JP5813239B2 - フィードバックシステムにおける不安定性の検出および回避 - Google Patents

フィードバックシステムにおける不安定性の検出および回避 Download PDF

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Description

本発明は、フィードバックシステムにおける、特にフィードバック能動的雑音低減システムにおける、不安定性の検出および回避に関する。
環境中に周囲音響雑音が存在することは、ヒトの聴覚に対して広範囲の影響を有し得る。ジェット旅客機の客室内でのエンジン騒音など、周囲雑音のいくつかの例は、乗客に些細な苛立ちをもたらす場合がある。建設現場におけるジャックハンマーなど、周囲騒音の他の例は、恒久的な聴力障害を引き起こす場合がある。周囲音響雑音を低減する技術は積極的に研究されている分野であり、より心地よい聴覚の経験および聴力障害の回避などの利益をもたらしている。
多くの従来の雑音低減システムは、能動的雑音低減技術を利用して、ユーザによって知覚される雑音の量を低減している。能動的雑音低減システムは、一般に、フィードフォワード、フィードバック、またはフィードフォワードとフィードバックを組み合わせた方策を使用して実現される。フィードバックに基づくシステムは、一般的に、雑音の低減が望ましい範囲の付近で(例えば、耳腔などの音響空洞で)、場合によっては他の音波と組み合わされた、雑音音波を測定する。一般に、測定された信号は、測定された雑音の位相を反転させ換算したものである「反雑音信号(anti-noise signal)」を発生させるのに使用される。反雑音信号は、信号をユーザに提示される音波に変換する雑音除去ドライバに供給される。雑音除去ドライバによって生成された反雑音音波が、音響空洞内で雑音音波と組み合わされると、2つの音波が相殺的干渉によって互いに打ち消し合う。その結果、雑音低減が望ましい範囲において、ユーザによって知覚される雑音レベルが低減される。
フィードバックシステムは、一般に、不安定であって不安定性に基づく歪みを生成する可能性を有する。例えば、フィードバックシステムの典型的な分析に基づいて理解されるように、フィードバックループの位相が180°である周波数でフィードバックループの利得が1を超える場合、その周波数で振動付加信号(oscillatory additive signals)を発生させることができる。かかる状況は、利得が1である周波数において180°位相に達するマージンである、ゼロまたは負であるシステムの位相マージンとして説明することもできる。
能動的音響雑音低減システムでは、フィードバック経路の少なくとも一部が音響成分を含むことができる。フィードバック経路の電気成分またはデジタル成分は、能動的雑音低減システム内で直接制御することができるが、音響成分は、例えば音響経路の物理的特性の変動の結果として、変動が起こりやすいことがある。
場合によっては、音響経路における変動が、フィードバックループ利得または伝達関数において生じる変動により、システムの不安定性をもたらすことがある。例えば、音響成分は、音響ドライバとフィードバックマイクロホンとの間で音響伝達関数を有することができる。音響伝達関数が変動する状況の一例は、インイヤー型ヘッドホンの着用者がヘッドホンのイヤホンを外耳道に挿入するときである。挿入プロセスの間、イヤホンの柔軟な先端は、例えばつままれたり折り畳まれたりすることによって、閉塞される恐れがある。かかる閉塞された先端は、音響伝達関数を変化させる恐れがあり、それによって全体的なループ利得が変化し、場合によってはシステムの不安定性を引き起こす。
フィードバック雑音低減システムにおける不安定性の特性を検出し、システムのループ利得を調節して不安定性を回避することができる、システムが必要とされている。
1つの態様では、一般に、能動的雑音低減システムは、潜在的なもしくは実際の不安定挙動(例えば、振動)に関連するシステムの特性を検出することによって、実際のまたは潜在的な不安定性を検出し、かかる不安定性を緩和するようにシステムの特性を適応させる。
いくつかの例では、システムは、不安定挙動を有するかまたはそれを誘発することがある、フィードバック経路の音響成分の特性における変動に適応して、ユーザの音響経験を改善する。
1つの態様では、一般に、フィードバックに基づく能動的雑音低減システムは、フィードバック要素と、フィードバック要素における不安定性条件を検出し、検出の結果に基づいて制御パラメータを形成する不安定性検出器(instability detector)とを含む。フィードバック要素は、第1のセンサから第1のフィードバック信号を受理するフィードバック入力と、フィードバック要素の利得特性および位相特性を調節するための制御パラメータを受理する制御パラメータ入力と、ドライバ信号をドライバに供給するドライバ出力とを含む。不安定性検出器は、フィードバック要素の制御パラメータ入力に制御パラメータを供給する制御パラメータ出力と、第1のセンサを含む複数のセンサから複数のフィードバック信号を受理する複数の入力とを含む。不安定性条件の検出は、ドライバと第1のセンサとの間の音響経路の特性を決定するため、複数のフィードバック信号を処理することを含む。
態様は、次の特徴のうち1つまたは複数を含んでもよい。
第1のセンサはマイクロホンを含んでもよく、ドライバはラウドスピーカーを含んでもよい。フィードバック要素は、制御パラメータを供給する際に、フィードバック要素の利得特性および位相特性の一方または両方を所定量変化させるように構成されてもよい。フィードバック要素は、制御パラメータを供給する際に、フィードバックフィルタ、フィードフォワードフィルタ、および音響入力フィルタの伝達関数を同時に修正するように構成されてもよい。
フィードバック要素は、制御パラメータを供給する際に、フィードバック要素の帯域幅を所定量変化させるように構成されてもよい。フィードバック要素は、制御パラメータに従ってフィードバック要素に選択可能に適用可能な低域通過フィルタを含んでもよい。複数のセンサは第2のセンサを含んでもよく、不安定性検出器は、第1のセンサと関連付けられた第1のフィードバック信号および第2のセンサと関連付けられた第2のフィードバック信号の比に基づいて、ドライバと第1のセンサとの間の音響経路の特性を決定するように構成されてもよい。
第1のフィードバック信号と第2のフィードバック信号の比は、音響経路の音響インピーダンスを表してもよい。第1のセンサは圧力マイクロホンを含んでもよく、第2のセンサは速度マイクロホンを含んでもよい。第1のセンサは圧力マイクロホンを含んでもよく、第2のセンサは圧力マイクロホンを含んでもよい。複数のセンサは、第3のフィードバック信号を生成する第3のセンサを含んでもよく、不安定性検出器は、第3のフィードバック信号に基づいて、不安定性検出器によって検出された不安定性条件の妥当性を判断するように構成されてもよい。
フィードバック要素は、入力信号を受理する第1の信号入力を含んでもよく、不安定性検出器は、入力信号を受理する第2の信号入力と、ドライバ信号を受理するドライバ入力とを含んでもよく、不安定性検出器は、入力信号およびドライバ信号に基づいてフィードバック要素の特性を決定することを含めて、フィードバック要素の不安定性条件を検出するように構成されてもよい。不安定性条件は、指定周波数範囲における振動の存在を含んでもよい。指定周波数範囲は、能動的雑音低減が起こる周波数範囲とは相互に排他的であってもよい。
不安定性検出器は、振動がドライバ信号中に存在するか否か、かつ振動が入力信号中に存在しないことを判断するため、入力信号およびドライバ信号を分析するように構成されてもよい。
別の態様では、一般に、フィードバックに基づく能動的雑音低減システムにおける不安定性を検出し回避する方法は、フィードバック要素における不安定性条件を検出し、検出の結果に基づいて制御パラメータを形成するステップを含む。不安定性条件の検出は、第1のセンサを含む複数のセンサから複数のフィードバック信号を受理するステップと、ドライバと第1のセンサとの間の音響経路の特性を決定するため、複数のフィードバック信号を処理するステップとを含む。方法はまた、制御パラメータをフィードバック要素に供給するステップと、フィードバック要素において制御パラメータを受理するステップと、フィードバック要素において第1のセンサからの第1のフィードバック信号を受理するステップと、制御パラメータに基づいてフィードバック要素の利得特性および位相特性を調節するステップと、フィードバック要素からドライバに対してドライバ出力信号を出力するステップとを含む。
態様は、次の特徴のうち1つまたは複数を含んでもよい。
第1のセンサはマイクロホンを含んでもよく、ドライバはラウドスピーカーを含んでもよい。制御パラメータをフィードバック要素に供給することによって、フィードバック要素の利得特性および位相特性の一方または両方が所定量変化してもよい。制御パラメータをフィードバック要素に供給することによって、フィードバックフィルタ、フィードフォワードフィルタ、および音響入力フィルタの伝達関数が同時に修正されてもよい。制御パラメータをフィードバック要素に供給することによって、フィードバック要素の帯域幅が所定量変化してもよい。制御パラメータをフィードバック要素に供給することによって、供給されたパラメータに基づいて低域通過フィルタがフィードバック要素に選択可能に適用されてもよい。
複数のセンサは第2のセンサを含んでもよく、ドライバと第1のセンサとの間の音響経路の特性を決定するステップは、第1のセンサと関連付けられた第1のフィードバック信号および第2のセンサと関連付けられた第2のフィードバック信号の比を計算するステップを含んでもよい。第1のフィードバック信号と第2のフィードバック信号の比は、音響経路の音響インピーダンスを表してもよい。第1のセンサは圧力マイクロホンを含んでもよく、第2のセンサは速度マイクロホンを含んでもよい。
第1のセンサは圧力マイクロホンを含んでもよく、第2のセンサは圧力マイクロホンを含んでもよい。複数のセンサは、第3のフィードバック信号を生成する第3のセンサを含んでもよく、不安定性条件を検出するステップは、第3のフィードバック信号に基づいて不安定性条件の妥当性を判断するステップを含んでもよい。
方法はまた、フィードバック要素において入力信号を受理するステップを含んでもよく、不安定性条件を検出するステップはさらに、入力信号を受理するステップと、ドライバ信号を受理するステップと、入力信号およびドライバ信号に基づいてフィードバック要素の特性を決定するステップとを含む。
不安定性条件は、指定周波数範囲における振動の存在を含んでもよい。指定周波数範囲は、能動的雑音低減が起こる周波数範囲とは相互に排他的であってもよい。不安定性条件を検出するステップは、振動がドライバ信号中に存在するか否か、かつ振動が入力信号中に存在しないことを判断するため、入力信号およびドライバ信号を分析するステップを含んでもよい。
実施形態は、次の利点のうち1つまたは複数を有してもよい。
実施形態は、求められる電子部品の数がより少ないことがあるので、結果として、汎用デジタル信号処理(DSP)ハードウェアを含む従来のシステムに比べてコストが低減される。
実施形態は、高速/低雑音の演算増幅器を要しないので、消費電力が非常に少ない(例えば、マイクロワット)ことがある。
実施形態は、長い測定および計算時間を要するDSPベースのシステムよりも迅速に外乱に反応してもよい。いくつかの例では、DSPベースのシステムは、ラウドスピーカーのドライバがヘッドホンデバイス内で鼓膜に近接していることにより、大音量で高ピッチの音響が長時間鼓膜に衝突するのを防ぐのに十分なほど迅速に反応しない。
実施形態は、音響信号のみによって始動することがなく、音響信号の存在下で振動を信頼性高く検出することができる。
本発明の他の特徴および利点は、以下の記載によって、かつ請求項によって明白である。
振動検出器を含むフィードバック雑音低減システムのブロック図である。 振動検出器を示す図である。 利得および位相マージンを示すグラフである。 ループ利得を低減するように構成された回路を示す図である。 図4の回路の詳細図である。 図4の回路の詳細図である。 図4の回路の詳細図である。 利得および位相マージンを示すグラフである。 ループ利得および帯域幅を低減するように構成された回路を示す図である。 先端が閉塞されたインイヤー型ヘッドホンを示す図である。 閉塞されていない場合と閉塞されている場合の音響インピーダンスを示すグラフである。 閉塞先端を検出するように構成されたインイヤー型ヘッドホンを示す図である。 組み合わされた振動/閉塞先端検出器を含むフィードバック雑音低減のブロック図である。 組み合わされた振動/閉塞先端検出器を示す図である。 組み合わされた振動/閉塞先端検出器の出力を計算するのに使用される論理を示す真理値表である。 閉塞されていない場合と閉塞されている場合の音響インピーダンス測定法を示すグラフである。
1 概要
本明細書に記載するシステムは、フィードバック制御に基づく能動的雑音低減システムにおける過剰なフィードバックループ利得による、実際のまたは潜在的なフィードバックループの不安定性を検出し、不安定性を緩和して、システムを安定したまたはより安定した動作状態に戻す。
システムは、次の知識を活用する。
a)フィードバックループの位相が180°に近付く周波数において、フィードバックループの利得が1に近付くにつれて、フィードバックループの利得の帯域幅が増加する。これによって、システムの位相マージンが低減され、最終的には不安定なフィードバックループがもたらされて、その周波数における振動または減衰振動がもたらされる場合がある。
b)イヤホンの先端が塞がれると、音響インピーダンスが著しく変化して、フィードバックループ利得が変更される。
フィードバックループの不安定性を検出すると、システムは、フィードバックループの利得を調節することによって不安定性を緩和する。
2 振動検出器
図1を参照すると、能動的音響雑音低減のためのシステム200は、入力信号(例えば、音響信号)x(t)を受け取り、入力信号を修正したものを音響ドライバ102に供給する。音響ドライバ102は、入力信号を修正したものを音響空洞104で音波y(t)に変換する。音響空洞104において、y(t)は、音響ドライバ102とフィードバックマイクロホン108との間の音響伝達関数A 106を通過する。y(t)がA 106を通過した結果、雑音音波N(t)と組み合わされて
Figure 0005813239
が生成される。フィードバックマイクロホン108は、
Figure 0005813239
を測定して、音波を電気信号e(t)に変換する。この信号は、フィードバックファクタH 210を通ってフィードバック経路に沿って通される。
フォワード経路では、入力信号x(t)は第1の伝達関数ブロックA1 112に供給される。次に、フィードバックファクタH 210の出力が、第1の伝達関数ブロック112の出力から減算される。いくつかの例では、A1 112の出力は、所望の能動的雑音低減帯域幅内にあるx(t)の周波数成分のみ(もしくは主にその周波数成分)を含み、所望の能動的雑音低減帯域幅外にある周波数は減衰される。減算の結果は、第1のフォワード経路利得要素G1 116に供給される。
並行して、入力信号x(t)は第2の伝達関数ブロックA2 114に供給される。第1のフォワード経路利得要素G1 116の出力は、第2の伝達関数ブロック114の出力に加算される。いくつかの例では、A2 114の出力は、所望の能動的雑音低減帯域幅外にあるx(t)の周波数成分のみを含み、所望の能動的雑音低減帯域幅内にある周波数は減衰される。加算の結果は、第2のフォワード経路利得要素G2 118に供給される。第2のフォワード経路要素G2 118の出力は音響ドライバ102に供給される。
いくつかの例では、入力信号x(t)の異なる成分を異なる段階でフォワード経路に送り込む目的は、より重要なものとして認められる入力信号の成分に、より高い利得を適用することである。例えば、図1のシステムは、能動的雑音低減帯域幅内にあるx(t)の周波数成分を、能動的雑音低減帯域幅外にあるx(t)の周波数成分よりも早い段階でシステムに送り込む。このことによって、より多くの利得(即ち、G1 116およびG2 118の両方)が能動的雑音低減帯域幅内にある周波数成分に適用され、より少ない利得(即ち、G2 118のみ)が能動的雑音低減帯域幅外にある周波数成分に適用される。より高いフィードバック利得によって、より大きな雑音低減がもたらされる。
いくつかの例では、x(t)=0である(即ち、入力信号は供給されない)。かかる例では、能動的雑音低減システムは、フィードバックマイクロホンにおける周囲雑音を低減して、マイクロホンで感知される信号をゼロにする。
図1に示されるシステムでは、e(t)は、フィードバックマイクロホン108の位置における音響空洞内の音響信号の測定値である。周波数ドメインでは、e(t)は次式のようにE(ω)として表すことができる。
Figure 0005813239
分母のG1G2HA項は、一般に、フィードバックループ利得と呼ばれる。この項は本明細書では「ループ利得」と呼ばれるが、フィードバックループの周波数依存利得応答およびフィードバックループの周波数依存位相応答の両方を含む、ループ特性としてこの項を理解すべきであることに留意されたい。したがって、「ループ利得が1∠180°に等しい」などの記述は、ある周波数におけるループ利得が1に等しく、ループ位相が180°に等しいループ特性として理解すべきである。
検査によって、第1および第2のフォワード経路利得要素116、118の利得が非常に大きくなるにつれて、雑音の項N(ω)が低減されることが分かる。このように、図1のシステムにおける雑音低減は、高ループ利得を使用して遂行される。
また、第1および第2のフォワード経路利得要素116、118が非常に大きくなるにつれて、入力信号x(t)を送り込む2つのポイントによって予期されるように、G1G2A1X(ω)項が高ループ利得によって受ける影響は、G2A2AX(ω)項よりも少なくなることに留意されたい。
図1の太線で示される部分を参照すると、システムは、ループ利得が1∠180°に等しい周波数における振動を検出するように構成された振動検出器202を含む。振動が検出された場合、振動検出器202は、フィードバックループを安定動作状態に戻すようにループ利得の調節を始動させることができる。
振動検出器202は、入力信号x(t)と第2のフォワード経路利得要素118の出力
Figure 0005813239
とを受け取り、制御パラメータPを調節可能なフィードバックファクタH 210に出力する。制御パラメータPは、不安定性による振動がフィードバックループ内に存在するか否かを示し、必要であればループ利得を調節するように、フィードバックファクタH 210に(例えば、P=HIGHを出力することによって)命令する。
図2を参照すると、振動検出器202は、
Figure 0005813239
およびx(t)を処理し、結果として得られる処理済み信号を比較して、入力信号中に存在しない振動がフィードバックループ内に存在するかを判断する。信号の処理は、フィードバックループの不安定性による振動信号が、一般的に、ループ利得が1∠180°に近い周波数範囲で起こるという知識に基づく。さらに、能動的雑音低減信号が振動信号よりも低い周波数において存在するのが一般的である。
振動検出器202は、
Figure 0005813239
およびx(t)を2つの別個の経路で処理する。ドライバ信号経路302は、不安定性による振動が予期される周波数範囲に通過帯域を有する帯域通過フィルタ304を
Figure 0005813239
に適用する。帯域通過フィルタ304のフィルタ処理済み出力は、全波整流器306によって整流され、平滑化要素308(例えば、低域通過フィルタ)によって平滑化される。ドライバ信号経路302の結果は、不安定性による振動が予期される周波数範囲における
Figure 0005813239
の信号レベルである。
入力信号x(t)が存在しない場合(即ち、音響駆動信号が供給されないとき)、ドライバ信号経路302は、フィードバックループにおける不安定性による振動を検出するのに十分である。しかし、入力信号x(t)が存在する場合、x(t)および
Figure 0005813239
の両方を処理することが必要である。これは、入力信号x(t)(例えば、音響信号)が、振動が予期される周波数範囲内に存在する周波数成分を含むことがあるという事実による。かかる入力信号の存在下では、誤った不安定性検出結果が生じることがある。
したがって、システムの堅牢性を改善するため、x(t)は、動的閾値参照(dynamic threshold reference)を確立する目的で参照信号経路310内で処理される。参照信号経路は、不安定性による振動が予期される周波数範囲に通過帯域を有する帯域通過フィルタ312をx(t)に適用する。帯域通過フィルタ312のフィルタ処理済み出力は、全波整流器314によって整流され、平滑化要素316(例えば、低域通過フィルタ)によって平滑化される。
平滑化要素316の出力は、不安定性による振動が予期される周波数範囲におけるx(t)の信号レベルである。この出力は、x(t)が存在し、かつフィードバックループ内に振動が存在しないとき、参照信号経路310の出力がドライバ信号経路302の出力よりもわずかに大きくなるように、換算ファクタK318によって換算される。
ドライバ信号経路302の出力および参照信号経路310の出力は、ドライバ信号経路302の出力が参照信号経路310の出力よりも大きい(即ち、振動が存在する)場合にP=HIGHの値を出力し、ドライバ信号経路302の出力が参照信号経路310の出力よりも小さい(即ち、振動が存在しない)場合にP=LOWの値を出力する、差動検出器320に供給される。
3 調節可能なフィードバックファクタ
振動検出器202によって出力されるパラメータP(例えば、HIGHまたはLOWの出力)は、調節可能なフィードバックファクタH(図1の要素210)に供給される。いくつかの例では、調節可能なフィードバックファクタ210は、パラメータPに基づいて、全てまたは広範囲の周波数にわたってシステムの全体的なフィードバックループ利得を修正するように調節される。他の例では、調節可能なフィードバックファクタ210は、パラメータPに基づいて、例えば限定された範囲の周波数にわたる利得を低減することによって、フィードバックループ利得の帯域幅を修正するように調節される。いくつかの例では、フィードバックループ利得の修正は所定の時間量の間維持される。所定の時間量(例えば、3秒間)が経過した後、フィードバックループ利得の修正は逆転される。
3.1 全体的な利得の調節
図3を参照すると、フィードバックループ利得および位相応答の一例は、図1のシステムのフィードバックループにおける不安定な状況を示している。特に、フィードバックループは、周波数ωuにおいて実線の利得曲線420が1に等しく、実線の位相曲線422が180°に等しいことによる不安定な状況にある。この状況では、位相マージンは0°であって、不安定性を引き起こす。
いくつかの例では、調節可能なフィードバックファクタ210は、不安定性検出器202から受け取ったパラメータPに基づいて利得を所定量低減することによって、この不安定性を緩和するように構成可能である。特に、位相マージンが0°またはその付近であることをPが示している(即ち、不安定性検出器がHIGHのパラメータ値を出力する)場合、フィードバックファクタは全体的な利得を所定量低減する。
破線の利得曲線424は、フィードバックループ利得の全体的な低減の結果である。位相曲線422は変化していないので、全体的なループ利得を低減することによって位相マージン426が増加して、フィードバックループが安定動作状態に戻る。
図4を参照すると、回路は、Pに渡される全体的なループ利得を低減するように構成される。ループ利得の全体的な低減は、不安定性検出器202からのP=HIGH出力がフィードバックマイクロホン108におけるMOSFET 530をオンにし、それによってフィードバックマイクロホン入力108におけるループ利得を低減することによって達成される。
3.2 帯域幅の調節
図5を参照すると、フィードバックループ利得および位相応答の別の例は、図1のシステムのフィードバックループにおける不安定な状況を示している。特に、フィードバックループは、周波数ωuにおいて0dBの値を有する第1の利得曲線620による不安定な状況にあり、その際、第1の位相曲線622は-180°に近い値を有する。この状況では、位相マージンは低減されて、不安定性が引き起こされる。
いくつかの例では、調節可能なフィードバックファクタ210は、パラメータPに基づいて、高帯域幅モードと低帯域幅モードとの間でフィードバックループ利得を切り替えるように構成可能である。高帯域幅モードは、システムの正常動作中に使用され、低帯域幅モードは、システム変更によってシステムが潜在的に不安定な動作状態になったときに使用される。パラメータPが、フィードバックループの帯域幅を低減する必要があることを示している(即ち、不安定性検出器がP=HIGHのパラメータ値を出力する)場合、調節可能なフィードバックファクタによって、フィードバック経路における低域通過フィルタ処理動作が可能になる。
第2のループ利得曲線624は、低周波数におけるループ利得に対する影響がほとんどない、高周波数におけるループ利得の低減を示している。ループ利得の帯域幅におけるかかる低減によって位相マージン626が増加する一方、システムの音響出力品質に対する影響は、上述したループ利得の全体的な低減に比べて少ない。
図6を参照すると、調節可能なフィードバックファクタ210の一例は、単純なポールゼロ低域通過ネットワーク(pole-zero low pass network)740において、潜在的に不安定な動作状態を検出すると、既存の高帯域幅フィードバックループに切り替えることによって、フィードバックループ利得の低帯域幅モードを達成する。
例えば、HIGHのパラメータ値がM1 742をオン状態に切り替えるように、不安定性検出器(図1の要素202)のパラメータ出力PをMOSFET M1 742に供給することができる。M1 742がオンのとき、RCネットワーク744、746はシステムへと切り替えられる。RCネットワーク744、746は、フィードバックマイクロホン108の実効出力インピーダンス748と共に、低域通過フィルタを形成する。
RCネットワーク744、746およびフィードバックマイクロホン108の実効インピーダンス748によって形成される低域通過フィルタは、ゼロブレーク(zero break)(抵抗器R331 744を含めることによって引き起こされる)を含む。ゼロブレークは、より高い周波数における低域通過フィルタの位相遅れを停止させ、結果として安定性マージンがより高くなる。
上述した調節可能なフィードバックファクタ210は、アナログまたはデジタルエレクトロニクスを使用して実現することができる。いくつかの例では、不安定性検出器202のパラメータ出力Pは、上述したものとは異なる伝達関数を有する調整フィルタをシステムに切り替えるのに使用される。いくつかの例では、調節可能なフィードバックファクタがアナログエレクトロニクスまたはデジタルエレクトロニクス(例えば、専用DSPハードウェア)のどちらを使用して実現されるかに基づいて、異なる調整フィルタが使用される。
4 閉塞された先端の検出
図7を参照すると、能動的雑音低減ヘッドホンシステムのイヤホン850は、着用者854の外耳道852に挿入されるように構成される。挿入されると、イヤホン850は、着用者の外耳道852の内壁を外側へと圧迫して、外耳道852内に密閉された空洞856を作り出す。イヤホン850は、イヤホン内の音響ドライバ860から外耳道852内の密閉された空洞856内へと延在する内部空洞858を含む。
音響ドライバとは反対側にあるイヤホン850の内部空洞858の端部では、妨害物(blockage)862が、外耳道852内の空洞856の中に至る内部空洞858の開口部を塞いでいる。かかる妨害物862は、着用者854がイヤホン850を外耳道852に挿入している間、一般に発生し、「閉塞先端」と呼ぶことができる。
図8を参照すると、閉塞先端の1つの効能は、イヤホン(図7の要素850)の内部空洞(図7の要素858)における音響インピーダンスが増加することである。グラフのオンヘッド曲線970は、先端が閉塞していないイヤホン850の音響インピーダンスを示し、グラフの閉塞先端曲線972は、先端が閉塞しているイヤホン850の音響インピーダンスを示す。検査によって、閉塞先端の場合における音響インピーダンスが著しく増加することが容易に確認される。
図9を参照すると、音響インピーダンスのかかる変化を検出する1つの方法は、能動的雑音低減システム(即ち、図1のシステム)のフィードバックマイクロホン(図1の要素108)として既に使用されている圧力マイクロホン1082に加えて、速度マイクロホン1080を使用するというものである。
音響インピーダンスに関する式は次式の通りである。
Figure 0005813239
したがって、音響インピーダンスは、速度マイクロホン1080を圧力マイクロホン1082に近接させて配置し、指定周波数範囲における2つのマイクロホン信号の間の比を計算することによって判断される。音響インピーダンスが所定の閾値を超えると判断された場合、イヤホンの先端は恐らく閉塞されている。
この方法は、イヤホン850の内部空洞858の内部で音響ドライバ860によって放射される音波(例えば、雑音、会話、音響)の性質による影響を受けない。しかし、比を計算するために、十分な音響信号がイヤホン850の内部空洞858内に存在しなければならない。
十分な音響信号がイヤホンの内部空洞858内に存在するか否かを判断するため、イヤホン850の内部空洞858および外耳道856内の空洞両方の外部にあるようにして、追加の圧力マイクロホン1084をイヤホン850に含めることができる。このマイクロホン1084は、耳腔856外部の圧力を検出し、それを使用して、計算されたインピーダンスが信頼性のあるものか否かを判断する。例えば、外圧がある所定の閾値を超える場合、計算されたインピーダンスは信頼性のあるものであると考えられる。
5 組み合わされた振動および閉塞先端検出器
図10を参照すると、図1のシステムの振動検出器202は、上述の閉塞先端検出アルゴリズムを用いて拡張されて、組み合わされた振動/閉塞先端検出器1110を含むシステム1100が得られる。
システム1100のフィードバックループの基本動作は、図1に示されるシステム100のフィードバックループを参照して記載したものとほぼ同じであり、したがって、このセクションでは繰り返さない。
組み合わされた振動/閉塞先端検出器1110は、入力信号x(t)、ドライバ出力信号
Figure 0005813239
、フィードバック圧力マイクロホンM1 108、フィードバック速度マイクロホンM2 1080、および外圧マイクロホンM3 1084から入力を受け取る。組み合わされた振動/閉塞先端検出器1110の出力は、不安定性または閉塞先端のどちらかによる振動が検出された場合にHIGHの値を有するパラメータPである。別の場合には、PはLOWの値を有する。図1のシステムに関して上述したように、Pは調節可能なフィードバックファクタH 210に供給され、それが次にフィードバックループ利得または帯域幅を調節して、フィードバックループの不安定性を緩和する。
図11を参照すると、振動/閉塞先端検出器1110の詳細なブロック図は、上述した振動検出器1202と、閉塞先端検出器1204と、外圧検出器1206とを含む。振動検出器1202、閉塞先端検出器1204、および外圧検出器1206の結果は、振動または閉塞先端が検出された場合にHIGHのパラメータ値を生成するように、ブール論理1208を使用して処理される。別の場合には、ブール論理1208はLOWのパラメータ値を生成する。
閉塞先端検出器1204は、入力として、フィードバック圧力マイクロホン信号M1(t)および速度マイクロホン信号M2(t)を受け取る。M1(t)は、第1の帯域通過フィルタ1210によってフィルタ処理され、第1の全波整流器1212によって整流され、第1の平滑化要素1214によって平滑化される。M2(t)は、第2の帯域通過フィルタ1216によってフィルタ処理され、第2の全波整流器1218によって整流され、第2の平滑化要素1220によって平滑化される。
マイクロホン入力信号M1(t)およびM2(t)の帯域通過フィルタ処理、整流、および平滑化によって、対象の周波数(例えば、閉塞先端が音響インピーダンスを著しく増加させることが分かっている周波数)における信号レベルの推定値が得られる。M1(t)を処理したものがM2(t)を処理したものによって除算されて、マイクロホン(図10の要素108、1080)の近傍における音響インピーダンスの推定値が得られる。音響インピーダンスの推定値は、音響インピーダンス閾値VZ_Refと比較される。音響インピーダンスの推定値が参照閾値よりも大きい場合、閉塞先端検出器1204は、先端が恐らく閉塞されていることを示すHIGHの値を出力する。別の場合には、閉塞先端検出器はLOWの値を出力する。
外圧レベル検出器1206は、入力として外圧マイクロホン信号M3(t)を受け取る。M3(t)は、第3の帯域通過フィルタ1222によってフィルタ処理され、第3の全波整流器1224によって整流され、第3の平滑化要素1226によって平滑化される。第3の平滑化要素1226の出力は、耳腔の外部における音圧レベルの推定値である。耳腔の外部における音圧レベルの推定値は、外圧閾値VPout_Refと比較される。耳腔の外部における音圧レベルの推定値が外圧閾値よりも大きい場合、外圧レベル検出器1206は、閉塞先端検出器1204の結果が有効であることを示すHIGHの値を出力する。別の場合には、外圧レベル検出器1206は、閉塞先端検出器1204の結果が無効であることを示すLOWの値を出力する。
閉塞先端検出器1204、振動検出器1202、および外圧レベル検出器1206のHIGHまたはLOWの出力は、閉塞先端/振動検出器1110の出力Pを決定するブール論理1208に対する入力として使用される。
図12を参照すると、真理値表は、閉塞先端検出器1204、振動検出器1202、および外圧レベル検出器1206の出力に対して、次式のブール論理を適用した結果を示している。
Figure 0005813239
6 代替例
いくつかの例では、マイクロコントローラを使用して、振動検出器、閉塞先端検出器、および外圧レベル検出器のうち1つまたは複数の出力を解釈し、ループ利得を低減するための措置を講じることができる。
いくつかの例では、専用デジタル信号プロセッサまたはマイクロコントローラは、帯域通過フィルタ処理、ピーク検出、比較器機能、および利得低減機能を行う。
図13を参照すると、いくつかの例では、音響インピーダンスを計算するために速度マイクロホンをフィードバック圧力マイクロホンと併用する代わりに、第2の圧力マイクロホンが空洞内部(例えば、ノズルの先端付近)に配置される。音響インピーダンスは、比P1/(P1-P2)として計算することができる。図13は、この方法を使用して計算されたインピーダンス曲線を示す。曲線1402は、閉塞されていない先端を表すインピーダンス曲線である。曲線1404は、閉塞されている先端を表すインピーダンス曲線である。
いくつかの例では、音響インピーダンスの変化は、ドライバにおいて電気入力インピーダンスを監視することによって検出される。いくつかの例では、ドライバの特性により、音響対電気の変成比は比較的小さく、結果として信号対雑音比が小さくなる。しかし、より大きい音響対電気の変成比が得られるようにドライバの特性を調節して、信号対雑音比を改善することができる。
上述の記載は、インイヤー型ヘッドホンシステムの単一のチャネルに注目している。しかし、上述のシステムを2つ以上のチャネルに拡大できることに留意されたい。
閉塞先端検出器を使用することなく、振動検出器を使用して不安定性を検出することができるのと同様に、振動検出器を使用することなく、閉塞先端検出器のみを使用して潜在的な不安定性を検出することができる。どちらも他方に依存せず、それぞれ独立して有効に使用することができる。
インイヤー型の能動的雑音除去システムの文脈で記載したが、上述の方策を他の状況で適用することができる。例えば、方策をオーバーイヤー型の雑音除去ヘッドホンに適用することができる。より広くは、特にフィードバック経路の音響成分の特性が変動することがあるとき、例えば、室内または乗物の客室の音響特性が(例えば、ドアもしくは窓が開いたときに)変化することがあるとき、方策が他の音響フィードバックの状況に適用されてもよい。さらに、フィードバックループの振動および機械インピーダンス(例えば、速度/力)を検出し測定することができる運動制御システムに、上述の振動およびインピーダンス検出の方法が適用されてもよい。
上述の記載では、フィードバックループ利得は、フィードバック経路のフィードバックファクタを修正することによって調節される。いくつかの例では、フィードバック経路におけるフィードバックループ利得を調節する代わりに、フォワード経路の利得要素を調節することができる。
いくつかの例では、上述の方策を実現する回路構成は、ドライバおよびマイクロホンを含むハウジングに統合される。他の例では、回路構成は別個に提供され、ドライバおよびマイクロホンの異なるハウジングならびに配置に適するように構成可能であってもよい。
いくつかの例では、フィードバック、フィードフォワード、および音響入力フィルタ処理を含む能動的雑音低減システムでは、不安定性/振動検出器が始動すると、3つのフィルタ全て(即ち、音響入力フィルタ、フィードフォワードフィルタ、およびフィードバックフィルタ)のフィルタ伝達関数を同時に修正することが望ましい。3つのフィルタ全ての伝達関数を同時に修正することで、フィードバックループ利得応答の変化によるシステム応答全体が補償される。フィルタ伝達関数のかかる修正は、アナログハードウェアおよびDSPベースのシステムの両方で生じ得る。
上述の記載は、添付の請求項の範囲によって定義される本発明の範囲を例証するものであって、限定するものではないことを理解されたい。他の実施形態は以下の請求項の範囲内にある。
102 音響ドライバ
104 音響空洞
106 音響伝達関数
108 フィードバックマイクロホン
112 第1の伝達関数ブロック
114 第2の伝達関数ブロック
116 第1のフォワード経路利得要素
118 第2のフォワード経路利得要素
200 システム
202 振動検出器
210 フィードバックファクタ
302 ドライバ信号経路
304、312 帯域通過フィルタ
306、314 全波整流器
308、316 平滑化要素
310 参照信号経路
318 換算ファクタ
320 差動検出器
420、424 利得曲線
422 位相曲線
426 位相マージン
530 MOSFET
620 第1の利得曲線
622 第1の位相曲線
624 第2のループ利得曲線
626 位相マージン
740 ポールゼロ低域通過ネットワーク
742 MOSFET
744、746 RCネットワーク
748 実効出力インピーダンス
850 イヤホン
852 外耳道
854 着用者
856 空洞
858 内部空洞
860 音響ドライバ
862 妨害物
970 オンヘッド曲線
972 閉塞先端曲線
1080 速度マイクロホン
1082、1084 圧力マイクロホン
1100 システム
1110 振動/閉塞先端検出器
1202 振動検出器
1204 音響インピーダンス検出器
1206 外圧レベル検出器
1208 ブール論理
1210、1216、1222 帯域通過フィルタ
1212、1218、1224 全波整流器
1214、1220、1226 平滑化要素
1402、1404 曲線

Claims (30)

  1. 第1のセンサから第1のフィードバック信号を受理するフィードバック入力、
    フィードバック要素の利得特性および位相特性を調節するための制御パラメータを受理する制御パラメータ入力、ならびに、
    ドライバ信号をドライバに供給するドライバ出力を含む、フィードバック要素と、
    前記フィードバック要素における不安定性条件を検出し、前記検出の結果に基づいて前記制御パラメータを形成する不安定性検出器であって、
    前記フィードバック要素の前記制御パラメータ入力に前記制御パラメータを供給する制御パラメータ出力、ならびに、
    前記第1のセンサを含む複数のセンサから複数のフィードバック信号を受理する複数の入力を含む、不安定性検出器とを備え、
    前記不安定性条件の検出が、前記ドライバと前記第1のセンサとの間の音響経路の特性を決定するため、前記複数のフィードバック信号を処理することを含む、フィードバックに基づく能動的雑音低減システム。
  2. 前記第1のセンサがマイクロホンを含み、前記ドライバがラウドスピーカーを含む、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記フィードバック要素が、前記制御パラメータを供給する際に、前記フィードバック要素の前記利得特性および前記位相特性の一方または両方を所定量変化させるように構成される、請求項1に記載のシステム。
  4. 前記フィードバック要素が、前記制御パラメータを供給する際に、フィードバックフィルタ、フィードフォワードフィルタ、および音響入力フィルタの伝達関数を同時に修正するように構成される、請求項1に記載のシステム。
  5. 前記フィードバック要素が、前記制御パラメータを供給する際に、前記フィードバック要素の帯域幅を所定量変化させるように構成される、請求項1に記載のシステム。
  6. 前記フィードバック要素が、前記制御パラメータに従って前記フィードバック要素に選択可能に適用可能な低域通過フィルタをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
  7. 前記複数のセンサが第2のセンサを含み、前記不安定性検出器が、前記第1のセンサと関連付けられた前記第1のフィードバック信号および前記第2のセンサと関連付けられた第2のフィードバック信号の比に基づいて、前記ドライバと前記第1のセンサとの間の前記音響経路の前記特性を決定するように構成される、請求項1に記載のシステム。
  8. 前記第1のフィードバック信号と前記第2のフィードバック信号の前記比が、前記音響経路の音響インピーダンスを表す、請求項7に記載のシステム。
  9. 前記第1のセンサが圧力マイクロホンを含み、前記第2のセンサが速度マイクロホンを含む、請求項7に記載のシステム。
  10. 前記第1のセンサが圧力マイクロホンを含み、前記第2のセンサが圧力マイクロホンを含む、請求項7に記載のシステム。
  11. 前記複数のセンサが、第3のフィードバック信号を生成する第3のセンサを含み、前記不安定性検出器が、前記第3のフィードバック信号に基づいて、前記不安定性検出器によって検出された前記不安定性条件の妥当性を判断するように構成される、請求項7に記載のシステム。
  12. 前記フィードバック要素が、入力信号を受理する第1の信号入力をさらに含み、前記不安定性検出器が、前記入力信号を受理する第2の信号入力と、前記ドライバ信号を受理するドライバ入力とをさらに含み、前記不安定性検出器が、前記入力信号および前記ドライバ信号に基づいて前記フィードバック要素の特性を決定することを含めて、前記フィードバック要素の前記不安定性条件を検出するように構成される、請求項1に記載のシステム。
  13. 前記不安定性条件が、指定周波数範囲における振動の存在を含む、請求項12に記載のシステム。
  14. 前記指定周波数範囲が、能動的雑音低減が起こる周波数範囲とは相互に排他的である、請求項13に記載のシステム。
  15. 前記不安定性検出器が、前記振動が前記ドライバ信号中に存在するか否か、かつ前記振動が前記入力信号中に存在しないことを判断するため、前記入力信号および前記ドライバ信号を分析するように構成される、請求項13に記載のシステム。
  16. フィードバック要素における不安定性条件を検出し、前記検出の結果に基づいて制御パラメータを形成するステップであって、前記不安定性条件の検出が、
    第1のセンサを含む複数のセンサから複数のフィードバック信号を受理するステップ、ならびに、
    ドライバと前記第1のセンサとの間の音響経路の特性を決定するため、前記複数のフィードバック信号を処理するステップを含む、ステップと、
    前記制御パラメータを前記フィードバック要素に供給するステップと、
    前記フィードバック要素において前記制御パラメータを受理するステップと、
    前記フィードバック要素において前記第1のセンサから第1のフィードバック信号を受理するステップと、
    前記制御パラメータに基づいて前記フィードバック要素の利得特性および位相特性を調節するステップと、
    前記フィードバック要素から前記ドライバに対してドライバ出力信号を出力するステップとを含む、フィードバックに基づく能動的雑音低減システムにおける不安定性を検出し回避する方法。
  17. 前記第1のセンサがマイクロホンを含み、前記ドライバがラウドスピーカーを含む、請求項16に記載の方法。
  18. 前記制御パラメータを前記フィードバック要素に供給することによって、前記フィードバック要素の前記利得特性および前記位相特性の一方または両方が所定量変化する、請求項16に記載の方法。
  19. 前記制御パラメータを前記フィードバック要素に供給することによって、フィードバックフィルタ、フィードフォワードフィルタ、および音響入力フィルタの伝達関数が同時に修正される、請求項16に記載の方法。
  20. 前記制御パラメータを前記フィードバック要素に供給することによって、前記フィードバック要素の帯域幅が所定量変化する、請求項16に記載の方法。
  21. 前記制御パラメータを前記フィードバック要素に供給することによって、供給された前記制御パラメータに基づいて低域通過フィルタが前記フィードバック要素に選択可能に適用される、請求項16に記載の方法。
  22. 前記複数のセンサが第2のセンサを含み、前記ドライバと前記第1のセンサとの間の前記音響経路の前記特性を決定するステップが、前記第1のセンサと関連付けられた前記第1のフィードバック信号および前記第2のセンサと関連付けられた第2のフィードバック信号の比を計算するステップを含む、請求項16に記載の方法。
  23. 前記第1のフィードバック信号と前記第2のフィードバック信号の前記比が、前記音響経路の音響インピーダンスを表す、請求項22に記載の方法。
  24. 前記第1のセンサが圧力マイクロホンを含み、前記第2のセンサが速度マイクロホンを含む、請求項22に記載の方法。
  25. 前記第1のセンサが圧力マイクロホンを含み、前記第2のセンサが圧力マイクロホンを含む、請求項22に記載の方法。
  26. 前記複数のセンサが、第3のフィードバック信号を生成する第3のセンサを含み、前記不安定性条件を検出するステップが、前記第3のフィードバック信号に基づいて前記不安定性条件の妥当性を判断するステップを含む、請求項22に記載の方法。
  27. 前記フィードバック要素において入力信号を受理するステップをさらに含み、
    前記不安定性条件を検出するステップが、
    前記入力信号を受理するステップと、
    ドライバ信号を受理するステップと、
    前記入力信号および前記ドライバ信号に基づいて前記フィードバック要素の特性を決定するステップとをさらに含む、請求項16に記載の方法。
  28. 前記不安定性条件が、指定周波数範囲における振動の存在を含む、請求項27に記載の方法。
  29. 前記指定周波数範囲が、能動的雑音低減が起こる周波数範囲とは相互に排他的である、請求項28に記載の方法。
  30. 前記不安定性条件を検出するステップが、前記振動が前記ドライバ信号中に存在するか否か、かつ前記振動が前記入力信号中に存在しないことを判断するため、前記入力信号および前記ドライバ信号を分析するステップをさらに含む、請求項28に記載の方法。
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