JP6066335B2 - 消音装置 - Google Patents

Description

本発明は、様々な方向から耳に到達する騒音をキャンセリングする消音装置に関する。

従来、一方向から耳に到達する騒音をキャンセルするため、到達する騒音と逆位相の制御音を作成して加算する方法が一般的に採用されている。つまり、音の波動性を利用して音を打ち消す手法である。すなわち、騒音といえども音波であるから所定の位相を持っている。したがって、この騒音の位相と逆位相の音を生成して、これらを加算することにより、２つの音が互いに打ち消し合って音が小さくなるのである。

図１は、配管内の騒音を消音する消音技術を説明するための図である。配管１０１内には双方向の騒音が発生している。そして、この配管１０１内で発生した騒音が配管１０２に伝わり、一方向の騒音となって図１の左側から右側に向かって伝わって行く。このような配管１０２内の騒音を除去するため、配管１０２内に騒音検出用のマイク１０３と誤差信号検出用のマイク１０４が設けられている。

更に、マイク１０３とマイク１０４からの出力信号を入力するＬＭＳ（Least Mean Square）適応フィルタ１０５が設けられ、このＬＭＳ適応フィルタ１０５の出力を増幅するアンプ１０６と、アンプ１０６の出力を入力する消音用スピーカ１０７が配置されている。ＬＭＳ適応フィルタ１０５については後述するが、近年ではデジタル信号処理技術が発達したこともあり、ＬＭＳ適応フィルタを利用したアクティブ消音器が多く使われるようになっている。

以上のような構成により、まず配管１０２内に伝わる騒音がマイク１０３で検出され、この信号がＬＭＳ適応フィルタ１０５に供給される。一方、マイク１０４が消音後の音を検出して出力する誤差信号もＬＭＳ適応フィルタ１０５に供給される。ＬＭＳ適応フィルタ１０５は、騒音消去後の音をマイク１０４が検出して出力する誤差信号が限りなく‘０’に近くなるように働くフィルタである。

ＬＭＳ適応フィルタ１０５の出力信号は、アンプ１０６で反転増幅され、消音用スピーカ１０７に供給される。消音用スピーカ１０７から出力される音波はマイク１０３で検出される音波とは逆位相の音波になっているため、配管１０２内を伝搬する騒音が打ち消される。したがって、マイク１０４で検出される騒音は限りなく‘０’に近づくことになる。ここで、マイク１０３とスピーカ１０７との距離はＬＭＳ適応フィルタ１０５で信号処理するための時間を確保するために、３０ｃｍ以上は離して配置することが必要である。また、この方法で消音できるのはあくまでも一方向に伝わる騒音のみである。

図２に示す例は、騒音原２００から発生された騒音が床と天井からの反射を含めて３方向から伝搬している例である。ここでは、直接伝播する騒音のほかに天井からの反射騒音と床からの反射騒音が加わり３方向からの騒音が空間を伝搬している場合について説明する。図２の例でも、騒音検出用のマイク２０１と誤差信号検出用のマイク２０２が設けられ、これらがＬＭＳ適応フィルタ２０３に供給されている。そして、ＬＭＳ適応フィルタ２０３の出力がアンプ２０４に入力され、反転増幅されてスピーカ２０５に供給される。ＬＭＳ適応フィルタ２０３における処理は、図１のＬＭＳ適応フィルタ１０５と同じなので説明は省略する。

騒音は騒音源２００から矢印aの経路に沿って直接的にマイク２０１、２０２に届き、天井や床で反射して矢印ｂ、ｃの経路に沿って間接的にマイク２０２に届く。この図からわかるように、騒音源２００からマイク２０２に至る距離は経路ａと経路ｂ、ｃとで異なっているので、経路ａに沿って届く騒音の位相と経路ｂ、ｃに沿って届く騒音の位相は異なっている。したがって、マイク２０１の信号を入力したＬＭＳ適応フィルタが機能することによってスピーカ２０５が出力する音波は、マイク２０１が検出する騒音と逆位相になっている。このため、矢印ａの経路に沿って届く騒音は打ち消されるが、矢印ｂ、ｃに沿って届く騒音はスピーカ２０５の音と位相が逆位相になっていないため打ち消すことができない。またＬＭＳ適応フィルタはその他の騒音源２００ａ、２００ｂ等の多方向から騒音が伝搬される場合に対して機能するわけではないので、これらの騒音を消すこともできない。
このような状況は自動車内の環境でも同じであり、したがって、車内に入ってくる騒音を完全に除去することは、極めて困難であった。

一方、従来から、キャンセリング・ヘッドホンとして、耳元に配置した騒音検出用マイクを用いて、イヤホンに加わる騒音と逆位相の騒音を発生させて、この逆位相の信号をイヤホンスピーカからの信号に加算することで騒音をキャンセルする装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、使用者の耳を覆うヘッドホンユニットの中に、周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホンを設け、このマイクロホンで検出した騒音を逆相にして、使用者の耳に入ってくる音（信号＋騒音）に加算する。これにより、使用者の耳には、騒音が除去された音だけが伝わることになり、周囲の騒音をキャンセルした（ノイズキャンセルした）ヘッドホンが実現される。

図３は、キャンセリング・ヘッドホンの一例を示すものである。耳に装着するヘッドホンに、騒音検出用マイク３０１とスピーカ（イヤホン）３０２が設けられ、騒音検出用マイク３０１で検出された騒音信号が反転増幅器３０３で逆相に変換された後、スピーカ３０２に供給されている。

また、音響信号の聴取位置における環境音をマイクロホン等で収録し、この環境音信号から生成した、騒音信号成分を消去するための消去信号を音響信号に合成して、聴取位置における騒音を消去する騒音除去装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に記載の技術は、視聴位置で収録した環境音信号から消去信号を作り、この消去信号と可聴周波数の信号（例えば音声信号）とを合成した合成音響信号によって、キャリア周波数を変調して超音波スピーカに供給するというものである。

特開２００７−１８０９２２号公報 特開２００５−３５２２５５号公報

しかしながら、図３に示すキャンセリング・ヘッドホンでは、騒音検出用マイク３０１とイヤホンスピーカ３０２との距離は１ｃｍ程度なので、マイク３０１がスピーカ３０２の音を拾う、いわゆるハウリング（不快音）が発生する。このハウリングをなくすために、図３に示すようなハウリング防止用の遮蔽板３０４が必要になるが、現実は、人間の皮膚がこの遮蔽板３０４の代わりになるので、装着するヘッドホン自体に遮蔽板３０４を設けているわけではない。

図４は、ハウリング防止用の遮蔽板を設けることなく、耳元に到達する騒音を検出してこれを逆相にしてスピーカに供給することで騒音が除去されることを示している。すなわち、騒音源４００からの騒音はマイク４０１で検出され、この信号がＬＭＳ適応フィルタ４０２経由で耳元のスピーカ４０３に供給される。

しかし、この方法では、あくまでもヘッドホンセットを耳に装着する必要がある。これに対して、本発明では、例えば、車（高級車）の後部座席に座るＶＩＰ（Very Important Person）が、周囲の騒音に悩まされることなく、ゆっくりとくつろげるような車内環境を提供することをねらいとしている。したがって、このような後部座席に座る人たちに、消音のためにキャンセリング・ヘッドホンを装着してもらうことはできない。

また、特許文献２に記載の技術は、音を聴取する位置の騒音をマイクで拾って、騒音消去信号と超音波信号と重畳させて騒音を除去するものであるが、消去信号を生成する部分はＦＦＴ（First Fourier Transform）演算を用いている。そのため、予めバッファに格納した環境騒音の周波数スペクトルを減算するいわゆるＳＳ法（Spectral Subtraction Method）を用いて、消去対象の騒音の周波数帯を選択するなど、騒音を消去するための機構が複雑であるという問題がある。

本発明の目的は、車の後部座席のようにランダムな方向から耳に入ってくる騒音を、ヘッドホンを着用することなく非接触で、より簡易な構成で相殺して消音する消音装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の消音装置は、耳元のスポットエリアの騒音をピンポイントで検出する超指向性マイクと、超指向性マイクが出力する騒音信号を入力して騒音信号と逆相の信号を出力する適応フィルタと、適応フィルタの信号により発信器が出力する超音波帯域の搬送波信号を変調して耳元に向けて超音波を発生させる超音波スピーカを備える。そして、この超音波スピーカが発生した超音波が鼓膜に届いて鼓膜により可聴音に復調されると、復調された可聴音は超指向性マイクが検出した騒音と逆位相になる。

このため、本発明の消音装置に用いられる超音波スピーカは、変調器を備え、この変調器において、指向性マイクからの騒音信号とは逆相の信号により、超音波帯域の搬送波信号が変調される。そして、この変調器で変調された信号がアクチュエータに加えられて、アクチュエータから発生された変調された超音波が人間の鼓膜に伝搬するようになっている。鼓膜には変調された超音波が届くが、超音波は聞き取られることは無く、復調された音だけが聞き取られるので、耳元に届く騒音が消去されるのである。

本発明の消音装置は、例えば車の後部座席などのヘッドレスト内に設置したときは、座席に座っている人の耳元に聞こえてくる騒音を極力減少させる効果がある。

従来の一方向の騒音を除去する技術を説明するための図である。 多方向からの騒音が従来の技術では十分に取り除くことができないことを説明するための図である。 キャンセリング・ヘッドホンを用いて耳元の騒音を除去する技術を説明するための図である。 図３のキャンセリング・ヘッドホンを用いて騒音を除去する技術の問題点を説明するための図である。 本発明の実施形態例で用いられる超音波スピーカの動作原理を説明するための図である。（Ａ）は超音波が鼓膜で可聴音に変換されることを示す図、（Ｂ）は超音波スピーカの指向性を示す図、（Ｃ）は超音波スピーカの動作原理を説明するための回路構成図である。 超音波スピーカの中心軸方向の距離と中心軸に垂直な方向の音圧レベルの関係を示したシミュレーション図である。 本発明の実施形態例で用いられる超指向性マイクについて説明するための図である。 本発明の実施形態例の構成を示すブロック図である。 超音波と可聴音が鼓膜で分離されることを説明するための図である。

以下、本発明に係る、非接触で騒音を除去できる消音装置の実施形態例について、図面を参照して説明する。
まず、本発明の実施形態に用いられる超音波スピーカと超指向性マイクについて説明する。

＜超音波スピーカ＞
図５（Ａ）は、超音波スピーカ５００から発せられた超音波が耳の鼓膜に到達し、可聴音に変換されることを示す図である。マイクで検出した信号と逆相の信号を超音波スピーカ５００に加えることにより、超音波がＦＭ変調されて鼓膜に伝わり、鼓膜が、騒音で振動すると同時に、復調された音波で振動する。この２つの振動が逆相であるので相殺され、結果として騒音が相殺されて消音されることになる。

図５（Ｂ）は超音波スピーカ５００の指向性を模式的に示した図である。図５（Ｂ）に示すように、超音波スピーカ５００は、その指向性が１５°〜３０°程度の広がりをもって中心軸の方向に長円形に延びているので、耳元から多少離れていても、超音波が耳の鼓膜まで到達する。図６は、超音波スピーカ５００の中心軸方向の距離と中心軸に垂直な方向の位置の音圧レベルを示したシミュレーション図である。図６から分かるように、超音波スピーカ５００は指向性が強く、中心軸方向に対して９０ｃｍ程度の距離まで伝搬していることがわかる。つまり、超音波スピーカ５００を耳元から２０〜３０ｃｍ程度離れたところに配置すれば、超音波が耳の鼓膜に到達することは明らかである。

すなわち、超音波スピーカ５００を用いると、それが人間の耳から多少離れた位置に配置されていても、そこで発生する超音波を人間の鼓膜に到達させることができ、鼓膜で超音波を可聴音に変えることができる。例えば、超音波スピーカ５００が５０ｋＨｚの超音波を発しているとして、この超音波に５１ｋＨｚで発信する超音波を加えると、鼓膜でその差分である１ｋＨｚの可聴音に変換される。このように鼓膜は非線形素子として、超音波を変調する機能を持っている。

この超音波スピーカ５００は、直径１ｃｍ程度の大きさを有しており、既に各社から市販されているものである。この超音波スピーカを車の後部座席のヘッドレスト内に配置することで、消音対象となる人（後部座席に座る人）の耳にのみに超音波を当てるようにすることができる。なお、運転者には、周囲からの音が聞こえないと困ることもあるので、運転席のヘッドレストには超音波スピーカ５００を配置しない。

図５（Ｃ）は、超音波スピーカ５００を用いて、鼓膜を騒音と逆相で振動させるときの動作原理を説明するための図である。超音波スピーカ５００は、後述する超指向性マイクで検出した騒音信号と逆相の信号（帯域約１ｋＨｚ）５０２で超音波の周波数に相当する搬送波信号発信器５０１からの搬送波（周波数５０ｋＨｚ）を変調する変調器５０３を含む。そして、変調器５０３で変調された変調信号は、アンプ５０４を介して、アクチュエータ（発声器）５０５に供給される。アクチュエータ５０５から発生される変調された超音波は、仮想音源５０６として、人間の聴覚（鼓膜）５０７に伝わり、ここで帯域約１ｋＨｚの可聴音に変換される。この可聴音には、騒音と逆相の信号が重畳されているため、騒音が除去された音波が人間の鼓膜に届くことになる。

＜超指向性マイク＞
図７は、本発明の実施形態に用いられる超指向性マイク６００とその指向特性を模式的に示した図であり、このような超指向性マイク６００を用いることで耳元の離れた位置でも、耳元周辺の騒音が検出できることを示している。超指向性マイク６００の代わりに、通常のマイクを用いた場合には、そのマイクを置いた場所の音の検出はできるが、少し離れた目的の場所（例えば、耳周辺）の音の検出は難しくなる。また図２で説明したように多方向から入ってくる騒音を検出することも困難である。この超指向性マイク６００も、超音波スピーカ５００と同様に、様々な種類のものが市場に出回っているので、その中から適宜選択することが可能である。

この超指向性マイク６００で拾うことができる周波数は２０ｋＨｚ以下の可聴音であり、２０ｋＨｚを超える超音波を検出することはできない。したがって、超指向性マイク６０と近接した位置に超音波スピーカ５００を配置しても、超音波スピーカ５００が発信する超音波を検出することはない。つまり、後部座席のヘッドレストに超音波スピーカ５００と超指向性マイク６００を近接配置しても、超指向性マイク６００が超音波スピーカ５００の発する音の影響を受けることなく、したがってハウリングも起こらない。なお、現実的には、後述するＬＭＳ適応フィルタ７００（図８参照）における処理時間を稼ぐ必要があるので、超音波スピーカ５００と超指向性マイク６００は、ヘッドレストの中で２０ｃｍくらいの距離を置いて配置される。

＜実施形態例＞
図８は、本発明の実施形態例を示すものであるが、最初にＬＭＳ適応フィルタ７００の動作について説明する。本発明の実施形態例では、鼓膜６０１から所定距離（２０ｃｍ程度）離れた位置に超指向性マイク６００及び変調器５０３とアクチュエータ５０４を含む超音波スピーカ５００が配置される。また、鼓膜６０１の近辺には非線形マイク６０２が設けられている。この非線形マイク６０２は、後述するように、ＬＭＳ適応フィルタ７００の係数調整を行うときに１回だけ用いられるものであり、係数調整が終わった後で実際に動作させる場合には、この係数更新は必要ないのでこの非線形マイク６０２は使用しない。
ここでＬＭＳ適応フィルタ７００を用いることにより、簡単な構成で消去信号を生成することができる。すなわち、バッファを必要とすることもなく、ＦＦＴ（First Fourier Transform）のような演算量の多い処理を行う必要がない。

次に、ＬＭＳ適応フィルタ７００の係数調整について説明する。耳元の騒音は、超指向性マイク６００により電気信号に変換され、変換された信号がＬＭＳ適応フィルタ７００の係数可変フィルタ７０１に入力される。
耳元の騒音は非線形マイク６０２によっても電気信号に変換され、変換された信号がＬＭＳ適応フィルタ６００に入力されると係数修正アルゴリズム７０２により演算処理されてその結果により係数可変フィルタの係数が修正される。この係数修正アルゴリズム７０２は、非線形マイク６０２の信号がゼロに近づくよう働いて係数可変フィルタ７０１の係数を修正する。

ここで、非線形マイク６０２の周波数特性は超指向性マイク６００と同じである。ただ、非線形マイク６０２は、超指向性マイク６００に比べてリニアリティが悪く、歪みが大きい。この非線形マイク６０２を使う理由は、非線形マイク６０２が鼓膜の非線形特性とよく似ているからである。つまり、この非線形マイク６０２でも鼓膜６０１と同様に、超音波を受けるとその非線形特性によって、復調されて超音波が可聴帯域の音に変換される。このように、非線形マイク６０２を鼓膜の近辺に配置するのは、実際の鼓膜６０１の代わりをさせるためである。この非線形マイク６０２は、実際に超音波が人間の耳で可聴域に変換される音をシミュレートすることができ、この非線形マイク６０２で消音誤差をフィードバックすることにより、消音の状態を常に最適に保つことができる。

なお、超指向性マイク６００で検出された環境騒音は、ＬＭＳ適応フィルタ７００の出力として、超音波スピーカ５００の変調器５０３に送られ、変調器５０３で５０ｋＨｚ程度の超音波周波数で変調される。この超音波スピーカ５００のアクチュエータ５０４から発生される音波が、環境騒音と逆相の消去音になる。ＬＭＳ適応フィルタ７００の係数は、超指向性マイク６００から鼓膜６０１までの伝達関数を学習するように更新されるのである。つまり、超指向性マイク６００と鼓膜６０１の間の音響伝搬系の伝達関数の逆関数となるようにＬＭＳ適応フィルタ７００の係数が設定される。

以上説明したように、本発明の実施形態例では、ＬＭＳ適応フィルタ７００を使用して指向性マイク６００で検出した騒音と逆相の信号を生成するのであるが、既に係数が設定されてしまった後は、係数更新は行わないので、ＬＭＳ適応フィルタ７００は、一般的なＦＩＲ（Finite Impulse Respose）フィルタとして動作することになる。

なお、本実施形態例では、ＬＭＳ適応フィルタとしてのアルゴリズム（ＬＭＳアルゴリズム）が用いられるが、上記ＬＭＳアルゴリズムには、その変形である複素ＬＭＳアルゴリズム (Complex Least Mean Square Algorithm)やＮＬＭＳアルゴリズム (Normalized Least Mean Square Algorithm)も含まれる。

更に、ＬＭＳアルゴリズム以外にも、射影アルゴリズム (Projection Algorithm)、ＳＨＡＲＦアルゴリズム (Simple Hyperstable Adaptive Recursive Filter Algorithm)、ＲＬＳアルゴリズム (Recursive Least Square Algorithm)、ＦＬＭＳアルゴリズム (Fast Least Mean Square Algorithm)、ＤＣＴを用いた適応フィルタ (Adaptive Filter using Discrete Cosine Transform)、ＳＡＮフィルタ (Single Frequency Adaptive Notch Filter)、ニューラルネットワーク (Neural Network) 、遺伝的アルゴリズム (Genetic Algorithm)のような他の適応型フィルタでも同様な処理を行うことができる。

図９は、超音波と可聴音は周波数帯域が異なること、そのために騒音源に向けて超音波を発しても干渉が起こらないことを説明するための図である。
図９に示すように、環境騒音と超音波とは周波数帯域が異なるので、図８の超音波スピーカ５００から発生される、環境騒音の逆相信号で変調された超音波は、鼓膜６０１に到達すると環境騒音とは逆相の音に復調される。一方、図８に示すように環境騒音（同相信号）も鼓膜６０１に到達するので、鼓膜６０１では、環境雑音と逆相の音が同時に加わることになり、結果的に打ち消されて消音される。

また、図８に示すように、超指向性マイク６００に入る環境騒音と、この環境騒音と逆相の音を発生する超音波スピーカ５００との位置関係は、超音波スピーカ５００が超指向性マイク６００より、鼓膜６０１に対して遠方（後方）にあるため、この間の距離分だけ超音波スピーカ５００の音が幾分遅延する。このため、環境騒音の全ての周波数に渡って消音することは難しく、特に高い音の消音効果が落ちることになる。しかし、一般的に高い音は、吸音材等（不図示）で吸収できるので、比較的周波数の低い音に対して消音効果を発揮できるだけも、実用に耐えうる十分な消音効果を持つといえる。

以上、本発明の動作原理と実施形態例について、車の後部座席のヘッドレストに超音波スピーカと超指向性マイクを配置した非接触の消音装置について説明したが、本発明は車の後部座席のみに適用される訳ではなく、自動車以外の乗り物、例えば電車や飛行機あるいは船舶の座席にも適用することができる。また、本発明は、上述した実施形態例に限らず、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱しない限りに於いて、種々の変形例、応用例を含むことは言うまでもない。

１０３、１０４、２０１、２０２、３０１、４０１・・・マイク、１０５、２０３、４０２、７００・・・ＬＭＳ適応フィルタ、１０６、２０４・・・アンプ、１０７、２０５、３０２、４０３・・・消音用スピーカ、２００、２００ａ、２００ｂ、４００・・・騒音源、５００・・・超音波スピーカ、５０３・・・変調器、５０４・・・アンプ、６００・・・超指向性マイク、６０１・・・鼓膜、６０２・・・非線形マイク、７０１・・・係数可変フィルタ、７０２・・・係数修正アルゴリズム

Claims (5)

1. 耳元のスポットエリアの騒音をピンポイントで検出する超指向性マイクと、
   該超指向性マイクが出力する騒音信号を入力して該騒音信号と逆相の信号を出力する適応フィルタと、
   該適応フィルタの信号により発信器が出力する超音波帯域の搬送波信号を変調して耳元に向けて超音波を発生させる超音波スピーカと、
   を備える消音装置。
2. 前記超音波スピーカは、
   前記搬送波信号を前記適応フィルタの信号によって変調する変調器と、
   該変調器の信号を入力して超音波を発生するアクチュエータと、
   を備える請求項１に記載の消音装置。
3. 前記超指向性マイクは、鼓膜周辺の騒音をピンポイントで検出することができるピンポイントマイクである、請求項１に記載の消音装置。
4. 前記適応フィルタは係数可変フィルタと係数修正アルゴリズムを備えたＬＭＳ適応フィルタであり、
   鼓膜の近傍に設けた非線形マイクの信号を入力して前記係数修正アルゴリズムの計算結果に応じて前記係数可変フィルタの係数を修正するとともに、前記非線形マイクの信号がゼロに近づくよう働くことを特徴とする請求項１に記載の消音装置。
5. 前記ＬＭＳ適応フィルタの伝達関数は、前記超指向性マイクと前記鼓膜の間の音響伝搬系の伝達関数の逆関数となるように調整される、請求項４に記載の消音装置。

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