JP2022013132A

JP2022013132A - 能動型騒音制御システム

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Publication number: JP2022013132A
Application number: JP2020115493A
Authority: JP
Inventors: 良輔田地; Ryosuke Taji
Original assignee: Alps Alpine Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2040-07-03
Also published as: JP7527723B2

Abstract

【課題】ユーザの耳の変位によらずに騒音を良好にキャンセルできる「能動型騒音制御システム」を提供する。【解決手段】第１系信号処理部１１１において、第１系補助フィルタ１１１６はエラー信号を補正する補正信号を騒音信号から生成し、第１系減算器１１１５は補正信号を第１マイク１３の出力から減算しエラー信号とし、適応フィルタ（１１１１-１１１４）は、エラー信号を用いた適応動作を行って第１スピーカ１２から出力するキャンセル音を生成し、ＤＭＳ１８は、ユーザ耳の位置を検出する。コントローラ１６は、ＤＭＳ１８が検出した耳の位置の履歴より、所定時間未来の耳の位置を予測し、第１系補助フィルタ１１１６の伝達関数を、予測した位置に整合する騒音キャンセル位置に対応する伝達関数に更新する。【選択図】図３

Description

本発明は、騒音を打ち消す騒音キャンセル音を放射することにより騒音を低減する能動型騒音制御(ANC; Active Noise Control）の技術に関するものである。

騒音を打ち消す騒音キャンセル音を放射することにより騒音を低減する能動型騒音制御の技術としては、騒音キャンセル位置の近傍に配置したマイクとスピーカと、騒音源の出力信号もしくは当該出力信号を疑似した信号から、スピーカから出力する騒音キャンセル音を生成する適応フィルタとを設け、適応フィルタにおいて、マイクの出力を補助フィルタを用いて補正した信号をエラー信号として自身の伝達関数を適応する技術が知られている(たとえば特許文献１）。

ここで、この技術では、補助フィルタには、予め学習した、騒音キャンセル位置にマイクが配置されていた場合にマイクから出力される信号に、マイクが実際に出力する信号を補正する補正信号を騒音信号から生成できる伝達関数が設定されており、このような補助フィルタを用いることにより、マイクの位置と異なる騒音キャンセル位置において騒音をキャンセルしている。

特開２０１８-７２７７０号公報

上述した補助フィルタを用いてマイクの位置と異なる騒音キャンセル位置において騒音をキャンセルする技術を用いてユーザに聞こえる騒音をキャンセルする場合、ユーザの移動に伴って、ユーザの耳が騒音キャンセル位置からずれてしまうと、ユーザに聞こえる騒音を良好にキャンセルできなくなる場合がある。

そこで、異なる複数の騒音キャンセル位置について補助フィルタの伝達関数を学習しておき、ユーザの耳の変位に伴って、補助フィルタの伝達関数を、ユーザの耳の位置に対応する騒音キャンセル位置について学習した伝達関数に切り替えることにより、ユーザの耳の変位によらずにユーザに聞こえる騒音をキャンセルすることが考えられる。

しかし、この場合、ユーザの耳の移動が継続すると、補助フィルタの伝達関数の切り替えや、当該切り替え後の適応フィルタの適応が、ユーザの耳の変位に追いつかずに、騒音がユーザに聞こえてしまうことがある。

そこで、本発明は、ユーザの耳の変位によらずに騒音を良好にキャンセルできる能動型騒音制御システムを提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、騒音を低減する能動型騒音制御システムに、ユーザが音を聴取する位置である聴取位置を検出する位置検出手段と、制御手段と、騒音キャンセル音を出力するスピーカと、エラー信号を検出するマイクと、騒音を表す騒音信号に設定された伝達関数を施して補正信号を生成し出力する補助フィルタと、前記マイクの出力であるエラー信号を、前記補助フィルタが出力した補正信号で補正し補正後エラー信号として出力するエラー補正手段と、前記エラー補正手段が出力する補正後エラー信号を用いた適応動作を行って、前記騒音信号から前記スピーカから出力する騒音キャンセル音を生成する適応フィルタとを備えたものである。ここで、前記制御手段は、前記位置検出手段が検出した聴取位置の履歴より、所定時間長の時間分未来の聴取位置を予測すると共に、前記エラー補正手段に補正信号を出力する補助フィルタを、予め設定した複数の騒音キャンセル位置の各々に対応する補助フィルタ用伝達関数のうちの、予測した聴取位置に整合する騒音キャンセル位置に対応する補助フィルタ用伝達関数が設定された補助フィルタとする動作を行う。

ここで、このような能動型騒音制御システムにおいて、前記各騒音キャンセル位置に対応する補助フィルタ用伝達関数は、当該補助フィルタ用伝達関数が設定されたときに、前記補助フィルタが、当該補助フィルタ用伝達関数に対応する騒音キャンセル位置とマイクとの位置の差が補償されるように前記マイクの出力であるエラー信号がエラー補正手段によって補正される補正信号を出力する伝達関数とすることが好ましい。

また、以上の能動型騒音制御システムは、前記位置検出手段は、前記聴取位置として、自動車の所定の座席に着座したユーザの頭部もしくは耳の位置を検出するように構成してもよい。

また、前記課題達成のために、本発明は、騒音を低減する能動型騒音制御システムに、ユーザの左右の耳の位置を検出する位置検出手段と、制御手段と、右耳用騒音制御系統と左耳用騒音制御系統との二つの騒音制御系統とを備えたものである。各騒音制御系統は、騒音キャンセル音を出力するスピーカと、エラー信号を検出するマイクと、騒音を表す騒音信号に設定された伝達関数を施して補正信号を生成し出力する補助フィルタと、前記マイクの出力であるエラー信号を、前記補助フィルタが出力した補正信号で補正し補正後エラー信号として出力するエラー補正手段と、前記右耳用騒音制御系統の前記エラー補正手段が出力する補正後エラー信号と左耳用騒音制御系統の前記エラー補正手段が出力する補正後エラー信号を用いた適応動作を行って、前記騒音信号から前記スピーカから出力する騒音キャンセル音を生成する適応フィルタとを備えている。そして、前記制御手段は、第１騒音キャンセル位置と第２騒音キャンセル位置のセットを騒音キャンセル位置セットとして、前記位置検出手段が検出したユーザの左右の耳の位置の履歴より、所定時間長の時間分未来のユーザの左右の耳の位置のセットを予測すると共に、予め定めた複数の騒音キャンセル位置セットのうちの、予測したユーザの左右の耳の位置のセットに整合する騒音キャンセル位置セットである整合騒音キャンセル位置セットが変化したときに、前記右耳用騒音制御系統の前記エラー補正手段に補正信号を出力する補助フィルタを、予め設定した前記複数の騒音キャンセル位置セットの各々に対応する第１補助フィルタ用伝達関数のうちの、前記整合騒音キャンセル位置セットに対応する第１補助フィルタ用伝達関数が設定された補助フィルタとし、前記左耳用騒音制御系統の前記エラー補正手段に補正信号を出力する補助フィルタを、予め設定した前記複数の騒音キャンセル位置セットの各々に対応する第２補助フィルタ用伝達関数のうちの、前記整合騒音キャンセル位置セットに対応する第２補助フィルタ用伝達関数が設定された補助フィルタとする動作を行う。

ここで、このような能動型騒音制御システムにおいて、前記整合騒音キャンセル位置セットを、予測したユーザの右の耳の位置と第１騒音キャンセル位置とが整合し、予測したユーザの左の耳の位置と第２騒音キャンセル位置とが整合する騒音キャンセル位置セットとし、前記各騒音キャンセル位置セットに対応する第１補助フィルタ用伝達関数を、前記右耳用騒音制御系統において、当該第１補助フィルタ用伝達関数が設定されたときに、補助フィルタが、当該第１補助フィルタ用伝達関数に対応する騒音キャンセル位置セットの第１騒音キャンセル位置とマイクとの位置の差が補償されるように前記マイクの出力であるエラー信号がエラー補正手段によって補正される補正信号を出力する伝達関数とし、前記各騒音キャンセル位置セットに対応する第２補助フィルタ用伝達関数を、前記左耳用騒音制御系統において、当該第２補助フィルタ用伝達関数が設定されたときに、補助フィルタが、当該第２補助フィルタ用伝達関数に対応する騒音キャンセル位置セットの第２騒音キャンセル位置とマイクとの位置の差が補償されるように前記マイクの出力であるエラー信号がエラー補正手段によって補正される補正信号を出力する伝達関数とすることが好ましい。

また、このような能動型騒音制御システムは、前記位置検出手段において、自動車の所定の座席に着座したユーザの左右の耳の位置を検出するように構成してもよい。
ここで、以上の各能動型騒音制御システムにおいて、前記制御手段は、前記マイクの出力のレベルがより小さいほど、前記所定時間長を、より大きく設定することが好ましい。
以上のような能動型騒音制御システムによれば、補助フィルタの伝達関数を、所定長の時間分未来のユーザの耳の位置において騒音をキャンセルできる伝達関数となるように事前に更新できるので、ユーザの耳の変位が発生したときに、当該変位後のユーザの耳の位置において遅れなく騒音をキャンセルすることができる。

以上のように、本発明によれば、ユーザの耳の変位によらずに騒音を良好にキャンセルできる能動型騒音制御システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る能動型騒音制御システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る能動型騒音制御システムのスピーカとマイクの配置を示す図である。本発明の実施形態に係る信号処理ブロックの構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係るフィルタ管理テーブルを示す図である。本発明の実施形態に係るキャンセルポイントセットの設定法を示す図である。本発明の実施形態に係る補助フィルタの伝達関数の学習の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る補助フィルタの伝達関数の学習の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係るキャンセルポイント切替処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係る能動型騒音制御システムの構成を示す。
図示するように能動型騒音制御システム１は、信号処理ブロック１１、第１スピーカ１２、第１マイク１３、第２スピーカ１４、第２マイク１５、コントローラ１６、フィルタ管理テーブル１７、ユーザの頭部や耳の位置等を検知するＤＭＳ１８（Driver Monitoring System１８）を備えている。

そして、本実施形態に係る能動型騒音制御システム１は、自動車に搭載されるシステムであり、騒音キャンセルの対象とする自動車の座席である騒音キャンセル対象座席に着座したユーザの右耳の位置を第１キャンセルポイント、ユーザの左耳の位置を第２キャンセルポイントとして、２つのキャンセルポイントのそれぞれにおいて騒音源の発生する騒音をキャンセルするシステムである。

ここで、ＤＭＳ１８は、たとえば、図２ａ１、ａ２に示すように、騒音キャンセル対象座席（図では運転席）の前方に配置した近赤外線カメラ１８１により撮影した騒音キャンセル対象座席に着座したユーザの映像等よりユーザの頭部や耳の位置等を検知する。

また、図２ａ１、ａ２に示すように、第１スピーカ１２と第１マイク１３は、騒音キャンセル対象座席（図では運転席）のヘッドレストの、当該座席に着座したユーザの右耳の位置の近傍となる位置に配置し、第２スピーカ１４と第２マイク１５は、騒音キャンセルの対象とするユーザの座席のヘッドレストの、当該座席に着座したユーザの左耳の位置の近傍となる位置に配置する。

または、図２ｂ１、ｂ２に示すように、第１スピーカ１２を、自動車の車室の天井の、騒音キャンセル対象座席に着座したユーザの右耳の標準的な位置の前上方の位置に配置し、第２スピーカ１４を、車室の天井の、騒音キャンセル対象座席に着座したユーザの左耳の標準的な位置の前上方の位置に配置し、第１マイク１３を、ユーザの前方の天井の、第１スピーカ１２の右側の、第１スピーカ１２よりも騒音キャンセル対象座席よりの位置に配置し、第２マイク１５をユーザの前方の天井の、第２スピーカ１４の左側の、第２スピーカ１４よりも騒音キャンセル対象座席よりの位置に配置するようにしてもよい。なお、このように第１スピーカ１２、第２スピーカ１４を天井に配置する場合、第１スピーカ１２、第２スピーカ１４としては超指向性のパラメトリックスピーカを用いることが好ましい。

図１に戻り、信号処理ブロック１１は、騒音源の発生する騒音を表す騒音信号x(n)と、第１マイク１３でピックアップした音声信号である第１マイクエラー信号err1(n)と、第２マイク１５でピックアップした音声信号である第２マイクエラー信号err2(n)とを用いて、第１キャンセル信号CA1(n)を生成し第１スピーカ１２から出力すると共に、第２キャンセル信号CA2(n)を生成し第２スピーカ１４から出力する。

そして、第１スピーカ１２から出力される第１キャンセル信号CA1(n)と第２スピーカ１４から出力される第２キャンセル信号CA2(n)によって、第１キャンセルポイントと第２キャンセルポイントにおいて騒音源の発生する騒音がキャンセルされる。

次に、信号処理ブロック１１は、図３に示すように、主として、第１キャンセル信号CA1(n)の生成に関わる処理を行う第１系信号処理部１１１と、主として、第２キャンセル信号CA2(n)の生成に関わる処理を行う第２系信号処理部１１２とを備えている。

そして、第１系信号処理部１１１は、第１系可変フィルタ１１１１、第１系適応アルゴリズム実行部１１１２、予め伝達関数S11^(z)が設定された第１系第１推定フィルタ１１１３、予め伝達関数S21^(z)が設定された第１系第２推定フィルタ１１１４、第１系減算器１１１５、伝達関数H1(z)が設定された第１系補助フィルタ１１１６を備えている。

このような第１系信号処理部１１１の構成において、入力した騒音信号x(n)は、第１系可変フィルタ１１１１を通って第１キャンセル信号CA1(n)として第１スピーカ１２に出力される。

また、入力した騒音信号x(n)は第１系補助フィルタ１１１６を通って第１系減算器１１１５に送られ、第１系減算器１１１５は第１マイク１３でピックアップした第１マイクエラー信号err1(n)から、第１系補助フィルタ１１１６の出力を減算し、エラーe1として、第１系適応アルゴリズム実行部１１１２と、第２系信号処理部１１２に出力する。

次に、第１系可変フィルタ１１１１と第１系適応アルゴリズム実行部１１１２と第１系第１推定フィルタ１１１３と第１系第２推定フィルタ１１１４はFiltered-X適応フィルタを構成している。第１系第１推定フィルタ１１１３には、実測等により算定した第１系信号処理部１１１から第１マイク１３までの伝達関数S11(z)の推定伝達特性S11^(z)が予め設定されており、第１系第１推定フィルタ１１１３は、伝達特性S11^(z)を入力した騒音信号x(n)に畳み込んで、第１系適応アルゴリズム実行部１１１２に入力する。また、第１系第２推定フィルタ１１１４には、実測等により算定した第１系信号処理部１１１から第２マイク１５までの伝達関数を表す伝達特性S21(z)の推定伝達特性S21^(z)が予め設定されており、第１系第２推定フィルタ１１１４は、伝達特性S21^(z)を入力した騒音信号x(n)に畳み込んで、第１系適応アルゴリズム実行部１１１２に入力する。

そして、第１系適応アルゴリズム実行部１１１２は、第１系第１推定フィルタ１１１３で伝達関数S11^(z)が畳み込まれた騒音信号x(n)と、第１系第２推定フィルタ１１１４で伝達関数S21^(z)が畳み込まれた騒音信号x(n)と、第１系減算器１１１５から出力されるエラーe1と、第２系信号処理部１１２から出力されるエラーe2を入力として、NLMSなどの適応アルゴリズムを実行し、エラーが０となるように第１系可変フィルタ１１１１の伝達関数W1(z)を更新する適応動作を行う。

第２系信号処理部１１２も第１系信号処理部１１１と同様の構成を備えており、第２系信号処理部１１２は、第２系可変フィルタ１１２１、第２系適応アルゴリズム実行部１１２２、予め伝達関数S22^(z)が設定された第２系第１推定フィルタ１１２３、予め伝達関数S12^(z)が設定された第２系第２推定フィルタ１１２４、第２系減算器１１２５、伝達関数H2(z)が設定された第２系補助フィルタ１１２６を備えている。

このような第２系信号処理部１１２の構成において、入力した騒音信号x(n)は、第２系可変フィルタ１１２１を通って第２キャンセル信号CA2(n)として第２スピーカ１４に出力される。

また、入力した騒音信号x(n)は第２系補助フィルタ１１２６を通って第２系減算器１１２５に送られ、第２系減算器１１２５は第２マイク１５でピックアップした第１マイクエラー信号err2(n)から第２系補助フィルタ１１２６の出力を減算し、エラーe2として、第２系適応アルゴリズム実行部１１２２と第１系信号処理部１１１に出力する。

次に、第２系可変フィルタ１１２１と第２系適応アルゴリズム実行部１１２２と第２系第１推定フィルタ１１２３と第２系第２推定フィルタ１１２４はFiltered-X適応フィルタを構成している。第２系第１推定フィルタ１１２３には、実測等により算定した第２系信号処理部１１２から第２マイク１５までの伝達関数S22(z)の推定伝達特性S22^(z)が予め設定されており、第２系第１推定フィルタ１１２３は、伝達特性S22^(z)を入力した騒音信号x(n)に畳み込んで、第２系適応アルゴリズム実行部１１２２に入力する。また、第２系第２推定フィルタ１１２４には、実測等により算定した第２系信号処理部１１２から第１マイク１３までの伝達関数を表す伝達特性S12(z)の推定伝達特性S12^(z)が予め設定されており、第２系第２推定フィルタ１１２４は、伝達特性S12^(z)を入力した騒音信号x(n)に畳み込んで、第２系適応アルゴリズム実行部１１２２に入力する。

そして、第２系適応アルゴリズム実行部１１２２は、第２系第１推定フィルタ１１２３で伝達関数S22^(z)が畳み込まれた騒音信号x(n)と、第２系第２推定フィルタ１１２４で伝達関数S12^(z)が畳み込まれた騒音信号x(n)と、第２系減算器１１２５から出力されるエラーe2と、第１系信号処理部１１１から出力されるエラーe1を入力として、NLMSなどの適応アルゴリズムを実行し、エラーが０となるように第２系可変フィルタ１１２１の伝達関数W2(z)を更新する適応動作を行う
ここで、第１系信号処理部１１１の第１系補助フィルタ１１１６の伝達関数H1(z)、第２系信号処理部１１２の第２系補助フィルタ１１２６の伝達関数H2(z)は、コントローラ１６から任意に設定可能に構成されている。

次に、フィルタ管理テーブル１７の内容について説明する。
さて、図４に示すように、フィルタ管理テーブル１７は、ｎ個のキャンセルポイントセットの各々に対応して設けられたｎ個のエントリ(図の各行）が設けられている。
各キャンセルポイントは、一つの第１キャンセルポイントと一つの第２キャンセルポイントの対であり、異なるキャンセルポイントセットは、第１キャンセルポイントと第２キャンセルポイントの異なる組み合わせとなる。

すなわち、ｎ個のキャンセルポイントセットは、たとえば、図５ａ1、ａ２、ａ３に示すように、騒音キャンセル対象座席の異なる前後方向の位置のそれぞれに対応して設定することができ、この場合、各キャンセルポイントセットの第１キャンセルポイントは、対応する前後方向の位置にある騒音キャンセル対象座席に着座したユーザの標準的な右耳の位置とし、第２キャンセルポイントは、対応する前後方向の位置にある騒音キャンセル対象座席に着座したユーザの標準的な左耳の位置とする。

また、ｎ個のキャンセルポイントセットには、キャンセルポイントは、ユーザの頭部の複数の異なる向きや前後左右上下方向位置や、その組み合わせ毎に設定したキャンセルポイントを含めてもよい。

図４に戻り、フィルタ管理テーブル１７のi番目のキャンセルポイントセットに対応するエントリには、i番目のキャンセルポイントセットの第１キャンセルポイントP1_iと第２キャンセルポイントP2_i、第１系補助フィルタ設定値H1_i(z)、第２系補助フィルタ設定値H2_i(z)が登録されている。

さて、フィルタ管理テーブル１７の各キャンセルポイントセットのエントリに登録されている、第１系補助フィルタ設定値H1_i(z)、第２系補助フィルタ設定値H2_i(z)は、予め学習してフィルタ管理テーブル１７に設定される。

この第１系補助フィルタ設定値H1_i(z)、第２系補助フィルタ設定値H2_i(z)の学習は、標準的な環境下で、１からｎまでの整数について、当該数をiとして、以下の第１段階の学習処理と第２段階の学習処理を実行することによって行われる。

第１段階の学習処理は、図６に示すように、信号処理ブロック１１を第１段階学習処理ブロック６に置き換えた構成において行う。
また、第１段階の学習処理は、i番目のキャンセルポイントセットの第１キャンセルポイントP1_iに配置した第１学習用マイク５１、i番目のキャンセルポイントセットの第２キャンセルポイントP2_iに配置した第２学習用マイク５２を第１段階学習処理ブロック６に接続して行う。

第１学習用マイク５１と第２学習用マイク５２の設置は、たとえば、図５ｂ１、ｂ２に示すように、キャンセル対象座席に、右耳の位置に第１学習用マイク５１を固定し左耳の位置に第２学習用マイク５２を固定したダミー人形を着座させ、i番目のキャンセルポイントセットの第１キャンセルポイントP1_iに第１学習用マイク５１が位置し、i番目のキャンセルポイントセットの第２キャンセルポイントP2_iに第２学習用マイク５２が位置するようにキャンセル対象座席の位置やダミー人形の位置や姿勢を調整すること等により行う。

図６に示すように、第１段階学習処理ブロック６は、第１系第１段階学習処理部６１と第２系第１段階学習処理部６２を備えている。
そして、第１系第１段階学習処理部６１は、図３に示した信号処理ブロック１１の第１系信号処理部１１１から、第１系減算器１１１５、第１系補助フィルタ１１１６を取り除き、第１系第１推定フィルタ１１１３に代えて、第１系第１段階学習処理部６１から第１学習用マイク５１までの伝達関数Sv11(z)の推定伝達関数Sv11^(z)を設定した第１系第１学習用推定フィルタ６１１を設け、第１系第２推定フィルタ１１１４に代えて、第１系第１段階学習処理部６１から第２学習用マイク５２までの伝達関数Sv21(z)の推定伝達関数Sv21^(z)を設定した第１系第２学習用推定フィルタ６１２を設け、第１学習用マイク５１の出力と第２学習用マイク５２の出力の双方をエラーとして第１系適応アルゴリズム実行部１１１２に入力した構成を備えている。

また、第２系第１段階学習処理部６２は、図３に示した信号処理ブロック１１の第２系信号処理部１１２から、第２系減算器１１２５、第２系補助フィルタ１１２６を取り除き、第２系第１推定フィルタ１１２３に代えて、第２系第１段階学習処理部６２から第２学習用マイク５２までの伝達関数Sv22(z)の推定伝達関数Sv22^(z)を設定した第２系第１学習用推定フィルタ６２１を設け、第２系第２推定フィルタ１１２４に代えて、第２系第１段階学習処理部６２から第１学習用マイク５１までの伝達関数Sv12(z)の推定伝達関数Sv12^(z)を設定した第２系第２学習用推定フィルタ６２２を設け、第１学習用マイク５１の出力と第２学習用マイク５２の出力の双方をエラーとして第２系適応アルゴリズム実行部１１２２に入力した構成を備えている。

そして、このような構成において、第１系適応アルゴリズム実行部１１１２による適応動作によって第１系可変フィルタ１１１１の伝達関数W1(z)を収束安定させ、第２系適応アルゴリズム実行部１１２２による適応動作によって第２系可変フィルタ１１２１の伝達関数W2(z)を収束安定させ、収束安定した伝達関数W1(z)を、i番目のキャンセルポイントセットの第１系可変フィルタ学習値W1_i(z)として学習し、収束安定した伝達関数W2(z)を、i番目のキャンセルポイントセットの第２系可変フィルタ学習値W2_i(z)として学習する。

次に、第２段階の学習処理では、図７に示すように、信号処理ブロック１１を第２段階学習処理ブロック７に置き換えた構成において行う。
第２段階学習処理ブロック７は、第１系第２段階学習処理部７１と第２系第２段階学習処理部７２とを備えている。
そして、第１系第２段階学習処理部７１は、第１段階の学習処理の結果として得た第１系可変フィルタ学習値W1_i(z)を伝達関数として設定した第１系固定フィルタ７１１と、第１系第２段階学習用可変フィルタ７１２と、第１系第２段階学習用適応アルゴリズム実行部７１３と、第１系第２段階減算器７１４を備えている。

また、第２系第２段階学習処理部７２は、第１段階の学習処理の結果として得た第２系可変フィルタ学習値W2_i(z)を伝達関数として設定した第２系固定フィルタ７２１と、第２系第２段階学習用可変フィルタ７２２と、第２系第２段階学習用適応アルゴリズム実行部７２３と、第２系第２段階減算器７２４を備えている。

第１系第２段階学習処理部７１に入力した騒音信号x(n)は、第１系固定フィルタ７１１を通って第１スピーカ１２に出力され、第２系第２段階学習処理部７２に入力した騒音信号x(n)は、第２系固定フィルタ７２１を通って第２スピーカ１４に出力される。

また、第１系第２段階学習処理部７１に入力した騒音信号x(n)は第１系第２段階学習用可変フィルタ７１２を通って第１系第２段階減算器７１４に送られ、第１系第２段階減算器７１４は第１マイク１３でピックアップした信号から第１系第２段階学習用可変フィルタ７１２の出力を減算し、エラーとして、第１系第２段階学習用適応アルゴリズム実行部７１３と、第２系第２段階学習処理部７２の第２系第２段階学習用適応アルゴリズム実行部７２３に出力する。

また、第２系第２段階学習処理部７２に入力した騒音信号x(n)は第２系第２段階学習用可変フィルタ７２２を通って第２系第２段階減算器７２４に送られ、第２系第２段階減算器７２４は第２マイク１５でピックアップした信号から第２系第２段階学習用可変フィルタ７２２の出力を減算し、エラーとして、第２系第２段階学習用適応アルゴリズム実行部７２３と、第１系第２段階学習処理部７１の第１系第２段階学習用適応アルゴリズム実行部７１３に出力する。

そして、第１系第２段階学習処理部７１の第１系第２段階学習用適応アルゴリズム実行部７１３は、第１系第２段階減算器７１４と第２系第２段階減算器７２４から入力するエラーが０となるように第１系第２段階学習用可変フィルタ７１２の伝達関数H1(z)を更新し、第２系第２段階学習処理部７２の第２系第２段階学習用適応アルゴリズム実行部７２３は、第１系第２段階減算器７１４と第２系第２段階減算器７２４から入力するエラーが０となるように第２系第２段階学習用可変フィルタ７２２の伝達関数H2(z)を更新する。

そして、このような構成において、第１系第２段階学習用適応アルゴリズム実行部７１３による適応動作によって第１系第２段階学習用可変フィルタ７１２の伝達関数H1(z)を収束安定させ、収束安定した伝達関数H1(z)を、i番目のキャンセルポイントセットの第１系補助フィルタ設定値H1_i(z)として学習する。また、第２系第２段階学習用適応アルゴリズム実行部７２３による適応動作によって第２系第２段階学習用可変フィルタ７２２の伝達関数H2(z)を収束安定させ、収束安定した伝達関数H2(z)を、i番目のキャンセルポイントセットの第２系補助フィルタ設定値H2_i(z)として学習する。

また、第２段階の学習中における第１マイク１３と第２マイク１５の出力の音圧レベルを基準音圧レベルV0として取得しておく。
ここで、このようにして学習された第１系補助フィルタ設定値H1_i(z)、第２系補助フィルタ設定値H2_i(z)は、それぞれが第１系補助フィルタ１１１６、第２系補助フィルタ１１２６の伝達関数であった場合に、第１マイク１３の出力する第１マイクエラー信号err1(n)と第２マイク１５の出力する第２マイクエラー信号err2(n)を、i番目のキャンセルポイントセットの第１キャンセルポイントP1_iと第２キャンセルポイントP2_iに第１マイク１３と第２マイク１５があった場合の出力に補正するものとなる。

次に、能動型騒音制御システム１の実働時に、コントローラ１６が行う制御について説明する。
図８に、コントローラ１６が行うキャンセルポイント切替処理の手順を示す。
図示するように、コントローラ１６は、キャンセルポイント切替処理において、ＤＭＳ１８が検出した騒音キャンセル対象座席に着座しているユーザの右耳と左耳の位置を取得し保存する（ステップ８０２）。

そして、取得した現在の右耳と左耳の位置と保存してある過去の右耳と左耳の位置の履歴より、所定の時間長Ｔの時間分、現在より未来のユーザの右耳と左耳の位置を予測する（ステップ８０４）。

時間長Ｔは、たとえば、上述した第２段階の学習で取得した第１マイク１３と第２マイク１５の出力の音圧レベルである基準音圧レベルV0と、現時点における第１マイク１３と第２マイク１５の出力の音圧レベルVnに応じて、V0/Vnが大きくなるほど大きくなるように設定することが好ましい。

ただし、この場合には、予めコントローラ１６に基準音圧レベルV0を設定しておくと共に、信号処理ブロック１１に、第１マイク１３と第２マイク１５の出力の音圧レベルVnを検出しコントローラ１６に通知する検出器を設け、コントローラ１６において、設定された基準音圧レベルV0と、検出器から通知された音圧レベルVnから時間長Ｔを算定するようにする。

ここで、現在の右耳と左耳の位置と保存してある過去の右耳と左耳の位置の履歴からの時間長Ｔの時間分、現在より未来のユーザの右耳と左耳の位置の予測は、任意の予測アルゴリズムを用いて行うようにしてよい。

より具体的には、たとえば、単純には、時間長Ｔの時間未来のユーザの右耳の位置の予測は、現在の右耳の速度ベクトルv_nのみを考慮して、ユーザの右の耳の現在の位置ベクトルをu_n、Δt0をＤＭＳ１８のユーザの左右の耳の位置の検出時間間隔、ユーザの右の耳の時間Δt0前の時刻の位置ベクトルをu_n-Δt0として、時間Ｔ未来のユーザの右耳の位置u_n+Tを、
v_n=(u_n-u_n-Δt0)/Δt0
u_n+T=u_n+（v_n×T）
により予測する。

また、ユーザの左の耳の時間長Ｔの時間未来の位置も同様に求める。
または、時間長Ｔの時間未来のユーザの右耳の位置の予測は、現在の右耳の速度ベクトルv_nと加速度ベクトルa_nのみを考慮して、ユーザの右の耳の現在の位置ベクトルをu_n、Δt0をＤＭＳ１８のユーザの左右の耳の位置の検出時間間隔、ユーザの右の耳の時間Δt0前の時刻の位置ベクトルをu_n-Δt0、ユーザの右の耳の時間２×Δt0前の時刻の位置ベクトルをu_n-2Δt0として、時間Ｔ未来のユーザの右耳の位置u_n+Tを、
v_n=(u_n-u_n-Δt0)/Δt0
v_n-Δt0=(u_n-Δt0-u_n-2Δt0)/Δt0
a_n=(v_n-v_n-Δt0)/Δt0
u_n+T=u_n+（v_n×T）+(a_n×T²)/2
により予測する。

また、ユーザの左の耳の時間長Ｔの時間未来の位置も同様に求める。
または、時間長Ｔの時間未来のユーザの右耳と左耳の位置の予測は、たとえば、次のように行うこともできる。
すなわち、kを予め設定したチューニング係数、Δt0をＤＭＳ１８のユーザの左右の耳の位置の検出時間間隔、Δt=(k×Δt0×V0)/Vn、T=２Δtとして、ユーザの右の耳の現在の位置ベクトルをu_n、ユーザの右の耳の時間Δｔ前の時刻の位置ベクトルをu_n-Δt、ユーザの右の耳の時間2Δt前の時刻の位置をu_n-2Δtとして、u_n、u_n-Δt、u_n-2Δtから、ユーザの右の耳の時間長Ｔの時間未来の位置、すなわち、時間長2Δtの時間未来の位置u_n+2Δtを、
v_n=(u_n-u_n-Δt)/Δt
a_n=(v_n-v_n-Δt)/Δt
v_n+Δt=v_n-Δt+2Δta_n
u_n＝u_n-2Δt＋（2Δtv_n+Δt）
によって予測する。

また、ユーザの左の耳の時間長Ｔの時間未来の位置も同様に求める。
次に、時間長Ｔの時間未来のユーザの右耳と左耳の位置を予測したならば（ステップ８０４）、予測した右耳と左耳の位置に最も整合するキャンセルポイントセットである最整合キャンセルポイントセットが変化したどうかを調べる（ステップ８０６）。

最整合キャンセルポイントセットは、たとえば、右耳と第１キャンセルポイントとの距離と、左耳と第２キャンセルポイントとの距離の和が最小となるキャンセルポイントセットとして求める。

そして、最整合キャンセルポイントセットが変化していなければ（ステップ８０６）、ステップ８０２からの処理に戻る。
一方、最整合キャンセルポイントセットが変化していれば（ステップ８０６）、フィルタ管理テーブル１７の最整合キャンセルポイントセットのエントリに登録されている第１系補助フィルタ設定値H1_i(z)を第１系補助フィルタ１１１６の伝達関数H1(z)として設定し、当該エントリに登録されている第２系補助フィルタ設定値H2_i(z)を第２系補助フィルタ１１２６の伝達関数H2(z)として設定する（ステップ８０８）。

そして、ステップ８０２からの処理に戻る。
以上、コントローラ１６が行うキャンセルポイント切替処理について説明した。
なお、フィルタ管理テーブル１７に登録される第１系補助フィルタ設定値H1_i(z)、第２系補助フィルタ設定値H2_i(z)は、実際には、伝達関数そのものではなく、第１系補助フィルタ設定値H1_i(z)を第１系補助フィルタ１１１６の伝達関数として設定するための情報、第２系補助フィルタ設定値H2_i(z)を第２系補助フィルタ１１２６の伝達関数として設定するための情報であり、キャンセルポイント切替処理において、これらの情報を用いて、上述のように第１系補助フィルタ１１１６、第２系補助フィルタ１１２６の伝達関数の設定を行う。

さて、このようなキャンセルポイント切替処理によって、第１系補助フィルタ１１１６、第２系補助フィルタ１１２６の伝達関数が更新されると、その後の適応動作によって、第１系可変フィルタ１１１１の伝達関数W1(z)と第２系可変フィルタ１１２１の伝達関数W2(z)が、最整合キャンセルポイントセットの第１キャンセルポイントと第２キャンセルポイントに近接する一定の範囲で騒音がキャンセルされる伝達関数に更新され、最整合キャンセルポイントセットの第１キャンセルポイントと第２キャンセルポイントに近接するユーザの左右の耳の位置で騒音がキャンセルされるようになる。

そして、本キャンセルポイント切替処理では、第１系補助フィルタ１１１６、第２系補助フィルタ１１２６の伝達関数の更新は、第１系補助フィルタ１１１６、第２系補助フィルタ１１２６の伝達関数が、時間長Ｔの時間未来のユーザの耳の位置において騒音をキャンセルできる伝達関数となるように事前に行われるので、ユーザの耳の変位が発生したときに、当該変位後のユーザの耳の位置において遅れなく騒音をキャンセルすることができる。

ここで、上述ように、ユーザの耳の位置を予測する未来の時間の時間長Ｔを、第２段階の学習で取得した第１マイク１３と第２マイク１５の出力の音圧レベルである基準音圧レベルV0と、現時点における第１マイク１３と第２マイク１５の出力の音圧レベルVnに応じて、V0/Vnが大きくなるほど大きくなるように設定したのは、第１マイク１３と第２マイク１５の出力の音圧レベルVnが小さくなると、第１マイク１３と第２マイク１５が出力する第１マイクエラー信号err1(n)と第２マイクエラー信号err2(n)とを用いて行われる適応動作によって適応が完了するまでに要する時間が長時間化するためであり、このように時間長Ｔを設定することにより、適応が完了するまでに要する時間が長い場合に、より先の時点のユーザの耳の位置に整合するように第１系補助フィルタ１１１６、第２系補助フィルタ１１２６の伝達関数を更新して、変位後のユーザの耳の位置において遅れなく騒音をキャンセルできるようになる。

また、騒音を良好にキャンセルできる空間的範囲であるZoQ（zone of Quiet）は各周波数に対して周波数の波長の１／１０の直径の球状の、第１キャンセルポイント／第２キャンセルポイントを中心とする空間となるため、予測した時間長Ｔの時間未来のユーザの左右の耳の位置から求めた最整合キャンセルポイントセットの第１キャンセルポイントと第２キャンセルポイントと、実際の時間長Ｔの時間未来のユーザの左右の耳の位置に多少のずれがあっても、ユーザの左右の耳の位置において騒音をキャンセルすることができる。また、低周波数域では、ZoQの範囲が大きくなるので、キャンセルの対象とする騒音が低周波数域を主成分とするものである場合には、特に良好に騒音をキャンセルすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。
ここで、以上の実施形態は、第１系補助フィルタ１１１６、第２系補助フィルタ１１２６の伝達関数を変更する代わりに、複数の、各騒音キャンセルポイントセットに対応する伝達関数を設定した第１系補助フィルタ１１１６、第２系補助フィルタ１１２６のセットを設け、現用として使用する第１系補助フィルタ１１１６、第２系補助フィルタ１１２６のセットを最整合キャンセルポイントセットに対応する第１系補助フィルタ１１１６、第２系補助フィルタ１１２６のセットに切り替えるようにしてもよい。

また、以上では、騒音源が一つのみである場合について示したが、以上の実施形態は、信号処理ブロック１１の構成を各騒音源の各キャンセルポイントへの伝搬を考慮するように拡張することにより、騒音源が複数存在する場合にも適用可能である。

また、以上の実施形態では、右耳と左耳の各々に対してマイクやスピーカや信号処理部を設けた場合について示したが、本実施形態は、頭部に対してマイクやスピーカや信号処理部を設けて、ＤＭＳ１８で検出したユーザの頭部の位置の履歴から予測した時間長Ｔの時間未来の頭部の位置に応じて、ユーザに聞こえる騒音を、右耳と左耳に共通のマイクとスピーカと信号処理部でまとめてキャンセルする場合にも同様に適用することができる。

１…能動型騒音制御システム、６…第１段階学習処理ブロック、７…第２段階学習処理ブロック、１１…信号処理ブロック、１２…第１スピーカ、１３…第１マイク、１４…第２スピーカ、１５…第２マイク、１６…コントローラ、１７…フィルタ管理テーブル、１８…ＤＭＳ、５１…第１学習用マイク、５２…第２学習用マイク、６１…第１系第１段階学習処理部、６２…第２系第１段階学習処理部、７１…第１系第２段階学習処理部、７２…第２系第２段階学習処理部、１１１…第１系信号処理部、１１２…第２系信号処理部、１８１…近赤外線カメラ、６１１…第１系第１学習用推定フィルタ、６１２…第１系第２学習用推定フィルタ、６２１…第２系第１学習用推定フィルタ、６２２…第２系第２学習用推定フィルタ、７１１…第１系固定フィルタ、７１２…第１系第２段階学習用可変フィルタ、７１３…第１系第２段階学習用適応アルゴリズム実行部、７１４…第１系第２段階減算器、７２１…第２系固定フィルタ、７２２…第２系第２段階学習用可変フィルタ、７２３…第２系第２段階学習用適応アルゴリズム実行部、７２４…第２系第２段階減算器、１１１１…第１系可変フィルタ、１１１２…第１系適応アルゴリズム実行部、１１１３…第１系第１推定フィルタ、１１１４…第１系第２推定フィルタ、１１１５…第１系減算器、１１１６…第１系補助フィルタ、１１２１…第２系可変フィルタ、１１２２…第２系適応アルゴリズム実行部、１１２３…第２系第１推定フィルタ、１１２４…第２系第２推定フィルタ、１１２５…第２系減算器、１１２６…第２系補助フィルタ。

Claims

騒音を低減する能動型騒音制御システムであって、
ユーザが音を聴取する位置である聴取位置を検出する位置検出手段と、
制御手段と、
騒音キャンセル音を出力するスピーカと、
エラー信号を検出するマイクと、
騒音を表す騒音信号に設定された伝達関数を施して補正信号を生成し出力する補助フィルタと、
前記マイクの出力であるエラー信号を、前記補助フィルタが出力した補正信号で補正し補正後エラー信号として出力するエラー補正手段と、
前記エラー補正手段が出力する補正後エラー信号を用いた適応動作を行って、前記騒音信号から前記スピーカから出力する騒音キャンセル音を生成する適応フィルタとを有し、
前記制御手段は、前記位置検出手段が検出した聴取位置の履歴より、所定時間長の時間分未来の聴取位置を予測すると共に、前記エラー補正手段に補正信号を出力する補助フィルタを、予め設定した複数の騒音キャンセル位置の各々に対応する補助フィルタ用伝達関数のうちの、予測した聴取位置に整合する騒音キャンセル位置に対応する補助フィルタ用伝達関数が設定された補助フィルタとする動作を行うことを特徴とする能動型騒音制御システム。
請求項１記載の能動型騒音制御システムであって、
前記各騒音キャンセル位置に対応する補助フィルタ用伝達関数は、当該補助フィルタ用伝達関数が設定されたときに、前記補助フィルタが、当該補助フィルタ用伝達関数に対応する騒音キャンセル位置とマイクとの位置の差が補償されるように前記マイクの出力であるエラー信号がエラー補正手段によって補正される補正信号を出力する伝達関数であることを特徴とする能動型騒音制御システム。
請求項１または２記載の能動型騒音制御システムであって、
前記位置検出手段は、前記聴取位置として、自動車の所定の座席に着座したユーザの頭部もしくは耳の位置を検出することを特徴とする能動型騒音制御システム。
騒音を低減する能動型騒音制御システムであって、
ユーザの左右の耳の位置を検出する位置検出手段と、
制御手段と、
右耳用騒音制御系統と左耳用騒音制御系統との二つの騒音制御系統とを有し、
各騒音制御系統は、
騒音キャンセル音を出力するスピーカと、
エラー信号を検出するマイクと、
騒音を表す騒音信号に設定された伝達関数を施して補正信号を生成し出力する補助フィルタと、
前記マイクの出力であるエラー信号を、前記補助フィルタが出力した補正信号で補正し補正後エラー信号として出力するエラー補正手段と、
前記右耳用騒音制御系統の前記エラー補正手段が出力する補正後エラー信号と左耳用騒音制御系統の前記エラー補正手段が出力する補正後エラー信号を用いた適応動作を行って、前記騒音信号から前記スピーカから出力する騒音キャンセル音を生成する適応フィルタとを有し、
前記制御手段は、第１騒音キャンセル位置と第２騒音キャンセル位置のセットを騒音キャンセル位置セットとして、前記位置検出手段が検出したユーザの左右の耳の位置の履歴より、所定時間長の時間分未来のユーザの左右の耳の位置のセットを予測すると共に、予め定めた複数の騒音キャンセル位置セットのうちの、予測したユーザの左右の耳の位置のセットに整合する騒音キャンセル位置セットである整合騒音キャンセル位置セットが変化したときに、前記右耳用騒音制御系統の前記エラー補正手段に補正信号を出力する補助フィルタを、予め設定した前記複数の騒音キャンセル位置セットの各々に対応する第１補助フィルタ用伝達関数のうちの、前記整合騒音キャンセル位置セットに対応する第１補助フィルタ用伝達関数が設定された補助フィルタとし、前記左耳用騒音制御系統の前記エラー補正手段に補正信号を出力する補助フィルタを、予め設定した前記複数の騒音キャンセル位置セットの各々に対応する第２補助フィルタ用伝達関数のうちの、前記整合騒音キャンセル位置セットに対応する第２補助フィルタ用伝達関数が設定された補助フィルタとする動作を行うことを特徴とする能動型騒音制御システム。
請求項４記載の能動型騒音制御システムであって、
前記整合騒音キャンセル位置セットは、予測したユーザの右の耳の位置と第１騒音キャンセル位置とが整合し、予測したユーザの左の耳の位置と第２騒音キャンセル位置とが整合する騒音キャンセル位置セットであり、
前記各騒音キャンセル位置セットに対応する第１補助フィルタ用伝達関数は、前記右耳用騒音制御系統において、当該第１補助フィルタ用伝達関数が設定されたときに、補助フィルタが、当該第１補助フィルタ用伝達関数に対応する騒音キャンセル位置セットの第１騒音キャンセル位置とマイクとの位置の差が補償されるように前記マイクの出力であるエラー信号がエラー補正手段によって補正される補正信号を出力する伝達関数であり、前記各騒音キャンセル位置セットに対応する第２補助フィルタ用伝達関数は、前記左耳用騒音制御系統において、当該第２補助フィルタ用伝達関数が設定されたときに、補助フィルタが、当該第２補助フィルタ用伝達関数に対応する騒音キャンセル位置セットの第２騒音キャンセル位置とマイクとの位置の差が補償されるように前記マイクの出力であるエラー信号がエラー補正手段によって補正される補正信号を出力する伝達関数であることを特徴とする能動型騒音制御システム。
請求項４または５記載の能動型騒音制御システムであって、
前記位置検出手段は、自動車の所定の座席に着座したユーザの左右の耳の位置を検出することを特徴とする能動型騒音制御システム。
請求項１、２、３、４、５または６記載の能動型騒音制御システムであって、
前記制御手段は、前記マイクの出力のレベルがより小さいほど、前記所定時間長を、より大きく設定することを特徴とする能動型騒音制御システム。