CN110870003A - 信号处理装置、噪声消除系统、信号处理方法和程序 - Google Patents

信号处理装置、噪声消除系统、信号处理方法和程序 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提供一种信号处理装置、噪声消除系统、信号处理方法和程序，其全部被配置或设计为主动地降低噪声并减少由未被消除的残余噪声分量对用户造成的不愉快感。根据本发明，附加声音生成单元(138)将控制点(Q1)处的噪声(Vn)的频率检测为噪声频率，并且生成包括具有与噪声频率不同的附加频率的信号分量的附加声音信号(Yb(n))。消除信号生成部(141)生成消除控制点(Q1)处的噪声(Vn)的消除信号(Ya(n))。发出单元(142)将通过将附加声音信号(Yb(n))与消除信号(Ya(n))相加所生成的控制声音信号(Yc(n))输出至扬声器(112)，并且使扬声器(112)发出控制声音(Vc)。

Description

信号处理装置、噪声消除系统、信号处理方法和程序
技术领域
本发明通常涉及信号处理装置、噪声消除系统、信号处理方法和程序。
背景技术
在现有技术中，作为用于在从噪声源产生的噪声传播的目标空间中降低噪声的系统，已知有使用主动噪声控制技术的主动噪声控制系统。如本文所使用的，“主动噪声控制”是通过发出相对于噪声具有相反相位和相同振幅的消除声音(canceling sound)来主动地降低噪声的技术。
例如，根据专利文献1，将从基本声源以预定频率发出的基波乘以自适应滤波器系数，以获得产生噪声消除声音所基于的信号。另外，为了提高跟随周期性噪声的峰值频率的变化的能力，在噪声消除声音的相位变化的大小大于预定阈值的情况下，使从基本声源发出的基波的频率增加或减少到预定程度。
然而，由于干扰噪声、算术误差和一些环境条件(诸如目标空间的温度、湿度、压力或任何其它参数等)的变化的影响，因而难以产生将完全消除噪声的噪声消除声音。结果，噪声中的未被噪声消除声音消除的残余分量对于用户而言仍可作为残余噪声分量听到，由此使他或她感到不愉快。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-308809
发明内容
因此，有鉴于上述背景，本发明的目的是提供一种信号处理装置、噪声消除系统、信号处理方法和程序，其全部被配置或设计为主动地降低噪声并减少由未被消除的残余噪声分量对用户造成的不愉快感。
根据本发明的一种信号处理装置，包括附加声音生成单元、消除声音生成单元和发出单元。附加声音生成单元将从噪声源产生的噪声的频率检测为噪声频率，并且生成包括具有与所述噪声频率不同的附加频率的信号分量的附加声音信号。消除信号生成单元生成消除信号，所述消除信号用于消除在所述噪声和从声音发出器发出的控制声音到达的控制点处的所述噪声。发出单元将通过所述附加声音信号与所述消除信号相加所生成的控制声音信号输出至所述声音发出器，并且使所述声音发出器发出所述控制声音。
根据本发明的一种噪声消除系统，包括：上述的信号处理装置；声音收集器，其被配置为将在所述控制点处拾取的声音转换成拾取信号，并且将所述拾取信号输出至所述信号处理装置；以及声音发出器，其被配置为接收所述控制声音信号并且发出所述控制声音。
根据本发明的一种信号处理方法包括：将从噪声源产生的噪声的频率检测为噪声频率，以生成包括具有与所述噪声频率不同的附加频率的信号分量的附加声音信号。所述信号处理方法还包括：生成消除信号，所述消除信号用于消除在所述噪声和从声音发出器发出的控制声音到达的控制点处的所述噪声。所述信号处理方法还包括：将通过所述附加声音信号与所述消除信号相加所生成的控制声音信号输出至所述声音发出器，以使所述声音发出器发出所述控制声音。
根据本发明的程序被设计为使计算机系统执行上述的信号处理方法。
附图说明
图1是示出根据典型实施例的噪声消除系统的结构的框图；
图2是示出该噪声消除系统的误差信号的示例性频率分布的曲线图；
图3是示出该噪声消除系统的附加声音信号的示例性频率分布的曲线图；
图4是示出该噪声消除系统中的控制点处的可听声音的频率分布的曲线图；
图5是示出该噪声消除系统中的附加声音信号的另一频率分布的曲线图；以及
图6是示出噪声消除系统所要进行的信号处理方法的流程图。
具体实施方式
本发明通常涉及信号处理装置、噪声消除系统、信号处理方法和程序，并且更特别地涉及全部被配置或设计为主动地降低噪声的信号处理装置、噪声消除系统、信号处理方法和程序。
现在将参考附图来说明本发明的典型实施例。
(实施例)
图1示出根据典型实施例的噪声消除系统1的结构。噪声消除系统1发出控制声音Vc，以消除在控制点Q1的附近从噪声源8产生的噪声Vn。噪声源8例如可以是马达、压缩机、螺旋桨式风扇或真空吸尘器，所有这些都产生周期性噪声。注意，这些仅仅是噪声源8的示例，该噪声源8还可以是任何其它类型的装置或者甚至是产生非周期性噪声的装置。另外，噪声消除系统1可以是与要成为噪声源8的装置分开地或一体地提供的。
噪声消除系统1包括声音收集-发出装置11和信号处理装置12。
声音收集-发出装置11包括(用作声音收集器的)麦克风111和(用作声音发出器的)扬声器112。扬声器112发出控制声音Vc。麦克风111位于控制点Q1处，并且拾取控制点Q1处的噪声Vn和控制声音Vc的合成声音，以输出模拟拾取信号。
信号处理装置12包括A/D转换器121、D/A转换器122、低通滤波器(LPF)123和124、以及噪声消除控制块125。
根据本实施例的信号处理装置12或者进行根据本实施例的信号处理方法的代理包括计算机系统。计算机系统可以包括处理器和存储器作为主要硬件组件。可以通过使处理器执行计算机系统的存储器中所存储的程序来进行根据本发明的信号处理装置12或者进行根据本发明的信号处理方法的代理的功能。该程序可以预先存储在计算机系统的存储器中。可替代地，该程序也可以通过电信线路下载，或者在已记录在诸如存储卡、光盘或硬盘驱动器(其对于计算机系统而言均是可读取的)等的一些非暂时性存储介质中之后分发。计算机系统的处理器可以由包括半导体集成电路(IC)或大规模集成电路(LSI)的单个或多个电子电路构成。这些电子电路可以一起集成在单个芯片上或者分布在多个芯片上，无论哪种情况均是合适的。这多个芯片可以不受限制地一起集成在单个装置中或者分布在多个装置中。
从麦克风111输出的模拟拾取信号由A/D转换器121进行A/D转换而成为数字拾取信号，然后该数字拾取信号从A/D转换器121经由LPF 123被输出至噪声消除控制块125。
然后，噪声消除控制块125输出数字控制声音信号Yc(n)，该数字控制声音信号Yc(n)传递通过LPF 124，然后由D/A转换器122进行D/A转换而成为模拟控制声音信号Yc。扬声器112接收到该模拟控制声音信号Yc，并且再现和发出控制声音Vc。
噪声消除控制块125生成消除信号Ya(n)，该消除信号Ya(n)消除从噪声源8产生的噪声Vn，以将在设置麦克风111的控制点Q1处收集到的噪声Vn(残余噪声)的声压级别减小到最低级别。另外，噪声消除控制块125还生成(后面要说明的)附加声音信号Yb(n)。然后，噪声消除控制块125通过向消除信号Ya(n)加上附加声音信号Yb(n)来输出控制声音信号Yc(n)。扬声器112在接收到控制声音信号Yc时，再现和发出控制声音Vc。控制声音Vc包括由消除信号Ya(n)表示的声音(以下称为“消除声音”)。使扬声器112发出包括消除声音的控制声音Vc降低了从噪声源8传输至控制点Q1的噪声Vn。
也就是说，信号处理装置12(具体为噪声消除控制块125)进行主动噪声控制，并且执行噪声消除程序，该噪声消除程序使信号处理装置12用作自适应滤波器，以跟随从噪声源8产生的噪声的任何变化或者噪声传播特性的任何变化。这种自适应滤波器的滤波器系数例如可以通过滤波X最小均方(LMS)顺序更新控制算法来更新。
接着，将详细说明信号处理装置12如何工作。
首先，将麦克风111设置在控制点Q1处以拾取控制点Q1处的声音。控制点Q1处的声音是通过在控制点Q1处将从噪声源8产生的噪声Vn和从扬声器112发出的控制声音Vc合成在一起所产生的合成声音。也就是说，麦克风111拾取控制点Q1处的合成声音，并且将表示所拾取的合成声音的拾取信号输出至信号处理装置12。A/D转换器121将该拾取信号按预定采样频率A/D转换成数字(离散)值，并且将A/D转换后的数字值输出至噪声消除控制块125。
噪声消除控制块125包括附加声音消除滤波器131、啸声(howl)消除滤波器132、减法器133和134、校正滤波器135、系数更新单元136、噪声控制滤波器137、附加声音生成单元138、以及加法器139。校正滤波器135、系数更新单元136和噪声控制滤波器137一起形成消除信号生成单元141。加法器139、D/A转换器122和LPF 124一起形成发出单元142。
附加声音消除滤波器131是有限脉冲响应(FIR)滤波器，其中对于该FIR滤波器，将模拟从扬声器112向麦克风111的声波的传输特性C的传输特性C_hat设置为其滤波器系数。然后，附加声音消除滤波器131对附加声音生成单元138所提供的附加声音信号Yb(n)以及传输特性C_hat进行卷积运算，并且将该卷积运算的结果输出至减法器133。
减法器133从LPF 123所提供的拾取信号中减去附加声音消除滤波器131的输出，并且输出表示如此计算出的剩余的信号。也就是说，控制声音Vc包括由附加声音信号Yb(n)表示的声音(附加声音)，因此将通过从表示麦克风111所拾取的声音的拾取信号中减去表示附加声音的潜行分量(sneak)而获得的信号作为误差信号E(n)从减法器133输出。这使得噪声消除控制块125能够通过从拾取信号中去除表示附加声音的潜行分量来生成误差信号E(n)。该误差信号E(n)被输入至减法器134、系数更新单元136和附加声音生成单元138。注意，n是A/D转换后的样本的编号。
啸声消除滤波器132是传输特性C_hat被设置为其滤波器系数的FIR滤波器。啸声消除滤波器132对噪声控制滤波器137所提供的消除信号Ya(n)以及传输特性C_hat进行卷积运算。然后，减法器134从误差信号E(n)中减去啸声消除滤波器132的输出，并且输出表示剩余的信号。也就是说，将通过从误差信号E(n)中减去消除声音的潜行分量所获得的信号作为噪声信号X(n)从减法器134输出。即使从扬声器112发出的消除声音潜入到麦克风111中，这也减少了产生啸声的机会。该噪声信号X(n)被输入至校正滤波器135和噪声控制滤波器137。
注意，误差信号E(n)和噪声信号X(n)这两者都包括表示控制点Q1处的残余噪声分量的信号。如本文所使用的，“残余噪声分量”是噪声Vn中的在控制点Q1处未被消除信号去除的分量。
噪声控制滤波器137是设置了第一滤波器系数W(n)的FIR型自适应滤波器。
校正滤波器135是传输特性C_hat被设置为第二滤波器系数的FIR滤波器。校正滤波器135对减法器134所提供的噪声信号X(n)以及传输特性C_hat(即，第二滤波器系数)进行卷积运算，并且将该运算的结果作为参考信号R(n)输出至系数更新单元136。
系数更新单元136通过在时域中使用被称为“滤波X LMS”的已知的顺次更新控制算法来更新噪声控制滤波器137的第一滤波器系数W(n)。通常，在通过滤波X LMS更新第一滤波器系数W(n)的处理中，更新第一滤波器系数W(n)以使误差信号E(n)最小化。也就是说，系数更新单元136接收到参考信号R(n)和误差信号E(n)，并且重复地计算第一滤波器系数W(n)。然后，系数更新单元136通过针对噪声控制滤波器137顺次设置使误差信号E(n)最小化的第一滤波器系数W(n)，来更新噪声控制滤波器137的第一滤波器系数W(n)。
具体地，通过以下的等式(1)给出计算第一滤波器系数W(n)的处理，其中μ是更新参数并且n是样本编号。注意，更新参数μ还被称为“步长参数”，其例如是定义在通过LMS算法重复地计算第一滤波器系数W(n)的处理中要对第一滤波器系数W(n)进行的校正的大小的参数。
[等式1]
W(n+1)＝W(n)–2μR(n)E(n)
噪声控制滤波器137对噪声信号X(n)和第一滤波器系数W(n)进行卷积运算，并且将该卷积运算的结果作为消除信号Ya(n)输出。消除信号Ya(n)是使扬声器112发出能够降低控制点Q1处的噪声Vn的消除声音的信号。
然后，加法器139向消除信号Ya(n)加上附加声音信号Yb(n)，并且将该总和作为控制声音信号Yc(n)输出。
接着，将说明附加声音信号Yb(n)和控制声音信号Yc(n)。
在已知的技术中，消除信号Ya(n)被D/A转换成模拟信号，然后该模拟信号被供给至扬声器，使得从扬声器发出消除声音。然而，噪声Vn的一些分量经常保持未被消除声音消除，并且作为使用户感觉不愉快的残余噪声分量而被他或她听到。因而，为了克服这种问题，根据本实施例，包括消除信号Ya(n)和附加声音信号Yb(n)的控制声音信号Yc(n)被D/A转换成模拟信号，然后该模拟信号被供给至扬声器112，使得从扬声器112发出包括消除声音和附加声音的控制声音Vc。
首先，附加声音生成单元138接收误差信号E(n)并且对该误差信号E(n)进行频率分析处理。执行频率分析处理，以通过快速傅立叶变换(FFT)将时域中的误差信号E(n)变换成频域中的信号，由此将误差信号E(n)的功率(谱)达到极大值的频率(以下称为“极大频率”)检测为噪声频率。注意，附加声音生成单元138不必基于误差信号E(n)来检测噪声频率，而是仅仅需要基于表示包括噪声的拾取声音的信号来检测噪声频率。
例如，附加声音生成单元138可以基于目标频率(即，要检测的频率)处的功率和落在目标频率周围的频率范围内的频率处的功率之间的比较结果，并且基于该功率的微分值，来检测极大频率。另外，附加声音生成单元138适当地将多个极大频率中的仅由周期性噪声引起的极大频率检测为噪声频率。例如，附加声音生成单元138将在一定量的时间内已连续检测到的极大频率确定为由周期性噪声引起的极大频率。因此，不将暂时产生的极大频率确定为噪声频率，而是仅将由周期性噪声引起的极大频率检测为噪声频率。
在这种情况下，由于误差信号E(n)是表示控制点Q1处的残余噪声分量的信号，因此噪声频率对应于控制点Q1处的残余噪声分量的频率。也就是说，在控制点Q1处，用户可听到具有噪声频率的声音。
因而，为了减少由残余噪声分量引起的不愉快感，附加声音生成单元138生成包括具有相对于噪声频率的共鸣度高的频率的信号分量的信号作为附加声音信号Yb(n)。如果相对于噪声频率的共鸣度高的这种频率被称为“附加频率”，则附加声音信号Yb(n)是包括具有该附加频率的信号分量的信号。附加频率与噪声频率的比(附加频率/噪声频率)例如可以是5/4、3/2或5/3。在这种情况下，通过将具有噪声频率的声音与具有附加频率的各个声音分量组合来形成所谓的“大六和弦”，由此产生使人听起来愉悦的声音。
图2示出误差信号E(n)的示例性频率分布。在图2中，横坐标轴是对数频率轴(即，具有对数标度的频率轴)，纵坐标轴是对数功率轴(即，具有对数标度的功率轴)，并且F0表示误差信号E(n)的频率分布。对数频率轴的单位是Hz，并且对数功率轴的单位是dB。在这种情况下，功率在频率f1、f2和f3处达到极大值，并且附加声音生成单元138检测到噪声频率f1、f2和f3。噪声频率f1、f2和f3下的功率分别为P1、P2和P3。噪声频率f1、f2和f3满足不等式f1<f2<f3，并且功率P1、P2和P3满足不等式P1>P2>P3。此外，在本实施例中，本实施例的信号处理装置12所处理的频率落在约20～2,000Hz的范围内。然而，该范围仅仅是示例，并且不应被解释为限制性的。可替代地，频率的范围可以比20～2,000Hz的范围宽。
图3示出附加声音信号Yb(n)的示例性频率分布。附加声音生成单元138将相对于各个噪声频率f1、f2和f3的共鸣度高的频率定义为各个附加频率。
具体地，附加声音生成单元138将相对于噪声频率f1的附加频率定义为频率f11、f12和f13。附加频率f11通过f1×5/4来计算。附加频率f12通过f1×3/2来计算。附加频率f13通过f1×5/3来计算。也就是说，具有与噪声频率f1相对应的附加频率f11、f12和f13的各个信号分量(其由图3所示的频率分布F1来表示)包括在附加声音信号Yb(n)中。
另外，附加声音生成单元138将相对于噪声频率f2的附加频率定义为频率f21、f22和f23。附加频率f21通过f2×5/4来计算。附加频率f22通过f2×3/2来计算。附加频率f23通过f2×5/3来计算。也就是说，具有与噪声频率f2相对应的附加频率f21、f22和f23的各个信号分量(其由图3所示的频率分布F2来表示)包括在附加声音信号Yb(n)中。
此外，附加声音生成单元138将相对于噪声频率f3的附加频率定义为频率f31、f32和f33。附加频率f31通过f3×5/4来计算。附加频率f32通过f3×3/2来计算。附加频率f33通过f3×5/3来计算。也就是说，具有与噪声频率f3相对应的附加频率f31、f32和f33的各个信号分量(其由图3所示的频率分布F3来表示)包括在附加声音信号Yb(n)中。
此外，附加声音生成单元138检测误差信号E(n)的噪声频率f1、f2和f3下的功率。另外，附加声音生成单元138基于噪声频率f1下的功率P1，来分别设置附加声音信号Yb(n)的附加频率f11、f12和f13下的各个信号分量的功率。同样，附加声音生成单元138还基于噪声频率f2下的功率P2，来分别设置附加声音信号Yb(n)的附加频率f21、f22和f23下的各个信号分量的功率。附加声音生成单元138进一步基于噪声频率f3下的功率P3，来分别设置附加声音信号Yb(n)的附加频率f31、f32和f33下的各个信号分量的功率。
具体地，附加声音生成单元138将附加声音信号Yb(n)的附加频率f11、f12和f13下的各个信号分量的功率调整为噪声频率f1下的功率P1。另外，附加声音生成单元138还将附加声音信号Yb(n)的附加频率f21、f22和f23下的各个信号分量的功率调整为噪声频率f2下的功率P2。此外，附加声音生成单元138进一步将附加声音信号Yb(n)的附加频率f31、f32和f33下的各个信号分量的功率调整为噪声频率f3下的功率P3。
也就是说，附加声音信号Yb(n)的附加频率f11、f12和f13下的各个信号分量的功率具有在相对于由对数轴表示的频率具有恒定斜率的虚拟直线L1上的值。另外，附加声音信号Yb(n)的附加频率f21、f22和f23下的各个信号分量的功率具有在相对于由对数轴表示的频率具有恒定斜率的虚拟直线L2上的值。此外，附加声音信号Yb(n)的附加频率f31、f32和f33的各个信号分量的功率具有在相对于由对数轴表示的频率具有恒定斜率的虚拟直线L3上的值。在图3所示的示例中，所有的线L1、L2和L3的斜率都为零，由此便于进行附加声音生成单元138的信号处理。
然后，附加声音生成单元138产生并输出附加声音信号Yb(n)，该附加声音信号Yb(n)包括具有附加频率f11、f12和f13的信号分量，具有附加频率f21、f22和f23的信号分量，以及具有附加频率f31、f32和f33的信号分量。
随后，加法器139将附加声音信号Yb(n)与消除信号Ya(n)相加，并且将该总和信号作为控制声音信号Yc(n)输出。控制声音信号Yc(n)传递通过LPF124，然后由D/A转换器122进行D/A转换而成为模拟控制声音信号Yc。扬声器112接收到该模拟控制声音信号Yc，并且再现和发出控制声音Vc。
因此，在控制点Q1处可听到的声音包括具有噪声频率f1、f2和f3的各个信号分量、以及具有附加频率f11、f12、f13、f21、f22、f23、f31、f32和f33的各个信号分量(参见图4)。
在这种情况下，将具有噪声频率f1的声音与具有附加频率f11、f12和f13(其各自相对于具有噪声频率f1的声音的共鸣度高)的各个声音组合，这减少了由噪声频率f1引起的不愉快感，由此使合成声音令用户听起来愉悦。同样，将具有噪声频率f2的声音与具有附加频率f21、f22和f23(其各自相对于具有噪声频率f2的声音的共鸣度高)的各个声音组合，这减少了由噪声频率f2引起的不愉快感，由此使合成声音令用户听起来愉悦。此外，将具有噪声频率f3的声音与具有附加频率f31、f32和f33(其各自相对于具有噪声频率f3的声音的共鸣度高)的各个声音组合，这减少了由噪声频率f3引起的不愉快感，由此使合成声音令用户听起来愉悦。这降低了由具有噪声频率f1、f2和f3的各个声音对用户造成的不愉快感。
此外，将各单个噪声频率f1(或f2或f3)与多个附加频率f11、f12和f13(或者f21、f22和f23、或者f31、f32和f33)组合。这使得能够将作为控制声音Vc发出的具有各个频率的声音的分量形成和弦，并因此令用户听起来愉悦。
另外，控制声音Vc包括由消除信号Ya(n)表示的声音(即，消除声音)。这使得控制声音Vc中所包括的消除声音能够主动地消除噪声Vn，由此降低控制点Q1处的噪声Vn。
注意，附加声音生成单元138不必使用5/4、3/2和5/3的全部、并且也可以使用5/4、3/2和5/3中的一个或两个来作为附加频率与噪声频率的比。在这种情况下，作为具有相对于噪声频率f1的共鸣度高的附加频率的信号分量，附加声音生成单元138生成具有从包括附加频率f11、f12和f13的组中选择的一个或两个频率的信号分量。另外，作为具有相对于噪声频率f2的共鸣度高的附加频率的信号分量，附加声音生成单元138生成具有从包括附加频率f21、f22和f23的组中选择的一个或两个频率的信号分量。此外，作为具有相对于噪声频率f3的共鸣度高的附加频率的信号分量，附加声音生成单元138生成具有从包括附加频率f31、f32和f33的组中选择的一个或两个频率的信号分量。
可选地，附加声音生成单元138也可以使用与噪声频率的比不等于5/4、3/2、5/3的频率作为附加频率。一般来说，如果附加频率与噪声频率的比是整数比(整数/整数)，则附加频率相对于噪声频率的共鸣度可被视为高。因此，只要至少附加频率与噪声频率的比是整数比，就可减少由具有噪声频率的声音对用户造成的不愉快感。
此外，根据和声学规则，例如，存在附加频率与噪声频率的各种组合。具体地，如果附加频率与噪声频率的比是3/2(纯五度)或4/3(纯四度)，则这样的音程被称为“和谐和弦”。另一方面，如果附加频率与噪声频率的比是5/4(大三度)、6/5(小三度)、5/3(大六度)或8/5(小六度)，则这样的音程被称为“非和谐和弦”。此外，如果附加频率与噪声频率的比既不满足和谐和弦也不满足非和谐和弦，则这样的音程被称为“不协和音程”。一般来说，如果附加频率与噪声频率的比满足和谐和弦或非和谐和弦，则共鸣度应被视为高。这就是适当地从和谐和弦音程和非和谐和弦音程中选择要与噪声频率组合的附加频率的原因。此外，尽管和弦由两个或更多个音调构成，但和弦不必是大六和弦，并且还可以是任何其它和弦。
然而，被视为共鸣度高的音程可以根据区域、种族背景、年龄或任何其它因素而变化，因此，可以基于区域、种族背景、年龄或任何其它因素来适当地设置附加频率与噪声频率的比。
另外，附加声音生成单元138适当地将附加声音信号Yb(n)中所包括的具有附加频率f11、f12和f13、附加频率f21、f22和f23以及附加频率f31、f32和f33的各个信号分量的波形定义为具有附加频率的正弦波形。这使得附加声音生成单元138能够更容易地产生具有附加频率的信号。
可选地，附加声音生成单元138可以将附加声音信号Yb(n)中所包括的具有附加频率的各个信号分量的波形定义为具有附加频率的正弦波形和具有附加频率的高阶谐波波形彼此叠加的波形。这使得能够发出包括附加频率的泛音的附加声音，由此进一步减少用户的不愉快感。
可选地，图3所示的线L1、L2和L3的各个斜率不必为零。例如，如图5所示，如果线L1的斜率为负，则具有附加频率f11的信号分量的功率大于具有附加频率f12的信号分量的功率，并且具有附加频率f12的信号分量的功率大于具有附加频率f13的信号分量的功率。同样，如果线L2的斜率为负，则具有附加频率f21的信号分量的功率大于具有附加频率f22的信号分量的功率，并且具有附加频率f22的信号分量的功率大于具有附加频率f23的信号分量的功率。此外，如果线L3的斜率为负，则具有附加频率f31的信号分量的功率大于具有附加频率f32的信号分量的功率，并且具有附加频率f32的信号分量的功率大于具有附加频率f33的信号分量的功率。
人类听觉系统例如具有如由等响曲线表示的、使人类的耳朵对低频声音不如对高频声音敏感的频率特性。在图5中，根据人类听觉系统的频率特性来校正具有附加频率的各信号分量的功率，由此在具有噪声频率的声音和具有附加频率的声音之间取得令人愉悦的平衡。这进一步减少了由具有噪声频率的声音对用户造成的不愉快感。
另外，例如，在随着噪声Vn的变化或噪声传播特性的变化的下降或者随着更新第一滤波器系数W(n)的处理的稳定化、由控制声音Vc中所包括的消除声音实现的噪声消除效果提高时，误差信号E(n)的噪声频率下的功率下降。在噪声频率下的功率下降得过多而使得附加声音生成单元138不能检测到噪声频率时，附加声音生成单元138停止进行生成具有与该噪声频率相对应的附加频率的信号分量的处理。然后，在附加声音生成单元138不再能够检测到任何噪声频率时，附加声音生成单元138停止进行生成附加声音信号Yb(n)的处理。
上述的信号处理装置12所进行的信号处理方法如图6的流程图所示。
首先，减法器133生成误差信号E(n)(步骤S1)。接着，附加声音生成单元138通过FFT将误差信号E(n)变换成频域中的信号(步骤S2)，由此检测出噪声频率(步骤S3)。随后，附加声音生成单元138生成具有相对于噪声频率的共鸣度高的附加频率的信号分量(诸如正弦波分量等)(步骤S4)，并且输出包括具有附加频率的信号分量的附加声音信号Yb(n)(步骤S5)。然后，消除信号生成单元141生成用以消除控制点Q1处的噪声Vn的消除信号Ya(n)(步骤S6)。之后，加法器139将附加声音信号Yb(n)与消除信号Ya(n)相加，并且将该总和信号作为控制声音信号Yc(n)输出(步骤S7)。数字控制声音信号Yc(n)由D/A转换器122转换成模拟控制声音信号Yc。最后，扬声器112接收该控制声音信号Yc，并且再现和发出控制声音Vc(步骤S8)。
根据典型实施例的第一方面的信号处理装置12包括附加声音生成单元138、消除信号生成单元141和发出单元142。附加声音生成单元138将从噪声源8产生的噪声Vn的频率检测为噪声频率f1、f2、f3，并且生成包括具有与噪声频率f1、f2、f3不同的附加频率f11、f12、f13、f21、f22、f23、f31、f32、f33的信号分量的附加声音信号Yb(n)。消除信号生成部141生成消除信号Ya(n)，该消除信号Ya(n)消除在噪声Vn和从扬声器112(声音发出器)发出的控制声音Vc到达的控制点Q1处的噪声Vn。发出单元142将通过附加声音信号Yb(n)与消除信号Ya(n)相加所生成的控制声音信号Yc(n)输出至扬声器112，并且使扬声器112发出控制声音Vc。
具体地，在控制点Q1处可听到的声音包括具有噪声频率f1、f2、f3和附加频率f11、f12、f13、f21、f22、f23、f31、f32、f33的信号分量。另外，将具有噪声频率f1的声音与具有共鸣度高的附加频率f11、f12、f13的各个声音组合。将具有噪声频率f2的声音与具有共鸣度高的附加频率f21、f22、f23的各个声音组合。将具有噪声频率f3的声音与具有共鸣度高的附加频率f31、f32、f33的各个声音组合。此外，控制声音Vc中所包括的消除声音降低了传输至控制点Q1的噪声Vn。这使得信号处理装置12能够主动地降低噪声Vn，并且减少由噪声Vn中的未被消除的残余分量(即，残余噪声分量)对用户造成的不愉快感。
在可以结合第一方面来实现的根据典型实施例的第二方面的信号处理装置12中，噪声频率f1、f2、f3适当地是控制点Q1处的噪声Vn的频率。
这使得信号处理装置12能够主动地降低噪声Vn，并且减少由噪声Vn中的未被消除的残余分量(即，残余噪声分量)对用户造成的不愉快感。
在可以结合第一方面或第二方面来实现的根据典型实施例的第三方面的信号处理装置12中，附加频率f11、f12、f13(或f21、f22、f23或f31、f32、f33)与噪声频率f1(或f2或f3)的比适当地是整数比。
这使得信号处理装置12能够减少由具有噪声频率的声音对用户造成的不愉快感。
在可以结合第三方面来实现的根据典型实施例的第四方面的信号处理装置12中，附加频率f11、f12、f13(或f21、f22、f23或f31、f32、f33)与噪声频率f1(或f2或f3)的比适当地是5/4、3/2和5/3至少之一。
具体地，信号处理装置12使用在与噪声频率组合时形成和弦的频率作为附加频率。这使得作为控制声音Vc发出的具有多个频率的声音能够形成和弦，从而令用户听起来更愉悦。
在可以结合第一方面至第三方面中任一方面来实现的根据典型实施例的第五方面的信号处理装置12中，附加声音生成单元138适当地生成包括具有与噪声频率f1(或f2或f3)相对应的多个附加频率f11、f12、f13(或f21、f22、f23或f31、f32、f33)的各个信号分量的附加声音信号Yb(n)。
具体地，信号处理装置12将多个附加频率f11、f12、f13(或f21、f22、f23或f31、f32、f33)与噪声频率f1(或f2或f3)组合。这使得作为控制声音Vc发出的具有多个频率的声音能够形成和弦，从而令用户听起来更愉悦。
在可以结合第五方面来实现的根据典型实施例的第六方面的信号处理装置12中，附加声音信号Yb(n)的多个附加频率f11、f12、f13(或f21、f22、f23或f31、f32、f33)下的各个功率适当地具有在相对于由对数轴表示的频率具有恒定斜率的虚拟直线L1(或L2或L3)上的值。
也就是说，这使得信号处理装置12能够根据人类听觉系统的频率特性来校正具有附加频率的信号分量的功率。
在可以结合第六方面来实现的根据典型实施例的第七方面的信号处理装置12中，斜率适当地等于零。
这使得信号处理装置12能够简化附加声音生成单元138所要进行的信号处理。
在可以结合第一方面至第七方面中任一方面来实现的根据典型实施例的第八方面的信号处理装置12中，具有附加频率f11、f12、f13、f21、f22、f23、f31、f32、f33的信号分量适当地具有正弦波形。
这使得信号处理装置12能够容易地生成具有附加频率的信号。
在可以结合第一方面至第八方面中任一方面来实现的根据典型实施例的第九方面的信号处理装置12中，附加声音生成单元138适当地将在控制点Q1处拾取的噪声Vn的功率达到极大值的频率检测为噪声频率f1、f2、f3。
这使得信号处理装置12能够容易地检测到噪声频率f1、f2、f3。
在可以结合第一方面至第九方面中任一方面来实现的根据典型实施例的第十方面的信号处理装置12中，附加声音生成单元138适当地将噪声Vn中的周期性噪声的频率检测为噪声频率f1、f2、f3。
因而，信号处理装置12在被安装于产生周期性噪声的噪声源8的周围时，能够减少由周期性噪声对用户造成的不愉快感。
可以结合第一方面至第十方面中任一方面来实现的根据典型实施例的第十一方面的信号处理装置12适当地还包括减法器133。减法器133通过从表示在控制点Q1处拾取的声音的信号中去除附加声音信号Yb(n)的信号分量来生成误差信号E(n)。然后，附加声音生成单元138基于误差信号E(n)来检测出噪声频率f1、f2、f3。
具体地，信号处理装置12能够通过从控制声音Vc中去除附加声音的潜行分量来生成误差信号E(n)。这使得信号处理装置12能够基于已去除了附加声音的有害影响的误差信号E(n)来检测噪声频率f1、f2、f3，由此提高噪声频率f1、f2、f3的检测精度。
在可以结合第一方面至第十一方面中任一方面来实现的根据典型实施例的第十二方面的信号处理装置12中，消除信号生成单元141适当地包括噪声控制滤波器137、校正滤波器135和系数更新单元136。针对噪声控制滤波器137设置第一滤波器系数W(n)。噪声控制滤波器137接收作为表示由麦克风111(声音收集器)在控制点Q1处拾取的噪声Vn的信号的噪声信号X(n)。然后，噪声控制滤波器137基于噪声信号X(n)和第一滤波器系数W(n)来进行算术处理，由此生成消除信号Ya(n)。针对校正滤波器135，将从扬声器112到麦克风111的声波传输特性C_hat设置为第二滤波器系数。校正滤波器135通过基于噪声信号X(n)和传输特性C_hat(第二滤波器系数)进行算术处理来生成参考信号R(n)。系数更新单元136基于参考信号R(n)来获得第一滤波器系数W(n)，并且更新噪声控制滤波器137的第一滤波器系数W(n)。
也就是说，噪声控制滤波器137是自适应滤波器，并且能够使消除信号Ya(n)跟随从噪声源8产生的噪声的任何变化或该噪声的噪声传播特性的任何变化。这使得信号处理装置12能够提高对噪声Vn的消除能力。
根据典型实施例的第十三方面的噪声消除系统1包括：根据第一方面至第十二方面中任一方面的信号处理装置12；麦克风111(声音收集器)；以及扬声器112(声音发出器)。麦克风111将在控制点Q1处拾取的声音转换成拾取信号，并且将该拾取信号输出至信号处理装置12。扬声器112接收控制声音信号Yc(n)并且发出控制声音Vc。
这使得噪声消除系统1能够与上述的信号处理装置12一样主动地降低噪声Vn，并且减少由噪声Vn中的未被消除的残余分量(即，残余噪声分量)对用户造成的不愉快感。
根据典型实施例的第十四方面的信号处理方法包括以下步骤：
步骤S1～S5：将从噪声源8产生的噪声Vn的频率检测为噪声频率f1、f2、f3，并且生成包括具有与噪声频率f1、f2、f3不同的附加频率f11、f12、f13、f21、f22、f23、f31、f32、f33的信号分量的附加声音信号Yb(n)。
步骤S6：生成消除信号Ya(n)，该消除信号Ya(n)消除在噪声Vn和从扬声器112(声音发出器)发出的控制声音Vc到达的控制点Q1处的噪声Vn。
步骤S7和S8：将通过附加声音信号Yb(n)与消除信号Ya(n)相加所生成的控制声音信号Yc(n)输出至扬声器112，以使扬声器112发出控制声音Vc。
这使得信号处理方法能够与上述的信号处理装置12一样主动地降低噪声Vn，并且减少由噪声Vn中的未被消除的残余分量(即，残余噪声分量)对用户造成的不愉快感。
根据典型实施例的第十五方面的程序被设计为使计算机系统执行根据第十四方面的信号处理方法。
这使得程序能够与上述的信号处理装置12一样主动地降低噪声Vn，并且减少由噪声Vn中的未被消除的残余分量(即，残余噪声分量)对用户造成的不愉快感。
注意，上述的实施例仅仅是本发明的示例，并且不应被解释为限制性的。相反，在未背离本发明的真实精神和范围的情况下，可以根据设计选择或任何其它因素来以各种方式容易地修改这些实施例。
附图标记说明
1 声音消除系统
11 声音收集-发出装置
12 信号处理装置
111 麦克风(声音收集器)
112 扬声器(声音发出器)
133 减法器
135 校正滤波器
136 系数更新单元
137 噪声控制滤波器
138 附加声音生成单元
141 消除信号生成单元
142 发出单元
8 噪声源
Vn 噪声
Vc 控制声音
Q1 控制点
f1,f2,f3 噪声频率
f11,f12,f13,f21,f22,f23,f31,f32,f33 附加频率
Ya(n) 消除信号
Yb(n) 附加声音信号
Yc(n) 控制声音信号
E(n) 误差信号
X(n) 噪声信号
R(n) 参考信号
W(n) 第一滤波器系数
C_hat 传输特性(第二滤波器系数)
L1,L2,L3 直线

Claims (15)

1.一种信号处理装置，包括：
附加声音生成单元，其被配置为将从噪声源产生的噪声的频率检测为噪声频率，并且生成包括具有与所述噪声频率不同的附加频率的信号分量的附加声音信号；
消除信号生成单元，其被配置为生成消除信号，所述消除信号用于消除在所述噪声和从声音发出器发出的控制声音到达的控制点处的所述噪声；以及
发出单元，其被配置为将通过所述附加声音信号与所述消除信号相加所生成的控制声音信号输出至所述声音发出器，并且使所述声音发出器发出所述控制声音。
2.根据权利要求1所述的信号处理装置，其中，
所述噪声频率是所述控制点处的所述噪声的频率。
3.根据权利要求1或2所述的信号处理装置，其中，
所述附加频率与所述噪声频率的比是整数比。
4.根据权利要求3所述的信号处理装置，其中，
所述附加频率与所述噪声频率的比是5/4、3/2和5/3至少之一。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的信号处理装置，其中，
所述附加声音生成单元被配置为生成包括具有与所述噪声频率相对应的多个所述附加频率的各个信号分量的所述附加声音信号。
6.根据权利要求5所述的信号处理装置，其中，
所述附加声音信号的所述多个附加频率下的各个功率具有在如下虚拟直线上的值，所述虚拟直线相对于由对数轴表示的频率具有恒定的斜率。
7.根据权利要求6所述的信号处理装置，其中，
所述斜率等于零。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的信号处理装置，其中，
具有所述附加频率的信号分量具有正弦波形。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的信号处理装置，其中，
所述附加声音生成单元被配置为将如下频率检测为所述噪声频率，其中在所述频率下，在所述控制点处拾取的所述噪声的功率达到极大值。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的信号处理装置，其中，
所述附加声音生成单元被配置为将所述噪声中的周期性噪声的频率检测为所述噪声频率。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的信号处理装置，还包括减法器，所述减法器被配置为通过从表示在所述控制点处拾取的声音的信号中去除所述附加声音信号的信号分量来生成误差信号，
其中，所述附加声音生成单元被配置为基于所述误差信号来检测出所述噪声频率。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的信号处理装置，其中，
所述消除信号生成单元包括：
噪声控制滤波器，针对所述噪声控制滤波器设置第一滤波器系数，并且所述噪声控制滤波器被配置为通过接收作为表示由声音收集器在所述控制点处拾取的所述噪声的信号的噪声信号以及通过基于所述噪声信号和所述第一滤波器系数进行算术处理，来生成所述消除信号；
校正滤波器，针对所述校正滤波器将从所述声音发出器向所述声音收集器的声波传输特性设置为第二滤波器系数，并且所述校正滤波器被配置为通过基于所述噪声信号和所述第二滤波器系数进行算术处理来生成参考信号；以及
系数更新单元，其被配置为基于所述参考信号来获得所述第一滤波器系数，并且更新所述噪声控制滤波器的所述第一滤波器系数。
13.一种噪声消除系统，包括：
根据权利要求1至12中任一项所述的信号处理装置；
声音收集器，其被配置为将在所述控制点处拾取的声音转换成拾取信号，并且将所述拾取信号输出至所述信号处理装置；以及
声音发出器，其被配置为接收所述控制声音信号并且发出所述控制声音。
14.一种信号处理方法，包括：
将从噪声源产生的噪声的频率检测为噪声频率，以生成包括具有与所述噪声频率不同的附加频率的信号分量的附加声音信号；
生成消除信号，所述消除信号用于消除在所述噪声和从声音发出器发出的控制声音到达的控制点处的所述噪声；以及
将通过所述附加声音信号与所述消除信号相加所生成的控制声音信号输出至所述声音发出器，以使所述声音发出器发出所述控制声音。
15.一种程序，其被设计为使计算机系统执行根据权利要求14所述的信号处理方法。
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