JP2015007794A - 能動ノイズ低減 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ノイズを低減するシステムであって、ノイズを低減する音を放射するスピーカ3と、ノイズ又はその残留を拾い上げるマイクロフォンと、マイクロフォン出力経路と、スピーカ入力経路の間に接続された、1つのシェルビング・フィルタ、又は少なくとも1つのシェルビング・フィルタを含む能動ノイズ低減フィルタ5と、を備える。
【選択図】図1
Description
ここには、能動ノイズ低減システム、特に、利用者が、例えば再生された音楽などを周囲のノイズを低減させて楽しむことができるようにするイアフォンを含むノイズ低減システムが開示される。
(項目1)
ノイズを低減するシステムであって、
スピーカの入力経路に接続され、ノイズを低減する音を放射するスピーカと、
マイクロフォン出力経路に接続され、ノイズ又はその残留を拾い上げるマイクロフォンと、
上記マイクロフォン出力経路と、スピーカ入力経路の間に接続された能動ノイズ低減フィルタであって、1つのシェルビング・フィルタである、又は少なくとも1つのシェルビング・フィルタを含む能動ノイズ低減フィルタと、
を備えるノイズを低減するシステム。
(項目2)
上記シェルビング・フィルタは、能動または受動アナログフィルタである上記項目に記載のシステム。
(項目3)
上記シェルビング・フィルタは、少なくとも2次フィルタ構造をもっている上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目4)
上記シェルビング・フィルタは、第1の線形増幅器および少なくとも1つの受動フィルタ網を含む、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目5)
受動フィルタ網は、上記第1の線形増幅器のフィードバック経路を形成する上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目6)
受動フィルタ網は、上記第1の線形増幅器と直列に接続されている上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目7)
上記能動ノイズ低減フィルタは、少なくとも1つの等化フィルタを含む、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目8)
上記能動ノイズ低減フィルタは、ジャイレータを含む、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目9)
能動ノイズ低減フィルタは、反転入力、非反転入力及び出力を有する第1及び第2の演算増幅器を含み、
上記第1の演算増幅器の非反転入力は、基準電位に接続されており、
上記第1の演算増幅器の反転入力は、第1の抵抗器を通して第1のノードに、および第1のコンデンサを通して第2のノードに結合されており、
上記第2のノードは、第2の抵抗器を通して上記基準電位に、及び第2のコンデンサを通して上記第1のノードと結合されており、
上記第1のノードは、第3の抵抗器を通して上記第2の演算増幅器の反転入力に結合され、その反転入力はさらに第4の抵抗器を通してその出力に結合されており、
上記第2の演算増幅器には、その非反転入力のところで入力信号Inが供給され、及びその出力のところで出力信号を提供しており、並びに
2つの端部とタップを有するオーム性電圧分割器には、各端部にて上記入力信号Inと出力信号Outが供給され、上記タップは第5の抵抗器を通して上記第2のノードに結合されている、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目10)
上記入力信号は、第6の抵抗器を通して上記第2の演算増幅器の非反転入力に供給される上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目11)
上記オーム性電圧分割器は、調節可能なポテンショメータである上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目12)
有効信号が、上記スピーカ入力経路もしくは上記マイクロフォン出力経路、又はその両方に供給される、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目13)
上記有効信号が、第1および第2の有効信号経路を通して、上記スピーカ入力経路および上記マイクロフォン出力経路の両方に供給されて、
第1の減算器が、上記マイクロフォン出力経路および上記第1の有効信号経路の下流に接続され、及び
第2の減算器が、上記能動ノイズ低減フィルタと上記スピーカ入力経路の間で、上記第2の有効信号経路に対して接続される、ようになっている、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目14)
上記有効経路のうちの少なくとも1つは、1つもしくは複数のスペクトル整形フィルタを含む、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目15)
上記マイクロフォンは、第2の経路を介して上記スピーカに対し音響的に結合されている、上記項目のいずれか一項に記載システム。
スピーカ入力の経路に接続され、ノイズを低減する音を放射するスピーカと、マイクロフォン出力の経路に接続され、ノイズ又はその残留を拾い上げるマイクロフォンと、マイクロフォン出力の経路とスピーカ入力の経路の間に接続される能動ノイズ低減フィルタであって、1つのシェルビング・フィルタである、又は少なくとも1つのシェルビング・フィルタを含む能動ノイズ低減フィルタと、を備えるノイズを低減する音響再生システムが開示される。
Y(z) = S(z)・V(z) = S(z)・(E(z)+X(z))
E(z) = W(z)・U(z) = W(z)・Y(z)
図1のシステムにおいて、有効信号伝達特性M(z) = Y(z)/X(z)は、したがって、
M(z) = S(z)/(1−W(z)・S(z))
W(z) = 1 と仮定すると、
lim[S(z)→1] M(z) T M(z)→\
lim[S(z)→±\] M(z) T M(z)→1
lim[S(z)→0] M(z) T M(z)→S(z)
W(z) = \ と仮定すると、
lim[S(z)→1] M(z) T M(z)→0.
上記方程式から理解できるように、ANCフィルタ5の伝達特性W(z)が増加すると、有効信号伝達特性M(z)は、0に近づき、一方、第二径路伝達関数S(z)は中間、言い換えれば1前後、すなわち0[dB]のレベル、を維持する。この理由のため、有効信号x[n]は、ANCが動作中又は停止中である場合、有効信号x[n]が聴取者によって同一に感知されることが保証されるように、適宜、適応しなければならない。その上、有効信号伝達特性M(z)は、有効信号x[n]の適応は伝達特性S(z)、及び、加齢、温度、聴取者が異なることなどに起因したその変動にも依存するという趣旨で第二径路2の伝達特性S(z)にも依存し、その結果、動作中と停止中との間に確実な差異が明白にあるであろう。
Y(z) = S(z)・V(z) = S(z)・E(z)
E(z) = W(z)・U(z) = W(z)・(X(z)+Y(z))
したがって、図2のシステムの有効信号伝達特性M(z)は、妨害信号d[n]を考慮しないと、
M(z) = (W(z)・S(z))/(1−W(z)・S(z))
lim[(W(z)・S(z))→1] M(z) T M(z)→\
lim[(W(z)・S(z))→0] M(z) T M(z)→0
lim[(W(z)・S(z))→±\] M(z) T M(z)→1.
上記方程式から理解できるように、開ループ伝達関数(W(z)・S(z))が増加又は減少すると、有効信号伝達特性M(z)は、1に近づき、且つ、開ループ伝達関数(W(z)・S(z))が0に近づくと、M(z)は0に近づく。この理由のため、有効信号x[n]は、ANCが動作中又は停止中である場合、有効信号x[n]が聴取者によって同一に感知されることが保証されるように、より高いスペクトル領域で、適宜、適応しなければならない。しかしながら、より高いスペクトル領域での補償はかなり難しく、動作中と停止中との間に確実な差異が明白にあるであろう。他方で、有効信号伝達特性M(z)は、第二径路2の伝達特性S(z)、及び、加齢、温度、聴取者が異なることなど起因したその変動に、依存しない。
Y(z) = S(z)・V(z) = S(z)・(E(z)−X(z))
E(z) = W(z)・U(z) = W(z)・(Y(z)−X(z))
図3のシステムの有効信号伝達特性M(z)は、それゆえ、
M(z) = (S(z)−W(z)・S(z))/(1−W(z)・S(z))
lim[(W(z)・S(z))→1] M(z) T M(z)→\
lim[(W(z)・S(z))→0] M(z) T M(z)→S(z)
lim[(W(z)・S(z))→±\] M(z) T M(z)→1.
図3のシステムの動作は、図2のシステムの動作と類似することが、上記方程式から理解可能できる。唯一の違いは、開ループ伝達関数(W(z)・S(z))が0に近づくと、有効信号伝達特性M(z)は、S(z)に近づくということである。図1のシステムのように、図3のシステムは、第二径路2の伝達特性S(z)、及び、加齢、温ど、視聴者が異なることなどに起因したその変動に依存する。
Y(z) = S(z)・V(z) = S(z)・(E(z)−X(z)/S(z))
E(z) = W(z)・U(z) = W(z)・(Y(z)−X(z))
図4のシステムの有効信号伝達特性M(z)は、それゆえ、
M(z) = (1−W(z)・S(z))/(1−W(z)・S(z)) = 1
上記方程式から理解できるように、マイク出力信号y[n]は、有効信号x[n]と同一であり、これは、もし等化フィルタが正確に第二径路の伝達特性S(z)の逆数であるなら、信号x[n]がシステムによって変更されないことを意味する。等化フィルタ10は、最良の結果のために、最小位相フィルタであってよい。すなわち、その実際の伝達関数を、第2径路伝達関数S(z)の、理想的には最小位相の、逆数への最適近似のためであり、したがって、y[n]=x[n]とするためである。この構成は、理想的なリニアライザとして作動し、すなわち、それは、スピーカ3から聴取者の耳を表すマイク4へのその伝達からの結果である有効信号のいかなる劣化をも補償する。それは、それゆえに、ヘッドホンの音響特性によってあらゆる負の効果が生じることなく、有効信号が供給源によって提供されるように聴取者に到達するように、有効信号x[n]への第二径路S(z)の妨害作用を補償又は直線化する。すなわちY[z]=X[z]である。したがって、このような線形化フィルタの助けを借りて、貧弱に設計されたヘッドホンの音声などを音響的に完璧に、すなわち線形なものに、調整することが可能である。
Y(z) = S(z)・V(z) = S(z)・(E(z)−X(z))
E(z) = W(z)・U(z) = W(z)・(Y(z)−S(z)・X(z))
図5のシステムの有効信号伝達特性M(z)は、それゆえ、
M(z) = S(z)・(1+W(z)・S(z))/(1+W(z)・S(z)) = S(z)
上記方程式から、ANCシステムが動作状態である場合、有効信号伝達特性M(z)は、第二径路伝達関数S(z)と同一であることが理解できる。ANCシステムが動作状態でない場合、有効信号伝達特性M(z)は、また、第二径路伝達関数S(z)と同一である。それゆえ、マイク4に接近した場所の聴取者にとっての有効信号の聴取時の印象は、雑音低減が動作状態かそうでないかにかかわらず、同じである。
H(s) = Zo(s)/Zi(s) = 1+(R22/R21)・(1/(1+sC23R22)),
ここでZi(s)はフィルタの入力インピーダンスであり、Zo(s)はフィルタの出力インピーダンスであり、R21は抵抗器21の抵抗値であり、R22は抵抗器22の抵抗値であり、そしてC23はコンデンサ23の容量である。フィルタはコーナー周波数f0を有し、ここでf0は1/2πC23R22 である。低周波数での利得GLは低周波数(≒0 Hz)でGL = 1+(R22/R21)であり、高周波数(≒∞ Hz)での利得GHはGH=1である。利得GLとコーナー周波数f0は、例えば使用される音響機器(スピーカ―部屋―マイクのシステム)により決定される。
あるコーナー周波数f0について、抵抗器21および22の抵抗値R21、R22は以下のとおりである:
R22 = 1/2πf0C23
R21 = R22/(GL−1).
となる。
H(s) = Zo(s)/Zi(s)
= (R26/R25)・((1+sC28(R25+R27))/(1+sC28R27))
で示される。
R25 = R26/GL
R27 = R26/(GH−GL).
となる。
C28 = (GH−GL)/2πf0R26.
再度、優決定系方程式があり、ここでは4つの変数があり、3つの方程式がある。したがって、一つの変数が設計者により選択されなければならず、この場合は抵抗26の抵抗値R26である。
H(s) = Zo(s)/Zi(s) = (1+sC30(R31+R32))/(1+sC30R31)
にて示される。
R31 = 1/2πf0C30
R32 = R31/(GH−1).
再び優決定系方程式が現れ、ここの場合、3つの変数があり式は2つしかない。従って、一つの変数がフィルタ設計者により何か他の要求事項またはパラメータすなわち、抵抗32の抵抗値R32などに従って選択しなければならない。これは有利なことである。なぜなら抵抗32の抵抗値は小さ過ぎるのも良くない。抵抗32はあまり小さくするべきではない。なぜならオペアンプの出力電流のうち抵抗32を通じて流れる電流の比率を低くするべきであるから。
H(s) = Zo(s)/Zi(s)
= (R36/R35)・(1+sC34R37)/(1+sC34(R36+R37))
ここで、C34 はコンデンサ34の容量、R35は低抗35の抵抗値R36は抵抗36のR37は抵抗37の抵抗値。
R35 = R36
R37 = GH・R36/(1−GH).
コンデンサ34の容量は次式で表される。
C34 = (1−GH)/2πf0R36.
抵抗36はあまり小さくするべきではない。なぜならオペアンプの出力電流のうち抵抗36を通じて流れる電流の比率を低くするべきであるから。
H(s)=Zo(s)/Zi(s)=(1+sC40R41)/(1+sC40(R39+R41))
であり、ここで、R39は抵抗器39の抵抗であり、C40はコンデンサ40のコンデンサンスであり、R41は抵抗器41の抵抗であり、R42は抵抗器42の抵抗である。フィルタは、角周波数f0=1/2πC40(R39+R41)を有する。低周波(≒0Hz)の利得GLは、GL=1であり、高周波(≒∞Hz)の利得GHは、GH=R41/(R39+R41)<1である。利得GHおよび角周波数f0は、例えば、使用する音響システム(スピーカ−部屋−マイクロホンシステム)によって決定してもよい。ある角周波数f0に対し、抵抗器39および41の抵抗R39、R41は、
R39=GHR42/(1−GH)
R41=(1−GH)/2πf0R42
である。抵抗器42は、抵抗器42を通って流れる演算増幅器の出力電流の共有を低く保つために、あまり小さくするべきではない。
H(s)=Zo(s)/Zi(s)=(1+sC60R62)/(1+sC60(R61+R62))
であり、ここで、C60はコンデンサ60のコンデンサンスであり、R61は抵抗器61の抵抗であり、R62は抵抗器62の抵抗である。フィルタは、角周波数f0=1/2πC40(R61+R62)を有する。低周波(≒0Hz)の利得GLは、GL=1であり、高周波(≒∞Hz)の利得GHは、GH=R62/(R61+R62)である。ある角周波数f0に対し、抵抗器61および62の抵抗R61、R62は
R61=(1−GH)/2πf0C60
R62=GH/2πf0C60
である。
H(s)=Zo(s)/Zi(s)=R64(1+sC65R63)/((R63+R64)+sC65R63R64)
であり、ここで、R63は抵抗器63の抵抗であり、R64は抵抗器64の抵抗であり、C65はコンデンサ65のコンデンサンスである。フィルタは、角周波数f0=(R63+R64)/2πC65R63R64)を有する。高周波(≒∞Hz)の利得GHはGH=1であり、低周波(≒0Hz)の利得GLは、GL=R64/(R63+R64)である。ある角周波数f0に対し、抵抗器61および62の抵抗R61、R62は
R63=1/2πf0C65GL
R64=1/2πf0C65(1−GL)
である。
H(s)=Zo(s)/Zi(s)
=(1+sC70R68+s2C70L69)/(1+sC70(R67+R68)+s2C70(L66+L69))
であり、ここで、L66はインダクタ66のインダクタンスであり、R67は抵抗器67の抵抗であり、R68は抵抗器68の抵抗であり、L69はインダクタ69のインダクタンスであり、C70はコンデンサ70のコンデンサンスである。フィルタは角周波数f0=1/(2π(C70(L66+L69))−1/2)および性質係数Q=(1/(R67+R68))・((L66+L69)/C70)−1/2)を有する。低周波(≒0Hz)の利得GLはGL=1であり、高周波(≒∞Hz)の利得GHはGH=L69/(L66+L69)である。ある角周波数f0に対し、抵抗R67、コンデンサンスC70、およびインダクタンスL69は、
L69=(GHL66)/(1−GH)
C70=(1−GH)/((2πf0)2L66)および
R68=((L66+L69)/C70)−1/2−R67Q)/Q
である。
H(s)=Zo(s)/Zi(s)
=C71(1+sC75R73+s2C75L74)/((C71+C75)+sC71C75(R72+R73)+s2C71C75L74)
であり、ここで、C71はコンデンサ71のコンデンサンスであり、R72は抵抗器72の抵抗であり、R73は抵抗器73の抵抗であり、L74はインダクタ74のインダクタンスであり、C75はコンデンサ75のコンデンサンスである。フィルタは角周波数f0=((C71+C75)/(4π2(L74C71C75))−1/2
および性質係数Q=(1/(R72+R73))・((C71+C75)L74/(C71C75))−1/2を有する。高周波(≒∞Hz)の利得GHはGH=1であり、低周波(≒0Hz)の利得GLは、GL=C71/(C71+C75)である。ある角周波数f0に対し、抵抗R73、コンデンサンスC75、およびインダクタンスL74は
C75=(1−GL)C71/GL
L74=1/((2πf0)2C71(1−GL))および
R73=((L74/(C70(1−GL)))−1/2/Q)−R72である。
H(s)=(b0+b1s+b2s2)/(a0+a1s+a2s2)
であり、ここで、
b0=R84R87aR88+R87bR88R+R87aR88R+R84R87bR88+R84R87bR82+R84R87aR82+R84R87aR87b+R87aR87bR+RR87bR82+RR87aR82
b1=R87aC80R82RR88+RC83R88R82R87b+R84R87bR88C83R82+R87aC83R82RR88+R84R87aR88C83R82+R84R87aR87bC80R82+R84R87aR88C80R82+R84R87bR88C80R82+R87aC80R82RR87b+C80R82R78RR87b+RC80R88R82R87b+R84R87aR87bC83R82+R87aC83R82RR87b
b2=R87aR82R88RC80C83R78+RR87bR88C80C83R82R78+R84R87bR88C80C83R82R78+R84R87aR88C80C83R82R78+R84R87aR87bC80C83R82R78+RR87aR87bC80C83R82R78
a0=R84R87bR82+R84R87aR82+R84R87bR88+R84R87aR88+R84R87aR87b,
a1=R84R87bR88C80R82+R84R87bR88C83R82+R84R87aR88C83R82+R84R87aR88C80R82+R84R87aR87bC83R82+R84R87aR87bC80R82−R87aR82C80RR78
a2=R84R87bR88C80C83R82R78+R84R87aR88C80C83R82R78+R84R87aR87bC80C83R82R78
であり、ここで、抵抗器Xは抵抗RX(X=78、82、84、85、86、87a、87b、88)を有し、コンデンサY(Y=80、83)はコンデンサンスCYを有し、R85=R86=Rである。
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