JP2006115509A - 音響システムにおけるフィードバック低減方法及び信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音響システムのフィードバックの低減を改善する。
【解決手段】入力信号ＥＳ中のフィードバック信号ＲＳを検出し、検出されたフィードバック信号ＲＳに関係して入力信号ＥＳを処理し出力信号ＡＳを発生させ、出力信号ＡＳを変調ＭＯしてフィードバック信号ＲＳを相応に変調し、その変調に基づいてフィードバック信号ＲＳの検出を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、音響システムにおいて、入力信号中の帰還信号を検出し、検出された帰還信号に関係して入力信号を処理し出力信号を形成するようにすることによって帰還を減ずるための方法に関する。さらに本発明は、音響システムに対する対応した信号処理装置に関する。音響システムとしては、例えば、移動無線機器、ヘッドホン、ホール音響設備及び特に補聴器又は中耳移植組織が挙げられる。

音響に関する帰還（以下フィードバックという）は、補聴器において、特に高い増幅度の機器がかかわる場合にしばしば生じる。このフィードバックは特定の周波数の強い振動において現われ、笛のようなうなりとして耳に聞こえ得る。この「笛のようなうなり」は通例補聴器装着者自身に対してのみならず、装着者近くの周囲の人々に対しても非常に不快である。フィードバックは例えば、補聴器マイクロホンを介して拾い上げられた音響が信号増幅器を介して増幅され、受話器を介して出力され、再びマイクロホンに達し、新たに増幅される場合に発生し得る。

フィードバック低減のための最も簡単な手がかりは、補聴器増幅度の低減であるが、その結果ループ増幅度は不利な状況でも臨界的な限界値の下にとどまる。しかしながらその決定的な欠点は、この制限によってかなり強い難聴の場合に必要な増幅がもはや得られないことである。他の手がかりは、補聴器を合わせる間のループ増幅度の測定をあらかじめ組み入れ、いわゆるノッチ・フィルタ（狭帯域の阻止フィルタ）を用いて増幅度を目標の臨界的な範囲に低減することである。しかしながらループ増幅度は上述のように日常生活において絶えず変化し得るものであるから、効果は同様に限定される。

フードバックの動的低減のために、適応性のアルゴリズムのシリーズが提案されており、そのアルゴリズムは自動的にそれぞれのフィードバック状況に合わせられ、対応した措置を生じさせる。これらの方法は、大まかに２つのクラスに分けることができる。

第１のクラスはいわゆる補償アルゴリズムを含み、このアルゴリズムは、適応性フィルタを用いることによってマイクロホン信号中のフィードバック成分を評価し減算によって消去するもので、従って補聴器増幅度を損なわない。もちろんこの補償方法は、相関関係のない、即ち理想的な様式で白紙の、入力信号を前提としている。常に高い時間的な相関関係を有する調性の入力信号は、フィードバック路の誤りのある評価に導き、そのことは、調性の入力信号そのものがあやまって減算されることに至る可能性がある。

第２のクラスは、フィードバックうなりが存在するとき初めて能動化されるアルゴリズムを含む。このアルゴリズムは、一般に、フィードバックうなりを検出するためマイクロホン信号をフィードバック振動に関して監視する機構を含む。フィードバック型の振動が検出されると、補聴器増幅度は適当な場所で、ループ増幅度が臨界的限度以下に下がるように減ぜられる。増幅度低減は、例えば周波数チャネルを下げることによって又は適切な狭帯域の阻止フィルタ（ノッチ・フィルタ）を能動化することによって行うことができる。振動検出器は原則的に調性の入力信号とフィードバックうなりとを区別することができないという不都合がある。結果は、調性の入力信号はフィードバック振動に対し保持され、それから許容できないように低減機構（例えばノッチ・フィルタ）によりレベルが下げられる。

要約すれば、すべての適応性フィードバック低減法の機能様式は、優勢な正弦波信号により明確に示される調性の性質を有する入力信号（例えばトライアングル音、警報信号）によって損なわれることが確認されている。このことはしばしば、入力信号の受け入れがたい音響悪化に導く。ここに本発明が生まれたものである。

補償アルゴリズムにおいては、しばしば、言語信号特有の長さを持った調性の信号部分が著しく作用されるようなことを防止するため、関連せずに作用する遅延要素が信号処理回路中に挿入される。もちろん、反響効果及び非同期化の視覚的及び聴覚的情報による刺激状態に基づいてミリ秒範囲の遅延のみが許容される。それ故、しばしばあきらかに長い時間相関関連のある音楽信号の低減は避けることができない。

他の対策は、フィルタの適応を遅くし、すべての関連する調性の環境信号が作用されないようにすることにある。もちろんこのことは、補償フィルタがフィードバック路の急速な変化にもはや急速に十分に従い得ず、その結果ある時間に対しフィードバックうなりが生じ、フィードバック路が安定化し、フィルタが再び十分正確に適応されるとき初めてそのうなりが再び消滅するという結果に至る。

結果として生じる増幅度の低下が限られた限度内でのみ行われ、その結果例えばフィードバック信号に対し誤って保持された調性の情報信号（例えば警報信号）がなお聞き取り得る状態にとどまることによって、振動検出器の誤検出のマイナスの結果に遭遇する。このことはもちろん、フィードバックの場合に臨界的限界を下回るためには増幅度低下が十分でなく、従ってフィードバックうなりが排除されないという危険を含んでいる。

補償フィルタのインクリメント制御は知られており、その際フィードバック検出器が帯域幅検出の原理に従って作動する。フィードバックうなりに対し抵抗力のない周波数帯域において帯域幅検出器により補聴器の入力信号の狭帯域幅が識別されると、フィードバックうなりが存在することから出発される。しかしながら、自然の、狭帯域の信号で、例えば音楽のようなこの周波数帯域中のスペクトル成分を持った信号の識別は不可能である。さらに、フィードバックうなりは、識別され得るためには支配的な信号成分を表さなければならない（例えば特許文献１参照）。

さらに、フィードバックを検出するための振動検出器が知られている。この検出器においても、フィードバックうなりは、識別され得るためには極めて明確に示されていなければならない（例えば特許文献２参照）。

補聴器入力信号の周波数評価の変化の評価によってフィードバックうなりを検出することが知られている。この方法も上述の欠点を持っている（例えば特許文献３参照）。

さらに、個々の周波数帯域を選択的に減衰させることが提案されている。そこでは、フィードバックうなりが存在する周波数帯域が、挿入された減衰要素によって情報信号で予期されるより強い減衰を受ける。前方信号路への介入は、補聴器装着者に対して場合によっては聞き取り得るものであり、さらにおそらくは遅い検出が行われることになる。何故なら、帯域は理想的には順次調べられるからである（例えば特許文献４参照）。

音響システムにおいてフィードバックを低減するための他の方法が知られている。その方法においては、入力信号のスペクトルが評価され、精神的音響モデルに基づいて制御信号が発生される。この制御信号はノイズ源の操作に用いられ、そのノイズ源によって、聞き取り得ないノイズ信号がこのノイズ信号に関係して発生せしめられ得る。さらにその方法では、出力信号に、あらかじめ与えられた継続時間の短いノイズ信号を明確に示す可能性が開示される。入力信号中のノイズ信号に基づいてフィードバック信号が減ぜられる（例えば特許文献５参照）。
国際公開第2001/06746-A2号パンフレット 欧州特許出願公開第1052881-A2号公報 国際公開第2001/95578-A2号パンフレット 独国特許第19904538-C1号明細書 米国特許第6347148 B1号明細書

従って本発明の課題は、補聴器のフィードバックの低減をさらに改善することにある。

本発明によればこの課題は、音響システムにおけるフィードバックを低減するための方法において、入力信号中のフィードバック信号を検出すること、検出されたフィードバック信号に関係して入力信号を処理し出力信号を発生させ、出力信号を変調し、その結果フィードバック信号が相応に変調され、その際変調に基づいてフィードバック信号の検出が行われる。

さらに本発明によれば、フィードバック信号を考慮して入力信号から出力信号を発生させるための処理装置と、フィードバックの際に相応して変調されたフィードバック信号が生じるように出力信号を変調するための変調装置と、変調されたフィードバック信号をその変調に基づいて検出するための検出装置とを有する音響システムのための信号処理装置が備えられる。

根底にある考えは、音響システム及び特に補聴器の出力信号に補聴器装着者に対し知覚可能でない特徴を明確に示すことである。このことは、入力信号の相応する分析によって、入力信号でフィードバックが問題であるか、又は「正常な」外部の入力信号（情報信号）が問題であるかを決定することを可能にする。入力信号中に特徴を明確に示すことの決定は、加えてフィードバックと情報信号との相応する成分比の帰納推理を可能にする。このことは、フィードバック低減アルゴリズムの制御のために直接使用され得る。

有利なやり方においては、従って、マイクロホンないし補聴器マイクロホンにフィードバックがどの程度存在するかを、作動中持続的に、また絶対的に目立たずないし聞き取れずに決定することができ、それにより既知のフィードバック低減アルゴリズムの制御および機能を明白に改善することができる。

好ましくは、入力信号の処理は、適応可能なフィルタで、その適応速度及び作用の強さ又はそのいずれか一方が検出されたフィードバック信号の量に依存して行われる。特に、適応速度が検出されたフィードバック信号の量に比例して上昇すると有利である。その場合入力信号の特徴分析が例えば負である、即ちフィードバック信号を含まない場合には、上述の補償フィルタの適応速度は遅くされ、フィルタは調性の入力信号によって位置調節されず、この入力信号は作用されない。これに対し、入力信号中の特徴が検出されると、フィードバック補償器の作用の強さ及び速度又はそのいずれか一方は、フィードバックが最適に抑制される値に置かれる。

フィードバック信号を検出する場合には、少なくとも１つのノッチ・フィルタが入力信号の処理のために能動化される。

出力信号の変調は、振幅変調ないし信号間隙の変調によって行うことができる。変調の知覚可能性は、約６Hzの周波数以上では極めて著しく減少する。変調周波数及び信号レベルに関係する変調度の対応する知覚しきいは精神音響学から知られている。

しかし出力信号は例えば振幅を０に下げること、及び従って信号間隙を挿入することによっても変調させることができる。このような信号間隙は、約５msより下の中間レベルにおいてはもはや知覚不可能である。

位相変調による出力信号の変調も特に有利である。この方法も狭帯域における誤検出に関して特に無抵抗性を示すことはない。

一般的に、聞き取ることができず、また入力において再び検出され得るすべての種類の信号変調が対象になる。各解決法の変型において、フィードバック状況は、混合信号中のフィードバックうなりの支配的な明確に示されるようになる前に既に識別可能である。

フィードバックの検出は、別々に複数の部分帯域において実施可能である。それによって、増幅度、またフィードバックの低減も、個々の部分帯域において個々に調節され得る。

信号処理装置における閉じられたループは、信号変調に引き入れることができる。その際変調された信号はループを複数回通り抜け、その結果相応する信号変更が生じる。

以下本発明を図面について説明する。

以下詳細に説明する実施例は本発明の好ましい実施形態である。なお、本発明をよりよく理解するため、まず図１により従来技術について説明する。

図１は補聴器ＨＧを示し、その入力部はマイクロホンＭを形成する。録音された信号は入力信号ＥＳとして処理ユニットＶへ転送される。そこで入力信号は処理され、場合によっては増幅される。その結果生じた出力信号ＡＳは受話器Ｈに与えられる。フィードバック路ＲＰを介して受話器Ｈの出力信号はマイクロホンＭに帰還される。開放型給電の場合にはまず第一に音響式フィードバック路が存在する。しかし一般的には電磁式、電気式、磁気式及びその他のフィードバックも可能である。フィードバック路から結果として生じるフィードバック信号ＲＳは、情報信号ＮＳと加算され、和信号がマイクロホンＭによって拾い上げられる。

マイクロホンＭから補聴器処理ユニットＶ、受話器Ｈ、フィードバック路ＲＰを経由してマイクロホンＭまで戻る信号路はループを形成する。ループ増幅度、即ち信号がこのループを通過するとき受ける増幅度が少なくとも１つの周波数において少なくとも1.0の値を持ち、位相条件が満たされると、フィードバックうなりが発生する。ループ増幅度がこの限界値の下すれすれのところにある場合にも、聞き取れるフィードバック効果、例えば音響変化が発生する。

フィードバック効果を抑制するための効果的な方法は、フィードバック路ＲＰのディジタル式模擬にある。このフィードバック路は適応性フィルタＡＦによって模擬され、フィルタには処理ユニットＶの出力信号が供給される。補償を行う適応性フィルタＡＦに由来する対応する補償信号ＫＳは、マイクロホンＭの入力信号ＥＳから減算され、その結果生じる差信号が処理ユニットＶに導かれる。

従って２つの路、１つは外部フィードバック路ＲＰ、他は適応性フィルタＡＦを介して模擬されるディジタル補償路が存在する。その結果として生じる両路の信号は、図１において両加算ユニットにより示されているように、機器の入力において互いに差し引かれる。理想的な場合、外部フィードバック路ＲＰの作用はこれによって相殺される。

フィードバック路を決定するための適応性アルゴリズムにおける重要な構成要素は、そのインクリメント制御である。このインクリメント制御は、どのような速度で適応性補償フィルタが外部フィードバック路ＲＰに適合するかを示す。固定的に調整されたインクリメントに対する合理的な妥協は存在しないから、このインクリメントはシステムが存在するそのときどきの状況に適合されなければならない。

原則的に、適応性補償フィルタＡＦの外部フィードバック路ＲＰへの急速な適応に対する大きなインクリメントを得るべく努力される。しかしながら、大きなインクリメントにおいては、知覚され得る信号アーチファクトの発生という不都合がある。

フィードバック状況が存在しない場合に対しては、インクリメントはごくわずかであるべきである。その際フィードバック状況とは、ループ増幅度が１の下すれすれ、ないし１より大きいか１に等しく、位相条件が少なくとも周波数において満たされているような状況をいう。それに対してフィードバック状況が発生すると、インクリメントは大きいか、ないしは大きくなることになる。それによって、適応性補償フィルタＡＦがその特性においてフィードバック路ＲＰの特性と取り立てていうほどに異なるとき、即ち再適応の必要が存在する場合にのみアルゴリズムが適応性の補償フィルタＡＦに適合することが保証される。このためにフィードバック検出器が備えられる。

フィードバックを確実に検出し得るようにするため、本発明によれば、変調装置ＭＯが設けられ、この変調装置は図２に従って処理ユニットＶと受話器Ｈとの間に接続されている。変調装置は出力信号ＡＳを変調された出力信号ＡＳ´に変調する。出力信号ＡＳの変調は知覚され得ない。フィードバック状況においては、受話器Ｈから送出された音響信号の取り立てていうほどの成分がマイクロホンＭに戻され、周囲領域の信号と共に機器に拾い上げられる。

図２においては、フィードバック路ＲＰは要するに任意に形成されていてよいことが示唆されている。即ち、図１に示されているような、音響的情報信号ＮＳとマイクロホンＭの前で加えられる音響的フィードバック信号ＲＳは存在する必要はない。むしろ、マイクロホンＭへのフィードバックは例えば固体を通しての音響又は電磁的結合を介しても行うことができる。マイクロホンＭの入力信号ＥＳはフィードバック検出器ＲＤを介して解析される。それによってフィードバックされた信号ＲＳはその変調に基づいて検出され得る。検出器の後に接続された制御部Ｓは、フィードバック検出器ＲＤの検出結果に相応して適応性補償フィルタＡＦを操作する。それによって、例えば適応性フィルタＡＦの適応速度が変えられる。

図３の実施例は、ほぼ図２の実施例に相応する。この実施例ではフィードバック路は図１の例のように純粋に音響的性質であり、その結果フィードバック信号は情報信号とマイクロホンＭの前で加算される。

図２の回路との他の相違点は、フィードバック検出器ＲＤに対する信号がマイクロホンＭのすぐ後ではなく、適応性フィルタＡＦの補償信号の減算の後の点Ａで取り出されることにある。点Ａにおける信号変調の明確に示される強さは、フィードバック路ＲＰの作用と適応性補償フィルタＡＦの作用との差の模擬である。しかしながら、分析すべき信号がマイクロホンＭのすぐ後で取り出される図２による実施形態との本質的な相違はない。

さらに図３には、フィードバック検出器ＲＤにインクリメント制御部を組み込むことができ、その結果分離した制御ブロックでなくてもよいことが示唆されている。図３の実施例のその他の構成要素は図２の実施例のそれに相応している。従ってこれに関しては図２の説明が参照される。

図３に従う実施例においては、出力信号ＡＳの位相が変調される。何故なら、人間の聴覚は位相変化に対しては十分に感じにくいからである。具体的な例においては、出力信号ＡＳの位相が特定の周波数（ここでは変調周波数f-modという）で、2つの位相値の間で直線的に正回転及び逆回転される。例えば位相値はα及びα＋π/２にあり、ここでαは任意の固定位相である。フィードバック状況においては、信号ループにおいて周波数f-modを有する検出可能なトレモロ成分が形成される。

トレモロ成分は周波数変調器を用いてフィードバック検出器ＲＤにおいて検出可能である。その際フィードバック検出器ＲＤを図４に示されるようにフィルタ・バンクで構成し、このフィルタ・バンクは例えば入力信号ＥＳを複数の帯域フィルタBP1、BP2、…、BPnで部分帯域に分解する。各帯域フィルタの後にはそれぞれ分析ユニットＡＥ及びしきい値スイッチＳＷが配置されている。各部分帯域に対する信号路の出力信号は自由選択でオア回路ＯＲに導かれる。各分析ユニットＡＥ及びしきい値スイッチＳＷは互いに同じ構成であってよい。それによって分析はこの例では各部分帯域路において同じように行われる。分析結果がある帯域である定まったしきいを越えると、所属のしきい値スイッチＳＷが応動する、即ちこの帯域に対しフィードバック状況が識別される。

この情報は、部分帯域に適応する適応性補償フィルタＡＦに対しインクリメント制御のために利用される。これに対し、適応性フィルタＡＦが全帯域において使用される場合には、部分帯域検出の結果は、論理オア結合を用いて全帯域検出メッセージにまとめられなければならない。全帯域が統一的に分析される特殊な場合にも（この場合はｎ＝１）、よく機能するシステムに導く。もちろん、より大きいｎ（例えばn＝16）の場合の誤差検出度はよりわずかである。

適応性フィルタＡＦのインクリメント制御は、図４に従ってフィードバックが存在するかしないかのみが検出される簡単なしきい値決定のほかに、微分的にも行われ得る。例えば点Ａにおける信号変調の評価された強さの比例換算によってインクリメントを算出確定することができる。このことはまた部分帯域評価を介しても同様に行うことができる。識別された信号変調が大きければ大きいほど、再適応の必要は高い、即ち必要なインクリメントは高く選択されなければならない。インクリメントは従って連続的に信号変調に適合され得る。これに反し純粋のしきい値決定の場合には、インクリメントはある固定的にあらかじめ与えられた時間又はフィードバックが検出される時間枠に対し高く設定される。そうでなければこのインクリメントは小さい値をとる。

他の実施形態に相応して、位相は正弦波的に変調されるのではなく、一般に特定のプロフィルに従って変えられる、例えば直線的にある方向へ（前へ又は後へ）回転される。フィードバック状況においては、この例に対しては閉じられた信号ループにおいてチャープの特徴が明確に示される。その場合にはフィードバック状況を検出するためにチャープ検出器が組み込まれればよい。

従来技術による補聴器システムの構成配置図である。 本発明の第１の実施例による補聴器システムの構成配置図である。 本発明の第２の実施例による補聴器システムの構成配置図である。 本発明で使用されるフィルタ・バンクを有するフィードバック検出器の一例の構成配置図である。

符号の説明

ＡＥ 分析ユニット
ＡＦ 適応性フィルタ
ＡＳ、ＡＳ´ 出力信号
ＢＰ１、ＢＰ２、ＢＰｎ 帯域フィルタ
ＥＳ 入力信号
Ｈ 受話器
ＨＧ 補聴器
ＫＳ 補償信号
Ｍ マイクロホン
ＭＯ 変調装置
ＮＳ 情報信号
ＯＲ オア回路
ＲＤ フィードバック検出器
ＲＰ フィードバック路
ＲＳ フィードバック信号
ＳＷ しきい値スイッチ
Ｖ 処理ユニット

Claims (17)

1. 入力信号（ＥＳ）中のフィードバック信号（ＲＳ）を検出し、検出されたフィードバック信号（ＲＳ）に関係して入力信号（ＥＳ）を処理し出力信号（ＡＳ）を発生させる音響システムにおけるフィードバック低減のための方法において、出力信号（ＡＳ）を変調（ＭＯ）してフィードバック信号（ＲＳ）を相応に変調し、その変調に基づいてフィードバック信号（ＲＳ）の検出を行うことを特徴とする音響システムにおけるフィードバック低減方法。
2. 入力信号（ＥＳ）の処理が適応可能なフィルタ（ＡＦ）によって行われ、その適応速度及び作用の強さ又はそのいずれか一方が検出されたフィードバック信号（ＲＳ）の量に依存することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 適応速度及び作用の強さ又はそのいずれか一方が検出されたフィードバック信号（ＲＳ）の量に比例して上昇することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. フィードバック信号が検出された場合に少なくとも１つのノッチ・フィルタが入力信号（ＥＳ）の処理のために能動化されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 変調（ＭＯ）が振幅変調によって行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
6. 変調（ＭＯ）が振幅の零への低下及び従って信号間隙の挿入によって行われることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 変調（ＭＯ）が位相変調によって行われることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
8. 検出が複数の部分帯域において別々に実施されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
9. 適応性フィルタ（ＡＦ）が部分帯域において個々に適応されることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. フィードバック信号（ＲＳ）を考慮して入力信号（ＥＳ）から出力信号（ＡＳ）を発生させるための処理装置（Ｖ、ＡＦ）を有する音響システム（ＨＧ）のための信号処理装置において、フィードバックの際に対応して変調されたフィードバック信号（ＲＳ）を生じるように出力信号（ＡＳ）を変調（ＭＯ）するための変調装置と、変調されたフィードバック信号（ＲＳ）をその変調に基づいて検出するための検出装置（ＲＤ）とを有することを特徴とする音響システムのための信号処理装置。
11. 処理装置（Ｖ、ＡＦ）が適応可能なフィルタ（ＡＦ）を有し、フィルタの適応速度及び作用の強さ又はそのいずれか一方がフィードバック信号（ＲＳ）の量に依存することを特徴とする請求項１０記載の信号処理装置。
12. フィルタの適応速度及び作用の強さ又はそのいずれか一方がフィードバック信号（ＲＳ）の量に比例して上昇することを特徴とする請求項１１記載の信号処理装置。
13. 処理装置により、少なくとも１つのノッチ・フィルタがフィードバック信号の検出された場合に能動化され得ることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１つに記載の信号処理装置。
14. 出力信号（ＡＳ）が変調装置（ＭＯ）によって、振幅変調又は位相変調により変調可能であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１つに記載の信号処理装置。
15. 出力信号が変調装置（ＭＯ）によって、振幅の零への低減及び従って信号間隙の挿入により変調可能であることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１つに記載の信号処理装置。
16. 複数の部分帯域に対しそれぞれ検出装置（ＲＤ）を有することを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１つに記載の信号処理装置。
17. 閉じられたループが信号変更を明確に示すために利用されることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１つに記載の信号処理装置。

Images