JP3419878B2 - 騒音キャンセル方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＬＭＳ(Least Mean Squa
re)適応信号処理により騒音をキャンセルする騒音キャ
ンセル方法に係り、特に、キャンセル音伝搬系の伝達特
性を参照信号に畳み込んで信号処理用参照信号（フィル
タードリファレンス信号）を生成する信号処理フィルタ
における伝達関数をリアルタイムに更新して騒音をキャ
ンセルする騒音キャンセル方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】騒音と逆位相の騒音キャンセル音をスピ
−カから放射して騒音を低減する方法（アクティブ制
御）が脚光を浴び、工場やオフィスなどの室内空間の一
部に実用化されつつある。又、自動車の車室内において
もアクティブ制御により騒音を低減する方式が提案され
ている。

【０００３】図１１はアクティブ制御により騒音を低減
する従来の騒音キャンセシステムの構成図であり、自動
車のエンジン音を低減する場合である。１１は騒音源で
あるエンジン、１２はエンジン回転数Ｒを検出する回転
数センサ、１３はエンジン回転数Ｒに応じた周波数を有
する一定振幅の正弦波信号を参照信号ｘ_nとして発生す
る参照信号発生部である。騒音源がエンジンの場合、エ
ンジン回転により発生するノイズは周期性を有し、その
周波数はエンジン回転数に依存する。例えば、４気筒エ
ンジンの場合、車室内に発生する周期性ノイズはエンジ
ン回転数の２次高調波が支配的であり、回転数が６００
ｒｐｍ（１０ｒｐｓ）の時、車室内に発生するノイズの
周波数は２０Ｈｚ、回転数が６０００ｒｐｍ（１００ｒ
ｐｓ）の時、車室内に発生するノイズの周波数は２００
Ｈｚである。参照信号発生部１３は、２次高調波の正弦
波データをＲＯＭに記憶しておき、そのデータを必要に
応じて読み出して出力することにより参照信号ｘ_nを生
成する。尚、このデータの読み出し／出力タイミングは
エンジン回転数Ｒに応じてコントロールされ、これによ
りエンジン回転数Ｒに応じて発生する周期性ノイズの周
波数を有する参照信号が出力されるようになっている。

【０００４】１４は騒音キャンセルコントローラであ
り、参照信号発生部１３から発生する参照信号ｘ_nを入
力されると共に、車室内の騒音キャンセル点（観測点で
あり例えば運転者の耳元近傍）における騒音Ｓ_nとキャ
ンセル音Ｓc_nの合成音信号をエラ−信号ｅ_nとして入力
され、該エラ−信号が最小となるように適応信号処理を
行って騒音キャンセル信号ｙ_nを出力する。騒音キャン
セルコントローラ１４は、適応信号処理部１４ａと、デ
ジタルフィルタ構成の適応フィルタ１４ｂと、参照信号
ｘ_nにスピーカから騒音キャンセル点までのキャンセル
音伝搬系の伝搬特性（伝達関数）を畳み込んで信号処理
用参照信号（フィルタードリファレンス信号）ｒ_nを作
成する信号処理フィルタ（フィルタードＸ信号作成用フ
ィルタ）１４ｃを有している。１５は適応フィルタ出力
（騒音キャンセル信号ｙ_n）をアナログの騒音キャンセ
ル信号に変換するＤＡコンバータ、１６は騒音キャンセ
ル信号を増幅するパワ−アンプ、１７は騒音キャンセル
音Ｓc_nを放射するキャンセルスピ−カ、１８は騒音キャ
ンセル点に配置され、騒音Ｓ_nとキャンセル音Ｓc_nの合
成音を検出し、合成音信号をエラ−信号ｅ_nとして出力
するエラ−マイク、１９はエラー信号ｅ_nを増幅するア
ンプ、２０はエイリアスを除去するローパスフィルタ、
２０′はローパスフィルタ出力をデジタルに変換するＡ
Ｄコンバータである。

【０００５】適応信号処理部１４ａは騒音キャンセル点
におけるエラー信号ｅ_nと信号処理フィルタ１４ｃを介
して入力される信号処理用参照信号ｒ_nを入力され、こ
れら信号を用いて騒音キャンセル点における騒音をキャ
ンセルするように適応信号処理を行って適応フィルタ１
４ｂの係数を決定する。例えば適応信号処理部１４ａは
周知のフィルタードＸ ＬＭＳ(Least Mean Square)適応
アルゴリズムに従って、エラ−マイク１８から入力され
たエラ−信号ｅnが最小となるように適応フィルタ１４
ｂの係数を決定する。適応フィルタ１４ｂは適応信号処
理部１４ａにより決定された係数に従って参照信号ｘ_n
にデジタルフィルタ処理を施して騒音キャンセル信号ｙ
_nを出力し、騒音をキャンセルする。尚、参照信号ｘ
_nは、消去したい騒音Ｓ_nと相関の高い信号でなくてはな
らず、参照信号と相関のない音は消去されない。

【０００６】適応フィルタ１４ｂは図１２に示すよう
に、ＦＩＲ型デジタルフィルタで構成され、例えば、入
力信号を順次１サンプリング時間遅延する遅延要素Ｄ
Ｌ，ＤＬ・・・と、各遅延要素出力に係数ｗ_1n，ｗ_2n，
ｗ_3n・・・ｗ_Nnを乗算する乗算部ＭＬ，ＭＬ，・・・
と、各乗算部出力を順次加算する加算部ＡＤ，ＡＤ・・
・で実現される。すなわち、現時刻ｎ・Ｔsにおける参
照信号をｘ_n、その時の各乗算部の係数をｗ_1n，ｗ_2n，
ｗ_3n・・・ｗ_Nn、出力(騒音キャンセル信号)をｙ_nとす
れば、適応フィルタ１４ｂは次式 ｙ_n＝Σｗ_in・ｘ_n-i+1 (i=1〜N) ・・(1) の演算を実行し、騒音キャンセル信号ｙ_nを出力する。

【０００７】信号処理フィルタ１４ｃは図１３に示すよ
うに、ＦＩＲ型デジタルフィルタで構成され、例えば、
入力信号を順次１サンプリング時間遅延する遅延要素Ｄ
Ｌ，ＤＬ・・・と、各遅延要素出力に係数c₁，c₂，c₃・
・・c_Mを乗算する乗算部ＭＬ，ＭＬ，・・・と、各乗算
部出力を順次加算する加算部ＡＤ，ＡＤ・・・で実現さ
れる。係数c₁，c₂，c₃・・・c_Mは二次音伝搬系（キャン
セル音伝搬系：スピーカから観測点までの系）の伝搬特
性（伝達特性）を模擬するように決定されている。時刻
ｎ・Ｔsにおける参照信号をｘ_n、出力(信号処理用参照
信号)をｒ_nとすれば、信号処理フィルタ１４cは次式 ｒ_n＝Σci・ｘ_n-i+1 （i=1〜M) ・・(2) の演算を実行して信号処理用参照信号ｒ_nを出力する。

【０００８】適応信号処理部１４ａは、１サンプリング
時刻Ｔs後の次の時刻(ｎ+1)・Ｔsにおける適応フィルタ
１４ｂの係数ｗ_1n+1，ｗ_2n+1，ｗ_3n+1・・・ｗ_Nn+1を、
現時刻ｎ・Ｔにおける係数とエラー信号ｅ_nと信号処理
用参照信号ｒ_nを用いて次式（係数更新式） ｗ_jn+1＝ｗ_jn＋μ・ｒ_n-j+1・ｅ_n (3) により決定する（但し、ｊ＝１，２，・・・Ｎ）。(3)
式において、サフィックスnは現サンプリング時刻の
値、サフィックス(n+1)は１サンプリング時刻後の値、
サフィックス(n-1)は１サンプリング時刻前の値、サフ
ィックス(n-2)は２サンプリング時刻前の値、・・・を意味
している。又、μは適応フィルタの係数を更新するステ
ップを決める１以下の定数（ステップサイズパラメー
タ）であり、騒音キャンセルシステムに応じて適当な値
に設定される。

【０００９】エンジン１１が回転すると、その回転数Ｒ
は回転数センサ１２により検出され、参照信号発生部１
３はエンジン回転数Ｒに応じた周波数の参照信号ｘ_nを
発生し、信号処理フィルタ１４ｃと適応フィルタ１４ｂ
に入力する。この時、エンジン１１から発生した周期性
を有するエンジン音は、所定の伝達関数を有する騒音伝
搬系(一次音伝搬系)を有する空中を伝播して騒音キャン
セル点に至る。信号処理フィルタ１４ｃは参照信号ｘ_n
にキャンセル音伝搬系の伝達特性Ｃ_Mを畳込んで信号処
理用参照信号ｒ_nを生成して適応信号処理部１４ｃに入
力する。以上と並行して、騒音キャンセル点における騒
音とキャンセル音の合成音（エラー信号）ｅ_nがエラー
マイク１８により検出され、アンプ、ローパスフィル
タ、ＡＤコンバータを介して適応信号処理部１４ａに入
力される。適応信号処理部１４ａはエラー信号ｅ_nと信
号処理用参照信号ｒ_nを用いて(3)式に従ってＬＭＳ適応
信号処理を行い、適応フィルタ１４ｂの係数を決定す
る。適応フィルタ１４ｂは適応信号処理部１４ａにより
決定された係数に従って参照信号ｘ_nにデジタルフィル
タ処理を施して騒音キャンセル信号ｙ_nを発生し、ＤＡ
コンバータ、パワーアンプを介してスピーカ１７に入力
する。これにより、スピーカ１７から騒音キャンセル音
が出力され、キャンセル音伝搬系を介して騒音キャンセ
ル点に到り、騒音をキャンセルするように作用する。以
後、上記動作が繰り返されて騒音は速やかにキャンセル
される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の騒音
キャンセル方法においては、キャンセル音伝搬系の伝達
特性Ｃ_Mを騒音キャンセル動作に先立って同定し、該伝
達特性を信号処理フィルタ１４ｃに設定する。そして、
騒音キャンセル動作時、信号処理フィルタ１４ｃは参照
信号に該キャンセル音伝搬系の伝達関数Ｃ_Mを畳み込ん
で信号処理用参照信号ｒ_nを生成し、信号処理部１４ａ
は該信号処理用参照信号ｒ_nとエラー信号ｅ _nを用いて適
応信号処理を行って適応フィルタ１４ｂの係数を決定す
る。かかる従来の騒音キャンセル方法は、騒音キャンセ
ル動作時におけるキャンセル音伝搬系の伝達関数と騒音
キャンセル動作前に同定した伝達関数とが一致していれ
ば何等問題はない。しかし、騒音キャンセル動作時にお
けるキャンセル音伝搬系の伝達関数は乗員数や車室内の
温度等の影響を受け、時々刻々と変化するもので、騒音
キャンセル動作前に同定した伝達関数と異なって来る。
かかる伝達関数のずれ（モデリングエラーという）が発
生すると、騒音キャンセルシステムの性能が劣化し、最
悪の場合にはシステムが不安定になり騒音をキャンセル
するどころか、逆に増音現象を生じてしまう恐れがあ
る。

【００１１】以上から、本発明の目的は、騒音キャンセ
ル動作と並行してキャンセル音伝搬系の実際の伝達関数
を同定し、該伝達関数を信号処理フィルタに設定するこ
とにより騒音キャンセルシステムの性能の向上を図るこ
とができる騒音キャンセル方法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、第１の発明
によれば、キャンセル音伝搬系が参照信号発生部と適応
フィルタ間に存在するものとして騒音キャンセルシステ
ムを近似する手段と、参照信号とエラー信号の相関を演
算し、該相関と適応フィルタ係数との組合せを求める手
段と、これら相関値と適応フィルタ係数値の組合せを用
いて、参照信号と近似システムにおけるキャンセル音伝
搬系出力との相関を算出する手段と、参照信号の自己相
関を演算する手段と、前記参照信号とキャンセル音伝搬
系出力との相関値と、前記参照信号の自己相関値とを用
いて騒音キャンセルシステムにおけるキャンセル音伝搬
系の伝達関数を演算する手段と、該伝達関数を騒音キャ
ンセルシステムの信号処理フィルタに設定する手段とに
より達成される。

【００１３】又、上記目的は、第２の発明によれば、キ
ャンセル音伝搬系が参照信号発生部と適応フィルタ間に
存在するものとして騒音キャンセルシステムを近似する
手段、エラー信号の二乗平均値と適応フィルタ係数との
組合せを求める手段と、これら二乗平均値と適応フィル
タ係数値とを用いて誤差二乗平均曲線の勾配を演算する
手段と、エラー信号と参照信号との相関を演算する手段
と、前記勾配と前記相関値(エラー信号と参照信号の相
関値)とを用いて騒音キャンセルシステムにおけるキャ
ンセル音伝搬系の伝達関数を演算する手段と、該伝達関
数を騒音キャンセルシステムの信号処理フィルタに設定
する手段とにより達成される。

【００１４】

【作用】

・第１の発明 キャンセル音伝搬系が参照信号発生部と適応フィルタ間
に存在するものとして騒音キャンセルシステムを近似す
る。騒音キャンセル動作時、参照信号とエラー信号の相
関を演算し、該相関と適応フィルタ係数との組合せを求
め、これら相関値と適応フィルタ係数値の組合せを用い
て、参照信号と近似システムにおけるキャンセル音伝搬
系出力との相関を算出する。又、参照信号の自己相関を
演算する。ついで、前記参照信号とキャンセル音伝搬系
出力との相関値と、前記参照信号の自己相関値とを用い
て騒音キャンセルシステムにおけるキャンセル音伝搬系
の伝達関数を演算し、該伝達関数を騒音キャンセルシス
テムの信号処理フィルタに設定して騒音をキャンセルす
る。

【００１５】・第２の発明 キャンセル音伝搬系が参照信号発生部と適応フィルタ間
に存在するものとして騒音キャンセルシステムを近似す
る。騒音キャンセル動作時、エラー信号の二乗平均値と
適応フィルタ係数との組合せを求め、これら二乗平均値
と適応フィルタ係数値との組合せを用いて誤差二乗平均
曲線の勾配を演算する。又、エラー信号と参照信号との
相関を演算する。ついで、前記勾配と前記相関値(エラ
ー信号と参照信号の相関値)とを用いて騒音キャンセル
システムにおけるキャンセル音伝搬系の伝達関数を演算
し、該伝達関数を騒音キャンセルシステムの信号処理フ
ィルタに設定して騒音をキャンセルする。以上の第１、
第２の発明によれば、騒音キャンセル動作と並行してキ
ャンセル音伝搬系の伝達関数を同定し、該伝達関数を信
号処理フィルタに設定するから、実際のキャンセル伝搬
系の伝達関数を信号処理フィルタに設定することがで
き、騒音キャンセルシステムの性能の向上を図ることが
できる。

【００１６】

【実施例】

(a) 全体の構成 図１は本発明の騒音キャンセル方法を具現化したシステ
ムの構成図である。図中２０は騒音キャンセルシステム
であり、エラー信号のパワーが最小となるように騒音キ
ャンセル音を発生するようになっている。２１は参照信
号ｘ_nを発生する参照信号発生部、２２は騒音キャンセ
ルコントローラであり、参照信号発生部２１から発生す
る参照信号ｘ_nを入力されると共に、車室内の騒音キャ
ンセル点における騒音Ｓ_nとキャンセル音Ｓc_nの合成音
信号をエラ−信号ｅ_nとして入力され、該エラ−信号が
最小となるように適応信号処理を行って騒音キャンセル
信号ｙ_nを出力する。騒音キャンセルコントローラ２２
は、適応信号処理部２２ａと、デジタルフィルタ構成の
適応フィルタ２２ｂと、参照信号ｘnにキャンセル音伝
搬系の伝搬特性（伝達関数）Ｃ_Mを畳み込んで信号処理
用参照信号（フィルタードリファレンス信号）ｒ_nを作
成する信号処理フィルタ２２ｃを有している。信号処理
フィルタ２２ｃには、後述するように騒音キャンセル動
作時に計算されたキャンセル音伝搬系の実際の伝達関数
ｃが逐次設定されるようになっている。従って、信号処
理フィルタ２２ｃは乗員数や車室内温度その他の要因に
よりキャンセル音伝搬系の伝達関数が変動しても、実際
の伝達関数が設定され、参照信号ｘ_nに該伝達関数を畳
み込んでフィルタードリファレンス信号ｒ_nを作成す
る。

【００１７】２３は騒音キャンセル音Ｓc_nを放射するキ
ャンセルスピ−カ、２４は騒音キャンセル点に配置さ
れ、騒音Ｓ_nとキャンセル音Ｓc_nの合成音を検出し、合
成音信号をエラ−信号ｅ_nとして出力するエラ−マイク
である。尚、適応フィルタ２２ｂの出力信号（騒音キャ
ンセル信号ｙn）をアナログの騒音キャンセル信号に変
換するＤＡコンバータ、騒音キャンセル信号を増幅して
スピーカに入力するパワ−アンプ、エラー信号ｅ_nを増
幅するアンプ、エラー信号よりエイリアスを除去するロ
ーパスフィルタ、ローパスフィルタ出力をデジタルに変
換して騒音キャンセルコントローラ２２に入力するＡＤ
コンバータ等が存在するが図示は省略している。３０は
キャンセル音伝搬系の伝達関数を演算する伝達関数演算
処理部であり、参照信号ｘ_nと、エラー信号ｅ_nと、適応
フィルタ２２ｂの係数ｗ_nを用いてキャンセル音伝搬系
の伝達関数を演算し、信号処理フィルタ２２ｃに逐次設
定するようになっている。

【００１８】(b) 伝達関数演算処理部 (b-1) 第１の伝達関数同定法 騒音源から観測点までの一次音仮想伝搬系（騒音伝搬
系）Ｈとスピーカから騒音キャンセル点までの二次音伝
搬系（キャンセル音伝搬系）Ｃ_Rとを用いて騒音キャン
セルシステム２０を表現すると図２に示すようになる。
図中、２５は騒音伝搬系Ｈ、２６はキャンセル音伝搬系
Ｃ_Rであり、キャンセル音伝搬系２６はスピーカ特性も
含んでいる。適応が比較的ゆっくり行われている場合、
騒音キャンセルシステム２０は図３に示すように近似す
ることができる。すなわち、キャンセル音伝搬系２６が
参照信号発生部２１と適応フィルタ２２ｂ間に存在する
ものとして適応信号処理を行っても、図２の騒音キャン
セルシステム２０と同等の適応フィルタ係数を得ること
ができる。以上のように騒音キャンセルシステムを近似
すると、以下の(4)，(5)式が成立する。式中、下線が付
されたものは１行の行列（ベクトル）であり、Ｔは転置
行列を意味している。又、サフィックスｎは現サンプリ
ング時刻の値、ｎ−ｉは現時刻よりｉサンプリング前の
値を意味する。

【００１９】 Ｅ［ｘ_n ｅ_n］ ＝Ｅ［ｘ_n （ｄ_n＋ｕ_n ^T ｗ）］ ＝Ｅ［ｘ_n ｄ_n］＋Ｅ［ｘ_n ｕ_n ^T］ｗ (4) 但し、ｗ＝［ｗ₀ ｗ₁ ｗ₂ ・・・ｗ_I-1］^T ｕ_n ＝［ｕ_n ｕ_n-1 ｕn_-2 ・・・ｕ_n-I+1］^T ｘ_n ＝［ｘ_n ｘ_n-1 ｘn_-2 ・・・ｘ_n-J+1］^T Ｅ［ｘ_n-jｕ_n-i］＝Ｅ［ｘ_n-j ｘ_n-i ^T］ｃ (5) 但し、ｉ＝０〜（Ｉ−１），ｊ＝０〜Ｊ−１ｃ ＝［ｃ₀ ｃ₁ ｃ₂ ・・・ｃ_J-1］^T (4)式において、Ｅ［ｘ_n ｅ_n］は参照信号ｘ_n とエラー信
号ｅ_nの相関であるが、これはＮ回のサンプリング時刻
における参照信号ｘ_n とエラー信号ｅ_nの積の和の平均
（＝Σｘ_n ｅ_n／Ｎ）で近似することができる。尚、Ｎは
例えば１００である。他のＥ［ ］も同様の意味を有
し、例えばＥ［ｘ_n ｕ_n ^T］は参照信号ｘ_n とキャンセル
音伝搬系出力信号ｕ_n ^Tの相関である。又、(5)式におい
てＥ［ｘ_n-j ｘ_{n- i} ^T］は参照信号の自己相関である。

【００２０】さて、(4)式において、参照信号とエラー
信号の相関Ｅ［ｘ_n ｅ_n］と適応フィルタ係数ｗは既知、
Ｅ［ｘ_n ｄ_n］とＥ［ｘ_n ｕ_n ^T］は未知である。従って、
相関Ｅ［ｘ_n ｅ_n］と適応フィルタ係数ｗとの組合せを２
組求め、これら２組のデータから(4)式に基づいて連立
方程式を作成し、該連立方程式を解けばＥ［ｘ_n ｄ_n］と
Ｅ［ｘ_n ｕ_n ^T］が求まる。一方、(5)式の右辺である参
照信号の自己相関Ｅ［ｘ_n-j ｘ_n-i ^T］を演算し、これと
Ｅ［ｘ_n ｕ_n ^T］とを用いて(5)式から、キャンセル音伝
搬系２６の伝達関数ｃを求めることができる。

【００２１】(b-2) 伝達関数演算処理部の第１の構成 図４は第１の伝達関数同定法に基づいて伝達関数ｃを演
算する伝達関数演算処理部３０の構成図であり、３１は
参照信号ｘ_nとエラー信号ｅ_nの相関Ｅ［ｘ_n ｅ_n］を演算
する第１の相関演算部、３２は参照信号とエラー信号の
相関Ｅ［ｘ_n ｅ_n］と適応フィルタ係数ｗとの２組の組合
せを用いて、Ｅ［ｘ_n ｄ_n］とＥ［ｘ_n ｕ _n ^T］をそれぞれ
未知数とする連立方程式を作成し、該連立方程式を解く
ことにより、Ｅ［ｘ_n ｕ_n ^T］を出力する第２の相関演算
部である。尚、Ｅ［ｘ_n ｕ_n ］は参照信号ｘ_n と、近似
システムにおけるキャンセル音伝搬系２６の出力信号ｕ
_n ^T との相関である。３３は参照信号の自己相関Ｅ［ｘ
_n-j ｘ_n-i ^T］を演算する自己相関演算部、３４は相関Ｅ
［ｘ_n ｕ_n ^T］と参照信号の自己相関Ｅ［ｘ_n-j ｘ_n-i ^T ］
を入力され、(5)式に基づいてキャンセル音伝搬系の伝
達関数ｃを演算して出力する伝達関数演算部である。
尚、第２の相関演算部３２では連立方程式を解く必要が
あるが、この解法については後述する。

【００２２】(b-3) 第２の伝達関数同定法 騒音キャンセルシステムを図３に示すように近似する
と、(6)，(7)式が成立する。式中、下線（ ）が付され
たものは１行の行列（ベクトル）である。但し、Ｒのみ
はマトリクスである。又、Ｔは転置行列を意味してい
る。サフィックスｎは現サンプリング時刻の値、ｎ−ｉ
は現時刻よりｉサンプリング前の値を意味する。 Ｅ［ｅ_n ²］ ＝Ｅ［ｄ_n ²］＋２ｗ ^T ｐ＋ｗ ^T Ｒ ｗ (6) 但し、ｐ＝Ｅ［ｕ_n ｄ_n］Ｒ ＝Ｅ［ｕ_n ｕ_n ^T］∇ ＝２ｐ＋２Ｒ ｗ (7) 但し、∇＝［∇₀ ∇₁ ∇₂ ・・・∇_I-1］^T (6)式において、Ｅ［ｅ_n ²］はエラー信号の自己相関で
あり、これはＮ回のサンプリング時刻におけるエラー信
号ｅ_nの二乗の和の平均（＝Σｅ_n ²／Ｎ）で近似するこ
とができる。尚、Ｎは例えば１００である。エラー信号
ｅ_nの二乗は図５に示すように適応フィルタ係数ｗの二
次関数（誤差特性曲面）になっている。適応信号処理で
はＥ［ｅn²］が最小になるように適応フィルタの係数ｗ
（＝＊ｗ）を決定する。

【００２３】又、∇は誤差特性曲線の勾配を意味してお
り、(6)式をｗで微分することにより得られる。一方、
誤差特性曲面の勾配∇_iは(8)式のようにも表現すること
ができる。 ∇_i＝Ｅ［ｅ_n ｘ_n-i ^T］ｃ (8) (6)式において、エラー信号ｅ_nの二乗平均値Ｅ［ｅ_n ²］
と適応フィルタ係数ｗは既知、Ｅ［ｄ_n ²］、ｐ、Ｒは未
知数である。従って、エラー信号ｅ_nの二乗平均値Ｅ
［ｅ_n ²］と適応フィルタ係数ｗとの組合せを求め、これ
らの各組合せと(6)式に基づいて連立方程式を作成し、
該連立方程式を解けばｐ、Ｒが求まる。このｐ、Ｒを
(7)式に代入することにより誤差特性曲面の勾配∇が求
まる。従って、エラー信号と参照信号の相関Ｅ［ｅ_n ｘ
_n-i ^T］を演算し、この相関と(7)式より求まる勾配∇と
を用いれば(8)式より、キャンセル音伝搬系２６の伝達
関数ｃを求めることができる。

【００２４】(b-4) 伝達関数演算処理部の第２の構成 図６は第２の伝達関数同定法により伝達関数ｃを演算す
る伝達関数演算処理部３０の別の構成図であり、４１は
エラー信号ｅ_nの二乗平均値Ｅ［ｅ_n ²］を演算する誤差
二乗平均演算部、４２は誤差二乗平均値と適応フィルタ
係数ｗとの組合せを用いて、Ｅ［ｄ_n ²］、ｐ、Ｒをそれ
ぞれ未知数とする連立方程式を作成し、該連立方程式を
解くことにより、ｐ、Ｒを出力する変数演算部である。
尚、ｐはｕ_n とｄ_nの相関行列、Ｒはｕ_n の自己相関マト
リクスである。４３は(7)式により勾配∇を演算する勾
配演算部、４４はエラー信号ｅ_nと参照信号ｘ_n-i ^Tとの
相関を演算する相関演算部、４５は勾配∇と相関Ｅ［ｅ
_n ｘ_n-i ^T］を入力され、(8)式よりキャンセル音伝搬系の
伝達関数ｃを演算して出力する伝達関数演算部である。

【００２５】(c) 全体の動作 例えば、車室内のエンジン音をキャンセルする場合、予
め測定したキャンセル音伝搬系の伝達関数を信号処理フ
ィルタ２２ｃに初期設定しておく。かかる状態で、騒音
キャンセル動作が開始すると、参照信号発生部２１はエ
ンジン回転数に応じた周波数の参照信号ｘ_nを発生し、
信号処理フィルタ２２ｃと適応フィルタ２２ｂに入力す
る。この時、エンジンから発生したエンジン音は、所定
の伝達関数を有する騒音伝搬系(一次音伝搬系)を有する
空中を伝播して騒音キャンセル点に至る。信号処理フィ
ルタ２２ｃは参照信号ｘ_nに初期設定されているキャン
セル音伝搬系の伝達特性Ｃ_Mを畳込んで信号処理用参照
信号ｒ_nを生成して適応信号処理部２２ａに入力する。
以上と並行して、騒音キャンセル点における騒音とキャ
ンセル音の合成音（エラー信号）ｅ_nがエラーマイク２
４により検出され、適応信号処理部２２ａに入力され
る。

【００２６】適応信号処理部２２ａはそれぞれエラー信
号ｅ_nと信号処理用参照信号ｒ_nを用いて(3)式に従って
ＬＭＳ適応信号処理を行い、適応フィルタ２２ｂのデジ
タルフィルタの係数ｗ_nを決定する。適応フィルタ２２
ｂは適応信号処理部２２ａにより決定された係数に従っ
て参照信号ｘnにデジタルフィルタ処理を施して騒音キ
ャンセル信号ｙ_nを発生し、図示しないＤＡコンバー
タ、パワーアンプを介してスピーカ２３に入力する。こ
れにより、スピーカ２３から騒音キャンセル音が出力さ
れ、キャンセル音伝搬系を介して騒音キャンセル点に到
り、騒音をキャンセルするように作用する。以後、上記
動作が繰り返される。一方、伝達関数演算処理部３０は
上記適応信号処理による騒音キャンセル制御と並行し
て、参照信号ｘ_n、エラー信号ｅ_n、適応フィルタ係数ｗ
_nを用いて現状態のキャンセル音伝搬系の伝達関数ｃを
演算し、伝達関数が求まる毎に信号処理フィルタ２２ｃ
に設定する。信号処理フィルタ２２ｃは新たな伝達関数
が設定されれば、該伝達関数を参照信号ｘ_nに畳込んで
信号処理用参照信号ｒ_nを生成して適応信号処理部２２
ａに入力する。以後、同様に信号処理フィルタ２２ｃに
常時現状態のキャンセル音伝搬系の伝達関数が設定さ
れ、該伝達関数を用いた適応信号処理が行われて騒音は
速やかにキャンセルされる。

【００２７】(d) 方程式の適応的解法 第１の伝達関数同定法では連立一次方程式を解く必要が
ある。以下、二元連立一次方程式を例にとり、その解法
について説明する。尚、初めに一元一次方程式の解法を
説明し、ついで、二元連立一次方程式の解法について説
明する。 (d-1) 一元一次方程式の適応的解法 一元一次方程式 ａｘ＝ｂ （ｘは未知数）の解は、この
方程式を ｅ＝ｂ−ａｘ (9) と変形し、エラーｅが零なるように適応を行った時のｘ
の値である。(9)式をブロック図で示すと図７に示すよ
うになる。但し、５１は乗算器、５２は加算器である。

【００２８】(9)式よりエラーｅの二乗は ｅ²＝ｂ²−２ａｂｘ＋ａ²ｘ² となり、ｘの二次関数（誤差特性曲線）となる。上式を
ｘで微分して誤差特性曲線の勾配∇を求めると次式 ∇＝ｄｅ²／ｄｘ＝−２ａｂ＋２ａ²ｘ となる。エラーｅが最小（零）となるように制御すると
いうことは、現時刻の値ｘ_nを勾配方向に所定値μ（μ
はステップサイズパラメータで１以下）だけ減少させる
ように次の値ｘ_n+1を求め、以後ｘ_n+1を現時刻の値ｘ_n
として順次ｘ_n+1を同様に求めて行けばよいことを意味
する。すなわち、ｘ_n+1を次式 ｘ_n+1＝ｘ_n−μ∇_n ＝ｘ_n−μ（−２ａｂ＋２ａ²ｘ_n） ＝ｘ_n＋２μａ（ｂ−ａｘ_n） ＝ｘ_n＋２μａｅ_n (10) により、逐次的に求めてゆけば最終的に、∇_n＝０（エ
ラー最小）となりその時のｘ_n（＝＊ｘ_n）が求める方程
式ａｘ＝ｂの解となる。

【００２９】ところで、(10)式は適応信号処理における
適応フィルタの係数を求める(3)式と同一の構造になっ
ている。従って、図７におけるｂは目標値、ｅはエラー
信号、ａｘは目標値をキャンセルするキャンセル信号、
ａは参照信号、ｘはｅ＝０となるように適応信号処理に
より得られた適応フィルタ係数、５１は適応フィルタ、
５２はエラー検出センサに対応する。以上より、一元一
次方程式 ａｘ＝ｂ （ｘは未知数）の解は、図８に示す
構成によりエラーｅ_nが収束(零)になった時のｘ_nとして
求めることができる。図８において、５１，５３は乗算
器、５２，５４は加算器、５５は係数２μを乗算する乗
算器、５６は１サンプリング時間だけｘ_n+1を遅延する
遅延部（レジスタ）である。

【００３０】(d-2) 二元連立一次方程式の適応的解法 二元連立一次方程式 ａ₁₁ｘ₁＋ａ₁₂ｘ₂＝ｂ₁ ａ₂₁ｘ₁＋ａ₂₂ｘ₂＝ｂ₂ の解は、上記連立方程式を ｅ₁＝ｂ₁−（ａ₁₁ｘ₁＋ａ₁₂ｘ₂） ｅ₂＝ｂ₂−（ａ₂₁ｘ₁＋ａ₂₂ｘ₂） (11) と変形し、エラー（ｅ₁ ²＋ｅ₂ ²）が最小（零）なるよう
に適応を行った時のｘ₁，ｘ₂の値である。(11)式をブロ
ック図で示すと図９に示すようになる。但し、６１〜６
４は乗算器、６５〜６８は加算器、７１、７２は積和回
路である。

【００３１】エラーｅ₁，ｅ₂の二乗はそれぞれ ｅ₁ ²＝b₁ ²-2b₁a₁₁x₁-2b₁a₁₂x₂+a₁₁ ²x₁ ²+2a₁₁a₁₂x₁x₂+a
₁₂ ²x₂ ² ｅ₂ ²＝b₂ ²-2b₂a₂₁x₁-2b₂a₂₂x₂+a₂₁ ²x₁ ²+2a₂₁a₂₂x₁x₂+a
₂₂ ²x₂ ² となり、上式をそれぞれｘ₁，ｘ₂で偏微分すると ∂e₁ ²/∂x₁＝-2b₁a₁₁+2a₁₁ ²x₁+2a₁₁a₁₂x₂ ∂e₁ ²/∂x₂＝-2b₁a₁₂+2a₁₂ ²x₂+2a₁₁a₁₂x₁ ∂e₂ ²/∂x₁＝-2b₂a₂₁+2a₂₁ ²x₁+2a₂₁a₂₂x₂ ∂e₂ ²/∂x₂＝-2b₂a₂₂+2a₂₂ ²x₂+2a₂₁a₂₂x₁ となる。従って、誤差特性曲面の勾配はそれぞれ次式で
表わされる∇₁，∇₂の和で与えられる。

【００３２】

【数１】 エラーのトータルパワーｅ₁ ²＋ｅ₂ ²が最小（零）となる
ように制御するということは、現時刻の値ｘ_1n，ｘ_2nを
勾配方向に所定値μだけ減少させるように次の値ｘ
_{1 n+1}，ｘ_{2 n+1}を求め、以後ｘ_{1 n+1}，ｘ_{2 n+1}を現時刻
の値ｘ_1n，ｘ_2nとして順次ｘ_{1 n+1}，ｘ_{2 n+1}を同様に求
めて行けばよいことを意味する。すなわち、ｘ_{1 n+1}，
ｘ_{2 n+1}をそれぞれ次式により、逐次的に求めてゆけば
最終的に、∇₁＋∇₂＝０（エラー最小）となりその時の
ｘ_1n，ｘ_2nが求める二元連立一次方程式の解となる。

【００３３】

【数２】 ところで、(12)式は適応信号処理における適応フィルタ
の係数を求める係数更新式と同一の構造になっている。
従って、図９におけるｂ₁，ｂ₂は２つの観測点における
目標値、ｅ₁，ｅ₂は２つの観測点におけるエラー信号、
（ａ₁₁ｘ₁＋ａ_{1 2}ｘ_2n）、（ａ₂₁ｘ₁＋ａ₂₂ｘ₂）は目標
値をキャンセルするキャンセル信号、ａ_{1 1}，ａ₁₂，
ａ₂₁，ａ₂₂は参照信号、ｘ₁，ｘ₂はｅ₁＝０，ｅ₂＝０と
なるように適応信号処理により得られた適応フィルタ係
数、７１，７２は適応フィルタ、６７，６８はエラー検
出センサに対応する。

【００３４】以上より、二元連立一次方程式の解は、図
１０に示す構成によりエラーｅ_1n，ｅ_2nが収束(零)にな
った時のｘ_1n，ｘ_2nとして求めることができる。尚、図
１０において、７１，７２，７３，７４は積和回路、７
５，７６は係数２μを乗算する乗算器、７７，７８は１
サンプリング時間だけｘ_{1 n+1}，ｘ_{2 n+1}をそれぞれ遅延
する遅延部（レジスタ），７９，８０は加算器である。
ところで、本発明の伝達関数同定法では一般的に連立一
次方程式を解く必要があるが、これは二元連立一次方程
式の場合と同様に適応的解法により求めることができ、
その詳細は省略する。以上、本発明を実施例により説明
したが、本発明は請求の範囲に記載した本発明の主旨に
従い種々の変形が可能であり、本発明はこれらを排除す
るものではない。

【００３５】

【発明の効果】以上本発明によれば、騒音キャンセル動
作と並行してキャンセル音伝搬系の伝達関数を同定し、
該伝達関数を信号処理フィルタに設定するから、実際の
キャンセル伝搬系の伝達関数を信号処理フィルタに設定
することができ、騒音キャンセルシステムの性能の向上
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の騒音キャンセル方法を具現化したシス
テム説明図である。

【図２】一次音及び二次音伝搬系を用いて表現した騒音
キャンセルシステムの説明図である。

【図３】近似システムの説明図である。

【図４】第１の伝達関数演算部の構成図である。

【図５】誤差特性曲線の説明図である。

【図６】第２の伝達関数演算部の構成図である。

【図７】一元一次方程式の適応的解法の説明図である。

【図８】一元一次方程式の適応的解法の構成図である。

【図９】二元連立一次方程式の適応的解法の説明図であ
る。

【図１０】二元連立一次方程式の適応的解法の構成図で
ある。

【図１１】従来の騒音キャンセル装置の構成図である。

【図１２】適応フィルタの構成図である。

【図１３】信号処理用フィルタの構成図である。

【符号の説明】

２０・・騒音キャンセルシステム ２１・・参照信号発生部 ２２ａ・・適応信号処理部 ２２ｂ・・適応フィルタ ２２ｃ・・信号処理フィルタ ２３・・スピーカ ２４・・エラーマイク ３０・・伝達関数演算処理部

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 騒音キャンセル点における騒音をキャン
   セルするキャンセル音を出力するキャンセル音発生部、
   騒音キャンセル点における騒音とキャンセル音の合成音
   であるエラー信号を検出するセンサ、騒音源から発生す
   る騒音に応じた参照信号を発生する参照信号発生部、キ
   ャンセル音発生部からセンサまでのキャンセル音伝搬系
   における伝搬特性を参照信号に畳み込んで信号処理用の
   参照信号を生成する信号処理フィルタ、参照信号発生部
   から出力される参照信号に所定のフィルタリング処理を
   施して騒音キャンセル信号を発生してキャンセル音発生
   部に入力する適応フィルタ、エラー信号と信号処理用参
   照信号を用いて騒音キャンセル点における騒音をキャン
   セルするように適応フィルタの係数を決定する適応信号
   処理部とを備えた騒音キャンセルシステムにおける騒音
   キャンセル方法において、 キャンセル音伝搬系が参照信号発生部と適応フィルタ間
   に存在するものとして騒音キャンセルシステムを近似
   し、 参照信号とエラー信号の相関を演算し、該相関と適応フ
   ィルタ係数との組合せを求め、 これら相関値と適応フィルタ係数値とを用いて、参照信
   号と近似システムにおけるキャンセル音伝搬系出力との
   相関を算出し、 又、参照信号の自己相関を演算し、 前記参照信号とキャンセル音伝搬系出力との相関値と、
   前記参照信号の自己相関値とを用いて騒音キャンセルシ
   ステムにおけるキャンセル音伝搬系の伝達関数を演算
   し、 該伝達関数を騒音キャンセルシステムにおける信号処理
   フィルタに設定して騒音をキャンセルする騒音キャンセ
   ル方法。
2. 【請求項２】 騒音キャンセル点における騒音をキャン
   セルするキャンセル音を出力するキャンセル音発生部、
   騒音キャンセル点における騒音とキャンセル音の合成音
   であるエラー信号を検出するセンサ、騒音源から発生す
   る騒音に応じた参照信号を発生する参照信号発生部、キ
   ャンセル音発生部からセンサまでのキャンセル音伝搬系
   における伝搬特性を参照信号に畳み込んで信号処理用の
   参照信号を生成する信号処理フィルタ、参照信号発生部
   から出力される参照信号に所定のフィルタリング処理を
   施して騒音キャンセル信号を発生してキャンセル音発生
   部に入力する適応フィルタ、エラー信号と信号処理用参
   照信号を用いて騒音キャンセル点における騒音をキャン
   セルするように適応フィルタの係数を決定する適応信号
   処理部とを備えた騒音キャンセルシステムにおける騒音
   キャンセル方法において、 キャンセル音伝搬系が参照信号発生部と適応フィルタ間
   に存在するものとして騒音キャンセルシステムを近似
   し、 エラー信号の二乗平均値と適応フィルタ係数との組合せ
   を求め、 これら二乗平均値と適応フィルタ係数値とを用いて誤差
   二乗平均曲線の勾配を演算し、 又、エラー信号と参照信号との相関を演算し、 前記勾配と、前記エラー信号と参照信号の相関値とを用
   いて騒音キャンセルシステムにおけるキャンセル音伝搬
   系の伝達関数を演算し、 該伝達関数を騒音キャンセルシステムにおける信号処理
   フィルタに設定して騒音をキャンセルする騒音キャンセ
   ル方法。