JP2008538420A - アクティブノイズ低減システムにおける二次経路を複製するための方法 - Google Patents

Abstract

アクティブノイズ低減システムにおいて二次経路を複製するための方法が記載されている。当該方法は伝送経路(８，９，１０，１１)と、適応制御可能なフィルタ（１３）と、加算ユニット(１４)とを備え、前記適応制御可能なフィルタ（１３）は前記加算ユニット（１４）の出力信号に応じて調整される。この方法は特に、前記伝送経路(８，９，１０，１１)を通過する信号の遅延時間（Ｔ）が前記適応制御可能なフィルタ（１３）の前記伝達関数において二次経路の複製を作成するために除去されるステップを有している。

Description

本発明は伝送経路と、適応制御可能なフィルタと、加算ユニットとを備えたアクティブノイズ低減システムにおいて二次経路を複製するための方法であって、適応制御可能なフィルタが加算ユニットの出力信号に応じて調整される方法と、アクティブノイズ低減システムを作動するための方法とに関する。

騒音源はますます環境問題として認識されるようになっており、生活の質を低下させるものと見なされている。しかしながら騒音源は避けられないことが多いために波の消失の原理に基づくノイズを除去するための方法がすでに提案されている。

アクティブノイズ低減（ＡＮＣまたは“Ａｃｔｉｖｅ Ｎｏｉｓｅ Ｃａｎｃｅｌｌｉｎｇ”）の原理は干渉による音波の消失に基づく。このような干渉は一つまたは複数の電子音響変換器、例えば拡声器によって生成される。電子音響変換器から放射される信号は当該信号に適したアルゴリズムを用いて計算され、連続的に修正される。電子音響変換器から放射される信号の計算の基礎となるのは、一つまたは複数のセンサから供給される情報である。これらの情報は一方で低減すべき信号の特性に関するものである。このような情報のために例えば低減すべきノイズを検知するマイクを用いることができる。また一方では残っている残留信号に関する情報も必要とされる。残留信号のためにもマイクを用いることができる。

アクティブノイズ低減に応用される基本原理は、ポール＝リューク博士によって、１９３５年に発行された特許文献および後述する［特許文献１］において説明された。この文献において開示されているのは、管内のノイズを反対の位相位置を有する信号を発生させることによって消失させ得る方法である。

アクティブノイズ低減のためのアルゴリズムは、残差を検出する少なくとも一つのセンサ（例えばマイク）による情報を必要とする。応用および使用されるアルゴリズムによってさらなるセンサが用いられ、当該センサは低減すべき信号の特性に関する情報を提供する。さらに適応型ノイズ低減システムは訂正信号を出力するために一つまたは複数の（例えば拡声器の型式による）アクチュエータを必要とする。センサの情報はＡＤ変換器によって相応のフォーマットに変換されなければならない。アルゴリズムによって処理された後、信号はＡＤ変換器によって再変換され、アクチュエータに伝達される。これらの変換器はサンプリング範囲に関してもダイナミズムに関しても制限を受ける。

アクティブノイズ低減“Ａｃｔｉｖｅ Ｎｏｉｓｅ Ｃａｎｃｅｌｌｉｎｇ”、以下においてＡＮＣと呼ぶが、これを応用する場合、使用されるアルゴリズムの安定性が決定的な要因となる。現在のところ一連の特殊なアルゴリズム、例えばＬＭＳ（最小二乗平均）アルゴリズムやこれに類似するＦｘ−ＬＭＳ−アルゴリズムなどが用いられている。特にＦｘアルゴリズムは優れた安定性を有するので、ＡＮＣシステムに用いるのに好適である。この場合Ｆｘという前置詞はいわゆる「二次経路」を複製することを示しており、この二次経路は使用されるアクチュエータ、センサ、増幅器、ＡＤ変換器、ＤＡ変換器、および伝送経路の特性および伝送すべき信号へのその他全ての影響を含むものである。「二次経路」は以下の説明において例えば「要素影響」とも記載される。

以下に二次経路（要素影響）を検出するための従来の方法のいくつかを説明し、それらの弱点を示す。

二次経路が組み込まれた完全なＡＮＣシステムは特に後述する［非特許文献１］に説明されている。当該文献はムハンマド・タヒル・アクタル、マサヒサ・アベ、マサユキ・カワマツによって著され、２００３年に京都で開催された「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｃｈｏ ａｎｄ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＩＷＡＥＮＣ２００３）」の際に出版されたものである。

前記の文献には二次経路（要素影響）のオフライン・モデリングが説明されている。二次経路を決定するための知られている方法は「オフライン・モデリング」と呼ばれるが、それは二次経路の特性が前もって、すなわちシステムが作動していないときに決定されるという理由による。

要素影響（二次経路の特性）がランダムノイズを用いて決定されるやいなや、これらの特性をシミュレートするフィルタがＬＭＳアルゴリズムによって計算に組み込まれる。

二次経路を決定するためのこのような方法に共通する特性は、アクチュエータとセンサとの間に生じる時間遅延が要素影響（二次経路）の計算に関して、周波数応答に関係なく考慮されるという点である。しかしながらこのような時間遅延は二次経路の重要な特性であるため、要素影響（二次経路）のモデリングの際にこのような時間遅延を疎かにすることは、システム全体の効率と安定性を損なうことになる。空気圧や温度などの環境パラメータが変化するとき、信号の遅延時間も変化する。信号の遅延時間が小さくなると二次経路のモデルにおいて設定された遅延によってアルゴリズムは遅くなりすぎるので、満足のゆく結果が得られなくなる。そのために減衰特性が劣化する可能性があり、極端な場合にはシステムが不安定になる。

システムの作動中に二次経路を決定するためのさらなる方法は、セン・エム・クオ（Ｓｅｎ Ｍ Ｋｕｏ）により、後述する［特許文献２］において説明されている。

前記の方法の概念は、除去すべきノイズに加えて信号を混入し、この信号の変化に基づいて二次経路（要素影響）の特性を決定するというものである。付加される信号は「アンチノイズ信号」がアクチュエータ、この場合は拡声器を介して出力される前に、再びノイズ低減される。この方法の不利な点はこのような信号が常に存在することである。

ＡＮＣにおいて二次経路（要素影響）のモデルが用いられるとき、当該二次経路の特性は自動的に「アンチノイズ」の計算に導入される。二次経路のモデルが通常のモデルにおけるのと同様に時間遅延を得ると、システムは信号の遅延の変化がそれ以上調整できないということによって限定される。これは特に信号の遅延が減少する場合に当てはまる。
オーストリア特許第１４１９９８号明細書 米国特許第５，９４０，５１９号明細書 ムハンマド・タヒル・アクタル、マサヒサ・アベ、マサユキ・カワマツ,「オンライン二次経路モデル化によるフィードフォワード・アクティブノイズ制御のための新構造」(Ａ Ｎｅｗ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｏｒ Ｆｅｅｄ ｆｏｒｗａｒｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ Ｏｎｌｉｎｅ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ−Ｐａｔｈ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ)」，２００３年，京都における「音響エコーおよびノイズ制御に関する国際ワークショップ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｃｈｏ ａｎｄ Ｎｏｉｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＩＷＡＥＮＣ２００３）」にて出版

従って本発明の解決すべき課題は前記のような不利点を有さない方法を提供することである。

このような課題は請求項１に記載の特徴によって解決される。有利な形成とアクティブノイズ低減システムを作動させるための方法はさらなる請求項に記載されている。

本発明はまずアクティブノイズ低減システムにおいて二次経路を複製するための方法に関する。当該方法は伝送経路と、適応制御可能なフィルタと、加算ユニットとを備え、適応制御可能なフィルタが加算ユニットの出力信号に応じて調整される。本発明に係る方法は以下のステップを有している。
−伝送経路と、調整可能な伝達関数を有している適応制御可能なフィルタとに既知信号が供給される。
−適応型フィルタもしくは当該適応型フィルタの伝達関数が調整され、それによって加算ユニットの出力信号が最小となる。
−伝送経路を介した信号の遅延時間は、適応制御可能なフィルタの伝達関数において二次経路の複製を実現するために除去されるか、もしくは除去されている。

このようにして信号の遅延が二次経路のモデルに及ぼす影響がもはや存在しない方法が初めて実現され、これによってアクティブノイズ低減システムのシステム安定性は著しく向上する。

本発明に係る方法の一つの実施の形態においては遅延時間が決定されるとき、そのために特に極値探索法に基づく方法が用いられる。これによって遅延時間の非常に正確な検出が可能となり、それは比較的遅い作動中に極めて良好なシステム挙動が実現する結果を招く。

本発明に係る方法のさらなる実施の形態においては適応制御可能なフィルタは周波数領域において作動する。

本発明に係る方法のさらなる実施の形態においてはランダムノイズが既知信号として伝送経路と適応制御可能なフィルタとに供給される。

本発明に係る方法のさらなる実施の形態において、既知信号は変換によって、当該既知信号が適応制御可能なフィルタに供給される前に時間領域から周波数領域に変換され、伝送経路の出力信号は変換によって、当該伝送経路の出力信号が加算ユニットに供給される前に時間領域から周波数領域に変換される。

本発明に係る方法のさらなる実施の形態においては、時間領域から周波数領域への変換の際に振幅スペクトルのみが使用される。これによって二次経路のモデリングを行う際のさらなる単純化が実現される。

本発明に係る方法のさらなる実施の形態において、適応制御可能なフィルタに一定の振幅スペクトルを有する既知信号が供給され、伝送経路の出力信号は変換によって、当該伝送経路の出力信号が加算ユニットに供給される前に時間領域から周波数領域に変換される。

本発明に係る方法のさらなる実施の形態において、既知信号の位相スペクトルは使用されない。これによってさらなる単純化が実現される。

最後にアクティブノイズ低減システムを作動させるための方法が記載される。当該方法は伝送経路と、適応制御可能なフィルタと、加算ユニットとを備え、適応制御可能なフィルタが加算ユニットの出力信号に応じて調整され、複製された二次経路は二次経路の影響が考慮されるように適応制御可能なフィルタに作用を及ぼし、前記の方法による二次経路の複製が行われる。

以下に図面を参照しながら実施の形態に基づいて本発明をさらに説明する。図面に示すのは以下の通りである。

図１はノイズ発生ユニット１と、伝達関数Ｈ（ｚ）を備える伝送経路２であって当該伝送経路の特性が複製されるべき伝送経路と、実際の伝達関数Ｈ（ｚ）のモデル

が含まれているフィルタ３であって、適応型アルゴリズムが実行される適応ユニット４によって制御されるフィルタと、から構成されている。このようにモデル

は伝送経路２における伝達関数Ｈ（ｚ）の複製である。

伝送経路２とフィルタ３と適応ユニット４には、ノイズ発生ユニット１からランダムに発生された信号が供給される（ランダムノイズジェネレータ）。 伝送経路２とフィルタ３との出力部において得られる信号ｄ（ｎ），ｙ（ｎ）から加算ユニット５において和が形成されるが、このときフィルタ３の出力信号ｙ（ｎ）は加算の前に反転される。

加算によって得られる残留信号ｅ（ｎ）６は適応ユニット４に供給される。適応ユニット４において実行されるアルゴリズムは残留信号ｅ（ｎ）が最小化されるようにフィルタ３を調整する。システム全体の最適な調整は残留信号ｅ（ｎ）６がほぼゼロであるときに実現される。この場合、伝達関数Ｈ（ｚ）とモデル

とが一致する。

図３は二次経路（要素影響）の特性を決定するための知られている方法を示している。伝送経路は増幅ユニット８と、アクチュエータ９（例えば拡声器）と、センサ１０（例えばマイク）と、センサ増幅器１１とから形成されている。ノイズ発生ユニット７はこれらの伝送経路と、フィルタ１３と、適応ユニット１５とにランダムノイズを供給する。フィルタ１３は適応ユニット１５において実行される適応アルゴリズムによって調整され、それによって加算ユニット１４の結果は最小化されるが、このとき二つの加数のうちの一つは反転されなければならない。この方法において二次経路（要素影響）が原因であるとすべき時間遅延はフィルタ１３の計算に取り込まれる。本図の場合、二次経路（要素影響）は増幅器８，１１と、アクチュエータ９と、センサ１０と、アクチュエータ９とセンサ１０との間の伝送媒体との特殊な影響から構成されている。これは二次経路をいかに調達できるかという可能性のうちの一つにすぎない。一つの拡声器と一つのマイクの代わりに他のアクチュエータおよびセンサを用いることも可能である。マイク増幅器１１は場合によってフィルタを備えることもあり得る。

本発明はまた二次経路において発生する信号遅延による影響を、信号が時間領域から周波数領域に変換されることによって除去するものである。これは図２に示す本発明に係る実施の態様によって表されている。

図２は本発明に係る二次経路（要素影響）の特性を決定するためのシステムの基本的な構成を示している。当該構成は増幅器８、アクチュエータもしくは拡声器９、センサもしくはマイク１０、センサ増幅器もしくはマイク増幅器１１、アクチュエータ９とセンサ１０との間の伝送媒体などの様々な要素から成る。ノイズ発生ユニット７は二次経路にランダムノイズを供給する。同時にノイズは変換ユニット１２に供給され、当該変換ユニットは時間領域から周波数領域への変換を行う。さらなる変換ユニット１６は二次経路の終点において信号を周波数領域に変換する。ユニット１５において用いられる適応アルゴリズムはフィルタ１３を調整し、それによって加算ユニット１４において形成される和は最小化されるが、このときフィルタ１３から出る信号は和が形成される前に反転される。

変換ユニット１２および１６において行われる時間領域から周波数領域への変換によって、二次経路において発生する遅延の時間的な変化は大部分が因数分解される。２^＊πの倍数分シフトされている特定の信号部分は因数分解され得ないことが判明している。従ってフィルタ１３は周波数領域における二次経路（要素影響）の特性のみを表している。

このとき図３に示す方法に対する相違は、変換ユニット１２および１６において行われる時間領域から周波数領域への変換である。

図８に基づいて本発明に係る方法のさらなる実施の態様を説明する。当該実施の態様によって時間遅延Ｔを決定することができる。このとき図８において伝送経路の可能なインパルス応答

が表されている。このときｔ＝０の時点において信号が伝送経路に与えられる。インパルス応答

からフェードアウトのために求められる時間遅延Ｔが検出される。それに対して今度はインパルス応答

に含まれる成分であって、当該インパルス応答

の最初の極大値３１の前に現れる成分が例えば極値探索法を用いて消去されるが、それはインパルス応答に含まれる情報において一定数の標本値の分だけ遡及されることによって行われる。このように極値探索法によって図９に表されているような経過が得られる。時間遅延を因数分解するためのこのような方法の有利な点は遅延Ｔを極めて正確に決定できることである。

図４はランダムノイズの周波数スペクトルを示している。横軸には周波数２０、縦軸には振幅１９が示されている。スペクトルは振幅１７の定数的な経過を示す。

図５は図４に示すランダムノイズが二次経路を通過した後の周波数スペクトルを示している。本図においても横軸には周波数２０、縦軸には振幅１９が示されている。スペクトルはもはや一定の振幅スペクトルを示さず、周波数によって異なる振幅スペクトルを示している。このような振幅スペクトルは二次経路の周波数領域における可能な出力信号であって、当該信号が図４に示す経過によって励起されたものを示している。

図２においてはノイズ発生ユニット７によってランダムノイズが発生されるが、これは個々の周波数が同じ大きさであることを意味する。この点は図４に表されている。

ランダムノイズが二次経路を通過した後、振幅１８はどの周波数においても同じ大きさではなくなる。この点は図５から明らかである。

図６は二つのノイズ発生器２１および２２を備えたブロック図を示している。これらのノイズ発生器においてランダムノイズが発生される。二次経路の計算のためにフィルタ１３の入力部と適応ユニット１５において一定値が用いられる。数値を用いること、本図の場合は複雑な信号の代わりに一定値を用いることは二次経路のモデル化におけるさらなる簡略化である。

図７は簡単なＡＮＣシステムを示している。ＡＮＣシステムであって当該ＡＮＣシステムの二次経路が周波数領域において検出されたものを以下に説明する。

最小化すべき信号ｘ（ｎ）は２８、残っている残留信号ｅ（ｎ）は２９、伝達関数Ｈを備えた伝送経路は２３、フィルタであってこれを用いて伝送経路Ｈが複製されるフィルタ

は２４でそれぞれ参照される。ブロック２５および２６は特に注目に値する。すなわち２５によって二次経路（要素影響）が同定され、２６によって二次経路（要素影響）の評価が書き込まれる。従ってブロック２６において、図２および図３に基づいて説明された方法で検出されたパラメータが記憶される。

図３において説明されている既知の方法を用いた場合、すでに前述したような制限を受け入れなくてはならない。すなわち二次経路において信号の遅延の時間による変化が考慮されないということである。ブロック２６において信号遅延による影響が大きいとき、それはフィルタ２４によって修正することができなくなる。

これに対して図２において説明された本発明に係る方法によってパラメータが検出されると、信号遅延が二次経路に与える影響は存在しなくなる。しかしながらフィルタ１３（図２または６）において検出されたパラメータは、二次経路のモデル(ブロック２６)において記憶される前にまず逆変換によって周波数領域から再び時間領域に変換されなければならない。ブロック２６はこれによって二次経路２５の周波数特性を記述する。加算ユニット１４において再び和が形成されるが、それは最小化すべき信号ｘ（ｎ）が伝送経路２３によって影響されるとともにフィルタ２４と二次経路２５とによって処理された後に行われる。注意すべき点は、図から明らかなように二つの加数のうちの一つは差を形成するために加算ユニット１４によって逆変換されなければならないことである。適応アルゴリズムが実行される適応ユニット２７はフィルタ２４を制御し、それによって残留信号ｅ（ｎ）２９は可能な限り小さく、すなわち最小となる。

「オフライン法」によって二次経路を決定するための知られている方法を示す簡略化したブロック図である。 本発明に係る方法を概略的に示す簡略化したブロック図である。 二次経路の特性を決定するための知られている方法を示す簡略化したブロック図である。 本発明に係る方法を説明するための概略図である。 本発明に係る方法を説明するためのさらなる概略図である。 本発明に係る方法を概略的に示すさらなる簡略化したブロック図である。 本発明に係る方法のさらなる実施の形態を示すブロック図である。 信号の伝達の一例を示す図である。 信号の伝達のさらなる例を示す図である。

符号の説明

１ ノイズ発生ユニット
２ 伝送経路
３ フィルタ
４ 適応ユニット
５ 加算ユニット
６ 残留信号
７ ノイズ発生ユニット
８ 増幅ユニット
９ アクチュエータ
１０ センサ
１１ 増幅器
１２ 変換ユニット
１３ フィルタ
１４ 加算ユニット
１５ ユニット
１６ 変換ユニット
１７ 振幅
１８ 振幅
１９ 振幅
２０ 周波数
２１ ノイズ発生器
２２ ノイズ発生器
２３ 伝送経路
２４ フィルタ
２５ ブロック
２６ ブロック
２７ 適応ユニット
２８ 信号ｘ（ｎ）
２９ 残留信号ｅ（ｎ）

Claims (9)

1. 伝送経路(８，９，１０，１１)と、適応制御可能なフィルタ（１３）と、加算ユニット(１４)とを備えたアクティブノイズ低減システムにおいて二次経路を複製するための方法であり、前記適応制御可能なフィルタ（１３）は前記加算ユニット（１４）の出力信号に応じて調整される方法であって、
   既知の信号が前記伝送経路(８，９，１０，１１)と、調整可能な伝達関数を備えた前記適応制御可能なフィルタ（１３）とに供給されるステップと、
   前記適応型のフィルタ（１３）もしくは該フィルタの伝達関数が調整され、それによって前記加算ユニット（１４）の出力信号が最小となるステップと、
   前記伝送経路(８，９，１０，１１)を通過する信号の遅延時間（Ｔ）が前記適応制御可能なフィルタ（１３）の前記伝達関数において前記二次経路の複製を作成するために除去されるステップとを有することを特徴とする方法。
2. 前記遅延時間（Ｔ）が決定され、そのために特に極値探索法に基づく方法が使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記適応制御可能なフィルタ（１３）は周波数領域において作用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. ランダムノイズが既知の信号として前記伝送経路(８，９，１０，１１)と、前記適応制御可能なフィルタ（１３）とに供給されることを特徴とする請求項１または３に記載の方法。
5. 前記既知の信号は該既知の信号が前記適応制御可能なフィルタ（１３）に供給される前に変換を用いて時間領域から周波数領域に変換され、前記伝送経路(８，９，１０，１１)の出力信号は該伝送経路(８，９，１０，１１)の出力信号が前記加算ユニット（１４）に供給される前に変換を用いて前記時間領域から前記周波数領域に変換されることを特徴とする請求項１，３または４のうちのいずれか１項に記載の方法。
6. 前記時間領域から前記周波数領域への前記変換の際に振幅スペクトルのみが使用されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記適応制御可能なフィルタ（１３）に一定の振幅スペクトルを備えた既知の信号が供給され、前記伝送経路(８，９，１０，１１)の出力信号は該伝送経路(８，９，１０，１１)の出力信号が前記加算ユニット（１４）に供給される前に変換を用いて前記時間領域から前記周波数領域に変換されることを特徴とする請求項１，３または４のうちのいずれか１項に記載の方法。
8. 前記既知の信号の位相スペクトルは使用されないことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 伝送経路(８，９，１０，１１)と、適応制御可能なフィルタ（１３）と、加算ユニット(１４)とを備えたアクティブノイズ低減システムを作動させる方法であり、前記適応制御可能なフィルタ（１３）は前記加算ユニット（１４）の出力信号に応じて調整され、複製された二次経路は前記適応制御可能なフィルタ（１３）に作用し、それによって二次経路の影響が考慮される方法において、
   前記二次経路の前記複製は請求項１から８のうちのいずれか１項に記載の方法によって行われることを特徴とする方法。

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