JP2009214814A

JP2009214814A - 騒音キャンセル装置およびその方法

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Publication number: JP2009214814A
Application number: JP2008062727A
Authority: JP
Inventors: Tomoshi Kogure; 知史小暮
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-12
Also published as: JP5089447B2

Abstract

【目的】２チャンネルのスピーカを用いて効果的に騒音をキャンセルする「騒音キャンセル装置およびその方法」を提供することにある。
【構成】騒音キャンセル信号が入力される２チャンネルのスピーカを設け、スピーカの入力側から騒音キャンセルポイントまでの音響伝達特性を測定し、該音響伝達特性が設定ゲイン以下となる騒音キャンセル周波数範囲、あるいは該周波数範囲に対応する車両のエンジンの回転数範囲を求め該範囲をメモリに記憶し、車両の実際のエンジンの回転数が該回転数範囲にあるかの判断を行い、あるいは該実際のエンジン回転数に対応する騒音周波数が該周波数範囲にあるかの判断を行い、該エンジンが該範囲にある場合には、一方のスピーカに入力するキャンセル信号の極性を反転させ該反転信号を該一方のスピーカに入力する。
【選択図】図１

Description

本発明は騒音キャンセル装置およびその方法にかかり、特に車両のエンジンから発生する騒音に応じた信号を参照信号として入力されると共に、騒音とキャンセル音の合成信号をエラー信号として入力され、該エラー信号が最小となるように騒音キャンセル信号を発生してスピーカに入力し、該スピーカよりキャンセル音を出力する騒音キャンセル装置およびその方法に関する。

騒音対策としては、従来より騒音と逆位相の騒音キャンセル音をスピーカから放射して騒音を低減する方法（アクティブ制御）が脚光を浴び、工場やオフィス、自動車などの室内空間の一部に実用化されている。この騒音キャンセル方法はＡＮＣ（Active Noise Control）法と呼ばれている。
図５は従来の騒音キャンセルを実現する装置の構成図であり（特許文献１参照）、１１は騒音源であるエンジン、１２はエンジン回転数Rを検出する回転数センサ、１３はエンジン回転数Rに応じた周波数を有する一定振幅の正弦波信号を参照信号ｘとして発生する参照信号発生部である。騒音源がエンジンの場合、エンジン回転数により発生するノイズは周期性を有し（周期性ノイズ）、その周波数はエンジン回転数に依存する。例えば、４気筒エンジンの場合、車室内に発生する周期性ノイズはエンジンの回転数の２次高調波が支配的であり、アイドル回転時に車室内に発生するノイズの周波数は30Hz、回転数が3600rpmの時に発生するノイズの周波数は120Hzである。参照信号発生部１３は、２次高調波の正弦波データをＲＯＭ（図示せず）に記憶しておき、そのデータを必要に応じて読み出して出力することにより参照信号ｘを生成する。

１４は騒音キャンセルコントローラであり、参照信号発生部１３から発生する参照信号ｘを入力されると共に、車室内の騒音キャンセル位置（観測点であり例えば運転者の耳元近傍）における騒音Ｓｎとキャンセル音Ｓｃの合成音信号をエラー信号ｅとして入力され、該エラー信号のパワーが最小となるように適応信号処理を行って騒音キャンセル信号ｙを出力する。騒音キャンセルコントローラ１４は、適応信号処理部１４ａと、ディジタルフィルタ構成の適応フィルタ１４ｂと、参照信号ｘにスピーカから騒音キャンセル点までのキャンセル音伝搬系の伝搬特性（伝達関数）を畳み込んで信号処理用参照信号ｒを作成するフィルタ（フィルタードＸ信号作成用フィルタ）１４ｃを有している。１５は適応フィルタ１４ｂの出力信号（騒音キャンセル信号ｙ）をアナログの騒音キャンセル信号に変換するＤＡコンバータ、１６はキャンセル音周波数帯域外の高周波信号を除去するローパスフィルタＬＰＦ、１７は騒音キャンセル信号を増幅するパワーアンプ、１８は騒音キャンセル音Ｓｃを放射するキャンセルスピーカ、１９は騒音キャンセル点に配置され、騒音Ｓｎとキャンセル音Ｓｃの合成音を検出し、合成音信号をエラー信号ｅとして出力するエラーマイク、２０はエラー信号ｅを増幅するアンプ、２１は周期性ノイズの帯域外の騒音信号を除去するローパスフィルタ、２２はローパスフィルタ出力をディジタルに変換するＡＤコンバータである。

適応信号処理部１４ａは騒音キャンセル点におけるエラー信号ｅとフィルタ１４ｃを介して入力される信号処理用参照信号ｒを入力され、これら信号を用いて騒音キャンセル点における騒音をキャンセルするように適応信号処理を行って適応フィルタ１４ｂの係数を決定する。例えば適応信号処理部１４ａは周知のＬＭＳ（Least Mean Square）適応アルゴリズムに従って、参照信号ｘにディジタルフィルタ処理を施して騒音キャンセル信号ｙを出力する。尚、参照信号ｘは消去したい騒音Ｓｎと相関の高い信号でなくてはならず、参照信号と相関のない音は消去されない。

エンジン１１が回転すると、その回転数Ｒは回転数センサ１２により検出され、参照信号発生部１３はエンジン回転数Ｒに応じた周波数の参照信号ｘを発生し、騒音キャンセルコントローラ１４に入力する。この時、エンジン１１から発生した周期性を有するエンジン音（周期性ノイズ）は、所定の伝達関数を有する騒音伝搬系を有する空中を伝搬して騒音キャンセル点に至り、騒音Ｓｎとなる。エラーマイク１９は騒音Ｓｎとキャンセル音Ｓｃの差であるエラー信号ｅを出力し、騒音キャンセルコントローラ１４はＬＭＳ適応アルゴリズムに従って、該エラー信号ｅのパワーが最小となるように騒音キャンセル信号ｙを出力する。

以上は、スピーカを騒音キャンセルのみに使用する場合であるが、オーディオ用スピーカと共用することもできる。図６はかかる場合の従来例であり、図５と同一部分には同一符号を付している。異なる点は、オーディオ信号を発生するオーディオユニット５１とオーディオ信号と騒音キャンセル信号を合成する合成部５２を加えた点である。
特許３４３２８４５号

上記従来技術の騒音キャンセル方式では図７の破線１に示すように、ゲイン特性がＡＮＣ動作周波数範囲内のf0〜f1、f2〜f3で所望の騒音キャンセルゲイン３以下となる場合があり、かかる場合十分な騒音キャンセルシステムの効果を得ることができない。そこで、十分な騒音キャンセルの効果を得るために、２チャンネル分のスピーカを使用することが考えられている。しかし、スピーカ２チャンネルを使用する騒音キャンセルシステムのゲイン特性が図７の一点鎖線２で示すようになる場合があり、斜線部分４で示す周波数範囲（図ではf0〜f2'）において、１チャネル使用時よりも２チャンネル使用時の方がゲイン特性が低下してしまう。これは各スピーカからマイクまで音響伝達特性が異なるため、スピーカから出力されるキャンセル信号同士が干渉して打ち消しあうためである。かかる状態では、２チャンネルのスピーカを用いても十分な騒音キャンセルの効果を得ることができないという問題がある。

本発明の目的は、２チャンネルのスピーカ使用時のゲイン特性の低下を防ぎ、十分な騒音キャンセルの効果を得るようにすることである。

本発明は、車両のエンジンから発生する騒音に応じた信号を参照信号として入力されると共に、騒音とキャンセル音の合成信号をエラー信号として入力され、該エラー信号が最小となるように騒音キャンセル信号を発生してスピーカに入力し、該スピーカよりキャンセル音を出力する騒音キャンセル装置およびその方法である。

本発明の騒音キャンセル方法は、騒音キャンセル信号が入力される２チャンネルのスピーカを設け、前記スピーカの入力側から騒音キャンセルポイントまでの音響伝達特性を測定するステップ、該音響伝達特性が設定ゲイン以下となる騒音キャンセル周波数範囲、あるいは該周波数範囲に対応する車両のエンジンの回転数範囲を求め該範囲をメモリに記憶するステップ、前記車両のエンジンの回転数が前記回転数範囲にあるかの判断を行うステップ、あるいは該実際のエンジン回転数に対応する騒音周波数が前記周波数範囲にあるかの判断を行うステップ、が該範囲にある場合には、一方のスピーカに入力する前記キャンセル信号の極性を反転させ該反転信号を該一方のスピーカに入力するステップ、を備えている。

本発明の騒音キャンセル装置は、２チャンネルのスピーカと、前記スピーカの入力側から騒音キャンセルポイントまでの音響伝達特性において、ゲイン特性が設定ゲイン以下となる騒音キャンセル周波数範囲、あるいは該周波数範囲に対応する車両のエンジン回転数範囲を記憶する記憶部と、少なくとも一方のスピーカに入力する前記キャンセル信号の極性を反転させる極性反転部と、前記車両の実際のエンジン回転数が前記回転数範囲にあるかの判断を行い、あるいは該実際のエンジン回転数に対応する騒音周波数が前記周波数範囲にあるかの判断を行い、該範囲にある場合には前記極性反転部で反転した信号を前記一方のスピーカに入力するように制御する制御部と、を備えている。

本発明によれば、２チャンネルのスピーカを用いて、スピーカから騒音キャンセルポイントまでの音響伝達特性のゲイン特性が設定ゲイン以下となる騒音キャンセル周波数範囲あるいはエンジン回転数範囲を記憶しておき、該範囲内では一方のチャンネルの騒音キャンセル信号の極性を反転して一方のスピーカに入力するようにしたので、２チャンネルのスピーカによる騒音キャンセルシステムの効果を十分に得ることができ、騒音をキャンセルする所定レベルの騒音キャンセル信号を効果的に得ることができる。

（Ａ）本発明の概要
図１は本発明の概略説明図であり、ＧＣＰは本発明を適用しない場合のゲイン特性、ＧＣＩは本発明によるゲイン特性、Ｇｓは十分な騒音キャンセルの効果を得るために必要なゲインである。

雑音のない静穏時に２チャンネルのスピーカに騒音キャンセル信号を入力した時のスピーカ入力側から騒音キャンセルポイント（例えば運転者の耳元近傍）までの騒音キャンセル信号のゲイン特性（ＧＣＰ）を測定し、該ゲイン特性が所定の設定ゲインＧｓ以下となる周波数範囲（図ではf0〜f2'）を求め、該周波数範囲に対応する車両のエンジン回転数範囲を記憶する。そして、実際の車両のエンジン回転数が該エンジン回転数範囲にあるか判断し、該エンジン回転数が該エンジン回転数範囲にある場合には一方のチャンネルのスピーカに入力する騒音キャンセル信号の極性を反転する。その結果、スピーカ入力側と騒音キャンセルポイント間の音響伝達特性は図１のＧＣＩで示すようになり、全ＡＮＣ動作周波数範囲においてゲインが設定ゲインＧｓ以上となる。一方、実際のエンジン回転数が該エンジン回転数範囲にない場合（図のf2'〜f3に対応するエンジン回転数範囲にある場合）には、騒音キャンセル信号をそのまま各スピーカに入力し、各スピーカから騒音キャンセル信号を放出する。

（Ｂ）実施例
図２は本発明の実施例の構成図である。
エンジン２３は騒音源であり、回転数センサ２４はエンジン２３のエンジン回転数Ｒを検出し、参照信号発生部２５はエンジン回転数Ｒに応じた周波数を有する一定振幅の正弦波信号を参照信号ｘとして発生する。騒音源がエンジンの場合、エンジン回転数により発生するノイズは周期性を有し（周期性ノイズ）、その周波数はエンジン回転数に依存する。例えば、4気筒エンジンの場合、車室内に発生する周期性ノイズはエンジンの回転数の２次高調波が支配的であり、アイドル回転時に車室内に発生するノイズの周波数は30Hz、回転数が3600rpmの時に発生するノイズの周波数は120Hzである。参照信号発生部２５は、２次高調波の正弦波データをＲＯＭ（図示せず）に記憶しておき、そのデータを必要に応じて読み出して出力することにより参照信号ｘを生成する。

ＡＮＣ部２６は、参照信号発生部２５から発生する参照信号ｘを入力されると共に、車室内の騒音キャンセル位置（観測点であり例えば運転者の耳元近傍）における騒音とキャンセル音の合成音信号をエラー信号ｅとして入力され、該エラー信号のパワーが最小となるように適応信号処理を行って騒音キャンセル信号ｙを出力する。ＡＮＣ部２６は、従来例（図５の騒音キャンセルコントローラ１４）と同一の構成を備えている。すなわち、適応信号処理部と、ディジタルフィルタ構成の適応フィルタと、参照信号ｘにスピーカから騒音キャンセル点までのキャンセル音伝搬系の伝搬特性（伝達関数）を畳み込んで信号処理用参照信号ｒを作成するフィルタを有している。尚、ＡＮＣ部２６は適応フィルタの出力信号（騒音キャンセル信号）をアナログの騒音キャンセル信号ｙに変換するＤＡコンバータも有している。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２７はＡＮＣ動作周波数帯域外の高周波信号を騒音キャンセル音信号より除去する。
回転数範囲メモリ２８は雑音のない静穏時に２チャンネルのスピーカに騒音キャンセル信号を入力した時のスピーカ入力側から騒音キャンセルポイント（例えば運転者の耳元近傍）までのゲイン特性ＧＣＰを測定し、ゲインが設定ゲインＧｓ以下となる周波数範囲（図ではf0〜f2'）を求め、該周波数範囲に対応する車両のエンジン回転数範囲を記憶する。反転制御部２９は、回転数センサ２４より実際のエンジン回転数Ｒを取得し、該回転数Rが周波数範囲メモリ２８に記憶したエンジン回転数範囲内にあるか判断し、該回転数Rが該エンジン回転数範囲内にある場合にはＬＰＦ２７から出力された騒音キャンセル信号ｙの極性を反転した騒音キャンセル信号ｙ'を一方のチャンネルｃｈ１に出力するように制御し、該回転数Ｒが該エンジン回転数範囲内にない場合にはＬＰＦ２７から出力された騒音キャンセル信号ｙを２チャンネルｃｈ１、ｃｈ２に出力するように制御する。反転部３０はＬＰＦ２７から出力された騒音キャンセル信号ｙの極性を反転し、後段のアナログスイッチに該反転した騒音キャンセル信号ｙ'を入力する。アナログスイッチ３１は、反転制御部２９の指示に基づいてＬＰＦ２７から出力された騒音キャンセル信号ｙを両方のチャンネルｃｈ１、ｃｈ２に出力するか、ＬＰＦ２７から出力された騒音キャンセル信号ｙを一方のチャンネルｃｈ２に出力し、別のチャンネルｃｈ１に反転部３０により極性が反転された騒音キャンセル信号ｙ'を出力するかの切り替えを行う。パワーアンプ３２ａ、３２ｂは騒音キャンセル信号を増幅し、スピーカ３３ａ、３３ｂは騒音キャンセル信号を入力されて騒音キャンセル音を放射する。

次に全体の動作について説明する。エンジン２３が回転すると、回転センサ２４は該回転数Ｒを検出し、参照信号発生部２５と反転制御部２９に該回転数Ｒを入力する。参照信号発生部２５は入力された回転数Ｒに対応する周波数の参照信号ｘを発生し、ＡＮＣ部２６に入力する。ＡＮＣ部２６は該参照信号ｘと、騒音とキャンセル音の差であるエラー信号ｅを用いて、ＬＭＳ適応アルゴリズムに従って、該エラー信号のパワーが最小となるように騒音キャンセル信号ｙを出力する。ＬＰＦ２７はＡＮＣ部２６から出力された騒音キャンセル信号ｙのＡＮＣ動作周波数帯域外の高周波信号を除去し、騒音キャンセル信号ｙを反転部３０とアナログスイッチ３１に入力する。反転部３０は入力された騒音キャンセル信号ｙの極性を反転させた騒音キャンセル信号ｙ'をアナログスイッチ３１に入力する。

反転制御部２９は入力された実際のエンジン回転数Ｒが回転数範囲メモリ２８に記憶してある回転数範囲内に存在するか判断し、回転数Ｒが該回転数範囲にある場合には、一方のチャンネルｃｈ２には騒音キャンセル信号ｙを出力し、別のチャンネルｃｈ１には反転部３０により騒音キャンセル信号の極性を反転した騒音キャンセル信号ｙ'を出力するようにアナログスイッチ３１を制御する。一方、反転制御部２９は実際のエンジン回転数Ｒが該回転数範囲にない場合には、両方のチャンネルｃｈ１、ｃｈ２に騒音キャンセル信号ｙを出力するようにアナログスイッチ３１を制御する。アナログスイッチ３１は反転制御部２９の制御に基づいた信号を出力するように切り替え、パワーアンプ３２ａ、３２ｂにそれぞれ出力する。パワーアンプ３２ａ、３２ｂは入力された騒音キャンセル信号をそれぞれ増幅し、増幅した騒音キャンセル信号を２チャンネルのスピーカ３３ａ、３３ｂに入力し、スピーカ３３ａ、３３ｂはパワーアンプ３２ａ、３２ｂから入力された騒音キャンセル信号に基づいて騒音キャンセル音を放射する。

以上より、スピーカ入力側から騒音キャンセル点までのゲイン特性を図１に示す特性ＧＣＩとなるようにすることができ、全ＡＮＣ動作周波数範囲においてスピーカのゲイン（音圧レベル）を、騒音をキャンセルする音圧レベル以上とすることが可能となった。

（C）第１変形例
図３は第１変形例の構成図であり、図２の実施例と同一部分には同一符号を付している。第１変形例が実施例と異なる点は、実施例では反転部３０を用いて反転信号を出力しているが、第１変形例においては、反転部を使用しない点である。すなわち、第１変形例では、ＡＮＣ部２６においてバランス出力として騒音キャンセル信号ｙと反転した騒音キャンセル信号ｙ'を出力してアナログスイッチ３１に入力し、反転制御部２９がアナログスイッチ３１を切り替えて制御する。

以上より、第１変形例によっても実施例と同様の効果を得ることができ、全ＡＮＣ動作周波数範囲においてスピーカの音圧レベルを、騒音をキャンセルする音圧レベル以上とすることが可能となった。

（D）第２変形例
図４は第２変形例の構成図であり、図２の実施例と同一部分には同一符号を付している。第２変形例が実施例と異なる点は、Ｒ−ｆ変換部３４を設け、回転数範囲メモリ２８を周波数範囲メモリ３５に変更した点である。Ｒ−ｆ変換部３４は例えばＲ−ｆ変換テーブルを備え、該テーブルを用いて回転数Ｒの騒音に対応する騒音キャンセル信号の周波数ｆを算出し、該周波数ｆを反転制御部２９に入力する。周波数範囲メモリ３５は図１に示すようなにゲイン特性が設定ゲインＧｓ以下になる周波数範囲（f0〜f2'）を記憶する。反転制御部２９は入力された周波数ｆが周波数範囲メモリ３５に記憶されている音圧レベルが所定のレベル３以下になる周波数範囲内に存在するかの判断を行い、判断結果に基づいて実施例と同様にアナログスイッチ３１を制御する。

以上より、第２変形例によっても実施例と同様の効果を得ることができ、全ＡＮＣ動作周波数範囲においてゲイン（音圧レベル）を、騒音をキャンセルする音圧レベル以上とすることが可能となった。

以上では、実施例および変形例においては騒音キャンセル専用のスピーカを用いた騒音キャンセルシステムに本発明を適用した場合についてのみ述べたが、図６のようにオーディオ装置と騒音キャンセル装置とでスピーカを共用する騒音キャンセルシステムにも適用可能であることは言うまでもない。

以上、本発明によれば、２チャンネルのスピーカ使用時のスピーカ入力側から騒音キャンセルポイントまでのゲイン特性を測定し、ゲイン特性が設定ゲイン以下となる周波数範囲あるいはエンジン回転数範囲を記憶しておき、該範囲内では騒音キャンセル信号の極性を反転して一方のスピーカに入力するようにしたので、２チャンネルのスピーカによる騒音キャンセルシステムのキャンセル音レベルを増大してキャンセル効果を十分に得ることができた。

本発明の概略説明図である。実施例の構成図である。第１変形例の構成図である。第２変形例の構成図である。従来の騒音キャンセルシステムの構成図である。従来のオーディオ装置と騒音キャンセル装置とでスピーカを共用する騒音キャンセルシステムである。従来の騒音キャンセルシステムを用いた場合のスピーカから騒音キャンセルポイントまでの音響伝達特性である。

符号の説明

ＧＣＰ２チャンネルのスピーカを用いた場合の従来のゲイン特性
ＧＣＩ本発明のゲイン特性
２６ＡＮＣ部
２８回転数範囲メモリ
２９反転制御部
３０反転部
３１アナログスイッチ
３３ａ，３３ｂスピーカ
３４Ｒ−ｆ変換部
３５周波数範囲メモリ

Claims

車両のエンジンから発生する騒音に応じた信号を参照信号として入力されると共に、騒音とキャンセル音の合成信号をエラー信号として入力され、該エラー信号が最小となるように騒音キャンセル信号を発生してスピーカに入力し、該スピーカよりキャンセル音を出力する騒音キャンセル装置の騒音キャンセル方法において、
騒音キャンセル信号が入力される２チャンネルのスピーカを設け、
前記スピーカの入力側から騒音キャンセルポイントまでの音響伝達特性を測定し、
該音響伝達特性が設定ゲイン以下となる騒音キャンセル周波数範囲、あるいは該周波数範囲に対応する車両のエンジンの回転数範囲を求め該範囲をメモリに記憶し、
前記車両のエンジンの回転数が前記回転数範囲にあるかの判断を行い、あるいは該実際のエンジン回転数に対応する騒音周波数が前記周波数範囲にあるかの判断を行い、
該範囲にある場合には、一方のスピーカに入力する前記キャンセル信号の極性を反転させ該反転信号を該一方のスピーカに入力する、
ことを特徴とする騒音キャンセル方法。
車両のエンジンから発生する騒音に応じた信号を参照信号として入力されると共に、騒音とキャンセル音の合成信号をエラー信号として入力され、該エラー信号が最小となるように騒音キャンセル信号を発生してスピーカに入力し、該スピーカよりキャンセル音を出力する騒音キャンセル装置において、
２チャンネルのスピーカと、
前記スピーカの入力側から騒音キャンセルポイントまでの音響伝達特性において、ゲイン特性が設定ゲイン以下となる騒音キャンセル周波数範囲、あるいは該周波数範囲に対応する車両のエンジン回転数範囲を記憶する記憶部と、
少なくとも一方のスピーカに入力する前記キャンセル信号の極性を反転させる極性反転部と、
前記車両の実際のエンジン回転数が前記回転数範囲にあるかの判断を行い、あるいは該実際のエンジン回転数に対応する騒音周波数が前記周波数範囲にあるかの判断を行い、該範囲にある場合には前記極性反転部で反転した信号を前記一方のスピーカに入力するように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする騒音キャンセル装置。