JP5381091B2

JP5381091B2 - ハウリング防止装置

Info

Publication number: JP5381091B2
Application number: JP2008333608A
Authority: JP
Inventors: 信弥櫻田; 貴也柿▲さき▼; 卓朗曽根
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: JP2010157806A

Description

この発明は、ハウリングを防止するハウリング防止装置に関する。

従来、ハウリングを防止する方法が各種提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載の音声信号増幅回路では、ハウリングを検出すると、ハウリングを除去するためのローパスフィルタを動作させて、音声信号増幅回路のゲインを下げる。音声信号増幅回路は、所定間隔毎に、ローパスフィルタの動作を停止させてハウリングを検出するか否かを調べる。音声信号増幅回路は、ハウリングを検出しなくなるまで、ゲインを段階的に下げる。そして、音声信号増幅回路では、ハウリングを検出しなくなったゲインに固定する。
特開平７−１５７８８号公報

特許文献１に記載された音声信号増幅回路のような一般的なハウリング除去装置では、ハウリングの検出処理を常時行っているので、電力消費量が大きくなる。そのため、特に電池で駆動するマイクなどのハウリング除去装置では、短時間で電池が消耗してしまうという問題があった。そこで、本発明は、ハウリングを確実に防止しつつ、電力消費量を抑制することができるハウリング防止装置を提供することを目的とする。

この発明のハウリング防止装置は、疑似ノイズを生成し、生成した疑似ノイズに基づいてループゲインを推定する。そして、ハウリング防止装置は、推定したループゲインに応じて、収音手段が収音した音声信号に含まれる疑似ノイズと、前記疑似ノイズ生成手段が生成した疑似ノイズと、の相関を相関計算手段が求める頻度を変更する。例えば、推定したループゲインが小さい場合は、ハウリングが発生しにくくなるため、相関を求める頻度を低くし、推定したループゲインが大きい場合は、ハウリングが発生しやすくなるため、相関を求める頻度を高くする。これにより、ハウリング防止装置は、収音手段が収音した音声信号に含まれる疑似ノイズと、前記疑似ノイズ生成手段が生成した疑似ノイズと、の相関を求める頻度を変更することで、相関計算手段の動作回数を削減することができるため、消費電力を抑えながら、ハウリングの発生を防止できる。

また、この発明のハウリング防止装置は、疑似ノイズを生成してから、相関計算手段が相関値を算出するまでの遅延時間に応じて、相関計算手段が相関を求める頻度の変更を行う。遅延時間が短い場合には、ハウリングが発生する可能性が高くなるので、相関を求める頻度を高くし、遅延時間や音の伝播距離が長い場合には、ハウリングが発生する可能性が低くなるので、相関を求める頻度を低くすることで、相関計算手段の動作回数を削減して、消費電力を抑制できる。

さらに、この発明のハウリング防止装置は、推定したループゲインと、算出した遅延時間と、が一定期間変化しなければ、相関を求める頻度を変更する。ループゲインや、遅延時間が一定期間変化せずに同じ値であれば、ハウリング防止装置は移動せずに同じ場所に留まっており、また、音声信号のゲインを一定値なので、しばらくはハウリングが発生する可能性は低いことが予想される。そのため、相関計算手段の動作回数を削減して、消費電力を抑制できる。

また、この発明のハウリング防止装置は、推定したループゲインに応じて、疑似ノイズ生成手段が生成する疑似ノイズの長さ、生成間隔、または系列の数の少なくともいずれかを変更する。ループゲインが低く、ハウリングが発生する可能性が低い場合には、疑似ノイズの生成間隔を長くしたり、疑似ノイズの系列の数を少なくしたりすることで、疑似ノイズ生成手段の動作回数を低下させて、消費電力を抑制できる。

この発明のハウリング防止装置は、ハウリングが発生しそうか否かの条件に応じて、相関処理を行う頻度を変更するので、相関処理を頻繁に行う必要が無いときにはその処理回数を低減することで、ハウリングを確実に防止しつつ、電力消費量を抑制することができる。

図１（Ａ）は、拡声装置の全体構成を示すブロック図であり、図１（Ｂ）は、本発明のハウリング防止装置を内蔵したマイクロフォン（マイクユニット）の構成を示すブロック図である。なお、本実施形態の説明においては、特に記載が無い限り音声信号は全てデジタル信号とし、Ａ／Ｄ変換やＤ／Ａ変換を行う構成は省略する。また、図示は省略するが、マイクユニット１は一例として電池で駆動されているものとする。

図１（Ａ）に示すように拡声装置１０は、マイクユニット１、アンプ装置２、及びスピーカ３（放音手段）により構成されている。

マイクユニット１は、マイク素子１１（入力手段）、演算部５、疑似ノイズ重畳部７、及び制御部９を備えている。

マイク素子１１が収音した音声は、演算部５及び疑似ノイズ重畳部７に出力される。疑似ノイズ重畳部７は、マイク素子１１が収音した音声信号に疑似ノイズを重畳して、後段のアンプ装置２に出力する。マイクユニット１から出力された音声信号は、アンプ装置２で増幅され、スピーカ３から放音され、空気中を伝播して、マイクユニット１に収音される。このように、拡声装置１０では、マイクユニット１・スピーカ３間に閉ループが形成される。

上記のように閉ループが形成されるので、マイクユニット１は、ハウリングの発生を防止するために、演算部５において、閉ループの遅延時間の計時やループゲインの推定を行う。制御部９は、演算部５が出力した閉ループの遅延時間やループゲインに応じて、疑似ノイズ重畳部７が出力する音声信号のゲインを制御してハウリングの発生を防止する。また、制御部９は、演算部５が計時した閉ループの遅延時間やループゲインの値に応じて、マイクユニット１が収音した音声信号と、演算部５で生成した疑似ノイズと、の相関を求める頻度を変更する。

次に、マイクユニット１の詳細な構成を説明する。図１（Ｂ）に示すように、マイクユニット１の演算部５は、Ｍ系列発生器１５、ＨＰＦ１９、相関計算部２０、タイマ２１、ゲイン推定部２２、及び計算部２３を備えている。また、マイクユニット１の疑似ノイズ重畳部７は、ＬＰＦ１２、音声信号用ボリューム１３、重畳部１４、Ｍ系列発生器１５、Ｎ倍オーバーサンプリング部１６、ＨＰＦ１７、及び疑似ノイズ用ボリューム１８を備えている。

まず、疑似ノイズ重畳部７の構成及び機能について説明する。

マイク素子１１が収音した音声信号は、疑似ノイズ重畳部７のＬＰＦ１２及び演算部５のＨＰＦ１９に入力される。

ＬＰＦ１２は、この収音した音声信号から高域（例えば、人に聞こえにくい周波数帯域である２０ｋＨｚ以上）をカットし、音声信号用ボリューム１３に出力する。

音声信号用ボリューム１３は、制御部９が設定したゲインで、マイク素子１１が収音した信号を重畳部１４に出力する。

Ｍ系列発生器１５は、疑似ノイズ生成手段に相当し、疑似ノイズとしてＰＮ符号（Ｍ系列）のような自己相関性の高い信号を定期的に生成し、Ｎ倍オーバーサンプリング部１６に出力する。Ｍ系列発生器１５は、制御部９から定期的に出力されるトリガ信号が入力されると、ＰＮ符号を生成する。

なお、疑似ノイズは、Ｍ系列に限らず、Ｇｏｌｄ系列など、他の乱数を用いても良い。また、疑似ノイズの出力周期は、後述のゲイン推定部２２においてループゲイン推定処理ができるように、反射波（間接波）の成分が所定レベル以上に低下するまでの時間（音響伝達系におけるインパルス応答の収束時間）よりも長く設定されている。

Ｎ倍オーバーサンプリング部１６は、Ｍ系列発生器１５が出力する疑似ノイズ信号（ＰＮ符号のビット列）を、そのビット周波数のＮ倍の周波数のサンプリングクロックによりオーバーサンプリングしてＨＰＦ１７に出力する。Ｎ倍オーバーサンプリング部１６によるオーバーサンプリングは、本発明において必須ではないが、オーバーサンプリングを行うことで疑似ノイズの時間的冗長性が増し、相関算出の精度を向上させることができる。実際には、必要となる精度と疑似ノイズの符号長に応じてオーバーサンプリングの有無を設定すれば良い。

ＨＰＦ１７は、Ｎ倍オーバーサンプリング部１６から入力された信号の低域（例えば２０ｋＨｚ未満）をカットする。

なお、ＬＰＦ１２及びＨＰＦ１７は、本発明において必須の構成ではないが、これらの構成により聴感を改善することができる。すなわち、ＨＰＦ１７により、疑似ノイズの低域（人の可聴帯域）の音がカットされるため、スピーカ３から疑似ノイズが放音されたとしても、この疑似ノイズが聞こえにくくなり、聴感上違和感がなくなる。また、ＬＰＦ１２により、一度マイクに入力された高域の疑似ノイズが再び増幅系統に出力されることがなくなり、疑似ノイズのループ現象を抑えることができる。なお、ＬＰＦ１２及びＨＰＦ１７を設けない場合、マイク素子１１が収音した音声信号から、疑似ノイズ成分を減算した後に増幅系統に出力することで、疑似ノイズのループ現象を抑えることができる。

ＨＰＦ１７から出力された信号は、疑似ノイズ用ボリューム１８に入力される。疑似ノイズ用ボリューム１８は、制御部９が設定したゲインで、ＨＰＦ１７の出力信号を重畳部１４に出力する。疑似ノイズのレベルは、聴感上違和感の無い微弱なレベルとすれば良いが、疑似ノイズ相関のピーク値を検出できる程度のレベルを確保する。

重畳部１４は、音声信号用ボリューム１３から出力された音声信号に疑似ノイズ用ボリューム１８から出力された信号（疑似ノイズ）を重畳し、アンプ装置２へ出力する。

次に、演算部５の構成及び機能について説明する。

制御部９は、Ｍ系列発生器１５とタイマ２１に、所定の周期でトリガ信号を出力する。

Ｍ系列発生器１５は、制御部９からのトリガ信号が入力されると、Ｎ倍オーバーサンプリング部１６に出力したものと同じ疑似ノイズを相関計算部２０に出力する。

タイマ２１は、制御部９からのトリガ信号が入力されると、計時を開始し、計算部２３に、カウント時間を示すタイマ信号を送信する。

マイク素子１１は、疑似ノイズを含んだ音声を収音して、この音声信号をＨＰＦ１９に出力する。ＨＰＦ１９は、マイク素子１１が収音した音声信号から低域（例えば２０ｋＨｚ未満）をカットし、相関計算部２０に出力する。

相関計算部２０は、Ｍ系列発生器１５から入力された疑似ノイズと、ＨＰＦ１９の出力信号（マイク素子１１が収音した音声信号）と、の相関を求める。Ｍ系列の符号は非常に高い自己相関性を有しているため、ＨＰＦ１９の出力信号に同じＭ系列の疑似ノイズが含まれていると、相関値のレベルが高くなる。相関計算部２０は、高レベルの相関値を算出したタイミング（受信タイミング）に、そのときの相関値をゲイン推定部２２及び計算部２３に出力する。また、詳細は後述するが、相関計算部２０は、制御部９からの制御信号に応じて、相関を求める頻度を変更する。

計算部２３は、相関計算部２０から相関値が入力されると、タイマ２１からのタイマ信号（時間カウント値）を参照し、疑似ノイズを出力したタイミングから受信タイミングまでの時間差を求める。この時間差が、閉ループの遅延時間に相当する。計算部２３は、この遅延時間情報を制御部９へ出力する。また、計算部２３では、上記の遅延時間に音速を乗算して、スピーカ３からマイクユニット１までの距離を算出し、この距離情報を制御部９へ出力するように設定しても良い。

ゲイン推定部２２は、推定手段に相当し、相関値に基づいてループゲインを推定し、推定したループゲインの情報を制御部９へ出力する。ループゲインの推定手法は、種々の態様が考えられるが、例えば以下のような態様で行われる。

図２は、相関値の時間軸特性を模式化したものである。ゲイン推定部２２は、ＰＮ符号を出力してから最初に検出した相関ピークの絶対値｜Ａ｜を取得する。最初の相関ピークが検出されるタイミング周辺の波形は、マイクユニット１に帰還した直接音（直接波）とみなすことができる。ゲイン推定部２２は、例えば、絶対値｜Ａ｜をループゲインと推定する。

また、ゲイン推定部２２は、最初の相関ピークから所定時間が経過するまでに（すなわち、Ｍ系列発生器１５が次のＰＮ符号を出力するまでに）現れる相関ピークを取得する。ゲイン推定部２２は、取得した相関ピークの中で、予め設定したあるレベルＬ以上の相関ピークの絶対値｜Ａ｜、絶対値｜Ｂ｜、及び絶対値｜Ｃ｜を選択する。スピーカ３からマイクユニット１までの空間放音系統の遅延時間は、マイクユニット１からスピーカ３までの信号処理系統の遅延時間よりも大きい。このため、最初の相関ピークから更に所定時間が経過するまでの波形は、壁などの反射波と判断することができる。ゲイン推定部２２は、直接波と反射波の相関ピークの絶対値を積分した結果｜Ａ｜＋｜Ｂ｜＋｜Ｃ｜をループゲインと推定する。

なお、上記の手法では、疑似ノイズの出力周期が音響伝達系におけるインパルス応答の収束時間よりも長く設定されているため、疑似ノイズを出力した後、次に疑似ノイズを出力するまで、ダミーノイズを出力し、無音区間を無くすようにしても良い。常にノイズ音を出力することで、疑似ノイズが目立たなくなり、聴感上の違和感がなくなる。

以上のようにしてゲイン推定部２２が推定したループゲインは、制御部９に出力される。

制御部９は、ゲイン推定部２２と計算部２３から入力された情報に基づいて音声信号用ボリューム１３を制御して、音声信号のゲインを調整する。

具体的には、制御部９は、推定したループゲインの値に応じてゲインを調整する。すなわち、制御部９は、推定したループゲインの値が所定のしきい値ｔｈに近くなるにつれて、ハウリング発生の可能性が高くなるとして、ゲインを下げる制御信号を音声信号用ボリューム１３へ出力する。また、制御部９は、推定したループゲインの値が所定のしきい値ｔｈから離れるにつれて、ハウリング発生の可能性が低くなるとして、ゲインを上げる制御信号を音声信号用ボリューム１３へ出力する。これにより、ハウリングを未然に防ぐことができる。

また、制御部９は、上記のループゲインの値に加えて、計算部２３が算出した閉ループの遅延時間またはマイクユニット１とスピーカ３の距離に基づいてゲインを調整するようにしても良い。すなわち、制御部９は、計算部２３が算出した閉ループの遅延時間、またはマイクユニット１とスピーカ３の距離が短くなるにつれて、ハウリング発生の可能性が高くなるとして、ゲインを下げる制御信号を音声信号用ボリューム１３へ出力する。

なお、上記の所定のしきい値ｔｈは、ユーザの操作入力により設定されても良いし、規定値であっても良い。

また、制御部９は、ループゲインの値が所定のしきい値ｔｈに近づいて、ハウリングが発生しそうになったときに警告を表示部（不図示）に表示させるように構成しても良い。この場合、マイクユニット１を持つユーザは、警告表示に応じてスピーカ３から離れることで、ハウリングを未然に防ぐことができる。

なお、制御部９は、ゲインの調整、警告の表示の両方、又はどちらか一方を行うようにしても良い。

次に、制御部９は、ゲイン推定部２２と計算部２３から入力された情報に基づいて、相関計算部２０が相関を求める頻度を変更するように制御する。具体的には、制御部９は、推定したループゲインの値が所定のしきい値ｔｈに近くなるにつれて、相関を求める頻度を上げ、推定したループゲインの値が所定のしきい値ｔｈから離れるにつれて、相関を求める頻度を下げて間欠的に相関を求めるように、相関計算部２０を動作させる。

また、制御部９は、ループゲインの値に代えて、閉ループの遅延時間またはマイクユニット１とスピーカ３の距離に基づいて、相関計算部２０で相関を求める頻度を変更するようにしても良い。すなわち、制御部９は、計算部２３が算出した閉ループの遅延時間または距離が短くなるにつれて、相関を求める頻度を上げ、閉ループの遅延時間または距離が長くなるにつれて、相関を求める頻度を下げて、間欠的に相関を求めるように、相関計算部２０を制御する。

また、制御部９は、ループゲインの値と、閉ループの遅延時間またはマイクユニット１とスピーカ３の距離と、の両方の値に基づいて、相関計算部２０で相関を求める頻度を変更するようにしても良い。

すなわち、（１）ループゲインの値が所定のしきい値ｔｈに近く、閉ループの遅延時間またはマイクユニット１とスピーカ３の距離が短い場合には、制御部９は、相関計算部２０が常に動作して相関を求めるように制御する。また、（２）ループゲインの値が所定のしきい値ｔｈから離れて、かつ閉ループの遅延時間またはマイクユニット１とスピーカ３の距離が所定値以上長い場合には、制御部９は、それらの値に応じて、相関計算部２０が動作を停止している時間が長くなるように間欠的に動作させる。また、（３）ループゲインの値が所定のしきい値ｔｈに近く、閉ループの遅延時間またはマイクユニット１とスピーカ３の距離が長い場合や、（４）ループゲインの値が所定のしきい値ｔｈから離れて、閉ループの遅延時間またはマイクユニット１とスピーカ３の距離が短い場合には、制御部９は、それらの値に応じて、相関計算部２０が動作を停止している時間が短くなるように間欠的に動作させる。

なお、上記の（２）〜（４）においては、例えば、ループゲインの値がしきい値に近いほど、また遅延時間または距離が短いほど、相関計算部２０が動作を停止している時間を短くなるように、間欠的に動作させると良い。

また、上記の（１）においては、ループゲインの値、閉ループの遅延時間またはマイクユニット１とスピーカ３の距離が、予め設定しておいたしきい値よりも小さくなると、相関計算部２０が常に動作させると良い。

なお、相関計算部２０を間欠的に動作させる時間は、予め実験を行って求めておくと良い。また、上記のように場合分けする場合には、複数のしきい値を設定しておき、これらのしきい値と、ループゲインの値・閉ループの遅延時間またはマイクユニット１とスピーカ３の距離と、の大小関係に応じて、相関を求める頻度を設定すると良い。

また、ループゲインを推定する頻度に応じて、Ｍ系列の符号長を変更するようにしても良い。例えば、ループゲインを推定する頻度が高い場合には、Ｍ系列長を短くして、ループゲインを推定する頻度が低い場合には、Ｍ系列長を長くすると良い。ループゲインを推定する頻度が高い場合には、音声信号のゲインが大きく、マイクユニット１とスピーカ３の距離が短いので、Ｍ系列長を短くしても、疑似ノイズの相関を確実に求めることができる。距離に応じて算出時間が変化するが、このように距離に応じて符号長を変化させることで、環境変化に追従できる。

また、ループゲインを推定する頻度に応じて、使用するＰＮ符号の生成間隔を変更するようにしても良い。例えば、ループゲインを推定する頻度が高い場合には、ＰＮ符号の生成間隔を密にし、ループゲインを推定する頻度が低い場合には、ＰＮ符号の生成間隔を疎にすると良い。これにより、必要に応じてＰＮ符号を生成することができるので、確実にループゲインを推定できる。

また、ループゲインを推定する頻度に応じて、使用するＰＮ符号の系列数を変更するようにしても良い。例えば、ループゲインを推定する頻度が高い場合には、Ｍ系列発生器１５から複数（例えば３つ）の異なるＰＮ符号（Ｍ系列の符号）を、少しずつタイミングをずらして順次出力させるようにする。一方、ループゲインを推定する頻度が低い場合には、Ｍ系列発生器１５から１つのＰＮ符号を所定のタイミングで出力させるようにする。このようにすることで、ループゲインを推定する頻度が高い場合でも、短い時間で連続的にループゲインを推定できるので、ハウリングの発生を精度良防止できる。また、ループゲインを推定する頻度が低い場合にも、確実にループゲインを推定できる。

また、制御部９は、ゲイン推定部２２が算出したループゲインと、計算部２３が算出した遅延時間または音の伝播距離と、がそれぞれ一定期間変化しなければ、相関計算部２０に制御信号を出力して相関を求める頻度を低下させるようにしても良い。この場合、マイクユニット１とスピーカ３の距離が一定で、音量も一定の状態が続いており、ハウリングが発生しにくい。そのため、相関計算部２０が相関を求める頻度を低下させて、相関計算部２０の動作回数を低下させることで、消費電力を抑制できる。

なお、演算部５及び疑似ノイズ重畳部７は、マイクユニット１ではなく、アンプ装置２に内蔵されていても良い。また、演算部５及び疑似ノイズ重畳部７を内蔵したアダプタを構成し、アダプタの入力部（入力インタフェイス）にマイクを接続し、入力部から入力された信号を演算部５及び疑似ノイズ重畳部７に供給する構成としても良い。いずれにしてもアンプ装置等の増幅系統の前段に備えていれば良い。

ハウリング防止装置の機能、構成を示すブロック図である。相関値の時間軸特性を模式化したものである。

符号の説明

１…マイクユニット，１１…マイク素子，１２…ＬＰＦ，１３…音声信号用ボリューム，１４…重畳部，１５…Ｍ系列発生器，１７，１９…ＨＰＦ，２０…相関計算部，２１…タイマ，２２…ゲイン推定部，２３…計算部

Claims

音声信号の入力を受け付ける入力手段と、
疑似ノイズを生成する疑似ノイズ生成手段と、
前記音声信号に前記疑似ノイズを重畳して放音する放音手段と、
前記入力手段が収音した音声信号と、前記疑似ノイズ生成手段が生成した疑似ノイズと、の相関を求める相関計算手段と、
前記相関計算手段が求めた相関値に基づいて、ループゲインを推定する推定手段と、
前記推定手段が推定したループゲインに応じて、前記相関計算手段が相関を求める頻度の変更を行う制御手段と、
を備えたハウリング防止装置。
前記疑似ノイズを生成してから、前記相関計算手段が相関値を算出するまでの遅延時間を算出する計算手段を備え、
前記制御手段は、前記計算手段が算出した遅延時間に応じて、前記相関計算手段が相関を求める頻度の変更を行う請求項１に記載のハウリング防止装置。
前記制御手段は、前記推定手段が推定したループゲインと、前記計算手段が算出した遅延時間と、がそれぞれ一定期間変化しなければ、前記相関計算手段が相関を求める頻度を変更する請求項２に記載のハウリング防止装置。
前記制御手段は、前記推定手段が推定したループゲインに応じて、前記疑似ノイズ生成手段が生成する疑似ノイズの長さ、生成間隔、または系列の数の少なくともいずれかを変更する請求項１乃至３のいずれかに記載のハウリング防止装置。