JP2021157046A - Analog ANC control system - Google Patents

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健 金内
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Abstract

To provide an ANC system which can respond well to sudden changes in sound and is less likely to cause howling.SOLUTION: An analog ANC control system S comprises: a microphone 1 which detects sound and outputs the sound as a detection signal; an analog ANC circuit 2 which converts the detection signal with phase conversion and outputs the converted signal as an ANC control signal; and a speaker which generates control sound. The analog ANC circuit 2 inverts the phase of the detection signal and increases or decreases the amplitude. A plurality of gain and phase conversion elements 5 having different phase conversion characteristics between the microphone 1 and the analog ANC circuit 2 is provided in parallel. A phase difference ωτ between a phase of a sound wave Aeiωt detected by the microphone 1 and a phase of a control sound wave F=-A×Beiωt+φ/(1+Beiφ) emitted from the speaker 3 is adjusted to -90°<ωτ<-90°.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、音を検出して検出信号として出力するマイクロフォンと、前記検出信号を受け入れて、当該検出信号を位相変換を伴って変換してANC制御信号として出力するアナログANC回路と、前記ANC制御信号を受け入れて、制御音を発生するスピーカとを備えて構成され、
前記アナログANC回路において、前記検出信号の位相を反転させるとともに、振幅の増減を行うANC制御システムに関する。
The present invention includes a microphone that detects sound and outputs it as a detection signal, an analog ANC circuit that accepts the detection signal, converts the detection signal with phase conversion, and outputs it as an ANC control signal, and the ANC control. It is configured with a speaker that accepts signals and produces control sounds.
The present invention relates to an ANC control system that inverts the phase of the detection signal and increases / decreases the amplitude in the analog ANC circuit.

ANC(Active Noise Control)制御としては、制御をデジタル的に行う技術(以下、デジタルANCと呼ぶ)が知られている。特許文献1に記載の技術はこの例である。 As ANC (Active Noise Control) control, a technique for digitally performing control (hereinafter, referred to as digital ANC) is known. The technique described in Patent Document 1 is an example of this.

一方、発明者らは、特許文献2において、雑音により発生する窓ガラスGの制振技術を提案している。この制振制御においては、ピックアップ11、アナログ回路12、アンプ13、加振器14、ピックアップ11間に形成される帰還回路において、制御対象である窓ガラスに発生する振動を、その帰還回路で調整される特定周波数の位相に注目して抑制する。 On the other hand, the inventors have proposed in Patent Document 2 a vibration damping technique for the window glass G generated by noise. In this vibration suppression control, in the feedback circuit formed between the pickup 11, the analog circuit 12, the amplifier 13, the exciter 14, and the pickup 11, the vibration generated in the window glass to be controlled is adjusted by the feedback circuit. Focusing on the phase of the specific frequency to be suppressed.

音を一種の振動とみなすと、特許文献2に開示の技術において、ピックアップはマイクロフォンに相当し、加振器がスピーカに相当する。この技術では、アナログ回路及びアンプが位相反転及び振幅増減機能を担う。 If sound is regarded as a kind of vibration, in the technique disclosed in Patent Document 2, the pickup corresponds to a microphone and the exciter corresponds to a speaker. In this technique, analog circuits and amplifiers are responsible for phase inversion and amplitude increase / decrease functions.

そして、ピックアップ11にて計測される振動加速度Aeiωtの位相と加振器14へ入力される調整信号の位相との位相差ωτを、−90°(π/2)<ωτ<90°(π/2)の範囲内に調整するアナログ回路12から成る位相調整部を備える。 Then, the phase difference ωτ between the phase of the vibration acceleration Ae iωt measured by the pickup 11 and the phase of the adjustment signal input to the exciter 14 is set to −90 ° (π / 2) <ωτ <90 ° (π). A phase adjusting unit including an analog circuit 12 for adjusting within the range of / 2) is provided.

このアナログ回路には、公知のローパスフィルターや位相操作専用のグラフィックイコライザーを採用する(段落〔0025〕)。 A known low-pass filter and a graphic equalizer dedicated to phase operation are adopted for this analog circuit (paragraph [0025]).

特開平7−210175号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-210175 特開2018−22029号公報JP-A-2018-22029

しかしながら、デジタルANCでは、消音対象とする音(外部音、例えば騒音)の急激な変化に対応できない。理由は、主要な処理過程をデジタル領域で行うため、システム内でA/D変換、D/A変換が必須となる。結果、制御に数十msec程度の遅延が生じる。また、Filtered−X LMS等の適応制御により逆位相音を発生させる場合、変化に応じたFilter係数の更新が必要であるが、急激な変化にも対応しようとすると収束速度と推定制度の調整パラーメーターであるステップサイズパラメータを大きくする必要があり、ロバスト性が低下する。 However, the digital ANC cannot cope with a sudden change in the sound to be muted (external sound, for example, noise). The reason is that since the main processing process is performed in the digital domain, A / D conversion and D / A conversion are indispensable in the system. As a result, a delay of about several tens of msec occurs in the control. In addition, when generating anti-phase sound by adaptive control such as Filtered-X LMS, it is necessary to update the Filter coefficient according to the change, but when trying to cope with a sudden change, the adjustment speed of the convergence speed and the estimation system is paralyzed. It is necessary to increase the step size parameter, which is a meter, and the robustness is reduced.

さらに、特許文献1に開示の技術では、所定の周波数における増音状態を回避するためのフェールセーフ制御を行い、制御の停止、制御の初期化を行うが、根本的な増音回避を行っているとは言えず、改善の余地がある。 Further, in the technique disclosed in Patent Document 1, fail-safe control is performed to avoid a sound increase state at a predetermined frequency, control is stopped, and control is initialized, but fundamental sound increase avoidance is performed. It cannot be said that there is, and there is room for improvement.

特許文献2に記載の技術では、アンプの前にローパスフィルター、グラフィックイコライザーを付加して位相調整を行うことを記載しているが、この構成では、特定周波数に対する位相、利得の調整が可能となるものの、特定周波数以外の周波数範囲での騒音の増幅が避けられず、場合によっては消音対象とする周波数範囲でハウリングが発生する可能性もある。 In the technique described in Patent Document 2, it is described that a low-pass filter and a graphic equalizer are added in front of the amplifier to adjust the phase, but in this configuration, the phase and gain can be adjusted with respect to a specific frequency. However, amplification of noise in a frequency range other than a specific frequency is unavoidable, and in some cases howling may occur in the frequency range to be muted.

この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、音の急激な変化にも対応でき、さらにハウリングが低減されたANCシステムを提供する点にある。 In view of this situation, a main problem of the present invention is to provide an ANC system that can cope with a sudden change in sound and further reduces howling.

本発明の第1特徴構成は、
音を検出して検出信号として出力するマイクロフォンと、前記検出信号を受け入れて、当該検出信号を位相変換を伴って変換してANC制御信号として出力するアナログANC回路と、前記ANC制御信号を受け入れて、制御音を発生するスピーカとを備えて構成され、
前記アナログANC回路において、前記検出信号の位相を反転させるとともに、振幅の増減を行うアナログANC制御システムであって、
前記マイクロフォンと前記アナログANC回路との間に、位相変換特性の異なる複数の利得・位相変換要素を並列に備え、
所定の周波数範囲において、前記マイクロフォンで検出する音波Aeiωtの位相と、前記スピーカから発生する制御音波F=−A×Beiωt+b/(1+Beib)との位相差ωτを−90°<ωτ<90°に調整してある点にある。
The first characteristic configuration of the present invention is
A microphone that detects sound and outputs it as a detection signal, an analog ANC circuit that accepts the detection signal, converts the detection signal with phase conversion and outputs it as an ANC control signal, and accepts the ANC control signal. It is configured with a speaker that produces a control sound,
An analog ANC control system that inverts the phase of the detection signal and increases or decreases the amplitude in the analog ANC circuit.
A plurality of gain / phase conversion elements having different phase conversion characteristics are provided in parallel between the microphone and the analog ANC circuit.
In a predetermined frequency range, the phase difference ωτ between the phase of the sound wave Ae iωt detected by the microphone and the control sound wave F = −A × Be iωt + b / (1 + Be ib) generated from the speaker is −90 ° <ωτ <90. It is at the point where it is adjusted to °.

〔ここで、nを利得・位相変換要素の個数とし、Σは全ての利得・位相変換要素の合算を、利得・位相変換要素それぞれの利得をFn、位相をθn、スピーカ特性、スピーカとマイク間伝達関数、マイク特性を総合した利得をS、位相をφとして、Beib=Σ(Fiθn)×Seiφである〕 [Here, n is the number of gain / phase conversion elements, Σ is the sum of all gain / phase conversion elements, the gain of each gain / phase conversion element is Fn, the phase is θn, the speaker characteristics, and between the speaker and the microphone. Be ib = Σ (F n e iθn ) × Se iφ, where S is the total gain of the transmission function and microphone characteristics and φ is the phase]

本特徴構成によれば、A/D変換、D/A変換、DSP(Distal Signal Processer)を用いた制御ではなく、マイクロフォンとスピーカとの間に、複数の利得・位相変換要素を備え、それらの出力をアナログANC回路に送り処理するため、この処理はアナログ空間での処理とできる。結果、数十μsec程度の短時間の遅延時間で対象周波数帯に対して即座に逆位相の音(制御音)を発生させることができる。即ち、急激な変動雑音(例えば、回転機械等起動時の急激な変化音、ボイラーのようなランダムに周波数が変化する低周波音、いびきのような時変性を有する音)に対応できる。 According to this feature configuration, instead of controlling using A / D conversion, D / A conversion, and DSP (Distal Signal Processor), a plurality of gain / phase conversion elements are provided between the microphone and the speaker, and they are provided. Since the output is sent to the analog ANC circuit for processing, this processing can be performed in analog space. As a result, it is possible to immediately generate a sound (control sound) having an opposite phase with respect to the target frequency band with a short delay time of about several tens of μsec. That is, it is possible to deal with sudden fluctuation noise (for example, a sudden change sound at the time of starting a rotating machine or the like, a low frequency sound such as a boiler whose frequency changes randomly, a sound having time deficiency such as snoring).

さらに、帰還回路における、所定の周波数範囲に関して、前記マイクロフォンで検出する音波Aeiωtの位相と、前記スピーカから発生する制御音波F=−A×Beiωt+b/(1+Beib)との位相差ωτを−90°<ωτ<−90°に調整することで、この周波数範囲における、増音、更にはなはだしい場合のハウリングを抑制できる。 Further, in the feedback circuit, the phase difference ωτ between the phase of the sound wave Ae iωt detected by the microphone and the control sound wave F = −A × Be iωt + b / (1 + Be ib) generated from the speaker with respect to a predetermined frequency range is −. By adjusting 90 ° <ωτ <−90 °, it is possible to suppress sound increase and howling in a severe case in this frequency range.

この様に、帰還回路における位相差を所定の有限値の範囲内に収めることにより、増音、ハウリングの抑制が行えることについては、後の実施形態において具体的に説明する。 As described above, the fact that the sound increase and howling can be suppressed by keeping the phase difference in the feedback circuit within a predetermined finite value range will be specifically described in a later embodiment.

ここで、特許文献2に記載の技術からの差異に関して説明すると、特許文献2に記載の、技術に準じて、ローパスフィルター等で特定周波数(特に高周波側でハウリングする可能性が高い周波数)の利得を下げることを試みた場合、利得変化量に応じてハウリング周波数がシフトしてしまい、所定の周波数範囲にハウリング周波数が現れ望み通りの位相調整をすることが困難となる場合がある。 Here, the difference from the technique described in Patent Document 2 will be described. According to the technique described in Patent Document 2, the gain of a specific frequency (particularly the frequency at which there is a high possibility of howling on the high frequency side) with a low-pass filter or the like. If an attempt is made to lower the frequency, the howling frequency shifts according to the amount of gain change, and the howling frequency may appear in a predetermined frequency range, making it difficult to adjust the phase as desired.

例えば、位相制御用に利得・位相制御要素の一種としてのローパスフィルターを追加した場合、後述する図5に示す例では、1000Hz以上となる高周波数側の低減により、700Hz〜1000Hz近傍で問題とする位相差が極度に低下する領域が現れている。図6、図7に示す例は、図5で出現する1000Hz以下の周波数帯におけるハウリングの低減を目的とするが、図6に示す例では、矢印h2、h3に示す周波数(150Hz近辺、750Hz近辺)で、図7に示す例では、これら矢印h2、h3に示す周波数に加えて、矢印h4、h5に示す周波数(280Hz、420Hz)で、ハウリングが発生する可能性があることを示している。 For example, when a low-pass filter as a kind of gain / phase control element is added for phase control, in the example shown in FIG. 5 described later, a problem occurs in the vicinity of 700 Hz to 1000 Hz due to the reduction on the high frequency side of 1000 Hz or higher. There is a region where the phase difference is extremely low. The examples shown in FIGS. 6 and 7 aim to reduce howling in the frequency band of 1000 Hz or less appearing in FIG. 5, but in the example shown in FIG. 6, the frequencies shown by arrows h2 and h3 (near 150 Hz, around 750 Hz). ) Shows that howling may occur at the frequencies (280 Hz, 420 Hz) indicated by the arrows h4 and h5 in addition to the frequencies indicated by the arrows h2 and h3.

しかしながら、本発明の構成においては、マイクロフォンが検出する音を、少なくとも並列される複数の利得・位相変換要素により調整することで、特定の利得・位相変換処理で生成されるハウリング周波数も別の利得・位相変換要素で軽減して利得・位相調整をすることができ、最終的にハウリングを回避することが可能になる。 However, in the configuration of the present invention, the howling frequency generated by a specific gain / phase conversion process is also obtained by adjusting the sound detected by the microphone by at least a plurality of gain / phase conversion elements arranged in parallel. -The phase conversion element can reduce the gain and phase adjustment, and finally howling can be avoided.

本発明で使用する利得・位相変換要素は少なくとも2個とし、必要に応じて他の要素と直列若しくは並列に利得・位相変換要素を増やすことで所定の周波数範囲での消音を良好に実現できる。 The number of gain / phase conversion elements used in the present invention is at least two, and by increasing the number of gain / phase conversion elements in series or in parallel with other elements as needed, muffling in a predetermined frequency range can be satisfactorily realized.

この種のアナログANC制御システムは、
音を検出して検出信号として出力するマイクロフォンと、前記検出信号を受け入れて、当該検出信号を位相変換を伴って変換してANC制御信号として出力するアナログANC回路と、前記ANC制御信号を受け入れて制御音を発生するスピーカとを備えて構成され、
前記アナログANC回路が、前記検出信号の位相を反転させるとともに振幅の増減を行うANC制御システムであって、
前記マイクロフォンと前記アナログANC回路との間に、利得・位相変換特性の異なる複数の利得・位相変換要素を並列に備え、
所定の周波数範囲において、前記マイクロフォンで検出する音波Aeiωtの位相と、前記スピーカから発生する制御音波F=−A×Bei((ωt+b))/(1+Beib)の位相差ωτが、所定の周波数範囲において、正側有限値(上記の例では90°)より小さく、負側有限値(上記の例では−90°)より大きい範囲内に調整されているアナログANC制御システムとなる。
This kind of analog ANC control system
A microphone that detects sound and outputs it as a detection signal, an analog ANC circuit that accepts the detection signal, converts the detection signal with phase conversion and outputs it as an ANC control signal, and accepts the ANC control signal. It is configured with a speaker that produces a control sound,
The analog ANC circuit is an ANC control system that inverts the phase of the detection signal and increases / decreases the amplitude.
A plurality of gain / phase conversion elements having different gain / phase conversion characteristics are provided in parallel between the microphone and the analog ANC circuit.
In a predetermined frequency range, the phase difference ωτ between the phase of the sound wave Ae iωt detected by the microphone and the control sound wave F = −A × Be i ((ωt + b)) / (1 + Be ib) generated from the speaker is predetermined. In the frequency range, the analog ANC control system is adjusted within a range smaller than the positive finite value (90 ° in the above example) and larger than the negative finite value (−90 ° in the above example).

本発明の第2特徴構成は、前記利得・位相変換要素が、ローパスフィルター、バンドパスフィルター、ハイパスフィルター、グラフィックイコライザー、位相反転要素の何れか或いはそれらの組み合わせである点にある。 The second characteristic configuration of the present invention is that the gain / phase conversion element is any one of a low-pass filter, a band-pass filter, a high-pass filter, a graphic equalizer, and a phase inversion element, or a combination thereof.

ローパスフィルター、バンドパスフィルター、ハイパスフィルター、グラフィックイコライザー、位相反転要素を、これまで説明してきた帰還回路に組み込んだ場合、その帰還回路に伝達特性に影響を及ぼし、後にも説明するように、少なくとも本発明で問題とする位相差ωτを好適な範囲内に収めることが可能となる。 When a low-pass filter, a band-pass filter, a high-pass filter, a graphic equalizer, and a phase inversion element are incorporated into the feedback circuit described above, the feedback circuit affects the transmission characteristics, and as will be described later, at least this book. It is possible to keep the phase difference ωτ, which is a problem in the invention, within a suitable range.

従って、これらの利得・位相変換要素の複数を適切に組み合わせることで、所定の周波数範囲で適切な消音を実現できる。 Therefore, by appropriately combining a plurality of these gain / phase conversion elements, appropriate muffling can be realized in a predetermined frequency range.

本発明の第3特徴構成は、
前記利得・位相変換要素として遮断周波数が異なる複数のローパスフィルターを備え、前記所定の周波数範囲より高い周波数範囲において位相差が−180°となるハウリング周波数に於ける利得が低減されている点にある。
The third characteristic configuration of the present invention is
A plurality of low-pass filters having different cutoff frequencies are provided as the gain / phase conversion element, and the gain at the howling frequency at which the phase difference is −180 ° in the frequency range higher than the predetermined frequency range is reduced. ..

この構成を採用することにより利得・位相変換要素として特定の遮断周波数を有するローパスフィルターを使用することで、その利得・位相変換要素の遮断周波数より高い周波数帯の利得を制限することができるとともに、遮断周波数の近傍で、位相差が反転するハウリング周波数が形成される場合が生じるが、このようにして形成される周波数での降リングを並列する他の利得・位相変換要素で調整できる。 By adopting this configuration, by using a low-pass filter having a specific cutoff frequency as a gain / phase conversion element, it is possible to limit the gain in a frequency band higher than the cutoff frequency of the gain / phase conversion element. A howling frequency in which the phase difference is inverted may be formed in the vicinity of the cutoff frequency, but the descending ring at the frequency thus formed can be adjusted by other gain / phase conversion elements in parallel.

本発明の第4特徴構成は、
前記位相差が−90°より小さくなる周波数において、前記利得・位相変換要素としてのバンドパスフィルターを備え、位相差が前記−90°より大きく調整されている点にある。
The fourth characteristic configuration of the present invention is
At a frequency where the phase difference is smaller than −90 °, a bandpass filter is provided as the gain / phase conversion element, and the phase difference is adjusted to be larger than −90 °.

この構成を採ると、バンドパスフィルターにより、そのバンドにおける利得及び位相差を調整でき、結果的に、所定の周波数範囲におけるシステムの位相差特性を所定有限値の範囲内(上記の例では+90°より小さく、−90°より大きい範囲内)に収めて、高周波数側でのハウリングのないアナログANC制御を実現できる。 With this configuration, the bandpass filter can adjust the gain and phase difference in that band, and as a result, the phase difference characteristics of the system in a predetermined frequency range are within a predetermined finite value range (+ 90 ° in the above example). It is possible to realize analog ANC control without howling on the high frequency side by keeping it in a smaller range (within a range larger than −90 °).

本発明の第5特徴構成は、
前記利得・位相変換要素として、グラフィックイコライザーを備え、前記所定の周波数範囲より高い周波数範囲に残存するハウリング周波数に於ける利得が低減されている点にある。
The fifth characteristic configuration of the present invention is
A graphic equalizer is provided as the gain / phase conversion element, and the gain at the howling frequency remaining in the frequency range higher than the predetermined frequency range is reduced.

本特徴構成によれば、
所定の周波数範囲より高い周波数範囲に残存するハウリング周波数に於ける利得をグラフィックイコライザーで適切に調整できる。
According to this feature configuration
The gain at the howling frequency remaining in the frequency range higher than the predetermined frequency range can be appropriately adjusted by the graphic equalizer.

結果、検出信号の位相を反転させるとともに、振幅の増減を行うアナログANC回路を備えたアナログANC制御システムにおいて、例えば、高周波側でハウリングが発生するといった、当該システムが消音しようとする周波数外でのハウリングを低減しながら、複数の利得・位相制御要素の並列付加により、デジタルANCシステムのような制御の発散がなくなり、安定した消音が可能になる。 As a result, in an analog ANC control system provided with an analog ANC circuit that inverts the phase of the detection signal and increases or decreases the amplitude, for example, howling occurs on the high frequency side, which is outside the frequency to be muted by the system. By adding a plurality of gain / phase control elements in parallel while reducing howling, control divergence unlike a digital ANC system is eliminated, and stable muffling becomes possible.

アナログANC制御システムの基本構成を示す図Diagram showing the basic configuration of an analog ANC control system 図1に示すシステムの利得及び位相差特性を示す図The figure which shows the gain and the phase difference characteristic of the system shown in FIG. 本発明に係るアナログANC制御システムの構成を示す図The figure which shows the structure of the analog ANC control system which concerns on this invention. 図3に示すシステムの信号の増減、利得及び位相差特性を示す図The figure which shows the signal increase / decrease, gain and phase difference characteristic of the system shown in FIG. LPF0を備えたシステムの信号の増減、利得及び位相差特性を示す図The figure which shows the signal increase / decrease, gain and phase difference characteristic of the system which provided LPF0. LPF0及びLPF1を備えたシステムの信号の増減、利得及び位相差特性を示す図The figure which shows the signal increase / decrease, gain and phase difference characteristic of the system which provided LPF0 and LPF1. LPF0〜LPF2を備えたシステムの信号の増減、利得及び位相差特性を示す図The figure which shows the signal increase / decrease, gain and phase difference characteristic of the system which provided LPF0 to LPF2. 別実施形態の図Diagram of another embodiment

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図1に、本発明に係るアナログANC制御システムS0の基本構成を示すとともに、図3に、位相調整を行う本発明に係るアナログANC制御システムSの構成を示している。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the basic configuration of the analog ANC control system S0 according to the present invention, and FIG. 3 shows the configuration of the analog ANC control system S according to the present invention that performs phase adjustment.

以下の説明にあたっては、先ず、図1に示す基本構成から説明する。
図1に示すように、アナログANC制御システムS0は、音を検出して検出信号として出力するマイクロフォン1と、マイクロフォン1により検出される検出信号を受け入れて、当該検出信号を位相変換を伴って変換してANC制御信号として出力するアナログANC回路2と、ANC制御信号を受け入れて、制御音を発生するスピーカ3とを備えて構成される。図上、アナログANC回路2は、その箱内にAmpと略記する。
In the following description, first, the basic configuration shown in FIG. 1 will be described.
As shown in FIG. 1, the analog ANC control system S0 receives a microphone 1 that detects sound and outputs it as a detection signal, and a detection signal detected by the microphone 1, and converts the detection signal with phase conversion. It is configured to include an analog ANC circuit 2 that outputs as an ANC control signal, and a speaker 3 that receives the ANC control signal and generates a control sound. In the figure, the analog ANC circuit 2 is abbreviated as Amp in the box.

アナログANC回路2においては、検出信号の位相を反転させるとともに、振幅の増減を行う。結果、外部音とスピーカ3からの制御音とが、重なり合うことにより消音を行うことができる。 In the analog ANC circuit 2, the phase of the detection signal is inverted and the amplitude is increased or decreased. As a result, the external sound and the control sound from the speaker 3 can be muted by overlapping each other.

ここで、外部音の音圧をA、制御音の音圧をF、マイクロフォン1→アナログANC回路2→スピーカ3→マイクロフォン1を経て形成される帰還回路の伝達関数の利得をB、当該伝達関数の位相をφとすると、制御音波はF=−A×Beiωt+φ/(1+Beiφ)となり、外部音波(複素領域での記載でAeiωt)と制御音波(複素領域での記載で−A×Beiωt+φ/(1+Beiφ))とが合成される結果、得られる減衰量ΔLはΔL=20log(1+Beiφ)となる。 Here, the sound pressure of the external sound is A, the sound pressure of the control sound is F, the gain of the transmission function of the feedback circuit formed via the microphone 1 → analog ANC circuit 2 → speaker 3 → microphone 1 is B, and the transmission function is concerned. When the phase and phi, the control wave F = -A × be iωt + φ / (1 + be iφ) next, -A × be in the description in the control wave (complex domain (Ae Aiomegati in the description of the complex region) outside waves As a result of combining iωt + φ / (1 + Be iφ)), the obtained attenuation amount ΔL is ΔL = 20 log (1 + Be ).

さて、発明者らは、有効な消音を実現するために、所定の周波数範囲において、外部音波Aeiωtの位相と、制御音波F=−A×Beiωt+φ/(1+Beiφ)の位相とが一定の関係を満たすようにアナログANC制御システムSを構築することが好ましいと考えている。 By the way, in order to realize effective sound deadening, the inventors have a constant phase of the external sound wave Ae iωt and the phase of the control sound wave F = −A × Be iωt + φ / (1 + Be ) in a predetermined frequency range. We believe that it is preferable to construct the analog ANC control system S so as to satisfy the relationship.

そこで、マイクロフォン1とアナログANC回路2との間に、利得・位相変換特性の異なる複数の利得・位相変換要素5を少なくとも並列に備え、所定の周波数範囲において、マイクロフォン1で検出する音波Aeiωtと、スピーカ3から発生する制御音波F=−A×Beiωt+b/(1+Beib)との間の位相差ωτを所定範囲内(−90°<ωτ<90°)に調整する。
〔ここで、nを利得・位相変換要素5の個数とし、Σは全ての利得・位相変換要素5の合算を、利得・位相変換要素それぞれの利得はFn、位相はθn、スピーカ特性、スピーカとマイク間伝達関数、マイク特性を総合した利得はS、位相はφを意味し、Beib=Σ(Fiθn)×Seiφである〕
この利得・位相変換要素5も当然に信号をアナログ的に処理する回路要素とする。
Therefore, a plurality of gain / phase conversion elements 5 having different gain / phase conversion characteristics are provided in parallel between the microphone 1 and the analog ANC circuit 2, and a sound wave Ae iωt detected by the microphone 1 in a predetermined frequency range is provided. , The phase difference ωτ between the control sound wave F = −A × Be iωt + b / (1 + Be ib ) generated from the speaker 3 is adjusted within a predetermined range (−90 ° <ωτ <90 °).
[Here, n is the number of gain / phase conversion elements 5, Σ is the sum of all gain / phase conversion elements 5, the gain of each gain / phase conversion element is Fn, the phase is θn, the speaker characteristics, and the speaker. The gain obtained by combining the inter-mic transmission function and the microphone characteristics is S, the phase is φ, and Be ib = Σ (F n e iθn) × Se ].
Naturally, the gain / phase conversion element 5 is also a circuit element that processes the signal in an analog manner.

図3に示した本発明に係るアナログANC制御システムSは、複数の利得・位相変換要素5として、3個のローパスフィルターLPF(LPF0〜LPF2)と、2個のバンドパスフィルターBPF(BPF1,BPF2)を組み合わせた例である。同図からも分かるように、ローパスフィルターLPF(LPF0〜LPF2)と、バンドパスフィルターBPF(BPF1,BPF2)の下手側(アナログANC回路2の前)には、それぞれアッテネータATT4を設けて、当該回路を経て得られる信号の利得調整を行っている。 The analog ANC control system S according to the present invention shown in FIG. 3 has three low-pass filters LPF (LPF0 to LPF2) and two bandpass filters BPF (BPF1, BPF2) as a plurality of gain / phase conversion elements 5. ) Is combined. As can be seen from the figure, an attenuator ATT4 is provided on the lower side (in front of the analog ANC circuit 2) of the low-pass filter LPF (LPF0 to LPF2) and the bandpass filter BPF (BPF1 and BPF2), respectively. The gain of the signal obtained through the above is adjusted.

LPF0とLPF1,2、BPF1、BPF2との関係は直列としており、LPF1、LPF2、BPF1、BPF2間の関係は並列としている。
この組み合わせ手法に関しては、後に詳細に説明する。
The relationship between LPF0 and LPF1, 2, BPF1, and BPF2 is in series, and the relationship between LPF1, LPF2, BPF1, and BPF2 is in parallel.
This combination method will be described in detail later.

このように複数の利得・位相変換要素5を組み合わせて用いることにより、所定の周波数範囲で帰還回路の伝達関数に関して、その位相差ωτをほぼ−90°<ωτ<90°とできる。
図3に示す例では、この所定の周波数範囲は20Hz以上1000Hz以下としており、この周波数範囲内の位相差ωτは、ほぼ−90°<ωτ<90°の範囲内に収まっている。
By using the plurality of gain / phase conversion elements 5 in combination in this way, the phase difference ωτ can be made approximately −90 ° <ωτ <90 ° with respect to the transfer function of the feedback circuit in a predetermined frequency range.
In the example shown in FIG. 3, the predetermined frequency range is 20 Hz or more and 1000 Hz or less, and the phase difference ωτ in this frequency range is within the range of approximately −90 ° <ωτ <90 °.

利得・位相変換要素5の選択方法に関して、順に説明する。
1.基本構成のアナログANC制御システムS0の特性
図2に、このアナログANC制御システムS0の利得及び位相差特性を示した。
この図では、周波数範囲は10〜10000Hzまでとした(図5において同じ)。
図からも判明するように、利得は周波数領域全域に亘って0を下回っている。しかしながら、1500Hz近辺h1で極小となり、それより高い周波数域で極大値を示すとともに、高周波側に向かうにしたがって、減増を繰り返しながら低下している。
The method of selecting the gain / phase conversion element 5 will be described in order.
1. 1. Characteristics of Analog ANC Control System S0 with Basic Configuration FIG. 2 shows the gain and phase difference characteristics of this analog ANC control system S0.
In this figure, the frequency range is from 10 to 10000 Hz (same in FIG. 5).
As can be seen from the figure, the gain is below 0 over the entire frequency domain. However, it becomes a minimum at h1 near 1500 Hz, shows a maximum value in a frequency region higher than that, and decreases while repeating a decrease and increase toward a high frequency side.

一方、位相差に関しては、10Hzから1000Hzに至るまで概略、−90°まで減少傾向を示し、利得が極小値となる1000Hzを越える周波数で位相差が−180°となる周波数が出現している。さらに、高周波に向かうと遅延に由来する位相差が大きくなるため、同位相と逆位相が繰り返し現れる。この位相差の増大が本発明において問題とする高周波側のハウリング要因となる。 On the other hand, with respect to the phase difference, a frequency that generally shows a decreasing tendency from 10 Hz to 1000 Hz and has a phase difference of −180 ° appears at a frequency exceeding 1000 Hz, which is the minimum value of the gain. Further, since the phase difference due to the delay increases toward a high frequency, the in-phase and the anti-phase repeatedly appear. This increase in phase difference becomes a howling factor on the high frequency side, which is a problem in the present invention.

位相差を示す(b)において、位相差が90°を超える範囲を「増音」と、位相差が−90°を下回る範囲を「増音・ハウリング」と記載しているが、増音は、アナログANC回路を通って再度マイクに入力される音が同位相になることであり、±を反転させて騒音を打ち消す本発明においては、位相差が−90°から−180°、90°〜180°となることで、ANC制御において効果的な減音を行えない範囲となり、位相差が−180°となる周波数が、ANC制御においてハウリングが発生する周波数である。 In (b) showing the phase difference, the range where the phase difference exceeds 90 ° is described as "increasing sound", and the range where the phase difference is less than -90 ° is described as "increasing sound / howling". , The sound that is input to the microphone again through the analog ANC circuit is in phase, and in the present invention that cancels the noise by inverting ±, the phase difference is from -90 ° to -180 °, 90 ° to When it becomes 180 °, it becomes a range in which effective sound reduction cannot be performed in ANC control, and the frequency at which the phase difference becomes −180 ° is the frequency at which howling occurs in ANC control.

2.本発明に係るアナログANC制御システム
このアナログANC制御システムSを図3に示した。アナログANC制御システムSに備える、複数の利得・位相変換要素5の遮断周波数を以下の表1に示した。
2. Analog ANC control system according to the present invention This analog ANC control system S is shown in FIG. The cutoff frequencies of the plurality of gain / phase conversion elements 5 provided in the analog ANC control system S are shown in Table 1 below.

Figure 2021157046
Figure 2021157046

ハイパスフィルターBPFに関しては、遮断周波数の下限及び上限をローパスフィルターLPF及びハイパスフィルターHPFとして記載した。 Regarding the high-pass filter BPF, the lower and upper limits of the cutoff frequency are described as the low-pass filter LPF and the high-pass filter HPF.

図4に、このアナログANC制御システムSの信号の増減、利得及び位相差特性を示した。
この図では、周波数範囲として10〜1000Hzまでを示した(図6,7において同じ)。
図4において、太破線で示しているのが、図1に示す基本構成のアナログANC制御システムS0に全ての利得・位相変換要素5を追加したシステム(図3に示すアナログANC制御システムS)の特性である。
FIG. 4 shows the signal increase / decrease, gain, and phase difference characteristics of the analog ANC control system S.
In this figure, the frequency range is shown from 10 to 1000 Hz (same in FIGS. 6 and 7).
In FIG. 4, the thick broken line shows the system (analog ANC control system S shown in FIG. 3) in which all the gain / phase conversion elements 5 are added to the analog ANC control system S0 having the basic configuration shown in FIG. It is a characteristic.

アナログANC制御システムSの特性を見ると、利得に関しては、全ての周波数範囲(10〜1000Hz)でほぼ−となっており、位相差ωτに関しては、注目している周波数範囲(20Hz以上1000Hz)において、−90°<ωτ<90°となる条件をほぼ満足している。さらに、ハウリングの要因となる位相差ωτが−180°となる周波数は存在しない。即ち、位相差ωτは、+90°より小さく、−90°より大きい範囲内で、横軸周波数、縦軸位相差で記載した特性線が有限値内でなめらかに繋がっている。 Looking at the characteristics of the analog ANC control system S, the gain is almost-in the entire frequency range (10 to 1000 Hz), and the phase difference ωτ is in the frequency range of interest (20 Hz or more and 1000 Hz). , -90 ° <ωτ <90 ° is almost satisfied. Furthermore, there is no frequency at which the phase difference ωτ that causes howling is −180 °. That is, the phase difference ωτ is smaller than + 90 ° and larger than −90 °, and the characteristic lines described by the horizontal axis frequency and the vertical axis phase difference are smoothly connected within a finite value.

以下、上記のような利得・位相変換要素5の組み合わせ手法に関して説明する。 Hereinafter, the combination method of the gain / phase conversion element 5 as described above will be described.

3.LPF0のみの付加
図5に、基本構成のアナログANC制御システムS0にLPF0のみを備えたシステムの特性を示している。
このシステムにあっては、LPF0の遮断周波数を500Hzに選択していることから、この遮断周波数より高周波数側において利得は充分低減される。ただし、100Hz以下の減音効果は小さい。位相差をみると、ハウリングの要因となる周波数が700Hz近辺から出現し、順次高周波側に現れている。
3. 3. Addition of LPF0 Only FIG. 5 shows the characteristics of a system in which only LPF0 is provided in the analog ANC control system S0 having a basic configuration.
In this system, since the cutoff frequency of LPF0 is selected to 500 Hz, the gain is sufficiently reduced on the higher frequency side than this cutoff frequency. However, the sound reduction effect below 100 Hz is small. Looking at the phase difference, frequencies that cause howling appear from around 700 Hz, and sequentially appear on the high frequency side.

4.LPF0、LPF1の付加
このアナログANC制御システムは、基本構成のアナログANC制御システムS0にLPF0、LPF1を備える。そのシステムの特性を図6に示した。
このシステムにあっては、LPF1の遮断周波数をLPF0の遮断周波数500Hzより低い100Hzに選択している。太実線で、基本構成のアナログANC制御システムS0にLPF0のみを付加した場合の結果を、点線でLPF0に加えてLPF1を付加した結果を示した。
特性を参照すると、図5で減音が不足している100Hz以下の周波数域において60Hz前後まで減音できている。ただし、この場合、150Hz近辺h2、さらに750Hz近辺h3にハウリング周波数が出現する。
4. Addition of LPF0 and LPF1 This analog ANC control system includes LPF0 and LPF1 in the analog ANC control system S0 having a basic configuration. The characteristics of the system are shown in FIG.
In this system, the cutoff frequency of LPF1 is selected to 100 Hz, which is lower than the cutoff frequency of LPF0 of 500 Hz. The thick solid line shows the result when only LPF0 is added to the analog ANC control system S0 having the basic configuration, and the dotted line shows the result when LPF1 is added in addition to LPF0.
With reference to the characteristics, it is possible to reduce the sound to around 60 Hz in the frequency range of 100 Hz or less, which is insufficient in the sound reduction in FIG. However, in this case, the howling frequency appears at h2 near 150 Hz and further at h3 near 750 Hz.

5.LPF0、LPF1、LPF2の付加
このアナログANC制御システムは、基本構成のアナログANC制御システムS0にLPF0、LPF1,HPF2を備える。そのシステムの特性を図7に示した。
LPF2の遮断周波数を、LPF0の遮断周波数500Hzより低く且つLPF1の遮断周波数100Hzより高い300Hzに選択している。太実線及び点線は、図6の表記と同様である。さらに、長破線で、LPF0に加えてLPF2を付加した結果を示し、一点鎖線で、LPF0、LPF1、LPF2全てを備えた結果を示した。
5. Addition of LPF0, LPF1 and LPF2 This analog ANC control system includes LPF0, LPF1 and HPF2 in the analog ANC control system S0 having a basic configuration. The characteristics of the system are shown in FIG.
The cutoff frequency of LPF2 is selected to be 300 Hz, which is lower than the cutoff frequency of LPF0 of 500 Hz and higher than the cutoff frequency of LPF1 of 100 Hz. The thick solid line and the dotted line are the same as those shown in FIG. Further, the long dashed line shows the result of adding LPF2 in addition to LPF0, and the alternate long and short dash line shows the result of adding all of LPF0, LPF1 and LPF2.

特性を参照すると、LPF1より遮断周波数が高いLPF2で、150Hz近辺h2近辺、750Hzh3近辺、さらには250Hz近辺h4近辺に残存していたハウリングを相殺できている。LPF0の信号がLPF1のハウリングの相殺に役立っていると考えられる。
ただし、依然、425Hz近辺h5のハウリングが残っている。
With reference to the characteristics, LPF2 having a higher cutoff frequency than LPF1 can offset howling remaining in the vicinity of h2 near 150 Hz, in the vicinity of 750 Hz h3, and further in the vicinity of h4 near 250 Hz. It is considered that the signal of LPF0 helps to offset the howling of LPF1.
However, howling of h5 around 425 Hz still remains.

6.LPF0〜2、BPF1、2の付加
このシステムは、本発明に係るアナログANC制御システムSとなり、表1に示す全ての利得・位相変換要素5を付加したシステムである。
ここで、表1からも分かるように、BPF1は、そのLPFとしての遮断周波数が200Hzに、HPFとしての遮断周波数が400Hzとされるものである。一方、BPF2は、そのLPFとしての遮断周波数が700Hzに、HPFとしての遮断周波数が1000Hzとされるものである。
6. Addition of LPF0 to 2, BPF1 and 2 This system is the analog ANC control system S according to the present invention, and is a system to which all the gain / phase conversion elements 5 shown in Table 1 are added.
Here, as can be seen from Table 1, BPF1 has a cutoff frequency of 200 Hz as an LPF and a cutoff frequency of 400 Hz as an HPF. On the other hand, BPF2 has a cutoff frequency of 700 Hz as an LPF and a cutoff frequency of 1000 Hz as an HPF.

図4において、太実線は、基本構成のアナログANC制御システムS0にLPF0〜2の全てとBPF1を付加した結果を、点線は、基本構成のアナログANC制御システムS0にLPF0〜2の全てとBPF2を付加した結果を、それぞれ示している。
先にも示した様に、太破線が図3に示す本発明に係るアナログANC制御システムSの特性である。
図7(c)において、残存していた425Hz付近h5のハウリングが低減されている。
In FIG. 4, the thick solid line is the result of adding all of LPF0 to 2 and BPF1 to the analog ANC control system S0 having the basic configuration, and the dotted line is the result of adding all of LPF0 to 2 and BPF2 to the analog ANC control system S0 having the basic configuration. The added results are shown respectively.
As shown above, the thick broken line is the characteristic of the analog ANC control system S according to the present invention shown in FIG.
In FIG. 7 (c), the remaining howling of h5 near 425 Hz is reduced.

従って、以上の説明から本発明に係るアナログANC制御システムは構築されている。 Therefore, the analog ANC control system according to the present invention is constructed from the above description.

1.利得・位相変換要素5として遮断周波数が異なる複数のローパスフィルターLPF0〜2を備え、所定の周波数範囲(20〜400Hz)より高い周波数範囲において位相差が−180°となるハウリング周波数に於ける利得が低減される。 1. 1. A plurality of low-pass filters LPF0 to 2 having different cutoff frequencies are provided as the gain / phase conversion element 5, and the gain at the howling frequency at which the phase difference becomes −180 ° in the frequency range higher than the predetermined frequency range (20 to 400 Hz) is obtained. It will be reduced.

2.位相差が−90°より小さくなる周波数において、利得・位相変換要素5としてのバンドパスフィルターBPF1,2を備え、位相差が−100°より大きくなるように調整されている。これまでの説明では、位相差の下限値を90°として説明しているが、音環境によっては、位相差が−100°程度となっている場合でも許容できる場合があり、ハウリング自体を防止するという目的からは、位相差が−180°になることなく、位相差が所定の範囲内(上記の−100°〜+100°の範囲内)で、周波数領域における位相差が滑らかに繋がっていればよい。また、位相差が-180°となる場合であっても、利得が十分に下げることで、ハウリングを防止することができる。 2. Bandpass filters BPF1 and 2 as a gain / phase conversion element 5 are provided at frequencies where the phase difference is smaller than −90 °, and the phase difference is adjusted to be larger than −100 °. In the explanation so far, the lower limit of the phase difference is set to 90 °, but depending on the sound environment, even if the phase difference is about -100 °, it may be acceptable, and howling itself is prevented. For the purpose, if the phase difference does not become -180 °, the phase difference is within a predetermined range (within the above range of -100 ° to + 100 °), and the phase difference in the frequency domain is smoothly connected. good. Further, even when the phase difference is −180 °, howling can be prevented by sufficiently lowering the gain.

〔別実施形態〕
(1)上記の実施形態では、利得・位相変換要素5が、ローパスフィルターLPF、バンドパスフィルターBPFである例を示したが、グラフィックイコライザー、ハイパスバフィルター、位相反転要素の何れかも採用することができる。
[Another Embodiment]
(1) In the above embodiment, an example in which the gain / phase conversion element 5 is a low-pass filter LPF or a band-pass filter BPF is shown, but any of a graphic equalizer, a high-pass filter, and a phase inversion element can be adopted. can.

利得・位相変換要素5として、グラフィックイコライザーを使用する場合は、所定の周波数範囲より高い周波数範囲に残存するハウリング周波数に於ける利得を有効に低減できる。 When a graphic equalizer is used as the gain / phase conversion element 5, the gain in the howling frequency remaining in the frequency range higher than the predetermined frequency range can be effectively reduced.

(2)上記の実施の形態では、スピーカとして単一のスピーカ3を共通して使用する例を示したが、利得・位相変換要素5それぞれの下手側に、これら利得・位相変換要素に対応したスピーカ83を設けてもよい。この構成例を図8に示した。各利得・位相変換要素85の下手側(各スピーカ側)にアナログANC回路82を備えてアナログANC制御システムS´を構築できる。 (2) In the above embodiment, an example in which a single speaker 3 is commonly used as a speaker is shown, but these gain / phase conversion elements are supported on the lower side of each of the gain / phase conversion elements 5. The speaker 83 may be provided. An example of this configuration is shown in FIG. An analog ANC control system S'can be constructed by providing an analog ANC circuit 82 on the lower side (each speaker side) of each gain / phase conversion element 85.

1 マイクロフォン
2 アナログANC回路(位相逆転増幅回路・AMP)
3 スピーカ
4 アッテネータ
5 利得・位相変換要素
82 アナログANC回路
83 スピーカ
85 利得・位相変換要素(位相逆転増幅回路・AMP)
LPF ローパスフィルター(利得・位相変換要素)
BPF バンドパスフィルター(利得・位相変換要素)
S アナログANC制御システム
S´ アナログANC制御システム
S0 基本構造のアナログANC制御システム
1 Microphone 2 Analog ANC circuit (phase reversal amplifier circuit / AMP)
3 Speaker 4 Attenuator 5 Gain / phase conversion element 82 Analog ANC circuit 83 Speaker 85 Gain / phase conversion element (phase reversal amplifier circuit / AMP)
LPF low-pass filter (gain / phase conversion element)
BPF band path filter (gain / phase conversion element)
S Analog ANC control system S'Analog ANC control system S0 Basic structure analog ANC control system

Claims (5)

音を検出して検出信号として出力するマイクロフォンと、前記検出信号を受け入れて、当該検出信号を位相変換を伴って変換してANC制御信号として出力するアナログANC回路と、前記ANC制御信号を受け入れて制御音を発生するスピーカとを備えて構成され、
前記アナログANC回路が前記検出信号の位相を反転させるとともに振幅の増減を行うアナログANC制御システムであって、
前記マイクロフォンと前記アナログANC回路との間に、利得・位相変換特性の異なる複数の利得・位相変換要素を並列に備え、
所定の周波数範囲において、前記マイクロフォンで検出する音波Aeiωtの位相と、前記スピーカから発生する制御音波F=−A×Bei(ωt+b)/(1+Beib)の位相差ωτを−90°<ωτ<90°に調整してあるアナログANC制御システム。
〔ここで、nを利得・位相変換要素の個数とし、Σは全ての利得・位相変換要素の合算を、利得・位相変換要素それぞれの利得はFn、位相はθn、スピーカ特性とスピーカとマイク間伝達関数、マイク特性を総合した利得はS、位相はφを意味し、Beib=Σ(Fiθn)×Seiφである〕
A microphone that detects sound and outputs it as a detection signal, an analog ANC circuit that accepts the detection signal, converts the detection signal with phase conversion and outputs it as an ANC control signal, and accepts the ANC control signal. It is configured with a speaker that produces a control sound,
An analog ANC control system in which the analog ANC circuit inverts the phase of the detection signal and increases / decreases the amplitude.
A plurality of gain / phase conversion elements having different gain / phase conversion characteristics are provided in parallel between the microphone and the analog ANC circuit.
In a predetermined frequency range, the phase difference ωτ between the phase of the sound wave Ae iωt detected by the microphone and the control sound wave F = −A × Be i (ωt + b) / (1 + Be ib) generated from the speaker is −90 ° <ωτ. <Analog ANC control system adjusted to 90 °.
[Here, n is the number of gain / phase conversion elements, Σ is the sum of all gain / phase conversion elements, the gain of each gain / phase conversion element is Fn, the phase is θn, and the speaker characteristics and between the speaker and the microphone. The total gain of the transmission function and microphone characteristics means S, the phase means φ, and Be ib = Σ (F n e iθn ) × Se i φ ].
前記利得・位相変換要素が、ローパスフィルター、バンドパスフィルター、ハイパスフィルター、グラフィックイコライザー、位相反転要素の何れか或いはそれらの組み合わせである請求項1記載のアナログANC制御システム。 The analog ANC control system according to claim 1, wherein the gain / phase conversion element is any one of a low-pass filter, a band-pass filter, a high-pass filter, a graphic equalizer, and a phase inversion element, or a combination thereof. 前記利得・位相変換要素として遮断周波数が異なる複数のローパスフィルターを備え、前記所定の周波数範囲より高い周波数範囲において位相差が−180°となるハウリング周波数に於ける利得が低減されている請求項1又は2記載のアナログANC制御システム。 Claim 1 in which a plurality of low-pass filters having different cutoff frequencies are provided as the gain / phase conversion element, and the gain at a howling frequency in which the phase difference is −180 ° in a frequency range higher than the predetermined frequency range is reduced. Or the analog ANC control system according to 2. 前記位相差が−90°より小さくなる周波数において、前記利得・位相変換要素としてのバンドパスフィルターを備え、位相差が前記−90°より大きく調整されている請求項1〜3の何れか一項記載のアナログANC制御システム。 Any one of claims 1 to 3 provided with a bandpass filter as the gain / phase conversion element at a frequency at which the phase difference is smaller than −90 °, and the phase difference is adjusted to be larger than −90 °. The analog ANC control system described. 前前記利得・位相変換要素として、グラフィックイコライザーを備え、前記所定の周波数範囲より高い周波数範囲に残存するハウリング周波数に於ける利得が低減されている請求項1〜4の何れか一項記載のアナログANC制御システム。 The analog according to any one of claims 1 to 4, wherein a graphic equalizer is provided as the gain / phase conversion element, and the gain at the howling frequency remaining in the frequency range higher than the predetermined frequency range is reduced. ANC control system.
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