JP2889114B2 - 能動雑音消去装置 - Google Patents
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Description
し、特に周波数安定領域が拡張されより広い帯域幅の外
乱を消去することが可能な複数の適応フィルタを用いた
能動雑音消去装置に関するものである。
転する波形を生成し、空間の特定の地点でそれを消去す
ることである。能動的に雑音を消去するに際しては、減
算用の波形が生成され、減算は電子的よりむしろ音響的
に行われる。
加速度計やマイクロホンのような局部検知器により測定
される。雑音は音響チャンネルを介して雑音消去が望ま
れる地点へ音響的に伝搬する。その地点には、もう1つ
のマイクロホンが設置されている。目的は、雑音源によ
る音響エネルギ成分を除去することである。
ルタに入力され、このフィルタの出力がスピ−カを駆動
する。雑音を消去すべき地点に設置したもう1つのマイ
クロホンの出力は、適応フィルタを更新する誤差波形と
して利用される。適応フィルタはその重みを繰返し変更
して、マイクロホンの所である地点での雑音を反転した
ものとできるだけ似ている(最小平均二乗誤差の点で)
スピ−カ出力を発生させる。したがって、誤差波形が最
小のパワ−を持つようにすると、適応フィルタがスピ−
カを反転雑音を発生させるよう駆動して雑音を消去す
る。
置の多くは、フィルタドX(filtered−X)LMSアル
ゴリズムを使用しているが、これは訓練モ−ドを必要と
する。訓練モ−ドの目的は、LMSアルゴリズムの帰還
ル−プに補償フィルタを挿入して、それを安定に保つこ
とができるようにシステムに使用されるスピ−カとマイ
クロホンの伝達関数を学習することにある。物理的な状
況が変化すると、訓練モ−ドを再開しなければならな
い。例えば、乗客用の客室内の雑音を消去することに応
用した場合では、窓を開いたり、他の乗客が客室に入っ
てきた都度、若しくは車両が日中暖まってきたりすると
きに、訓練モ−ドを再度行うことが必要になることがあ
る。訓練モ−ドは、車両の乗客にとって好ましくないこ
ともあり得る。
1号には、訓練モ−ドを必要としない能動適応雑音消去
装置が記述されている。更新重みの計算に時間遅延を導
入して、消去装置の周波数安定領域を変更する。したが
って、時間遅延値をただ調整して所望の周波数安定領域
を獲得することにより、適応雑音消去を手がけようとし
ているどのような応用にも合うように、容易に順応させ
ることができる機構が得られる。しかしながら、この方
法は遅延を導入しているために周波数安定領域の帯域幅
に対して非常に限られた制御しか行えないという点で限
界がある。
た周波数安定領域を有するLMSフィルタアルゴリズム
を利用してより広い帯域幅の外乱を消去することが可能
な能動雑音消去装置を提供することである。
定の雑音帯域幅の雑音を消去するために、消去すべき雑
音を表す雑音検知信号を発生する雑音検知器と、誤差信
号を発生する誤差検知器と、消去用音響信号を発生する
音響出力装置とを具備する能動雑音消去装置に於いて、
各チャンネルが前記雑音検知信号と前記誤差信号とに応
答し、各チャンネルが前記雑音帯域幅を構成する所定の
周波数副帯域に動作が制限されており、チャンネルが動
作する前記周波数副帯域に於ける動作の安定性を達成す
るために能動フィルタの重みを更新する際に遅延を導入
し、各チャンネルがチャンネル出力信号を作り出す複数
の能動フィルタチャンネルと、前記複数のチャンネルの
出力信号を結合し、この結合信号により前記音響出力装
置を駆動して前記消去用音響信号を発生させる手段とを
更に具備することを特徴とする。
ようとする雑音の帯域幅を複数の周波数副帯域に分割
し、それぞれの副帯域で安定性を得るために異なる遅延
量を使用する複数の適応フィルタチャンネルを使用す
る。各チャンネルは複数の帯域フィルタを含み、そのチ
ャンネルを特定の周波数副帯域でのみ動作させると共
に、フィルタの重みを更新する際遅延が導入される。各
チャンネルはその周波数副帯域にわたって安定している
ので、消去装置は全ての副帯域で形成される拡張された
雑音帯域幅にわたって動作する。
を消去するものであり、そのため雑音信号を示す雑音検
知信号を発生する雑音検知器、音響検知器及び音響出力
装置を具備している。第1及び第2のチャンネルは雑音
検知信号と音響検知信号に応答し、適応フィルタはそれ
ぞれのチャンネル出力信号を生成する。チャンネル出力
信号は、結合されて音響出力装置を駆動する。各チャン
ネルはそれぞれ複数のフィルタを含み、雑音検知信号と
音響検知信号を瀘波することにより、チャンネルの動作
を特定の周波数副帯域に制限している。各チャンネル
は、更にフィルタの重み更新動作を遅延させる遅延手段
を備えている。
明する。
7,401号に記述された適応雑音消去(ANC)装置
50を周波数領域(frequency domain)の形式で示したも
のである。この装置は、訓練モ−ドを必要としない。こ
の消去装置の周波数安定領域を説明するために、周波数
領域形式について考察する。雑音源からの雑音x(n)
が高速フ−リエ変換器(FFT)52を通過し、結果の
FFT成分xω(n)がブロック54として表されたチ
ャンネル伝達関数P(jω)を有する音響チャンネルを
通過する。ANC装置50は、伝達関数HM (jω) を有
するマイクロホン58と伝達関数HS (jω)を有する
スピ−カ60を具備している。音響チャンネル54は、
本来的にチャンネルの出力をスピ−カの出力の負に加算
する結合機能56を行う。マイクロホン58は、結合器
56からの結合信号に応答する。フ−リエ成分は、伝達
関数G(jω)を有する適応LMSフィルタ62をも通
過する。フィルタの重みは、時間Δ(66)だけ遅れて
マイクロホンの出力により更新される。
が、マイクロホン−スピ−カと遅延線の伝達関数の積の
実数部が正、すなわち、実数{exp(jωΔ)H
m (jω)HS (jω)}>0である周波数領域に於い
て安定であることを証明できる。この不等に対する結論
は、{exp(jωΔ)Hm (jω)HS (jω)}の
位相が(2nπ−π/2,2nπ+π/2)、n=1,
2,…,の内側に、すなわち、複素平面の右側になけれ
ばならないことである。
ω)}の位相が、図2に示されている。ここで、H
m (jω)とHS (jω)は、それぞれチェビシェフフ
ィルタとバターワ−スフィルタを基にしている。この例
では、遅延なし、すなわち、Δ=0の場合については、
適応フィルタの安定領域は、図2の点彩バンド内の{e
xp(jωΔ)Hm (jω)HS (jω)}の位相を突
止めることにより、見出すことができる。
42Hz,70乃至170Hz,1500乃至2900
Hz、3400乃至5000Hzである。10,000
Hzのサンプリング周波数の場合は、7サンプルの遅延
を導入すると、スピ−カ−マイクロホン位相応答関数に
対して、位相曲線を上方に曲げるような作用が生じ、安
定領域がほぼ1乃至2Hz,17乃至42Hz,70乃
至1400Hz,3000乃至5000Hzに変わる。
域」とは、適応フィルタがこの周波数範囲内の妨害信号
を抑制するように動作しているときには安定であること
を意味する。逆に、この領域外の信号によっては、適応
フィルタを絶対に安定に保つことはできない。
が10,000Hzであるときに7サンプルの遅延を導
入することにより、周波数安定領域が遅延なしの場合の
70乃至170Hzの領域と比較すると、70乃至14
00Hzに拡張されている。しかしながら、1400H
zを越えるような周波数安定領域の拡張は、1つだけの
遅延導入では不可能である。これはバルク遅延が直線状
の位相応答を持ち、その傾斜が遅延値に比例するためで
ある。その結果、単一の値のバルク遅延が系の合成位相
応答を安定させることができる周波数範囲が制限されて
しまう。
異なる遅延量をもって並列に独立に動作する2つの適応
フィルタに入力する前に2つ以上の周波数帯に分割する
と、1400Hzを越える周波数成分を有する妨害信号
を抑制することが可能である。
ルタ装置を具体化したANC装置100のブロック図で
ある。ANC装置100は雑音源90によって発生さ
れ、ブロック92で示した音響チャンネル上を伝搬する
雑音音響エネルギを、スピ−カ152で音響消去エネル
ギを発生させることにより消去するよう動作する。音響
チャンネルは、本来的にANCスピ−カ152によって
放出された音響エネルギを源90によって放出された雑
音エネルギから減算する。
エネルギを検出し、電気誤差信号をANC信号処理チャ
ンネル120、140へ帰還させるマイクロホン154
を具備している。装置100は、更に源90により放出
された雑音エネルギを検知する検知器110を具備す
る。検知器の出力信号は、異なる周波数帯で動作するチ
ャンネル120及び140に送られる。チャンネルのそ
れぞれの出力は、ノ−ド150で加算され、何れか一方
のチャンネルが単独に行うよりは、広い帯域幅にわたっ
て消去を行う。加算出力がスピ−カ152を駆動する。
波数帯を2つの別々の周波数帯に効果的に分割し、一方
の適応フィルタは第1の周波数帯で、他方の適応フィル
タは第2の周波数帯で動作する。この周波数分割は、適
応フィルタの入力と誤差検出マイクロホンの出力に、2
対の整合帯域フィルタを配置することにより達成され
る。これらの帯域フィルタは、適応フィルタが帯域外の
エネルギにより励起されて不安定とならないように、適
応フィルタそれぞれの周波数安定領域と整合のとれた帯
域通過特性を持つべきである。
を更に詳細に示すものである。チャンネル140は、帯
域フィルタが別の周波数帯に合わせてあることを除けば
チャンネル120と同じであるので、詳細な説明は必要
ない。チャンネル120は、一対の帯域フィルタ121
及び130を具備している。フィルタ121は雑音源検
知器110からの信号を瀘波し、フィルタ130は誤差
検知マイクロホン154からの信号を瀘波する。これら
のフィルタは、同一の通過帯域を持つように構成されて
いる。
変換器122と131によりデジタル化される。変換器
122からのデジタル信号は、LMSアルゴリズムを使
用する再帰的適応LMSフィルタ138を駆動する。フ
ィルタ138は、フィ−ドフォ−ワ−ド適応フィルタ1
23、フィ−ドバックワ−ド適応フィルタ132、と加
算ノ−ド123を具備しており、"An Adaptive Recursi
ve LMS Filter"(適応再帰的LMSフィルタ)by P.L.F
eintuch, IEEE Proceedings, Vol.64, No.11,November
1976に記述されている方法で更新される。変換器12
2からの信号は、遅延回路125により遅延される。遅
延されたデジタル信号は、重み更新論理回路126に入
力される。もう一方の変換器131からのデジタル信号
は、重み更新論理回路126と重み更新論理回路134
とに入力される。
ィルタ123に対する更新重みを与える。フィルタ12
3の出力は、加算ノ−ド124で適応フィルタ132か
らの出力と再帰的な関係で加算される。加算出力は、フ
ィルタ132を駆動する。加算出力はまた遅延回路13
3によって遅延され、次いで重み更新回路134にもう
一方の入力として供給される。加算デジタル信号はま
た、デジタル−アナログ変換器(DAC)135により
アナログ信号に変換される。変換されたアナログ信号
は、次いで加算器150で他のチャンネルの出力と加算
される。両チャンネルの信号の加算出力は、雑音消去ス
ピ−カ152を駆動する。
7,401号の図4に示された再帰的雑音消去装置40
と同様な方法で動作する。但し、装置40はチャンネル
120で使用しているような帯域フィルタを使用してい
ない。
施例について、外乱信号の帯域幅が70乃至3200H
zである場合を考える。
では、その帯域幅を扱うことができないであろう。これ
は、その大きさの帯域幅にわたって十分に位相を補償す
ることができる単一の遅延値が存在しないからである。
ここで説明する発明を使用すれば、そうすることが可能
である。この例では、帯域フィルタ121及び130は
70乃至1300Hzの帯域幅を有し、チャンネル14
0の対応する帯域フィルタは1300乃至3200Hz
の帯域幅を有する。遅延回路125と133は、7個の
サンプル(10,000Hzのサンプリング速度で)に
相当する遅延を導入し、一方チャンネル140の対応す
る遅延回路は4個のサンプルに相当する遅延を導入する
(これらの遅延値の位相応答については図2を参照のこ
と)。これにより、訓練モ−ドを必要とすることなく、
70乃至3200Hzの全帯域にわたって能動的な雑音
消去を行うことが可能となる。この発明は、複数の並列
適応フィルタを含む構成を持つように、更に一般化でき
る。
による第1の応用例を示す。この応用例では、装置20
0は電気モ−タやエンジンのような雑音源190からの
雑音を打消すために使用されている。ここでは、基準検
知器202を用いて雑音源190からの雑音信号を測定
している。誤差マイクロホン204が、雑音信号を消去
すべき地点に設置される。スピ−カ206は雑音源19
0に隣接して設置され、ANC信号処理回路210に接
続されている。このANC信号処理回路は、雑音源19
0からの雑音を打消す消去信号を発生させるように、適
当な駆動信号でスピ−カを駆動する。
び第2のANCチャンネル120及び140と、加算器
150を具備している。回路210は、基準検知器20
2と誤差マイクロホン204から入力信号を受信する。
による第2の応用例を示すものであり、自動車のエンジ
ン240からテールパイプ245を介して放出されるエ
ンジン雑音を低減させるものである。この装置では、基
準検知器252はエンジンに隣接して設置され、誤差マ
イクロホン254はテールパイプの開孔近くでテールパ
イプ245に隣接して配置される。スピ−カ256はエ
ンジンと誤差マイクロホン254との間のテールパイプ
の開孔に配置されて、反雑音音波を放出してエンジン雑
音を打消す。スピ−カ256は、ANC信号処理回路2
60により駆動される。回路260は、基準検知器25
2と誤差マイクロホン254から入力信号を受信する。
ANC回路260は、図3に示した第1及び第2のAN
Cチャンネル120及び140と、加算器150を具備
している。
による第3の応用例を示しており、ステレオヘッドホン
セット290に使用されて妨害雑音波を消去するもので
ある。この装置では、ヘッドホンスピ−カ306が雑音
が抑制された音波を発生するために使用される。基準マ
イクロホン302は、それぞれの受話口を接続するヘッ
ドホンブリッジ素子に取付けられる。誤差マイクロホン
304A及び304Bが、それぞれスピ−カ306A及
び306Bに隣接して取り付けられて、低減雑音音波を
検知する。
A及び308Bそれぞれの出力信号が、加算器300A
及び300Bにより左右のオ−ディオデ−タ信号へ加算
され、左右のオ−ディオ源295A及び295Bからの
通信メッセ−ジ、或いは音楽として提供される。各チャ
ンネルの加算信号は、それぞれのスピ−カ306A,3
06Bを駆動する。各ANC信号処理回路308A、3
08Bは、前述の例の場合と同様に、図3に示したAN
Cチャンネル120及び140と、加算器150を具備
する。
準検知器302Aまたは302B、及び誤差マイクロホ
ン304Aまたは304Bから入力信号を受信する。A
NC回路は、雑音消去波形を発生し、それぞれのオ−デ
ィオ源295Aまたは295Bからの所望の音響波形と
共にスピ−カ306Aまたは306Bを駆動する。もち
ろん、この発明はモノラルヘッドホンセットにも使用で
き、この場合にはANC信号処理チャンネルはたったの
1個で良い。
る特定の実施例の単なる例示にすぎないことと理解され
る。例えば、この発明の雑音消去装置は周波数領域形式
でも実現できる。当業者であればこの発明の範囲及び精
神を逸脱することなく発明の原理にしたがって他の構成
をも容易に案出することができよう。
れた周波数安定領域を有するLMSフィルタアルゴリズ
ムを利用してより広い帯域幅の外乱を消去することが可
能な能動雑音消去装置を提供することができる。
新を遅延させる適応雑音消去装置(ANC)を周波数領
域形式で示した図である。
ンと時間遅延回路の伝達関数の積の位相応答を示した特
性図である。
ンネルを持つ適応雑音消去装置の概略的ブロック図であ
る。
20の概略的ブロック図である。
を抑制するANC装置の構成例を示した図である。
NC装置の構成例を示した図である。
出しを増強するためのANC装置の構成例を示した図で
ある。
速フ−リエ変換器(FFT)、54、92…音響チャン
ネル、56、94…結合器、58、154…マイクロホ
ン、60、152…スピーカ、62…適応LMSフィル
タ(適応フィルタ)、90…雑音源、110…検知器、
120、140…ANC信号処理チャンネル及び帯域フ
ィルタ。
Claims (7)
- 【請求項1】 所定の雑音帯域幅の雑音を消去するため
に、消去すべき雑音を表す雑音検知信号を発生する雑音
検知器(100)と、誤差信号を発生する誤差検知器
(154)と、消去用音響信号を発生する音響出力装置
(152)とを具備する能動雑音消去装置(100)に
於いて、 各チャンネルが前記雑音検知信号と前記誤差信号とに応
答し、各チャンネルが前記雑音帯域幅を構成する所定の
周波数副帯域に動作が制限されており、チャンネルが動
作する前記周波数副帯域に於ける動作の安定性を達成す
るために能動フィルタの重みを更新する際に遅延を導入
し、各チャンネルがチャンネル出力信号を作り出すもの
で、各チャンネルが、前記雑音検知信号をチャンネル間
で異なる所定の遅延量遅延させる遅延手段(125)
と、この遅延雑音検知信号に応答してチャンネルを構成
する適応フィルタ手段(123)に対する適応フィルタ
重み入力を更新する適応フィルタ重み更新論理手段(1
26)とを有する、複数の能動フィルタチャンネル(1
20,140)と、 前記複数のチャンネルの出力信号を結合し、この結合信
号により前記音響出力装置を駆動して前記消去用音響信
号を発生させる手段(150)とを更に具備することを
特徴とする能動雑音消去装置。 - 【請求項2】 各チャンネルがそれぞれの周波数副帯域
内の信号周波数成分だけを通過させるために前記雑音検
知信号と前記誤差信号を瀘波するための帯域フィルタ手
段(121,130)を更に具備することを特徴とする
請求項1に記載の能動雑音消去装置。 - 【請求項3】 各チャンネル(120,140)が再帰
的能動フィルタ手段(138)を具備することを特徴と
する請求項1若しくは2に記載の能動雑音消去装置。 - 【請求項4】 各チャンネルの前記周波数副帯域を合わ
せると前記雑音帯域幅を包含することを特徴とする請求
項1乃至3の何れか1に記載の能動雑音消去装置。 - 【請求項5】 前記複数の適応フィルタチャンネルが、 前記雑音検知器(110)と前記音響検知器(110)
とに結合されると共に 第1の通過帯域を有し、前記雑音
検知信号を瀘波する第1の帯域フィルタ手段(121)
と、前記第1の通過帯域を有し、前記音響検知器により
発生された信号を瀘波する第2の帯域フィルタ手段(1
30)と、第1の帯域フィルタ手段により瀘波された雑
音検知信号を第1の所定の遅延量遅延させるための第1
の遅延手段(125)と、前記第1及び第2の帯域フィ
ルタ手段(121,130)と第1の遅延手段(12
5)に結合された複数の入力を有し第1のフィルタ出力
を出力する第1の適応フィルタ手段とを具備する第1の
消去チャンネル(120)と、 前記雑音検知器と前記音響検知器とに結合されると共に
第2の通過帯域を有し、前記雑音検知信号を瀘波する第
3の帯域フィルタ手段と、前記第2の通過帯域を有し、
前記音響検知器により発生された信号を瀘波する第4の
帯域フィルタ手段と、第1の帯域フィルタ手段により瀘
波された雑音検知信号を第2の所定の遅延量遅延させる
ための第2の遅延手段と、前記第3の帯域フィルタ手
段、前記音響検出器と第2の遅延手段とに結合された複
数の入力を有し第2のフィルタ出力を出力する第2の適
応フィルタ手段とを具備する第2の消去チャンネルとを
具備することを特徴とする請求項1 に記載の能動雑音消
去装置。 - 【請求項6】 前記第1の適応フィルタ手段が複数の第
1のフィルタ重みと、前記第2の帯域フィルタの出力に
応答して前記第1のフィルタ重みを調整する第1の重み
更新論理手段(126)を具備し、前記第2の適応フィ
ルタ手段が複数の第2のフィルタ重みと、前記第4の帯
域フィルタの出力に応答して前記第2のフィルタ重みを
調整する第2の重み更新論理手段を具備することを特徴
とする請求項5に記載の能動雑音消去装置。 - 【請求項7】 前記第1及び第2のフィルタ出力信号は
デジタル信号であり、前記結合手段(150)はデジタ
ル加算手段から成ることを特徴とする請求項6に記載の
能動雑音消去装置。
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