 过结合来增强每个麦克风前方的声音，而通过结合来削弱除了前方之外的任何其他方向上 的声音。因此，在麦克风阵列的前侧提供了很强的指向性。扬声器13L和扬声器13R的声音发射方向指向外壳10的上面，但是发射出来的声 音几乎没有指向性，因此传播到外壳10的整个周围。在声音发射和采集装置1中，当臂IlL和臂IlR旋转时，麦克风阵列15Β和麦克风 阵列15Α的声音采集方向可以改变。例如，如图I(B)所示，如果臂IlL向左旋转约90度， 则麦克风阵列15Β的声音采集方向指向-X、-Y方向(该图的平面的左下方)。如果臂IlR 向右旋转约90度，则麦克风阵列15Α的声音采集方向指向X、-Y方向(该图的平面的右下 方)。在图2中，声音发射和采集装置1包括输入/输出接口(I/F) 51、控制部分52、存 储器53、传感器54、声音采集信号处理部分40Α、声音采集信号处理部分40Β、声音采集信号 处理部分40C、回声消除器41Α、回声消除器41Β、回声消除器41C、以及声音发射信号处理部 分61。在该图中，除非特别指出，该装置中传输的信号都是数字信号。输入/输出I/F 51、存储器53、传感器54、回声消除器41Α、以及回声消除器41Β 均连接至控制部分52。输入/输出I/F 51具有线输入/输出端、网络端等，从该装置外部输入声音信号 并且将声音信号输出到该装置外部。输入/输出I/F 51将从外部输入的声音信号(声音发射信号)输入到声音发射信号处理部分61。输入/输出I/F 51将从回声消除器41A、回 声消除器41B、以及回声消除器41C输入的声音信号输出到外部。声音发射信号处理部分61调节声音发射信号的增益和延迟，并且将该信号输出 到扬声器13L、13R。声音发射信号处理部分61可以将声音发射信号输出到扬声器13L和扬 声器13R两者或者两者之一，并且声音发射信号处理部分61与立体声输出和单声道输出兼 容。如上所述，控制输出到扬声器13L和扬声器13R的声音发射信号的增益和延迟，从而提 供了到达收听者的两个耳朵的声音的时间差和音量差，从而还能够设置虚拟声源。麦克风阵列15A的每个麦克风单元所采集的声音信号(声音采集信号)被输入到 声音采集信号处理部分40A，麦克风阵列15B的每个麦克风单元所采集的声音采集信号被 输入到声音采集信号处理部分40B，麦克风阵列15C的每个麦克风单元所采集的声音采集 信号被输入到声音采集信号处理部分40C。声音采集信号处理部分40A调节每个麦克风单元的声音采集信号的增益和延迟，然后将它们结合起来，并且将结果作为声音采集束信号输出到下一级。类似地，声音采集信 号处理部分40B和声音采集信号处理部分40C中的每一个也调节每个麦克风单元的声音采 集信号的增益和延迟，然后将它们结合起来，并且将结果作为声音采集束信号输出到下一 级。声音采集信号处理部分40A的声音采集束信号被输入到回声消除器41A，声音采 集信号处理部分40B的声音采集束信号被输入到回声消除器41B，以及声音采集信号处理 部分40C的声音采集束信号被输入到回声消除器41C。图3是示出回声消除器41C的详细配置的框图，图4是示出回声消除器41A的详 细配置的框图。回声消除器41A和回声消除器41B具有相同的配置，因此，在图4中示出了 具有代表性的回声消除器41A的配置。首先，在图3中，回声消除器41C包括延迟电路411C、自适应滤波器412C、加法器 413C、以及系数估计部分414C。延迟电路411C给从声音发射信号处理部分61输入的声音发射信号赋予预定延 迟。该延迟对应于从扬声器13L和扬声器13R到麦克风阵列15C的声学传输系统的延迟， 并且是预设的。通过延迟电路411C赋予了延迟的声音发射信号被输入到自适应滤波器412C。自 适应滤波器412C对声音发射信号进行滤波并且产生从扬声器13L、13R传输到麦克风阵列 15C的信号(回声分量)的估计分量(以下将被称为伪回声信号)。加法器413C将声音采 集信号处理部分40C的输出信号减去所产生的伪回声信号，从而去除了回声分量。S卩，自适 应滤波器412C是模拟了从扬声器到麦克风的声学反馈路径的传输函数的滤波器(FIR滤波 器)。去除了回声分量的信号被输入到输入/输出I/F 51和系数估计部分414C。输入到输入/输出I/F 51的信号被输入到外部。系数估计部分414C基于延迟电 路411C的输入声音信号和输出信号来检测回声分量的去除误差，并且自动地更新自适应 滤波器412C的滤波器系数，以使伪回声信号接近回声分量。与诸如遗忘因子和步长之类的各种参数一起更新自适应滤波器412C的滤波器系 数。遗忘因子表示更新的速度；例如，如果遗忘因子减小，则当前的滤波器系数被擦除，并且 引起更新。步长是表示校正幅度的系数；如果步长增大，则经校正的滤波器系数被更频繁地使用，并且引起更新。对将要使用声音发射和采集装置的环境进行估计并且在工厂发货等 时预先设置这些参数。因此，自适应滤波器412C能够响应于声音发射和采集装置的安装环境来更新滤 波器系数，并且能去除回声分量。接下来，如图4所示，回声消除器41A包括延迟电路411A、自适应滤波器412A、加 法器413A、以及系数估计部分414A。延迟电路411A、自适应滤波器412A、加法器413A、以及系数估计部分414A分别具有与延迟电路411C、自适应滤波器412C、加法器413C、以及系数估计部分414C的功能相类 似的功能。因此，不再对这些部件进行详细地讨论。在该图中，自适应滤波器412A和系数估计部分414A连接至控制部分52。当臂IlL 或臂IlR的旋转角度改变时，控制部分52响应于传感器54的输出信号来设置自适应滤波 器412A的滤波器系数和系数估计部分414A的参数。传感器54由旋转编码器等构成，例如包含在铰链12L和12R中，传感器54检测臂 IlL和臂IlR的旋转角度，并且将响应于该旋转角度的信号(旋转角度信息)输出到控制部 分52。控制部分52响应于从传感器54输入的旋转角度信息而从存储器53读取相对应 的滤波器系数和参数。存储器53存储响应于旋转角度信息的滤波器系数和参数。图5是示出了定义存储在存储器53中的旋转角度、滤波器系数和参数三者之间的 关系的表格的示图。该图示出了定义了臂IlR的旋转角度、滤波器系数和参数三者之间的 关系的表格；对于臂11L，也定义了类似的关系并且在存储器53中存储了类似的表格。如图所示，该表格存储了与臂IlR的每隔30度的旋转角度(0、30、60、90、120、150、 和180度)相对应的滤波器系数和参数。通过试验等来预先测量滤波器系数和参数。如下 所述，响应于实际使用环境，根据需要来更新这些值。当从传感器54输入的旋转角度信息改变时，例如，改变后的旋转角度信息表示90 度，则控制部分52读取该附图的表格中示出的滤波器04，并且将滤波器04设置到自适应滤 波器412中。即，设置在自适应滤波器412A中的当前滤波器系数被擦除，并且滤波器系数 变为滤波器04。参数04 (遗忘因子、步长等)被读取并且被设置到系数估计部分414A中。如上所述，当臂IlL或臂IlR的旋转角度改变时，先前定义的滤波器系数和参数 被设置，从而即使声学传输系统的传输函数在很大程度上改变，也能够实现稳定的回声消 除。先前定义的滤波器系数等不必是最佳值，但是比臂角改变之前所设置的滤波器系数更 适合，这是因为通过试验等测量的值被用作基准。几秒钟之后，例如从滤波器系数设置起的几秒钟之后，控制部分52将自适应滤波 器所适应(响应于实际环境而自动更新)的滤波器系数存储到存储器53中。例如，如上所 述，如果输入表示90度的旋转角度信息并且改变滤波器系数，则几秒钟之后的自适应滤波 器412A的滤波器系数被读取并且更新为滤波器04。因此，响应于安装环境的最佳滤波器系 数被保存，并且当臂角再次改变时，能够立即设置最佳的滤波器系数。在上述的示例中，与每隔30度的旋转角度对应的滤波器系数等被存储在存储器 53中；然而，如果存在用于存储容量的空间，则可以更细化地定义旋转角度(例如，每隔1 度)。如果没有定义与从传感器54输入的旋转角度相同的旋转角度，则可以读取对应于最接近的旋转角度的滤波器系数。还可以如下方式对与未存储在存储器53中的旋转角度对应的滤波器系数进行内插。图6(A)、图6(B)和图6(C)是示出滤波器系数的内插技术的示图。这些附图中的 每个示图均示出了自适应滤波器的脉冲响应；水平轴表示时间，纵轴表示电平。在图6(A)、 图6(B)和图6(C)中，将讨论旋转角度变为15度时的滤波器系数的内插技术。图6(A)示 出了当旋转角度为0度时的脉冲响应，图6 (B)示出了当旋转角度为30度时的脉冲响应。当旋转角度变为15度时，控制部分52读取存储在存储器53中的旋转角度的滤波 器系数中15度之前和15度之后(0度和30度)的滤波器系数。根据滤波器系数的脉冲响 应变为图6(A)和图6(B)中示出的脉冲响应。控制部分5 2根据脉冲响应来对15度的滤波 器系数进行内插。即，检测图6(A)中的脉冲响应的峰值(直接到达的声音的峰值)和图 6(B)中的脉冲响应的峰值，并且计算这些峰值在时间轴上的平均值。该平均值被估计为旋 转角度为15度的脉冲响应的峰值。而且，图6(A)和图6(B)中示出的脉冲响应在时间轴上 移动到该平均值，并且对电平进行平均。采用如此平均得到的值作为旋转角度为15度的脉 冲响应。因此，找到了对应于旋转角度为15度的滤波器系数，并且将其设置到自适应滤波 器中。如果存储器53中存在容量空间，则可以将如此内插得到的滤波器系数存储到存储器 53中。在上述实施例中，通过示例的方式设置了自适应滤波器的滤波器系数和系数估计 部分的各种参数；然而，当旋转角度改变时可以只设置滤波器系数或者系数估计部分的参 数。另外，自适应滤波器的抽头数量可以改变，或者延迟电路的延迟量可以改变。如果抽头数大于实际混响时间，则可以在不干扰回声分量去除的情况下增加反相 信号以及增加不同的信号。相反地，如果抽头数量大，则计算量增大并且给自适应滤波器的 处理施加了负担。然后，设置响应于实际声学传输系统的抽头数，从而能够实现稳定的回声 消除。如果麦克风阵列的位置改变，则扬声器和麦克风阵列之间的距离改变，因此声学 传输系统的延迟量也改变。如果与声学传输系统的延迟量相比，延迟电路的延迟量太大，则 具有远大于实际回声分量的时间延迟的信号被输入到自适应滤波器，并且估计回声分量变 为不可能。然后，改变延迟电路的延迟量，借此能够实现稳定的回声分量去除。虽然已经参照具体实施例详细地描述了本发明，但是对于所属领域的技术人员来 说，显而易见的是在不脱离本发明的思想和范围或意图的情况下可以进行各种修改和变 型。本发明基于2007年9月21日提交的日本专利申请(第2007-245187号)，其内容 以引文方式并入此文。
权利要求
一种声音发射和采集装置，其包括声音发射部分，其基于声音发射信号来发射声音；声音采集部分，其采集声音并且产生声音采集信号；回声消除器，其具有用于对所述声音发射信号进行滤波并且产生伪回声信号的自适应滤波器，所述回声消除器从所述声音采集信号中减去所述伪回声信号以去除回声分量；可移动部分，所述声音采集部分设置在该移动部分之上；检测部分，其检测所述可移动部分的移动和移动量；存储部分，其存储定义了所述可移动部分的移动量和所述自适应滤波器的滤波器系数之间的关系的表格；以及设置部分，当所述检测部分检测到所述可移动部分的移动时，所述设置部分输入来自所述检测部分的所述可移动部分的移动量、从所述存储部分读取与所述可移动部分的移动量对应的滤波器系数、并且对所读取的所述自适应滤波器的滤波器系数进行设置。
2.根据权利要求1所述的声音发射和采集装置，其中所述设置部分在从所述自适应滤 波器的滤波器系数的设置起的一段预定时间之后读取所述自适应滤波器的滤波器系数，并 且将所读取的滤波器系数存储在所述存储部分中，从而更新了与定义在所述表格中的所述 可移动部分的移动量相对应的滤波器系数。
3.根据权利要求1或2所述的声音发射和采集装置，其中所述回声消除器包括系数更 新部分，所述系数更新部分基于所述声音发射信号和从所述声音采集信号中去除了回声分 量之后的剩余信号来更新所述自适应滤波器的滤波器系数；其中所述表格还定义了所述可移动部分的移动量和所述系数更新部分的更新参数之 间的关系；并且其中所述设置部分从所述存储部分读取与所述可移动部分的移动量相对应的更新参 数，并且对所读取的所述系数更新部分中的更新参数进行设置。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的声音发射和采集装置，其中所述回声消除 器包括延迟电路，所述延迟电路用于给所述声音发射信号赋予延迟并且将经延迟的信号输 入到所述自适应滤波器中；其中所述表格还定义了所述可移动部分的移动量和所述延迟电路的延迟量之间的关 系；并且其中所述设置部分从所述存储部分中读取与所述可移动部分的移动量相对应的延迟 量，并且对所读取的所述延迟电路的延迟量进行设置。
全文摘要
本发明提供了一种声音发射和采集装置，其能够在扬声器和麦克风之间的相对位置改变时实现稳定的回声消除。控制部分52输入来自传感器54的臂的旋转角度的信息。控制部分52从存储器53中读取与所输入的旋转角度相对应的滤波器系数，并且设置自适应滤波器412A的滤波器系数。当臂旋转时，麦克风的安装位置改变，并且声学传输系统改变，但是预设的(或者在安装环境下，更新的)滤波器系数被设置，从而能够实现稳定的回声消除。
文档编号H04R3/02GK101803402SQ20088010789
公开日2010年8月11日 申请日期2008年9月5日 优先权日2007年9月21日
发明者铃木智, 鹈饲训史 申请人:雅马哈株式会社