JP2934928B2 - 適応型デジタルフィルタを用いた能動制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、たとえば能動騒音制
御装置、能動振動制御装置、エコーキャンセラ、適応等
価器などにおいて物理現象量を希望する量に制御するた
めに用いられる適応型デジタルフィルタを用いた能動制
御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】適応型デジタルフィルタを用いた能動騒
音制御装置の従来技術の１例が、図３に示されている。
これは、ダクト内騒音の能動消音を行うシステムの構成
例である。

【０００３】図３において、片端に開口部を有するダク
ト(1) 内に騒音源(2) があり、ダクト(1) 内に騒音検出
用マイク(3) 、消音誤差検出用マイク(4) および消音用
スピーカ(5) が図のように配置されている。

【０００４】騒音検出用マイク(3) で検出されて増幅器
(6) を通った後にＡ／Ｄ変換器(7)でデジタル信号に変
換された騒音検出信号ｘ(n) は、第１の適応型ＦＩＲ
（Finite Impulse Response ）デジタルフィルタ(8) の
出力ｖ(n) と加算器(9) で加算されて信号ｕ(n) とな
り、第２の適応型ＦＩＲデジタルフィルタ(10)に入力さ
れる。第２のデジタルフィルタ(10)の出力ｙ(n) は消音
信号としてＤ／Ａ変換器(11)に出力され、Ｄ／Ａ変換器
(11)でアナログ信号に変換された消音信号は増幅器(12)
を介して消音用スピーカ(5) に出力される。加算器(9)
の出力ｕ(n) は、第１の係数制御部(13)および補正用Ｆ
ＩＲデジタルフィルタ(14)に入力される。消音信号ｙ
(n) は、第１の適応型デジタルフィルタ(8) および第１
の係数制御部(13)に入力される。補正用デジタルフィル
タ(14)の出力ｕ₁ (n) は、第２の係数制御部(15)に入力
される。消音した結果は消音誤差検出用マイク(4) で検
出され、増幅器(16)とＡ／Ｄ変換器(17)を介して消音誤
差信号ｅ(n) として第２の係数制御部(15)に入力され
る。

【０００５】第１の適応型デジタルフィルタ(8) の入出
力関係は、次の式(1) で表わされる。

【０００６】

【数１】 ここで、ａ(i) は第１の適応型デジタルフィルタ(8) の
フィルタ係数、Ｍはフィルタ(8) のタップ数である。ま
た、(n) 、(n-i) は時間を表わす。

【０００７】同様に、第２の適応型デジタルフィルタ(1
0)の入出力関係は、次の式(2) で表わされる。

【０００８】

【数２】 ここで、ｂ(i) は第２の適応型デジタルフィルタ(10)の
フィルタ係数、Ｎはフィルタ(10)のタップ数である。

【０００９】第１のデジタルフィルタ(8) のフィルタ係
数ａ(i) は、消音用スピーカ(5) から出力した音がダク
ト(1) 内を経由して騒音検出用マイク(3) で検出される
音響フィードバック成分を除去する目的で、次の係数更
新式(3) により逐次更新される。

【００１０】 ａ(i,n+1) ＝ａ(i,n) −α・ｙ(n-i) ・ｕ(n) …… (3) ここで、αはステップサイズパラメータで正の小さい値
をとる。式(3) に基づいてフィルタ係数ａ(i) の更新を
行えば、騒音検出信号ｘ(n) から消音信号ｙ(n) と相関
のある成分がキャンセルされた信号ｕ(n) を得ることが
できる。したがって、前述のフィードバック成分の除去
が期待でき、ハウリングの発生の抑制と消音効果の向上
に寄与する。式(3) による係数更新は、第１の係数制御
部(13)で行われる。

【００１１】第２の適応型デジタルフィルタ(10)のフィ
ルタ係数ｂ(i) は、誤差信号ｅ(n)の平均電力が最小に
なるように、次の式(4) によって更新される。

【００１２】 ｂ(i,n+1) ＝ｂ(i,n) −β・ｕ₁ (n-i) ・ｅ(n) …… (4) ここで、βはステップサイズパラメータで正の小さい値
をとる。ｕ₁ (n) は、第２の適応型デジタルフィルタ(1
0)の入力信号ｕ(n) を補正用デジタルフィルタ(14)で補
正したものであり、次の式(5) で表わされる。

【００１３】

【数３】 ここで、ｈ(i) は補正用デジタルフィルタ(14)のフィル
タ係数、Ｌはフィルタ(14)のタップ数である。補正用デ
ジタルフィルタ(14)の特性は、第２のデジタルフィルタ
(10)の出力ｙ(n) から消音誤差検出用マイク(4) を経由
し、第２の係数制御部(15)に至るまでの伝達係数であ
る。第２の係数制御部(15)では、式(4) による係数更新
が行われる。

【００１４】また、従来技術として、図３の回路におい
て、第１の適応型ＦＩＲデジタルフィルタ(8) の部分を
適応型とせず、予め求めておいた係数を用いる方法もあ
る。このとき、第２の適応型ＦＩＲデジタルフィルタ(1
0)の出力ｙ(n) から、消音用スピーカ(5) 、騒音検出用
マイク(3) を経て第２の適応型デジタルフィルタ(10)の
入力ｕ(n) に至る音響フィードバックの径路の伝達特性
を同定し、その特性を再現するようフィルタ係数が設定
される。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】図３のような従来の能
動騒音制御装置では、消音対象となる騒音波形がランダ
ム波形であれば、式(3) によるフィルタ係数更新によっ
て音響フィードバック成分だけを消去できる。しかし、
式(3) によるフィルタ係数の更新は信号ｕ(n) の平均電
力を最小にするものであり、騒音波形が周期的な場合、
音響フィードバック成分だけでなく、本来の騒音成分ま
でもキャンセルしてしまう。このため、周期的な騒音の
消音が不可能になる。したがって、ダクト内の共鳴モー
ド周波数の消音もできなくなる。このように、従来の能
動騒音制御装置では、周期的要素のある騒音に対しては
適用できないという問題がある。この問題は、式(3) に
よる係数更新は誤差信号ｅ(n) がたとえ０になっても継
続され、信号ｕ(n) の周期成分をキャンセルしようとす
る点にも原因がある。また、第１の適応型ＦＩＲデジタ
ルフィルタのフィルタ係数を固定にする方法では、音響
フィードバックの径路の伝達特性を予め測定する必要が
あり、さらに、外部環境の変化に対する適応性がないこ
とも問題である。

【００１６】この発明の目的は、上記の問題を解決し、
消音誤差信号の平均電力を評価基準にして第１の適応型
デジタルフィルタのフィルタ係数の更新を行うことによ
り、周期成分を持つ騒音についても消音可能な能動制御
装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明による適応型デ
ジタルフィルタを用いた能動制御装置は、信号処理手段
に適応型デジタルフィルタを用いる能動制御装置におい
て、上記信号処理手段によって制御対象へ出力される制
御信号を入力とする第１の適応型ＦＩＲデジタルフィル
タと、該第１の適応型ＦＩＲデジタルフィルタの出力と
上記信号処理手段への入力信号を加算した信号を入力と
する第２の適応型ＦＩＲデジタルフィルタと、上記制御
信号によって制御される対象の応答と希望応答との誤差
信号レベルを最小とするように、上記第１の適応型ＦＩ
Ｒデジタルフィルタのフィルタ係数及び第２の適応型Ｆ
ＩＲデジタルフィルタのフィルタ係数を更新する係数制
御手段と、上記係数制御手段が、上記制御信号を上記第
２の適応型ＦＩＲデジタルフィルタと同一特性のフィル
タでフィルタリングして得られる信号と、上記誤差信号
とを、入力とする上記第１の適応型デジタルフィルタの
フィルタ係数更新のための係数制御部とを備えるもので
ある。

【００１８】

【作用】図３のような能動騒音制御装置を例にとれば、
第１の適応型ＦＩＲデジタルフィルタ(8) のフィルタ係
数更新において、従来技術の式(3) による係数更新手段
では第２の適応型ＦＩＲデジタルフィルタ(10)の入力信
号ｕ(n) の平均電力を最小化する働きをするのに対し、
この発明による構成では、消音誤差信号ｅ(n) の平均電
力を最小化するようにフィルタ係数の更新を行うことが
できる。したがって、消音誤差が０になればフィルタ係
数の更新は行われず、第２の適応型ＦＩＲデジタルフィ
ルタ(10)の入力信号ｕ(n) の周期成分を全てキャンセル
するという問題は発生しない。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
ついて説明する。

【００２０】図１は、この発明を能動騒音制御装置に適
用した第１実施例を示している。なお、第１実施例にお
いて、図３の従来例と同じ部分には同一の符号を付して
いる。

【００２１】図１において、Ａ／Ｄ変換器(17)の出力で
ある消音誤差信号ｅ(n) は、第１および第２の係数制御
部(13)(15)に入力される。第１の補正用デジタルフィル
タ(14)では、前記の式(5) の演算が行われる。補正用デ
ジタルフィルタ(14)の出力信号ｕ₁ (n) は第２の係数制
御部(15)に入力され、ここで前記の式(4) にしたがって
第２の適応型デジタルフィルタ(10)のフィルタ係数ｂ
(i) の更新が行われる。補正用デジタルフィルタ(14)の
伝達特性は、第２の適応型デジタルフィルタ(10)の出力
ｙ(n) から第２の係数制御部(15)に至る径路の伝達特性
を推定したものである。消音信号ｙ(n) は、第３の適応
型ＦＩＲデジタルフィルタ(18)にも入力される。第３の
適応型デジタルフィルタ(18)のフィルタ係数ｂ(i) は、
第２の適応型デジタルフィルタ(10)のフィルタ係数ｂ
(i) と連動して同じように更新される。したがって、第
３の適応型デジタルフィルタ(18)の伝達特性は、第２の
適応型デジタルフィルタ(10)の伝達特性と同じである。
そして、第３の適応型デジタルフィルタ(18)の出力信号
ｙ₁ (n) は、第２の補正用ＦＩＲデジタルフィルタ(19)
に入力される。第２の補正用デジタルフィルタ(19)は、
第１の補正用デジタルフィルタ(14)と同等のものであ
る。第２の補正用デジタルフィルタ(19)の出力ｙ₂(n)
は、第１の係数制御部(13)に入力される。第１の係数制
御部(13)では、次の式(6) にしたがって第１の適応型デ
ジタルフィルタ(8) のフィルタ係数ａ(i) を更新する。

【００２２】 ａ(i,n+1) ＝ａ(i,n) −α・ｙ₂ (n-i) ・ｅ(n) …… (6) ここで、αはステップサイズパラメータで、正の小さい
値をとる。

【００２３】ｙ₂ (n) は、第２の補正用デジタルフィル
タ(19)で、次の式(7) により求められる。

【００２４】

【数４】 ここで、ｈ(i) は第２の補正用デジタルフィルタ(19)の
フィルタ係数、Ｌはフィルタ(19)のタップ数である。

【００２５】ｙ₁ (n) は、第３の適応型デジタルフィル
タ(18)で、次の式(8) により求められる。

【００２６】

【数５】 ここで、ｂ(i,n) は第２の適応型デジタルフィルタ(10)
の時間ｎにおけるフィルタ係数であり、Ｎは第２および
第３の適応型デジタルフィルタ(10)(18)のタップ数であ
る。

【００２７】式(4)〜(8)の一連の式を用いて第１および
第２の適応型デジタルフィルタ(8)(10)のフィルタ係数
ａ(i)、ｂ(i)を更新すれば、誤差信号ｅ(n)の平均電力
を小さくすることができる。このように、第１実施例で
は、図３の従来例の場合と異なり、第１の適応型デジタ
ルフィルタ(8)においても、第２の適応型デジタルフィ
ルタ(10)と同様に、 誤差信号ｅ(n)の平均電力が最小に
なるようにフィルタ係数ａ(i)の更新が行われている。
このため、誤差信号ｅ(n)が０になればフィルタ係数ａ
(i)の更新は行われず、第２の適応型デジタルフィルタ
(10)の入力信号ｕ(n)の周期成分を全てキ ャンセルして
しまうという従来例の問題は発生しない。 また、第１実
施例の場合、第１の適応型デジタルフィルタ(8)の出力
ｖ(n)が加算器(9)、第２の適応型デジタルフィルタ(1
0)、Ｄ／Ａ変換器(11)、増幅器(12) 、消音用スピーカ
(5)、消音誤差検出用マイク(4)、増幅器(16)およびＡ／
Ｄ変換器(17)よりなる径路を介して伝達されて誤差信号
ｅ(n)内で観測される。このた め、第２の適応型デジタ
ルフィルタ(10)の出力である消音信号ｙ(n)を第３の適
応型デジタルフィルタ(18)と第２の補正用デジタルフィ
ルタ(19)を介して第１の係数制御部(13)に導入し、これ
により、上記径路の伝達特性を補償している。

【００２８】第１実施例において、騒音検出用マイク
(3) 、増幅器(6) およびＡ／Ｄ変換器(7) が、物理現象
量である騒音の検出手段を構成している。第１および第
２の適応型デジタルフィルタ(8)(10) が、騒音検出信号
ｘ(n) を入力し、これに所定の信号処理を施して制御信
号である消音信号ｙ(n) を出力する信号処理手段を構成
している。Ｄ／Ａ変換器(11)、増幅器(12)および消音用
スピーカ(5) が、消音信号ｙ(n) を入力して物理現象量
に変換する物理現象量出力手段を構成している。消音誤
差検出用マイク(4) 、増幅器(16)およびＡ／Ｄ変換器(1
7)が、希望する物理現象量と実際の物理現象量との誤差
信号ｅ(n) を出力する誤差出力手段を構成している。第
１および第２の係数制御部(13)(15)、第１および第２の
補正用デジタルフィルタ(14)(19)ならびに第３の適応型
デジタルフィルタ(18)が、誤差信号ｅ(n) を入力して誤
差レベルを最小とするように適応型デジタルフィルタ
(8)(10) のフィルタ係数ａ(i) 、ｂ(i) を更新する係数
制御手段を構成している。

【００２９】図２は、この発明を能動騒音制御装置に適
用した第２実施例を示している。なお、第２実施例にお
いて、図１の第１実施例と同じ部分には同一の符号を付
している。

【００３０】第２実施例は、第２の適応型デジタルフィ
ルタ(10)の出力ｙ(n) に対する希望応答ｄ(n) が得ら
れ、出力誤差ｅ₀ (n) （＝ｄ(n) −ｙ(n) ）を直接に得
ることができる場合の実施例である。この場合、第１実
施例における２つの補正用デジタルフィルタ(14)(19)は
省略できる。したがって、第１の適応型デジタルフィル
タ(8) のフィルタ係数ａ(i) の更新式は次の式(9) で表
わされ、第１の係数制御部(13)で更新が行われる。

【００３１】 ａ(i,n+1) ＝ａ(i,n) ＋α・ｙ₁ (n-1) ・ｅ₀ (n) …… (9) ここで、αはステップサイズパラメータで、正の小さい
値をとる。ｙ₁ は、第３の適応型デジタルフィルタ(18)
の出力であり、前記の式(8) で求める。

【００３２】第２の適応型デジタルフィルタ(10)のフィ
ルタ係数ｂ(i) の更新式は次の式(10)で表わされ、第２
の係数制御部(15)で更新される。

【００３３】 ｂ(i,n+1) ＝ｂ(i,n) ＋β・ｕ(n-1) ・ｅ₀ (n) …… (10) ここで、βはステップサイズパラメータで、正の小さい
値をとる。

【００３４】第２実施例において、第２の加算器(20)が
誤差出力手段を構成している。第１および第２の係数制
御部(13)(15)ならびに第３の適応型デジタルフィルタ(1
8)が、係数制御手段を構成している。

【００３５】この発明は、能動騒音制御装置以外の能動
制御装置にも適用できる。

【００３６】

【発明の効果】この発明の適応型デジタルフィルタを用
いた能動制御装置によれば、上述のように、誤差信号の
平均電力を評価基準としたフィルタ係数の更新が第１の
適応型デジタルフィルタについても可能になる。このた
め、検出信号の周期成分が第１の適応型デジタルフィル
タによって全てキャンセルされて周期成分の制御ができ
なくなるという従来技術における問題は生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を能動騒音制御装置に適用した第１実
施例を示す構成図である。

【図２】この発明を能動騒音制御装置に適用した第２実
施例を示す構成図である。

【図３】能動騒音制御装置の従来例を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

(1) ダクト (2) 騒音源 (3) 騒音検出用マイク (4) 消音誤差検出用マイク (5) 消音用スピーカ (6) 増幅器 (7) Ａ／Ｄ変換器 (8) 第１の適応型ＦＩＲデジタルフィルタ (9) 第１の加算器 (10) 第２の適応型ＦＩＲデジタルフィルタ (11) Ｄ／Ａ変換器 (12) 増幅器 (13) 第１の係数制御部 (14) 補正用ＦＩＲデジタルフィルタ (15) 第２の係数制御部 (16) 増幅器 (17) Ａ／Ｄ変換器 (18) 第３の適応型ＦＩＲデジタルフィルタ (19) 第２の補正用ＦＩＲデジタルフィルタ (20) 第２の加算器 ｅ(n) 誤差信号 ｅ₀ (n) 誤差信号 ｘ(n) 騒音検出信号 ｙ(n) 消音信号（制御信号）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 信号処理手段に適応型デジタルフィルタ
   を用いる能動制御装置において、 上記信号処理手段によって制御対象へ出力される制御信
   号を入力とする第１の適応型ＦＩＲデジタルフィルタ
   と、 該第１の適応型ＦＩＲデジタルフィルタの出力と上記信
   号処理手段への入力信号を加算した信号を入力とする第
   ２の適応型ＦＩＲデジタルフィルタと、 上記制御信号によって制御される対象の応答と希望応答
   との誤差信号レベルを最小とするように、上記第１の適
   応型ＦＩＲデジタルフィルタのフィルタ係数及び第２の
   適応型ＦＩＲデジタルフィルタのフィルタ係数を更新す
   る係数制御手段と、 上記係数制御手段が、上記制御信号を上記第２の適応型
   ＦＩＲデジタルフィルタと同一特性のフィルタでフィル
   タリングして得られる信号と、上記誤差信号とを、入力
   とする上記第１の適応型デジタルフィルタのフィルタ係
   数更新のための係数制御部とを備え ることを特徴とする
   適応型デジタルフィルタを用いた能動制御装置。