JP4973733B2 - 能動消音装置および能動消音装置の制御方法 - Google Patents
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Description
近年では、空調騒音、工場内や自動車内の騒音などを消すのに能動消音装置が用いられている。
特許文献1では、低演算量で高い消音性能を有する能動消音装置が示されている。この能動消音装置は、図11に示すように、センサマイク101、フィルタ係数を可変に設定可能なFIRフィルタ102、フィルタ係数が固定であるFIRフィルタ103、FIRフィルタ103の後段に設けられたLMS演算器104、制御用スピーカ105、エラーマイク106、によって構成される。なお、FIRフィルタ102、FIRフィルタ103、LMS(Least Mean Square)演算器104によって適応フィルタ107が構成される。
r(t)=w^→ * x→(t) ・・・ (1)
(*は畳み込み演算を表す)
LMS演算器104は、FIRフィルタ103から入力した濾波参照信号r(t)を、FIRフィルタ102のタップ数(Nh)だけ現在時刻と過去のそれぞれの時刻で保持している。そして、この濾波参照信号をベクトル化したr→(t)=[r(t),r(t−1),・・・,r(t−Nh+1)]、および、現時刻におけるFIRフィルタ102の係数h→(t)=[h(1,t),h(2,t),・・・,h(Nh,t)]を用いて、次時刻におけるFIRフィルタ102の係数h→(t+1)=[h(1,t+1),h(2,t+1),・・・,h(Nh,t+1)]を下記(2)式により求めている。
h→(t+1)=h→(t) + μ・e(t)・r→(t) ・・・ (2)
ただし、e(t)は、時刻tにおいて、エラーマイク106によって検出された残留騒音信号であり、μは、ステップサイズパラメータである。
一般に、Filtered−X LMSアルゴリズムのような時間領域の適応アルゴリズムでは、音圧レベルの高い周波数帯域の方が音圧レベルの低い周波数帯域より消音量が大きくなる。このため、音圧レベルの低い周波数帯域に人間に不快感を与え易い騒音が存在する場合、大きな消音効果を得ることができないという問題がある。
本発明の第1態様の能動消音装置は、騒音と干渉する制御音を発生するスピーカと、前記干渉後に残る騒音を残留騒音信号として検出するマイクと、前記残留騒音信号を複数の周波数帯域に分割し、該分割して得られた隣接帯域間における音圧レベルの差を出力する音質評価部と、現帯域と、該現帯域と隣接する帯域との隣接帯域間における該音圧レベルの差と所定の閾値とを比較して、該隣接帯域間における該音圧レベルの差が該所定の閾値以下の場合には、その現帯域の残留騒音信号の周波数成分を通過させ、該隣接帯域間における該音圧レベルの差が前記所定の閾値より大きい場合には、その現帯域の残留騒音信号の周波数成分を通過させない動作信号決定部と、前記通過した残留騒音信号の複数の帯域と、前記騒音に対応する参照信号の複数の帯域とに基づいて、前記制御音を生成するための制御信号を生成して出力する制御信号生成部と、を備えることを特徴とする能動消音装置である。
図1は、本発明の能動消音装置の原理構成図である。
図1に示すように、能動消音装置は、制御用スピーカ2、エラーマイク3、音質評価部5、動作信号決定部4、制御信号生成部1によって構成される。
図2に示すように、第1実施形態の能動消音装置は、センサマイク11、制御信号生成部15、制御用スピーカ24、動作信号決定部18、エラーマイク25、音質評価部23によって構成される。
制御信号生成部15は、センサマイク11が検出した騒音に対応する信号を予め定められた8つの帯域に分割する8つのバンドパスフィルタ(以下、BPFという)、すなわち、BPF12−1、BPF12−2、・・・、BPF12−8から構成される帯域分割部と、分割された帯域ごとのフィルタ処理を行なう8つの適応フィルタ、すなわち、適応フィルタ13−1、適応フィルタ13−2、・・・、適応フィルタ13−8から構成される適応フィルタ部と、それぞれの適応フィルタの出力を加算する加算器14とを有する。
音質評価部23は、エラーマイク25が検出した残留騒音信号を予め定められた8つの帯域に分割する8つのバンドパスフィルタ、すなわち、BPF22−1、BPF22−2、・・・、BPF22−8から構成される帯域分割部と、BPF22−1の出力とBPF22−2の出力とのレベル差を算出するレベル差算出部21−1、BPF22−2の出力とBPF22−3の出力とのレベル差を算出するレベル差算出部21−2、・・・、BPF22−7の出力とBPF22−8の出力とのレベル差を算出するレベル差算出部21−7から構成される(残留騒音信号の)隣接帯域間レベル差算出部と、を有する。
図2の能動消音装置は、センサマイク11が検出した騒音に対応する参照信号を処理する制御信号生成部15による動作と、エラーマイク25が検出した残留騒音信号を処理する音質評価部23および動作信号決定部18の動作とが並列に実行される。ただし、適応フィルタ13−1、13−2、・・・、13−8において、フィルタ係数h1 →(t)、h2 →(t)、・・・、h8 →(t)が更新されるときは、同時刻に検出された参照信号と残留騒音信号との対応する周波数成分同士が演算に使用される。
xi(t) = bpfi * x(t) (i=1,2,・・・,8) ・・・(3)
図4は、図2に示される各適応フィルタの詳細な構成を示す図である。
ri(t)=w^→ * xi →(t) ・・・ (4)
(*は畳み込み演算を表す)
LMS演算器27のタップ数はNhであり、濾波参照信号ri(t)を現在時刻および過去の各時刻に渡ってNh個サンプルしたri →(t)=[ri(t),ri(t−1),・・・,ri(t−Nh+1)]を保持し、下記(5)式により時刻tのフィルタ係数hi →(t)=[hi(1,t),hi(2,t),・・・,hi(Nh,t)]から次時刻(t+1)のフィルタ係数hi →(t+1)=[hi(1,t+1),hi(2,t+1),・・・,hi(Nh,t+1)]を求め、FIRフィルタ28に出力する。
hi →(t+1)=hi →(t) + μ・ei(t)・ri →(t) ・・・ (5)
ただし、ei(t)は、時刻tにおいて、エラーマイク106によって検出された残留騒音信号の帯域分割されたi番目の周波数成分であり、μは、ステップサイズパラメータである。
図3の説明に戻る。ステップS3に続くステップS5では、図4で説明したように、適応フィルタ13−1、13−2、・・・、13−8および加算器14によって制御信号が生成されて制御用スピーカ24に出力される。制御用スピーカ24からは、その制御信号に基づいて制御音が発生される。そして、ステップS9に制御が移る。
そして、ステップS4において、検出した残留騒音信号e(t)がバンドパスフィルタ(BPF)22−1、BPF22−2、・・・、BPF22−8に入力されて、帯域が8分割される。そして、分割結果の信号ei(t)(i=1,2,・・・,8)が下記(7)式により各BPFにおいて求められて、後段のレベル差算出部21−1、21−2、・・・、21−7およびスイッチ16−1、16−2、・・・、16−8に出力される。
ei(t) = bpfi * e(t) (i=1,2,・・・,8) ・・・(7)
図5は、図2に示される各レベル差算出部の詳細な構成を示す図である。
図6Aにおいて、スイッチ41は、OR演算器44の出力に応じて残留騒音信号ei(t)(i=2,・・・,7)を導通させるかどうかを決める。
図6Bにおいて、スイッチ46は、判定部47の出力に応じて残留騒音信号e1(t)を導通させるかどうかを決める。
図6Cにおいて、スイッチ48は、判定部49の出力に応じて残留騒音信号e8(t)を導通させるかどうかを決める。
そして、図3のステップS9において、参照信号x(t)の各帯域の周波数成分xi(t)と、残留騒音信号e(t)の各帯域の周波数成分ei(t)から得られるe’i(t)と、現時刻tの各適応フィルタのフィルタ係数hi →(t)とに基づいて、次時刻(t+1)の各適応フィルタのフィルタ係数hi+1 →(t)が、図4で説明した(5)式により得られる。
図7では、例えば、右から順に、BPF22−1、BPF22−2、・・・、BPF22−8が通過させる帯域の音圧レベルが示されている。この例では、BPF22−5が通過させる帯域の音圧レベルが突出しており、この帯域が消音できない帯域に相当している。
しかし、第1実施形態においては、動作信号決定部18により、残留騒音の周波数帯域ごとに、現時刻tで検出した周波数成分ei(t)(i=1,・・・,8)を、i番目の適応フィルタ13−iにスルーさせるかどうかを決定している。
第1実施形態と第2実施形態とでは、残留騒音のスペクトル連続性評価部分における装置構成が異なる。
図8において、音質評価部54以外は図2と同様であり、説明を省略する。
音質評価部54は、高速フーリエ変換処理部(FFT処理部)51、パワースペクトル算出部52、帯域間レベル差算出部53を有する。
パワースペクトル算出部52は、周波数分析した結果に基づいてパワースペクトルを算出する。
続いて、第3実施形態について説明する。
図9においては、図2の構成に対して、残留騒音のスペクトル連続性を判定するのに用いる閾値を動的に変更する閾値変更部57が追加されている。
図10において、閾値変更部57は、BPF61−1、・・・、BPF61−8、レベル算出部62−1、・・・、レベル算出部62−8、極大帯域決定部64、閾値見積り部63によって構成される。
入力したei(t)からei(t)の2乗({ei(t)}2)を算出する。また、複数の遅延器(不図示)にラッチされている、現在時刻および過去の各時刻での値、すなわち、{ei(t)}2、{ei(t−1)}2)、・・・、{ei(t−Te)}2)の総和をとることにより、下記(12)式によりレベル算出部62−iの出力bliが求められる。
極大帯域決定部64は、レベル算出部62−1、・・・、レベル算出部62−8の出力bl1、・・・、bl8を各帯域の音圧レベルとして入力し、各帯域の音圧レベルを比較して、周辺の帯域より音圧レベルが大きい帯域(極大帯域)を決定し、極大帯域として決定された帯域の両端を示す帯域間番号b1、b2、・・・を閾値見積り部63に出力する。
第1の方法では、次のように閾値を変更する。
1.帯域間の閾値とは独立に、各帯域の音圧レベルが大きいかどうかを判定する第二閾値を設ける。
2.残留騒音の極大帯域の音圧レベルが上記第二閾値より大きい場合は、帯域間の閾値を小さめに設定する(これにより、残留騒音が耳障りとなり易い場合に、スペクトル不連続が起こらないように分割帯域ごとのフィルタ係数更新を制御することができる)。
3.残留騒音の極大帯域の音圧レベルが上記第二閾値以下の場合は、帯域間の閾値を大きめに設定する(これにより、残留騒音が耳障りとなりにくい場合に、消音性能を向上させるように分割帯域ごとのフィルタ係数更新を制御することができる)。
残留騒音の極大帯域が耳の感度が高い帯域であった場合、その帯域間の閾値を小さめの値に設定する(これにより、耳障り音(異音)の発生を抑えながら消音性能が向上するように制御することが可能となる)。
Claims (9)
- 騒音と干渉する制御音を発生するスピーカと、
前記干渉後に残る騒音を残留騒音信号として検出するマイクと、
前記残留騒音信号を複数の周波数帯域に分割し、該分割して得られた隣接帯域間における音圧レベルの差を出力する音質評価部と、
現帯域と、該現帯域と隣接する帯域との隣接帯域間における該音圧レベルの差と所定の閾値とを比較して、該隣接帯域間における該音圧レベルの差が該所定の閾値以下の場合には、その現帯域の残留騒音信号の周波数成分を通過させ、該隣接帯域間における該音圧レベルの差が前記所定の閾値より大きい場合には、その現帯域の残留騒音信号の周波数成分を通過させない動作信号決定部と、
前記通過した残留騒音信号の複数の帯域と、前記騒音に対応する参照信号の複数の帯域とに基づいて、前記制御音を生成するための制御信号を生成して出力する制御信号生成部と、を備えることを特徴とする能動消音装置。 - 前記動作信号決定部は、前記残留騒音信号を複数の周波数帯域に分割する第一帯域分割部と、現時刻で検出した残留騒音信号のそれぞれの帯域に対して、その周波数成分を前記制御信号生成部にスルーさせるかどうかを前記音圧レベルの差に基づいて決める複数のスイッチを有するスイッチ部とを備え、
前記制御信号生成部は、前記残留騒音の複数の帯域に対応した複数の帯域に前記参照信号を分割する第二帯域分割部と、前記スイッチをスルーした周波数成分が低減するように、現時刻で検出した参照信号の周波数成分をフィルタ処理して第二制御信号を生成するフィルタ係数可変の適応フィルタを、前記残留騒音信号と前記参照信号の対応する帯域ごとに複数有する適応フィルタ部と、前記第二制御信号の総和をとり前記制御信号を生成し前記スピーカに出力する加算器と、を備えることを特徴とする請求項1記載の能動消音装置。 - 前記音質評価部は、前記残留騒音信号の隣接帯域間における音圧レベルの差を算出し、
前記動作信号決定部は、現帯域の音圧レベルと隣接する低い方の帯域の音圧レベルとの音圧レベルの差が所定の閾値以上、または、現帯域の音圧レベルと隣接する高い方の帯域の音圧レベルとの音圧レベルとの差が所定の閾値以上である場合に、その現帯域の残留騒音信号の周波数成分をスルーさせないように前記スイッチを制御することを特徴とする請求項2記載の能動消音装置。 - 前記音質評価部は、前記残留騒音信号を周波数分析して前記第一帯域分割部で分割した前記残留騒音信号の隣接帯域間における音圧レベルの差を算出することを特徴とする請求項3記載の能動消音装置。
- 前記残留騒音信号の帯域ごとの音圧レベルに応じて前記閾値を変更する閾値変更部をさらに備えることを特徴とする請求項3または4記載の能動消音装置。
- 前記閾値変更部は、残留騒音の音圧レベルが突出した帯域において、その帯域の音圧レベルが所定値以上であれば、その帯域の判定に使用する前記閾値を小さめの値に変更し、
残留騒音の音圧レベルが突出した帯域において、その帯域の音圧レベルが所定値未満であれば、その帯域の判定に使用する前記閾値を大きめの値に変更することを特徴とする請求項5記載の能動消音装置。 - 前記閾値変更部は、残留騒音の音圧レベルが突出した帯域が耳の感度が高い帯域であった場合、その帯域の判定に使用する前記閾値を小さめの値に変更することを特徴とする請求項5記載の能動消音装置。
- 制御音と干渉して残留した騒音を残留騒音信号として検出するステップと、
前記残留騒音信号を複数の周波数帯域に分割し、該分割して得られた隣接帯域間における音圧レベルの差を出力するステップと、
現帯域と、該現帯域と隣接する帯域との隣接帯域間における該音圧レベルの差と所定の閾値とを比較して、該隣接帯域間における該音圧レベルの差が該所定の閾値以下の場合には、その現帯域の残留騒音信号の周波数成分を通過させ、該隣接帯域間における該音圧レベルの差が前記所定の閾値より大きい場合には、その現帯域の残留騒音信号の周波数成分を通過させない動作信号決定ステップと、
前記通過した残留騒音信号の複数の帯域と、前記騒音に対応する参照信号の複数の帯域とに基づいて、前記制御音を生成するための制御信号を生成して出力する制御信号生成ステップと、を備えることを特徴とする能動消音装置の制御方法。 - 前記動作信号決定ステップにおいて、現時刻で検出した残留騒音信号のそれぞれの帯域に対して、その周波数成分を、前記制御音を生成するときに使用すべくスルーさせるかどうかを複数のスイッチを前記音圧レベルの差に基づいてスイッチングして決めることを特徴とする請求項8記載の能動消音装置の制御方法。
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