JP6254547B2 - 能動的雑音低減システム - Google Patents

Description

（１．分野）
雑音低減システムが本明細書において開示され、この雑音低減システムは、低減された周囲雑音で、例えば、再生された音楽などを使用者が楽しむことを可能にするヘッドホンを含む。

（２．関連技術）
ヘッドホンに組込まれる能動的雑音低減システム（能動的雑音キャンセリング（ＡＮＣ）システムとしても公知）は、一般に利用可能である。現在、実際に使用されている雑音低減システムは、フィードバック型とフィードフォワード型とを含む２つの型に分類される。

フィードバック型の雑音低減ヘッドホンにおいて、マイクロホンは、使用者の耳に装着される一種の音響管として提供される。音響管に進入する外部雑音は、マイクロホンによって収集され、位相が反転され、そして、マイクロホンと雑音源との間に配置されたスピーカから放出され、外部雑音を低減する。

フィードフォワード型の雑音低減ヘッドホンにおいて、このヘッドホンが使用者の頭部に装着される場合、第１のマイクロホンがスピーカと耳道との間、つまり耳の近くに位置付けられる。第２のマイクロホンが雑音源とスピーカとの間に提供され、外部の音を収集するために使用される。第２のマイクロホンの出力は、第１のマイクロホンからスピーカまでの経路の伝送特性を、外部雑音が耳道に到達する際に沿う経路の伝送特性と同一にするために使用される。音響管に進入し、第１のマイクロホンによって収集される外部雑音は、その外部雑音を低減するために、位相が反転され、第１のマイクロホンと雑音源との間に配置されたスピーカから放出される。

両方の型において、マイクロホンは、スピーカの前であって使用者の耳に近く配置されなければならず、このことは、一方で、使用者にとって心地が悪く、他方で、この位置におけるマイクロホンの機械的保護の低減に起因して、重大な損傷を導き得る。それゆえ、ヘッドホンを有する改善された雑音低減システムに対する一般的なニーズが存在する。

本明細書において記載される能動的雑音低減システムの一実施形態は、イヤホンを備え、このイヤホンは、それが周囲雑音に晒される場合、使用者の耳に音響的に結合されている。イヤホンは、開口部を有するカップ状の筐体と、電気信号を使用者の耳に放射される音響信号へ変換する伝送変換器であって、カップ状の筐体の開口部に配置され、それによってイヤホンの空洞を形成する、伝送変換器と、音響信号を電気信号へ変換する受信変換器であって、イヤホンの空洞内に配置される、受信変換器とを備える。このシステムは、伝送変換器から耳まで延伸する第１の音響経路であって、第１の伝達特性を有する、第１の音響経路と、伝送変換器から受信変換器まで延伸する第２の音響経路であって、第２の伝達特性を有する、第２の音響経路と、受信変換器および伝送変換器に電気的に接続されている制御ユニットであって、伝送変換器に供給される雑音低減電気信号を生成することによって周囲雑音を補償する、制御ユニットとをさらに備える。この雑音低減電気信号は、第３の伝達特性でフィルタ掛けされた受信変換器信号から導出され、この受信変換器信号において、第２および第３の伝達特性が共同で第１の伝達特性をモデル化する。

以上により、本発明は、以下の手段を提供する。

（項目１）
能動的雑音低減システムであって、
雑音に晒されている使用者の耳に音響的に結合されるイヤホンを備え、該イヤホンは、
開口部を有するカップ状の筐体と、
電気信号を、該使用者の耳に放射される音響信号へ変換する伝送変換器であって、該伝送変換器は、該カップ状の筐体の開口部に配置されることによってイヤホンの空洞を規定している、伝送変換器と、
音響信号を電気信号へ変換する受信変換器であって、該受信変換器は、該イヤホンの空洞内に配置されている、受信変換器と、
該伝送変換器から該耳まで延伸している第１の音響経路であって、第１の伝達特性を有する、第１の音響経路と、
該伝送変換器から該受信変換器まで延伸している第２の音響経路であって、第２の伝達特性を有する、第２の音響経路と、
該受信変換器および該伝送変換器に電気的に接続されている制御ユニットであって、該制御ユニットは、該伝送変換器に供給される雑音低減電気信号を生成することによって周囲雑音を補償する制御ユニットと
を備え、
該雑音低減電気信号は、第３の伝達特性でフィルタ掛けされた受信変換器信号から導出され、該第２の伝達特性および該第３の伝達特性は、共同で該第１の伝達特性をモデル化する、能動的雑音低減システム。

（項目２）
上記雑音低減信号は、周囲雑音信号に比較して、時間に対する同一の振幅を有するが、逆の位相を有する、上記項目のいずれかに記載のシステム。

（項目３）
上記伝送変換器によって放射される所望の信号を提供する信号源をさらに備えている、上記項目のいずれかに記載のシステム。

（項目４）
上記制御ユニットは、第１のフィルタを備え、該第１のフィルタは、上記第１の伝達特性の逆数である第４の伝達特性を有し、第１のフィルタ掛けされた信号を提供する、上記項目のいずれかに記載のシステム。

（項目５）
上記制御ユニットは、第２のフィルタをさらに備え、該第２のフィルタは、上記第２の伝達特性に等しい第５の伝達特性を有し、第２のフィルタ掛けされた信号を提供する、上記項目のいずれかに記載のシステム。

（項目６）
上記制御ユニットは、
第１のフィルタと上記信号源とに接続されている減算ユニットであって、該減算ユニットは、出力信号を生成するために、上記所望の信号から第１のフィルタ掛けされた信号を減算し、該出力信号は、上記伝送変換器に供給され、反転された出力信号は、第２のフィルタに供給される、減算ユニットと、
該第２のフィルタと上記受信変換器とに接続されている加算ユニットであって、該加算ユニットは、電気雑音信号を生成するために、第２のフィルタ掛けされた信号を該受信変換器の信号出力に加算し、該電気雑音信号は、該第１のフィルタに供給される、加算ユニットと
を備えている、上記項目のいずれかに記載のシステム。

（項目７）
上記第１のフィルタおよび上記第２のフィルタのうちの少なくとも一方は、適応フィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。

（項目８）
上記制御ユニットは、アナログ回路網またはデジタル回路網あるいは両方を備えている、上記項目のいずれかに記載のシステム。

（項目９）
上記伝送変換器は、密閉封止された容積に搭載されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。

（項目１０）
上記伝送変換器は、上記密閉封止された容積を形成するために、上記筐体に密閉して搭載されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。

（摘要）
能動的雑音低減システムが提示され、このシステムは、雑音に晒された使用者の耳に音響的に結合されるイヤホンを含む。イヤホンは、開口部を有するカップ状の筐体と、電気信号を、使用者の耳に放射される音響信号へ変換する伝送変換器であって、カップ状の筐体の開口部に配置され、それによってイヤホンの空洞を規定する、伝送変換器と、音響信号を電気信号へ変換する受信変換器であって、イヤホンの空洞内に配置される、受信変換器と、伝送変換器から耳まで延伸する第１の音響経路であって、第１の伝達特性を有する、第１の音響経路と、伝送変換器から受信変換器まで延伸する第２の音響経路であって、第２の伝達特性を有する、第２の音響経路と、受信変換器および伝送変換器に電気的に接続されている制御ユニットであって、伝送変換器に供給される雑音低減電気信号を生成することによって周囲雑音を補償する、制御ユニットとを有する。雑音低減電気信号は、第３の伝達特性でフィルタ掛けされた受信変換器信号から導出され、第２および第３の伝達特性は、共同で第１の伝達特性をモデル化する。

図面の図解において示されている例示的な実施形態に基づいて、以下に様々な特定の実施形態がより詳細に記載される。別なふうに言及されない限り、同一の構成要素は、すべての図面において同一の参照番号で符号が付けられる。
図１は、公知のフィードバック能動的雑音低減システムの図示である。 図２は、公知のフィードフォワード雑音低減システムの図示である。 図３は、本明細書において開示されるフィードバック能動的雑音低減システムの実施形態の図示である。 図４は、本明細書において開示される能動的雑音低減システムの実施形態において利用されるイヤホンの図示である。 図５は、公知の能動的雑音低減システムにおける信号フローの図示である。 図６は、本明細書において開示される能動的雑音低減システムの実施形態における信号フローの図示であり、このシステムは閉ループ構造を有する。 図７は、本明細書において開示される能動的雑音低減システムの代替の実施形態における信号フローの図示であり、このシステムは閉ループ構造を有する。 図８は、図７に示されたシステムの根底にある基本原理の図示である。 図９は、本明細書において開示される能動的雑音低減システムの実施形態の図示であり、このシステムは、フィルタ付きｘ最小平均二乗（ＦｘＬＭＳ）アルゴリズムを利用している。 図１０は、本明細書において開示される能動的雑音低減システムの実施形態の図示であり、このシステムは、開ループ構造を有する。 図１１は、拡散雑音場および２ｃｍのマイクロホン距離におけるＭＳＣ関数を図示するダイヤグラムである。 図１２は、拡散雑音場および２ｃｍのマイクロホン距離における減衰関数を図示するダイヤグラムである。

図１は、音響管１を有するフィードバック型の公知の能動的雑音低減システムの図示であり、この音響管１の中へ向かって、雑音（一次雑音２と称される）が第１の端において雑音源３から導入される。一次雑音２の音波は、管１を通して管１の第２の端まで進行し、この第２の端から、例えば、管が使用者の頭部に装着されている場合における使用者の耳の中へなど、音波が放射される。管の中の一次雑音２を低減またはキャンセルするために、例えば拡声器４などのスピーカがキャンセリング音５を管１の中へ導入する。キャンセリング音５は振幅を有し、この振幅は、外部雑音に少なくとも対応するが、好ましくは外部雑音と同一であり、逆の位相である。管１に進入する外部雑音２は、誤差マイクロホン６によって収集され、フィードバックＡＮＣ処理ユニット７によって位相が反転された後、一次雑音２を低減するために拡声器４から放出される。誤差マイクロホン６は、拡声器４の下流に配置され、しかるに、拡声器４に対してよりも管１の第２の端により近く、つまり、上記の例において、誤差マイクロホン６は使用者の耳により近い。

図２に示されているような公知のフィードフォワード型の能動的雑音低減システムを作製するために、図１に示されているようなシステムにおいて、雑音源３と拡声器４との間に追加的なリファレンスマイクロホン８が提供され、フィードバックＡＮＣ処理ユニット７は、フィードフォワードＡＮＣ処理ユニット９に置換えられる。リファレンスマイクロホン８は一次雑音２を収集し、その出力は、拡声器４から誤差マイクロホン６までの経路の伝送特性を適応するために使用され、これによって、拡声器４から誤差マイクロホン６までの経路の伝送特性は、一次雑音２が管１の第２の端（つまり、使用者の耳）に到達する際に沿う経路の伝送特性と合致する。誤差マイクロホン６によって収集された一次雑音２は、拡声器４から誤差マイクロホン６までの信号経路の適応された伝送特性を使用して位相が反転され、外部雑音を低減するために、２つのマイクロホン６、８の間に配置された拡声器４から放出される。伝送経路の適応化と同様に、信号の反転もフィードフォワードＡＮＣ処理ユニット９によって実行される。

本明細書において開示されるフィードバック能動的雑音低減システムの実施形態が図３に示されている。図３のシステムは、誤差マイクロホン６が、拡声器４と管１の第２の端との間に配置される代わりに、管１の第１の端と拡声器４との間に実際に配置されている点において、図１のシステムから異なる。さらには、フィルタ１０が誤差マイクロホン６とフィードバックＡＮＣ処理ユニット７との間に接続されている。フィルタ１０は、マイクロホン６が拡声器４の下流に、つまり、拡声器４と管１の第２の端との間に仮想的に位置するように適応され、仮想的な誤差マイクロホン６’をモデル化する。

図４は、本明細書において開示される能動的雑音低減システムの実施形態において利用されるイヤホン１１の図示である。イヤホン１１は、ヘッドホン（示されていない）の部分であり得、使用者１３の耳１２に音響的に結合され得る。本例において、耳１２は、雑音源３から生じる一次雑音２を形成する周囲雑音に晒されている。イヤホン１１は、開口部１５を有するカップ状の筐体１４を備える。開口部は、網、格子または任意の他の音透過性の構造または材料によって覆われる。

耳１２に放射されるように電気信号を音響信号に変換し、および、本例においてスピーカ１６によって形成されている伝送変換器は、筐体１４の開口部１５に配置され、それによって、イヤホンの空洞１７を形成する。スピーカ１６は、筐体１４に密閉して搭載され得、これにより、気密の空洞１７を提供し、すなわち、密閉封止された容積を作製する。あるいは、空洞１７は場合に応じて通気され得る。

音響信号を電気信号に変換する受信変換器、例えば誤差マイクロホン１８は、イヤホンの空洞１７内に配置される。したがって、誤差マイクロホン１８は、スピーカ１６と雑音源２との間に配置される。音響経路１９は、スピーカ１６から耳１２まで延伸し、Ｈ_ＳＥ（ｚ）の伝達特性を有する。音響経路２０は、スピーカ１６から誤差マイクロホン１８まで延伸し、Ｈ_ＳＭ（ｚ）の伝達特性を有する。

図５は、公知の能動的雑音低減システム（例えば図１のシステム）における信号フローの図示であり、このシステムは、スピーカ２２によって音響的に放射されるように所望の信号ｘ［ｎ］を提供するための信号源２１をさらに備える。スピーカはまた、例えば、図１のシステムにおける拡声器４など、キャンセリング拡声器としても作用する。スピーカ２２によって放射される音は、伝達特性Ｈ_ＳＭ（ｚ）を有する（二次の）経路２４を介して、誤差マイクロホン２３（例えば、図１のマイクロホン６など）に伝達される。

マイクロホン２３は、雑音源（示されていない）からの雑音Ｎ［ｎ］と共にスピーカ２２から音を受信し、そこから電気信号ｅ［ｎ］を生成する。この信号ｅ［ｎ］は、信号ｅ［ｎ］からフィルタ２６の出力信号を減算する減算器２５に供給され、これにより、雑音Ｎ［ｎ］の電気的表現である信号Ｎ＊［ｎ］を生成する。フィルタ２６は、二次経路２４の伝達特性Ｈ_ＳＭ（ｚ）の推定である伝達特性Ｈ＊_ＳＭ（ｚ）を有する。信号Ｎ＊［ｎ］は、伝達特性Ｈ＊_ＳＭ（ｚ）の逆数に等しい伝達特性を有するフィルタ２７によってフィルタ掛けされた後、所望の信号ｘ［ｎ］からフィルタ２７の出力信号を減算する減算器２８に供給され、これにより、スピーカ２２に供給されるべき信号を生成する。フィルタ２６は、スピーカ２２と同一の信号が供給される。図５を参照した上記のシステムにおいて、直ちに理解され得るように、いわゆる閉ループ構造が使用される。

図６は、本明細書において開示される閉ループ能動的雑音低減システムの実施形態における信号フローを図示する。このシステムにおいて、伝達特性Ｈ_ＳＣ（ｚ）を有する追加的なフィルタ２９が誤差マイクロホン２３と減算器２５との間に接続される。この伝達特性Ｈ_ＳＣ（ｚ）は、下記のように
Ｈ_ＳＣ（ｚ）＝Ｈ_ＳＥ（ｚ）−Ｈ_ＳＭ（ｚ）
となる。

したがって、実際の（物理的、現実的）二次経路２４の伝達特性Ｈ_ＳＭ（ｚ）、Ｈ_ＳＣ（ｚ）およびフィルタ２９は、共同で仮想的な（所望の）信号経路３０の伝達特性Ｈ_ＳＥ（ｚ）をモデル化し、ここで、この信号経路３０は、スピーカ２２と、例えば使用者の耳１２など所望の信号位置（以後「仮想マイクロホン」としても参照される）でのマイクロホンとの間の信号経路である。上記を、例えば図４のシステムに適用する場合、マイクロホン１８は、雑音源３とスピーカ１６との間のその現実の位置から、使用者の耳１２における（所望の）位置（耳マイクロホン１２として描写されている）まで仮想的に移動され得る。

図３のシステムにおいて、所望の信号経路は、拡声器４から仮想マイクロホン６’まで延伸する。物理的（現実的）信号経路は、マイクロホン６から拡声器４まで延伸する。マイクロホン６の下流のフィルタ２９によって、現実的マイクロホン６の位置は、マイクロホン６’の位置に仮想的に移動される。

図７は、本明細書において開示される閉ループ能動的雑音低減システムの代替の実施形態における信号フローを図示する。ここにおいても、信号源２１は、所望の信号ｘ［ｎ］をスピーカ２２に供給し、スピーカ２２は、信号ｘ［ｎ］を音響的に放射するためだけでなく、能動的に雑音を低減するために作用する。スピーカ２２によって放射される音は、伝達特性Ｈ_ＳＭ（ｚ）を有する（二次の）経路２４を介して、誤差マイクロホン２３に伝搬する。

マイクロホン２３は、雑音Ｎ［ｎ］と共にスピーカ２２から音を受信し、そこから電気信号ｅ［ｎ］を生成する。信号ｅ［ｎ］は、フィルタ２６の出力信号を信号ｅ［ｎ］に加算する加算器３１に供給され、これにより、雑音Ｎ［ｎ］の電気的表現である信号Ｎ＊［ｎ］（本例においては推定）を生成する。フィルタ２６は、二次経路２４の伝達特性Ｈ_ＳＭ（ｚ）に対応する伝達特性Ｈ＊_ＳＭ（ｚ）を有する。信号Ｎ＊［ｎ］は、伝達特性Ｈ_ＳＥ（ｚ）の逆数に等しい伝達特性を有するフィルタ３２によってフィルタ掛けされた後、所望の信号ｘ［ｎ］からフィルタ３２の出力信号を減算する減算器２８に供給され、これにより、スピーカ２２に供給されるべき信号を生成する。フィルタ２６は、フィルタ３２の出力信号から信号ｘ［ｎ］を減算する減算器３３の出力信号が供給される。

図８は、図７に示されたシステムの根底にある基本原理の図示であり、このシステムにおいて、雑音源３４は、Ｐ（ｚ）の伝達特性を有する一次（伝送）経路３６を介して、雑音信号ｄ［ｎ］を誤差マイクロホン３５に送り、誤差マイクロホン３５の位置で雑音信号ｄ’［ｎ］を算出する。

誤差信号ｅ［ｎ］は、信号ｅ［ｎ］からフィルタ４１の出力信号を減算する加算器４０に供給され、これにより、雑音信号ｄ’［ｎ］の推定された表現である信号ｄ＾［ｎ］を生成する。フィルタ４１は、二次経路３９の伝達特性Ｓ（ｚ）の推定である伝達特性Ｓ＾（ｚ）を有する。信号ｄ＾［ｎ］は、Ｗ（ｚ）の伝達特性を有するフィルタ４２によってフィルタ掛けされた後、信号源３７によって与えられる、例えば、音楽またはスピーチなどの所望の信号ｘ［ｎ］からフィルタ４２の出力信号を減算する減算器４３に供給され、Ｓ（ｚ）の伝達特性を有する二次（伝送）経路３９を介しての誤差マイクロホン３５への伝送のために、スピーカ３８に供給されるべき信号を生成する。フィルタ４１は、所望の信号ｘ［ｎ］からフィルタ４２の出力信号を減算する減算器４３からの出力信号が供給される。

図８のシステムは、図９を参照して後述されるように、適応アルゴリズムを使用して強化され得る。このシステムにおいて、フィルタ４２は、適応制御ユニット４４によって制御されている制御可能フィルタである。適応制御ユニット４４は、減算器４０からフィルタ４５によってフィルタ掛けされた信号ｄ＾［ｎ］を、および、誤差マイクロホン３５から誤差信号ｅ［ｎ］を受信する。フィルタ４５は、フィルタ４１と同一の伝達特性、すなわちＳ＾（ｚ）を有する。制御可能フィルタ４１および制御ユニット４４は、共同で適応フィルタを形成し、この適応フィルタは、例えば、いわゆる最小平均二乗（ＬＭＳ）アルゴリズム、または本例の場合におけるように、フィルタ付きｘ最小平均二乗（ＦｘＬＭＳ）アルゴリズムなどの適応化のために使用し得る。しかしながら、フィルタ付きｅＬＭＳアルゴリズムまたは同様なものなど、他のアルゴリズムもまた適切であり得る。

一般的に、図８および図９に示されるようなフィードバックＡＮＣシステムは、純粋な雑音信号ｄ’［ｎ］を推定し、この推定された雑音信号ｄ＾［ｎ］をＡＮＣフィルタ（すなわち、本例におけるフィルタ４２）へ入力する。純粋な雑音信号ｄ’［ｎ］を推定するために、スピーカ３８から誤差マイクロホン３５までの音響的な二次経路３９の伝達特性Ｓ（ｚ）が推定される。二次経路３９の推定された伝達特性Ｓ＾（ｚ）は、スピーカ３８に供給される信号を電気的にフィルタ掛けするために、フィルタ４１において使用される。誤差信号ｅ［ｎ］からフィルタ４１の信号出力を減算することによって、推定された雑音信号ｄ＾［ｎ］が得られる。推定された二次経路Ｓ＾（ｚ）が実際の二次経路Ｓ（ｚ）と全く同一である場合、推定された雑音信号ｄ＾［ｎ］は、実際の純粋な雑音信号ｄ’［ｎ］と全く同一である。推定された雑音信号ｄ＾［ｎ］は、伝達特性Ｗ（ｚ）を有する（ＡＮＣ）４２においてフィルタ掛けされ、ここで、
Ｗ（ｚ）＝Ｐ（ｚ）／Ｓ（ｚ）
であり、その後、所望の信号ｘ［ｎ］から減算される。信号ｅ［ｎ］は下記の、
ｅ［ｎ］＝ｄ［ｎ］・Ｐ（ｚ）＋ｘ［ｎ］・Ｓ（ｚ）−ｄ＾［ｎ］・（Ｐ（ｚ）／Ｓ＾（ｚ））・Ｓ（ｚ）＝ｘ［ｎ］・Ｓ（ｚ）
のようになり得、ただし、Ｓ＾（ｚ）＝Ｓ（ｚ）かつｄ＾［ｎ］＝ｄ’［ｎ］であるような場合、および、そのような場合に限る。

推定された雑音信号ｄ＾［ｎ］は、下記の、
ｄ＾［ｎ］＝ｅ［ｎ］−（ｘ［ｎ］−ｄ’［ｎ］・（Ｐ（ｚ）／Ｓ＾（ｚ））・Ｓ＾（ｚ））＝ｄ’［ｎ］・Ｐ（ｚ）＝ｄ［ｎ］
のようになり、ただし、Ｓ＾（ｚ）＝Ｓ（ｚ）の場合、および、その場合に限る。

したがって、推定された雑音信号ｄ＾［ｎ］は、実際の雑音信号ｄ［ｎ］をモデル化する。

上記のシステムなどの閉ループシステムは、信号がスピーカに供給される前に、推定された雑音信号を所望の信号から減算することによって、所望の信号の不必要な低減を減少することを目的とする。開ループシステムにおいて、誤差信号は、特別なフィルタを通して与えられ、この特別なフィルタにおいて、誤差信号は、安定性のための適度なループ利得を達成するために低域通過フィルタ（例えば１ｋＨｚ未満）に掛けられて利得が制御され、および、雑音低減効果を達成するために位相適応（例えば反転）される。しかしながら、開ループシステムは、所望の信号が低減されることを生じ得ることが理解され得る。他方、開ループシステムは、閉ループシステムほど複雑ではない。

本明細書において開示される型の開ループＡＮＣシステムが図１０に示されている。信号源５１は、音楽信号などの有用な信号を加算器４６に提供し、加算器４６の出力信号は、適切な信号処理回路網（示されていない）を介してスピーカ４７に供給される。加算器４６はまた、誤差信号を受信し、この誤差信号は、誤差マイクロホン４８によって提供され、直列に接続されたフィルタ４９およびフィルタ５０によってフィルタ掛けされる。フィルタ５０は、Ｈ_ＯＬ（ｚ）の伝達特性を有し、フィルタ４９は、Ｈ_ＳＣ（ｚ）の伝達特性を有する。伝達特性Ｈ_ＯＬ（ｚ）は、一般的な開ループシステムの特性であり、伝達特性Ｈ_ＳＣ（ｚ）は、誤差マイクロホン４８の仮想位置と実際の位置との間における差異に対する補償をするための特性である。

一般的な閉ループＡＮＣシステムは、誤差マイクロホンが可能な限り耳に近く、すなわち耳の中に搭載された場合、その最高の性能を発揮する。しかしながら、誤差マイクロホンを耳の中に位置させることは、聴取者にとって著しく不便であり、聴取者によって知覚される音を劣化させる。誤差マイクロホンを耳の外側に位置させることは、ＡＮＣシステムの品質を悪化させる。このジレンマを解決するために、幾多のシステムが導入されてきたが、これらは主として機械的構造の改変に依拠しており、すなわち、スピーカと誤差マイクロホンとの間にコンパクトな容器を提供するように試みられており、このことは、例えば、人がヘッドホンを装着する方法によって、または異なる使用者によって、理想的には邪魔になり得ない。このような機械的改変が安定性の問題をある程度まで確かに解決できるということにもかかわらず、それらの改変は、それらがスピーカと聴取者の耳との間に位置するということに起因して、なおも音響的性能を歪曲する。

上記で概説されたジレンマを克服するために、アナログ信号処理またはデジタル信号処理（あるいは両方）を利用するシステムが本明細書において提示され、これにより、一方において、誤差マイクロホンが耳から離れて位置すること、他方において、恒常的に安定した性能を保証することを可能にする。本明細書において開示されるシステムは、スピーカの背後に、つまり、耳カップとスピーカとの間に誤差マイクロホンを設置することによって、安定性の問題を解決する。このことは、いかなる場合においても音響的性能を歪曲しない確定した容器を提供する。このシステムにおいて、誤差マイクロホンは、聴取者の耳から僅かに遠方に離れて設置され、必然的に悪化したＡＮＣ性能に至る。この問題は、使用者の耳の中に直に設置される「仮想マイクロホン」を利用することによって克服される。「仮想マイクロホン」は、マイクロホンが実際に一位置に配置されるが、適切な信号フィルタリングによって別の「仮想的」位置にあるように出現することを意味する。以下の例は、デジタル信号処理に基づいており、これによって、使用されるすべての信号および伝達特性は、離散時間およびスペクトル領域（ｎ，ｚ）内にある。アナログ処理に対しては、連続時間およびスペクトル領域（ｔ，ｓ）における信号および伝達特性が使用され、このことは、考察中の例において、ｎはｔによって、およびｚはｓによって置換えられることのみが必要であることを意味する。

再び図６を参照すると、「仮想的」誤差マイクロホンを作製するために、スピーカから耳までの信号経路（所望の二次経路）上の伝達特性である理想的な伝達特性Ｈ_ＳＥ（ｚ）が査定され、スピーカから誤差マイクロホンまでの信号経路（現実の二次経路）上の実際の伝達特性Ｈ_ＳＭ（ｚ）が決定される。仮想マイクロホン位置において理想的な音の受信と最適な雑音キャンセル作用とを提供するフィルタ特性Ｗ（ｚ）を決定するために、フィルタ特性Ｗ（ｚ）は、Ｗ（ｚ）＝１／Ｈ_ＳＥ（ｚ）に設定される。仮想的な誤差マイクロホンによって受信される総和の信号ｘ［ｎ］・Ｈ_ＳＥ（ｚ）は、

となり、ここで、ＡＮＣシステムの入力信号を形成する推定された雑音信号Ｎ［ｎ］は、

となる。

上記の方程式から、最適な雑音抑制は、仮想位置での推定された雑音信号Ｎ［ｎ］が、その位置が聴取者の耳の中にあるときと同一である場合に達成されることが理解され得る。雑音抑制アルゴリズムの品質は、二次経路Ｓ（ｚ）の伝達特性Ｈ_ＳＭ（ｚ）によって表わされる本例の場合において、主として二次経路Ｓ（ｚ）の精度に依存する。二次経路が変化する場合、システムは、その新たな状況に適応せねばならず、このことは、時間を消費するコスト高の追加的な信号処理を必要とする。

本明細書において開示されるシステムの主なアプローチは、追加的な信号処理の複雑度を低く維持するために、二次経路を本質的に安定に、つまり、その伝達特性Ｈ_ＳＭ（ｚ）を一定に維持することを含む。このために、誤差マイクロホンは、異なる動作のモードが二次経路の伝達特性Ｈ_ＳＭ（ｚ）の重大な変動を発生させないような位置に配置される。本明細書において開示されるシステムにおいて、誤差マイクロホンは、イヤホンの空洞内に配置され、このことは、変動に対して比較的鈍感であるが、比較的に耳から遠く離れ、これによって、ＡＮＣアルゴリズムの全体的性能が乏しくなる。しかしながら、非常に僅かな追加的信号処理のみを必要とする追加的な（全域通過）フィルタリングが提供され、これにより、耳までのより大きな距離の欠点に対する補償をする。伝達特性１／Ｈ_ＳＥ（ｚ）およびＨ_ＳＭ（ｚ）を実現するために必要とされる追加的な信号処理は、デジタル回路網によってのみでなく、演算増幅器を使用するプログラム可能なＲＣフィルタなどのアナログ回路網によっても同様に提供され得る。

上記で指摘されたように、仮想マイクロホンを利用するＡＮＣシステムの性能は、実際の誤差マイクロホンの位置での雑音信号と、仮想マイクロホン（つまり、耳）の位置での雑音信号との間の差異に本質的に依存する。連続スペクトル領域におけるこのようなＡＮＣシステムの性能の推定のために、いわゆる最大二乗コヒーレンス（ＭＳＣ）関数Ｃ_ｉｊ（ω）が使用され、その定義は、下記の、

であり、ここで、Ｐ_ＸｉＸｉ（ω）およびＰ_ＸｊＸｊ（ω）は、信号Ｘ_ｉおよび信号Ｘ_ｊのオートパワー密度スペクトルであり、Ｐ_ＸｉＸｊ（ω）は、信号Ｘ_ｉおよび信号Ｘ_ｊのクロスパワー密度スペクトルである。Ｃ_ｉｊ（ω）は、２つのマイクロホンｉおよびｊの複素コヒーレンス関数である。複素コヒーレンス関数Ｃ_ｉｊ（ω）は、基本的にローカルの雑音場に依存する。後述される最悪の場合の考察においては、拡散雑音場が仮定される。このような場は、

のように記述され得、ここで、ｆは周波数（［Ｈｚ］にて）、ｄ_ｉｊはマイクロホンｉとマイクロホンｊとの間の距離（［ｍ］にて）、ｃは室温における空気中の音速（ｃ＝３４０［ｍ／ｓ］）、およびＭはマイクロホンの数（本例の場合においては２）であり、ここで、ＳＩ関数は、

であり、距離ｄ_ｉｊは、

である。

ＭＳＣ関数は、時間領域における相関係数のように、２つの処理の線形の相互依存性の度合である。信号ｘ_ｉ（ｔ）および信号ｘ_ｊ（ｔ）がそれぞれの周波数ωにおいて完全に相関している場合、ＭＳＣ関数Ｃ_ｉｊ（ω）はその最大値１になり、これらの信号が全く相関していない場合、ＭＳＣ関数Ｃ_ｉｊ（ω）はその最小値０になる。したがって、
１≧Ｃ_ｉｊ（ω）≧０
である。

ＭＳＣ関数は、マイクロホンｊからの信号がマイクロホンｉからの信号に基づいて線形に推定されている場合に発生する誤差を記述する。拡散雑音場において、距離がｄ＝２ｃｍである場合、ＭＳＣ関数は、図１１に図示されたように振舞う。最大のＡＮＣ減衰Ｄ_ｉｊ（ω）は、ＭＳＣ関数Ｃ_ｉｊ（ω）から導出され、下記の、
Ｄ_ｉｊ（ω）＝２０・ｌｏｇ１０（１−Ｃ_ｉｊ（ω）） （単位［ｄＢ］）
となる。

図１２は、２ｃｍのマイクロホン距離を有する拡散雑音場において生じる減衰関数Ｄ_ｉｊ（ω）（単位［ｄＢ］）を示す。図１２から理解されるように、理論上、２ｃｍのマイクロホン距離を有する拡散雑音場において、１ｋＨｚの周波数で雑音抑制（減衰）Ｄ_ｉｊ（ω）＝２７ｄＢが達成され得、これは大いに十分である。

１ 音響管
２ 一次雑音
３、３４ 雑音源
４ 拡声器
５ キャンセリング音
６、１８、２３、３５、４８ 誤差マイクロホン
６’ 仮想的な誤差マイクロホン
７ フィードバックＡＮＣ処理ユニット
８ リファレンスマイクロホン
９ フィードフォワードＡＮＣ処理ユニット
１０、２６、２７、２９、３２、４１、４２、４５、４９、５０ フィルタ
１１ イヤホン
１２ 耳
１３ 使用者
１４ カップ状の筐体
１５ 開口部
１６、２２、３８、４７ スピーカ
１７ イヤホンの空洞
１９、２０ 音響経路

Claims (10)

1. 能動的雑音低減システムであって、
   雑音に晒されている使用者の耳に音響的に結合されるイヤホンを備え、前記イヤホンは、
   開口部を有するカップ状の筐体と、
   電気信号を、前記使用者の耳に放射される音響信号へ変換する伝送変換器であって、前記伝送変換器は、前記カップ状の筐体の開口部に配置されることによってイヤホンの空洞を規定している、伝送変換器と、
   音響信号を電気信号へ変換する受信変換器であって、前記受信変換器は、前記イヤホンの空洞内に配置されている、受信変換器と、
   前記伝送変換器から前記耳まで延伸している第１の音響経路であって、前記第１の音響経路は、前記第１の音響経路の音響効果を示す第１の伝達関数特性を有する、第１の音響経路と、
   前記伝送変換器から前記受信変換器まで延伸している第２の音響経路であって、前記第２の音響経路は、前記第２の音響経路の音響効果を示す第２の伝達関数特性を有する、第２の音響経路と、
   前記受信変換器および前記伝送変換器に電気的に接続されている制御ユニットであって、前記制御ユニットは、前記伝送変換器に供給される雑音低減電気信号を生成することによって周囲雑音を補償する、制御ユニットと
   を備え、
   前記雑音低減電気信号は、第３の伝達関数特性でフィルタ掛けされた受信変換器信号から導出され、前記雑音低減電気信号の前記導出は、（ｉ）前記フィルタ掛けされた受信変換器信号と、（ｉｉ）前記第２の伝達関数特性の推定でフィルタ掛けされた前記伝送変換器により受信される信号とを組み合わせることを含み、前記第２の伝達関数特性および前記第３の伝達関数特性は、共同で前記第１の伝達関数特性をモデル化し、前記フィルタ掛けされた電気信号は、前記伝送変換器の音響的に下流に位置する仮想受信変換器位置でのオーディオを示す、能動的雑音低減システム。
2. 前記雑音低減電気信号は、周囲雑音信号と比較して、時間に対する同一の振幅を有するが、逆の位相を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記伝送変換器によって放射される所望の信号を提供する信号源をさらに備えている、請求項１または請求項２に記載のシステム。
4. 前記制御ユニットは、第１のフィルタを備え、前記第１のフィルタは、前記第１の伝達関数特性の逆数である第４の伝達関数特性を有し、第１のフィルタ掛けされた信号を提供する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記制御ユニットは、第２のフィルタをさらに備え、前記第２のフィルタは、前記第２の伝達関数特性に等しい第５の伝達関数特性を有し、第２のフィルタ掛けされた信号を提供する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記制御ユニットは、
   前記第１のフィルタと前記信号源とに接続されている減算ユニットであって、前記減算ユニットは、出力信号を生成するために、前記所望の信号から前記第１のフィルタ掛けされた信号を減算し、前記出力信号は、前記伝送変換器に供給され、反転された出力信号が前記第２のフィルタに供給される、減算ユニットと、
   前記第２のフィルタと前記受信変換器とに接続されている加算ユニットであって、前記加算ユニットは、電気雑音信号を生成するために、前記第２のフィルタ掛けされた信号を前記受信変換器の信号出力に加算し、前記電気雑音信号は、前記第１のフィルタに供給される、加算ユニットと
   をさらに備えている、請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１のフィルタおよび前記第２のフィルタのうちの少なくとも一方は、適応フィルタである、請求項５または請求項６に記載のシステム。
8. 前記制御ユニットは、アナログ回路網またはデジタル回路網あるいは両方を備えている、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記伝送変換器は、密閉封止された容積に搭載されている、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記伝送変換器は、前記密閉封止された容積を形成するために、前記筐体に密閉して搭載されている、請求項９に記載のシステム。