CN101656901B - 消噪系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种消噪系统，包括：将周围噪声集音并输出噪声信号的麦克风单元；具有输出噪声信号所包含的预定的频率区域的信号的滤波器电路、将上述滤波器电路的输出信号反相并放大的放大率大于0且小于1的反相放大电路、将反相放大电路的输出信号与噪声信号相加后输出的加法电路，生成并输出用于消除噪声的抵消信号的抵消信号生成装置；以及输出音频信号和抵消信号的扬声器单元。

Description

消噪系统
技术领域
本发明涉及可消除周围噪声的消噪系统，该消噪系统能校正由特性引起的相位位移，并能输出精度更高的抵消信号。
背景技术
能利用抵消音来消除周围噪声的消噪系统为：由于在耳机(headphone)等中使用，所以能用作在消除噪声的同时听到被再现音乐的消噪耳机。消噪耳机被构成为：将被安装在耳机外壳等上的麦克风单元(microphone unit)集音的周围噪声转换为作为电信号的噪声信号，并使用该噪声信号来生成用于消除人耳通过耳机外壳能听见的的噪声的信号(抵消信号)，借助于与要再现的音乐一起从耳机扬声器单元中输出的抵消音，使用者能够在周围噪声被消除的状态下听音乐。
最理想的是能够利用抵消音来完全消除人耳能听见的的噪声。但是，构成消噪系统的麦克风单元和扬声器单元具有相位因频率而发生位移的特性(相位特性)。该相位特性为：越是低频率，相位越相对超前，增益衰减，越是高频率，相位越相对滞后。由于从消噪系统的扬声器单元输出的抵消信号受到该相位特性的影响，所以很难生成可完全消除人耳能听见的的噪声的抵消信号。当受到这种相位特性的影响而从扬声器单元输出噪声和产生了相对的相位位移的抵消音时，不仅原本应实现的消除噪声的效果(抵消效果)降低，而且由于抵消信号增强了噪声所包含的特定频率，反而会听到很大的噪声。
另外，抵消音的相位发生位移还存在其他原因。由于要消除的周围噪声中包含多种声音，所以针对该噪声所包含的所有频率生成抵消信号是很困难的。因此，消噪系统使用滤波器电路在某种程度上缩小了生成抵消信号的频带。
在用于音频信号的滤波器电路中，有遮断预定频率以上的信号的低通滤波器、遮断预定频率以下的信号的高通滤波器、遮断预定频带以外的信号的带通滤波器、遮断预定频带的信号的陷波滤波器。消噪耳机构成为：通过组合这些滤波器电路来使用，确定实现抵消效果的频带并生成预定的抵消信号。换句话说，利用滤波器电路从噪声信号中抽取用于生成抵消信号的信号，从而限制了频带。根据这种结构，在特定的频带实现抵消效果，但在其以外的频带不能实现抵消效果。因此，为了能够消除更多种类的噪声，安装多个滤波器电路，利用开关等选择性地切换滤波器电路，从而能够增加可消除的噪声的种类的消噪系统已众所周知(例如，参照“专利文献1”)。
专利文献1：日本特开平4-8099号公报
滤波器电路有使用了无源元件的无源型、使用了运算放大器等的有源型等，但无论哪种滤波器电路都具有以下特性：所输入的原信号频率成分越低，相对地相位越超前而发生位移，频率成分越高，相对地相位越滞后而发生位移。
这样，消噪系统由于其结构产生的相位特性和滤波器电路具有的相位特性，导致人耳能听见的的噪声与抵消音之间的相位相对地发生位移。因此，为了输出更高精度的抵消信号来提高消噪效果，需要能够生成并输出校正了上述相位特性的抵消信号的消噪系统。对于相位特性的校正，只要实现具有噪声信号所包含的低频率的相位相对滞后、高频率的相位相对超前这样的特性的电路即可。为了用滤波器电路实现这种相位特性，需要在滤波器电路的构成元件中使用在高频阻抗变低相位超前的元件、或者在低频阻抗变高相位滞后的元件。但是，在电子电路中没有这种构成元件，所以不可能实现。
发明内容
现有的消噪系统中，为了尽量减小抵消信号受到的相位特性的影响，设法适当地组合各种滤波器使相位一致而不发生位移。由此，很难出现由相位特性的影响产生的缺点。但是，哪种滤波器电路的相位特性都是相对而言频率越低相位越超前、频率越高相位越滞后，所以很难在成为多个滤波器电路的连接点的频率校正相位特性，在该连接点的频率抵消效果极差，为了进一步防止该问题，需要抑制整体的抵消量来取得平衡。因此，变成抵消效果不充分且进行在听觉上不自然的输出的消噪系统。
本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于提供一种可消除周围噪声的消噪系统，该消噪系统具有滤波器电路，该滤波器电路具备能校正以往的相位特性的相位特性，该消噪系统能够输出校正了相位位移的抵消信号。
本发明提供一种消噪系统，其包括：将周围噪声集音并输出噪声信号的麦克风单元；生成并输出用于消除上述噪声的抵消信号的抵消信号生成装置；以及输出音频信号和上述抵消信号的扬声器单元，上述消噪系统的特征在于，上述抵消信号生成装置包括输出上述噪声信号所包含的预定的频率区域的信号的滤波器电路；将上述滤波器电路的输出信号反相并放大的放大率大于0且小于1的反相放大电路；以及输出将上述反相放大电路的输出信号与上述噪声信号相加后的抵消信号的加法电路。
另外，本发明提供一种消噪系统，其包括：将周围噪声集音并输出噪声信号的麦克风单元；生成并输出用于消除上述噪声的抵消信号的抵消信号生成装置；以及输出音频信号和上述抵消信号的扬声器单元，上述消噪系统的特征在于，上述抵消信号生成装置包括输出上述噪声信号所包含的预定的频率区域的信号的滤波器电路；将上述滤波器电路的输出信号放大的放大率大于0且小于1的放大电路；以及输出从上述噪声信号中减去上述放大电路的输出信号后的抵消信号的减法电路。
另外，本发明的特征在于，在上述消噪系统中，上述滤波器电路是低通滤波器，或者，上述滤波器电路是高通滤波器，或者，上述滤波器电路是带通滤波器，或者，上述滤波器电路是陷波滤波器。
另外，本发明提供一种使用了消噪系统的消噪方法，其中消噪系统包括：将周围噪声集音并输出噪声信号的麦克风单元；生成并输出用于消除上述噪声的抵消信号的抵消信号生成装置；以及输出音乐等音频信号和上述抵消信号的扬声器单元，上述抵消信号生成装置包括输出上述噪声信号所包含的预定的频率区域的信号的滤波器电路；将上述滤波器电路的输出信号反相并放大的放大率大于0且小于1的反相放大电路；以及输出将上述反相放大电路的输出信号与上述噪声信号相加后的抵消信号的加法电路，上述消噪方法的特征在于，上述滤波器电路从上述噪声信号中抽取预定频带的信号的步骤；将上述抽取出的信号反相并用大于0且小于1的放大率进行放大的步骤；以及将上述反相放大后的信号与上述噪声信号相加后输出的步骤，通过将上述相加后输出的信号从上述扬声器单元输出，能够消除上述噪声。
另外，本发明的特征在于，在上述消噪方法中，上述滤波器电路是低通滤波器，或者，上述滤波器电路是高通滤波器，或者，上述滤波器电路是带通滤波器，或者，上述滤波器电路是陷波滤波器。
按照本发明，能够获得一种消噪系统以及消噪方法，其能够在宽频带范围内合理地消除噪声，能够实现使用者不会感到不舒服的、自然的消噪效果。
附图说明
图1是示意地表示作为本发明的消噪系统的一例的消噪耳机的实施方式的剖视图。
图2是表示上述消噪系统具有的消噪单元的信号处理系统的例子的框图。
图3是表示上述消噪单元具有的高通滤波器电路的相位特性的例子的曲线图。
图4是表示上述消噪单元具有的反相滤波器电路的相位特性的例子的曲线图。
图5是表示上述反相滤波器电路的增益特性的例子的曲线图。
图6是表示上述消噪系统具有的消噪单元的另一信号处理系统的例子的框图。
具体实施方式
说明本发明的消噪系统的实施方式的例子。在此，设为用于作为消噪系统的一例的消噪耳机的例子。图1是仅示出了由左右一对构成的消噪耳机的一侧外壳的概要图。图1中，在耳机外壳1的内部，构成该消噪系统的核心的消噪单元100(以下，称为“NC单元100”)和对该消噪耳机的周围噪声即N进行集音并将其转换为电信号后输出的麦克风单元60被组装成朝向耳机外壳1的外侧。在耳机外壳1的外壁的一部分上设置有用于麦克风单元60容易将噪声N集音的通孔201。NC单元100中具有扬声器单元，该扬声器单元向耳朵200输出与便携式音乐播放器等声源300连接而被输入的音乐信号、和用于消除耳朵200通过耳机外壳1听得见的噪声N’的抵消音。另外，在耳机外壳1中容纳有作为NC单元100的驱动电源的未图示的电池。
作为本发明的消噪系统的一例的消噪耳机，通过用例如头带(headband)将左右一对耳机外壳1相结合来实现。左右耳机外壳1的结构都具有如图1所示那样的结构，也可以在各外壳1上连接有用于从声源300输入音乐信号的塞绳(cord)的结构，在左右耳机外壳1是用头带结合的形式的耳机的情况下，还可以将从一侧耳机外壳1向另一侧耳机外壳1传递音乐信号的布线嵌入到上述头带中。另外，用于驱动的上述电池仅安装在一侧的耳机外壳1中即可。
接着，使用图2的框图说明上述NC单元100的详细情况。在图2中，NC单元100包括：将由麦克风单元60集音并转换为电信号的噪声信号调整为预定的电平后输出的麦克风放大器20；由滤波器电路11、反相放大电路12、加法电路13构成的反相滤波器电路10，该滤波器电路11用于抽取并输出从麦克风放大器20输出的噪声信号所包含的预定频带，该反相放大电路12用于将滤波器电路11的输出信号反相并放大M倍后输出，该加法电路13用于将从麦克风放大器20输出的噪声信号与反相放大电路12的输出信号相加而输出抵消信号；放大从反相滤波器电路10输出的抵消信号的放大器30；用于利用放大器30的输出信号驱动扬声器单元50的耳机放大器40；以及用耳机放大器40驱动的扬声器单元50。向上述耳机放大器40输入上述放大器30的输出信号即抵消信号，并且从上述声源300输入音乐信号。该音乐信号也可以通过在上述放大器30与上述耳机放大器40之间加入另一个加法电路，并在该加法电路中与抵消信号相加。从扬声器单元50向用户的耳朵200输出音乐和抵消音。通过耳机外壳1耳朵200听得见的噪声用抵消音来消除，用户能够仅听到音乐。
本发明申请的消噪系统的特征在于上述反相滤波器电路10。另外，本发明申请的消噪方法的特征在于上述反相滤波器电路10工作的流程。因此，作为本发明申请的实施方式，说明反相滤波器电路10的详细情况。反相滤波器电路10实现与现有消噪系统中使用的滤波器电路同样的功能，还具有从麦克风单元60集音的噪声信号中抽取用于生成抵消信号的特定频率成分的作用。反相滤波器电路10利用反相放大电路12将现有的滤波器电路的输出信号反相，所以为了将反相滤波器电路10作为低通滤波器发挥作用，滤波器电路11使用高通滤波器。同样地，为了将反相滤波器电路10作为高通滤波器发挥作用，滤波器电路11使用低通滤波器，为了作为带通滤波器发挥作用，滤波器电路11使用陷波滤波器，为了作为陷波滤波器发挥作用，滤波器电路11使用带通滤波器。
在此，说明在滤波器电路11为高通滤波器时、即将反相滤波器10作为低通滤波器发挥作用而输出抵消信号的例子。首先，使用附图说明高通滤波器的相位特性。图3是表示高通滤波器的相位特性的例子的曲线图。在图3中，横轴用对数表示输入信号的频率(Hz)，纵轴用常数表示输入信号与输出信号的相位位移(°)。截止频率f0设为200Hz。
将截止频率f0的相位位移设为θf0时，θf0用“tan-1(1/(2πf0CR))、2πf0＝1/CR”来表示，所以相位位移θf0变为tan-1(1)，在截止频率f0处，变成相位超前45°。也就是说，当滤波器电路11的输入信号的频率低时，输出信号的相位从输入信号的相位超前无限接近于90°，截止频率f0的相位变成超前45°。另外，随着频率变高，相位的超前变得迟缓，在充分高于截止频率f0的频率下，几乎变为同相位(相位位移为0°)。在此，上述R是在作为高通滤波器的滤波器电路11中使用的电阻的电阻值(R)，上述C是电容器的静电电容值(C)。
滤波器电路11的输出信号被位于后级的反相放大电路12反相(相位位移180°)并放大到M倍后输出。因而，着眼于相位特性时，滤波器电路11的输出信号(反相放大电路12的输入信号)与反相放大电路12的输出信号的相位位移特性如图3的曲线H2那样，从滤波器电路11的相位特性位移了180°。
滤波器电路11的截止频率f0也是反相滤波器电路10的截止频率f0。所以，反相型滤波器电路10的截止频率f0的相位θf0r根据反相电路12的作用而用“-tan-1(1/(2πf0CR))、2πf0＝1/CR”来表示，因此相位位移θf0r变为-tan-1(1)，变成相位滞后45°。也就是说，反相滤波器电路10的截止频率f0的相位位移变成相对滞后45°。这是反相放大电路12的放大率M为1的情况。
在放大率M为0以上且小于1时，上述式子用“-tan-1(1/(M2πf0CR))、2πf0＝1/CR”来表示。因此，反相滤波器电路10的相位特性为，反相放大电路12的放大率M为0以上且小于1时的相位位移θf0r用tan-1(M)来表示，相位的位移根据M的值在0°至-45°的范围内变化。在反相放大电路12的放大率M大于1时，在充分高于截止频率f0的频率下，反相滤波器电路10的相位位移θr相对于输入信号的相位θ变为同相位，所以不适于得到本发明的效果。此时的相位特性θrM近似地用“tan-1(M/((M-1)2πfCR)、M＞1、f＞＞f0”来表示。
因此，从加法电路13输出的上述反相放大电路12的输出信号与麦克风放大器20的输出信号(噪声信号)相加后的信号(抵消信号)的相位特性θrM用“-tan-1(M2πfCR/(1+(1-M)(2πfCR)2))”来表示。图4表示基于该式使放大率M的值发生变化时的相位特性的例子。在图4中，横轴是用对数表示频率(f)，纵轴是用常数表示麦克风放大器20的输出信号与反相滤波器电路10的输出信号的相位位移θrM(°)。
相位位移0°处直线地变化的曲线P1是放大率M为0的情况。在放大率M为0时，麦克风放大器20的输出信号为反相滤波器电路10的输出信号，所以没有发生相位位移。用点划线表示的曲线P3表示放大率M为1.5的情况。如已说明的那样，在反相放大电路12的放大率M大于1时，若超过截止频率f0(本实施例为200Hz)，则接近于从麦克风放大器20输入的噪声信号的相位，所以反相滤波器电路10的输出信号的相对的相位变为超前。因此，曲线P3在高于截止频率f0的频率下，相位位移转变为超前。
用长虚线表示的曲线P4是放大率M为1的情况。在放大率M为1时，滤波器电路11的相位特性被原样反映出来，所以频率越高，相位越滞后。输入到加法电路13的麦克风放大器20的输出信号与反相放大电路12的输出信号在低频率下几乎为同相位，所以相位的位移大致为0°，但随着频率变高相位滞后，这样的滤波器电路的特性被原样表现出来，如曲线P4那样，示出低频率的相位位移大致变为0°、随着频率变高相位位移大幅度滞后的趋势。
用短虚线表示的曲线P2表示放大率M为0.75的情况。在该情况下，反相放大电路12的输出信号的电平比原信号(麦克风放大器20的输出信号)低(为0.75倍)。因此，在加法电路13中，将0.75倍的反相信号与麦克风放大器20的输出信号相加。在低于截止频率f0的频率下，麦克风放大器20的输出信号与反相放大电路12的输出信号的相位位移量很少，接近于同相位，但随着频率变高，相位位移缓慢地变为“滞后”。当超过截止频率f0时，逐渐地相位位移接近于同相位，所以变成当频率变高时相位位移变为“超前”的特性，如曲线P2那样。由此，能够得到频率越高、相对地相位越超前的相位特性。
接着，使用图5说明上述反相滤波器10的增益特性。在图5中，纵轴是反相滤波器10的增益(dB)，横轴是用对数表示反相滤波器10的输入信号的频率(Hz)。在反相放大电路12的放大率M为0时，不会完全放大滤波器电路11的输出信号，所以增益变为0dB，如曲线G 1那样。放大率M为1.5时的增益特性如用双点划线表示的曲线G3那样。如先说明过的相位位移的特性那样，当超过截止频率f0时，相位位移转变为超前，所以利用比从麦克风放大器20输入的信号大的信号(放大率M为1.5倍)，抑制反相滤波器电路10的输出信号电平。因此，示出随着频率变高增益衰减的特性。
用长虚线表示的曲线G4表示放大率M为1时的增益特性。由于滤波器电路11的相位特性被原样反映出来，所以放大率M为1倍时的相位位移变成频率越高，相位越滞后。这与麦克风放大器20的输出信号的相位特性相同，所以加法电路13的输出信号与反相放大电路12的输出信号的增益特性相同，变成频率越高增益越衰减的特性。
用短虚线表示的曲线G2表示放大率M为0.75时的增益特性。此时的相位位移如已述那样，在低频率下相对地相位滞后，随着频率变高，相位位移变少，(相对地相位超前)接近于同相位。因而，在增益特性中，随着频率变高，增益的衰减由于反相放大电路12的输出信号而变迟缓，能够得到如图5所示那样的增益特性。
在上述例子中，当放大率M为0.75时，能够得到在低频率下相对地相位滞后、在高频率下相对地相位超前的相位位移特性，而且，能够得到频率越高、增益越衰减的增益特性。放大率M的最佳值在0以上且小于1之间，依赖于麦克风单元60和扬声器单元50等的特性。
接着，说明本发明的消噪方法的实施方式。在图2所示的消噪单元100中，首先，将由麦克风单元60转换为电信号的噪声信号在麦克风放大器20中放大到预定电平。接着，滤波器电路11在预定的截止频率中抽取噪声信号所包含的预定频率区域的信号。接着，在反相放大电路12中，将上述抽取出的噪声信号反相，如上所述，用放大率M放大后输出。接着，在加法电路13中，将从麦克风放大器20输出的噪声信号与反相放大电路12的输出信号相加后输出。该加法电路13的输出信号成为抵消信号，所以用放大器30将其放大，经由耳机放大器40从扬声器单元50输出，消除周围噪声。
接着，使用图6说明本发明的消噪系统具有的耳机单元的另一个结构例。在图6中，NC单元100a具有结构与已说明的NC单元100所具备的反相滤波器电路10不同的反相滤波器电路10a。因此，说明该反相滤波器电路10a。反相滤波器电路10a包括抽取从麦克风放大器20输出的噪声信号所包含的预定频带并输出的滤波器电路11、将滤波器电路11的输出信号放大N倍后输出的放大电路14以及从麦克风放大器20输出的噪声信号中减去放大电路14的输出信号后输出抵消信号的减法电路15。
在已说明的消噪系统的实施方式中，反相滤波器电路10是将滤波器电路11的输出信号反相放大后与原信号(麦克风放大器20的输出信号)相加而得到抵消信号。与之相对，图6所示的实施方式的反相滤波器电路10a是将滤波器电路11的输出信号不反相而放大，并从原信号(麦克风放大器20的输出信号)中将其减去而得到抵消信号。相位位移的特性和增益特性与上述实施方式中的反相滤波器电路10的特性相同。即，通过具有反相滤波器电路10a，能够得到本发明的消噪系统。
另外，在消噪方法的实施方式中也一样，在减法电路15中，从麦克风放大器20的输出信号中减去将滤波器电路11的输出信号不反相而用预定放大率M放大的放大电路14的输出信号后输出的信号成为抵消信号，所以经由放大器30、耳机放大器40从扬声器单元50将其输出，从而能够消除周围噪声。
如上述那样，通过具有反相滤波器10或者反相滤波器10a，能够生成具有在低频率相位滞后、在高频率相位超前的相位特性的抵消信号。使反相滤波器10或者10a成为哪种滤波器电路特性取决于滤波器电路11的选择。即，如果滤波器电路11为低通滤波器，则反相滤波器10和10a作为高通滤波器而工作。另外，如果反相滤波器10及10a作为带通滤波器而工作时，滤波器电路11使用陷波滤波器即可，作为陷波滤波器而工作时，滤波器电路11使用带通滤波器即可。
工业上的可利用性
本发明的消噪系统除了如上述那样能够用于消噪耳机之外，还能够用于消噪扬声器等。

Claims (6)

1.一种消噪系统，包括：
将周围噪声集音并输出噪声信号的麦克风单元；
使用上述噪声信号来生成用于消除耳朵听得见的噪声的抵消信号并将其输出的抵消信号生成装置；以及
输出音频信号和上述抵消信号的扬声器单元，
上述消噪系统的特征在于，
上述抵消信号生成装置包括：
输出上述噪声信号所包含的预定的频率区域的信号的滤波器电路；
将上述滤波器电路的输出信号反相来进行放大的放大率大于0且小于1的反相放大电路；以及
输出将上述反相放大电路的输出信号与上述噪声信号相加后的抵消信号的加法电路，
上述噪声信号的频率区域的、比上述滤波器电路的截止频率低的频率区域中，生成相对于上述噪声信号相对地相位滞后的抵消信号并将其输出，
上述噪声信号的频率区域的、比上述滤波器电路的截止频率高的频率区域中，生成相对于上述噪声信号相对地相位超前的抵消信号并将其输出。
2.一种消噪系统，包括：
将周围噪声集音并输出噪声信号的麦克风单元；
使用上述噪声信号来生成用于消除耳朵听得见的噪声的抵消信号并将其输出的抵消信号生成装置；以及
输出音频信号和上述抵消信号的扬声器单元，
上述消噪系统的特征在于，
上述抵消信号生成装置包括：
输出上述噪声信号所包含的预定的频率区域的信号的滤波器电路；
将上述滤波器电路的输出信号放大的放大率大于0且小于1的放大电路；以及
输出从上述噪声信号中减去上述放大电路的输出信号后的抵消信号的减法电路，
上述噪声信号的频率区域的、比上述滤波器电路的截止频率低的频率区域中，生成相对于上述噪声信号相对地相位滞后的抵消信号并将其输出，
上述噪声信号的频率区域的、比上述滤波器电路的截止频率高的频率区域中，生成相对于上述噪声信号相对地相位超前的抵消信号并将其输出。
3.根据权利要求1或2所述的消噪系统，其特征在于，
上述滤波器电路是低通滤波器。
4.根据权利要求1或2所述的消噪系统，其特征在于，
上述滤波器电路是高通滤波器。
5.根据权利要求1或2所述的消噪系统，其特征在于，
上述滤波器电路是带通滤波器。
6.根据权利要求1或2所述的消噪系统，其特征在于，
上述滤波器电路是陷波滤波器。
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