JP7260630B2 - 無音域生成 - Google Patents

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Description

本開示は、無音域を生成するためのシステム及び方法(全般的に「システム」と言う)に関する。
アクティブノイズキャンセレーションシステムは全般的に、規定された無音域において、少なくともある周波数範囲に対して音圧レベルを下げる。車両においては、アクティブノイズキャンセレーションシステムのラウドスピーカー及びエラーマイクロフォンが車両内の規定された位置に配置される。したがって、ラウドスピーカー及びマイクロフォンの位置に対して固定されたＡＮＣ（アクティブノイズキャンセレーション)位置に、無音域が生成される。通常、ユーザの各耳に対して１つの別個の無音域が生成される。ユーザの耳がそれぞれ、無音域の１つの中にあると、ユーザはシステムの動作が良好であると感じる。しかし、ユーザが自分の頭部を動かして自分の耳がその後に無音域の外に出てしまうと、ユーザが受けるノイズキャンセル経験はそれほど良好ではなくなる。さらに、無音域は通常、ユーザがまっすぐ前方を見たときに標準的なユーザの耳が無音域内にくるような位置に配置される。しかし、ユーザが「規準を外れた」生体構造を有していると、それほど良好な結果は得られない場合がある。なぜならば、ユーザの耳が、優先的位置を取ったとしても、無音域内には完全にこない場合があるからである。
聴取位置において無音域を生成するためのシステムであって、聴取位置に隣接する第１の位置に配置され、音響信号に対応する音を発するように構成された第１のラウドスピーカーと、第１の位置に配置された第１のエラーマイクロフォンであって、聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえるように構成され、対応する第１のマイクロフォン信号を生成するように構成された第１のエラーマイクロフォンと、聴取位置に隣接する第２の位置に配置され、音響信号に対応する音を発するように構成された第２のラウドスピーカーと、第２の位置に配置された第２のエラーマイクロフォンであって、聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえるように構成され、対応する第２のマイクロフォン信号を生成するように構成された第２のエラーマイクロフォンと、聴取位置に隣接する第３の位置に配置された第３のマイクロフォンであって、聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえるように構成され、対応する第３のマイクロフォン信号を生成するように構成された第３のマイクロフォンと、ＡＮＣコントローラであって、第３のマイクロフォンと第１及び第２のマイクロフォンの少なくとも一方とからマイクロフォン信号を受け取るように構成され、第３のマイクロフォン信号と第１及び第２のマイクロフォン信号の一方とに基づいて、ラウドスピーカーのうちの少なくとも１つにラウドスピーカー入力信号を送るように構成されたＡＮＣコントローラと、を含むシステム。第３の位置と第１の位置との間の距離は、第３の位置と第２の位置との間の距離に等しく、第１、第２、及び第３のマイクロフォンが二等辺三角形の角を形成する。
聴取位置において無音域を生成するための方法であって、聴取位置に隣接する第１の位置に配置された第１のラウドスピーカーを用いて、音響信号に対応する音を発することと、第１の位置に配置された第１のエラーマイクロフォンを用いて、聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえ、対応する第１のマイクロフォン信号を生成することと、聴取位置に隣接する第２の位置に配置された第２のラウドスピーカーを用いて、音響信号に対応する音を発することと、第２の位置に配置された第２のエラーマイク
ロフォンを用いて、聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえ、対応する第２のマイクロフォン信号を生成することと、聴取位置に隣接する第３の位置に配置された第３のエラーマイクロフォンを用いて、聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえ、対応する第３のマイクロフォン信号を生成することと、第３のマイクロフォン信号と第１及び第２のマイクロフォン信号の一方とに基づいて、ラウドスピーカーのうちの少なくとも１つにラウドスピーカー入力信号を送ることと、を含む方法。第３の位置と第１の位置との間の距離は、第３の位置と第２の位置との間の距離に等しく、マイクロフォンが二等辺三角形の角を形成する方法。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
聴取位置において無音域を生成するためのシステムであって、
前記聴取位置に隣接する第１の位置に配置され、音響信号に対応する音を発するように構成された第１のラウドスピーカーと、
前記第１の位置に配置された第１のエラーマイクロフォンであって、前記聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえるように構成され、対応する第１のマイクロフォン信号を生成するように構成された、前記第１のエラーマイクロフォンと、
前記聴取位置に隣接する第２の位置に配置され、音響信号に対応する音を発するように構成された第２のラウドスピーカーと、
前記第２の位置に配置された第２のエラーマイクロフォンであって、前記聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえるように構成され、対応する第２のマイクロフォン信号を生成するように構成された、前記第２のエラーマイクロフォンと、
前記聴取位置に隣接する第３の位置に配置された第３のマイクロフォンであって、前記聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえるように構成され、対応する第３のマイクロフォン信号を生成するように構成された前記第３のマイクロフォンと、
ＡＮＣコントローラであって、前記第３のマイクロフォンと前記第１及び第２のマイクロフォンの少なくとも一方とから前記マイクロフォン信号を受け取るように構成され、前記第３のマイクロフォン信号と前記第１及び前記第２のマイクロフォン信号の一方とに基づいて、前記ラウドスピーカーのうちの少なくとも１つにラウドスピーカー入力信号を送るように構成された、前記ＡＮＣコントローラと、
を含み、
前記第３の位置と前記第１の位置との間の距離は、前記第３の位置と前記第２の位置との間の距離に等しく、前記第１、第２、及び第３のマイクロフォンが二等辺三角形の角を形成する、前記システム。
（項目２）
前記第１のマイクロフォンと前記第１のラウドスピーカーとは車両のヘッドレスト内に配置され、
前記第２のマイクロフォンと前記第２のラウドスピーカーとは、前記ヘッドレスト内に、前記第１のマイクロフォンと前記第１のラウドスピーカーとから離れて配置されている、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記第３のマイクロフォンは、前記第１の位置に対して、第１の水平方向、前記第１の水平方向に垂直な第２の水平方向、及び前記第１及び前記第２の水平方向に垂直な垂直方向にずれて配置され、
前記第３のマイクロフォンは、前記第２の位置に対して、前記第１の水平方向、前記第２の水平方向、及び前記垂直方向にずれて配置される、項目１または２に記載のシステム。
（項目４）
前記ＡＮＣコントローラは、前記第１及び第２のラウドスピーカーに結合された第１の適応フィルタを含む、項目１～３のいずれかに記載のシステム。
（項目５）
前記ＡＮＣコントローラはさらに、前記第１、第２、及び第３のマイクロフォン信号に基づいて前記第１の適応フィルタのフィルタ伝達関数を決定するフィルタ係数の組を計算するための第１のＬＭＳ適応ユニットを含む、項目４に記載のシステム。
（項目６）
前記第１の適応フィルタの下流に配置された二次経路であって、二次経路伝達関数を有する、前記二次経路をさらに含み、
前記フィルタ係数は、前記二次経路における信号歪みを表す前記二次経路伝達関数の推定を用いてフィルタリングされた参照信号に基づいて更新される、項目５に記載のシステム。
（項目７）
前記ＡＮＣコントローラはさらに、少なくとも１つの第３のラウドスピーカーと、前記少なくとも１つの第３のラウドスピーカーに結合された第２の適応フィルタと、前記第１、第２、及び第３のマイクロフォン信号に基づいて前記第２の適応フィルタのフィルタ伝達関数を決定する第２のフィルタ係数の組を計算するための第２のＬＭＳ適応ユニットとを含む、項目４～６のいずれかに記載のシステム。
（項目８）
前記第２の適応フィルタの下流に配置された第２の二次経路であって、第２の二次経路伝達関数を有する、前記第２の二次経路をさらに含み、
前記第２のフィルタ係数は、前記第２の二次経路における信号歪みを表す前記第２の二次経路伝達関数の推定を用いてフィルタリングされた参照信号に基づいて更新される、項目７に記載のシステム。
（項目９）
聴取位置において無音域を生成するための方法であって、
前記聴取位置に隣接する第１の位置に配置された第１のラウドスピーカーを用いて、音響信号に対応する音を発することと、
前記第１の位置に配置された第１のエラーマイクロフォンを用いて、前記聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえ、対応する第１のマイクロフォン信号を生成することと、
前記聴取位置に隣接する第２の位置に配置された第２のラウドスピーカーを用いて、前記音響信号に対応する音を発することと、
前記第２の位置に配置された第２のエラーマイクロフォンを用いて、前記聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえ、対応する第２のマイクロフォン信号を生成することと、
前記聴取位置に隣接する第３の位置に配置された第３のエラーマイクロフォンを用いて、前記聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえ、対応する第３のマイクロフォン信号を生成することと、
前記第３のマイクロフォン信号と前記第１及び前記第２のマイクロフォン信号の一方とに基づいて、前記ラウドスピーカーのうちの少なくとも１つにラウドスピーカー入力信号を送ることと、
を含み、
前記第３の位置と前記第１の位置との間の距離は、前記第３の位置と前記第２の位置との間の距離に等しく、前記マイクロフォンが二等辺三角形の角を形成する、前記方法。
（項目１０）
第１の適応フィルタによって、前記第１の適応フィルタの下流に配置された二次経路における信号歪みを表す二次経路伝達関数の推定を用いて参照信号をフィルタリングすることをさらに含む、項目９に記載の方法。
（項目１１）
前記第１、第２、及び第３のマイクロフォン信号に基づいて前記第１の適応フィルタのフィルタ伝達関数を決定するフィルタ係数の組を計算することをさらに含む、項目１０に記載の方法。
（項目１２）
第２の適応フィルタによって、前記第２の適応フィルタの下流に配置された二次経路における信号歪みを表す二次経路伝達関数の推定を用いて前記参照信号をフィルタリングすることをさらに含む、項目９～１１のいずれかに記載の方法。
（項目１３）
前記第１、第２、及び第３のマイクロフォン信号に基づいて前記第２の適応フィルタのフィルタ伝達関数を決定するフィルタ係数の組を計算することをさらに含む、項目１２に記載の方法。
以下の詳細な説明及び添付図を検討すれば、他のシステム、方法、特徴、及び利点が当業者には明らかであるかまたは明らかになる。このようなさらなるシステム、方法、特徴及び利点はすべて、この説明の中に、また本発明の範囲内に含まれ、以下の請求項によって保護されることが意図されている。
本開示は、添付図面の非限定的な実施形態の以下の説明を読むことによって、より良好に理解され得る。添付図面では同様の要素は同様の参照番号によって参照する。
全般的なフィードフォワード型アクティブノイズリダクションシステムのブロック図である。 ヘッドレスト配置の概略図であり、マイクロフォンがヘッドレストの前面に組み込まれて、ユーザの頭部がヘッドレストの前方の優先的位置にある図である。 ユーザの頭部が優先的位置からずれている場合の図２のヘッドレスト配置を例示する図である。 図２及び図３に示すヘッドレスト配置の場合に種々の周波数に対して結果として得られる音圧レベルを、略図で例示する図である。 図２及び図３のヘッドレスト配置及び結果として得られる無音域形状を正面図で例示する図である。 ヘッドレスト配置の概略図であり、マイクロフォンがヘッドレストの前方でユーザの頭部の上に配置されている図である。 図６に示すヘッドレスト配置の場合に種々の周波数に対して結果として得られる音圧レベルを、略図で例示する図である。 図６のヘッドレスト配置及び結果として得られる無音域形状を正面図で例示する図である。 ヘッドレスト配置の概略図であり、マイクロフォン及びラウドスピーカーがヘッドレストの前面に配置されている図である。 図９に示すヘッドレスト配置の場合に種々の周波数に対して結果として得られる音圧レベルを、略図で例示する図である。 図９のヘッドレスト配置及び結果として得られる無音域形状を正面図で例示する図である。 典型的なヘッドレスト配置の概略図であり、マイクロフォン及びラウドスピーカーがヘッドレストの前面に配置され、さらなるマイクロフォンがヘッドレストの前方でユーザの頭部の上に配置されている図である。 図１２に示すヘッドレスト配置の場合に種々の周波数に対して結果として得られる音圧レベルを略図で例示する図である。 図１２のヘッドレスト配置及び結果として得られる無音域形状を正面図で例示する図である。 図１２のヘッドレスト配置のラウドスピーカー及びマイクロフォンの配置をより詳細に例示する図である。 典型的なフィードフォワード型アクティブノイズリダクションシステムのブロック図である。
図１に、ノイズリダクションシステム、すなわちフィードフォワードアクティブノイズ制御(ＡＮＣ)システムを概略的に例示する。ＡＮＣシステムは通常、妨害信号(たとえば、ノイズ)の低減またはキャンセルさえも、理想的にはノイズ信号と比べてある時間に渡って振幅は同じだが位相は逆であるノイズ低減信号を、聴取場所に送ることによって行うことを意図している。ノイズ信号とノイズ低減信号とを重ね合わせることによって、結果として得られる信号(誤差信号としても知られている)は理想的にはゼロに向かう。
簡単にするために、本明細書では電気信号と音響信号の区別をつけない。しかし、ラウドスピーカーから出るかまたはマイクロフォンが受け取る信号はすべて、実際には音響的特性である。他の信号はすべて電気的特性である。ラウドスピーカー及びマイクロフォンは、ラウドスピーカーによって形成される入力段とマイクロフォンによって形成される出力段とを有する音響サブシステム(たとえば、ラウドスピーカールームマイクロフォンシステム)の一部であってもよい。サブシステムは電気入力信号が供給されて電気出力信号を出す。この文脈において「経路」の意味は、さらなる要素(たとえば、信号伝導手段、増幅器、フィルタなど)を含み得る電気的接続または音響接続である。スペクトル成形フィルタとは、周波数に対して入力及び出力信号のスペクトルが異なるフィルタである。たとえば、増幅器、アナログデジタル変換器、及びデジタルアナログ変換器などのコンポーネント(ＡＮＣシステムを実際に実現する際に含まれ得る)は、以下の説明をさらに単純にするために本明細書では例示しない。すべての信号は、時間インデックスｎが角カッコに入っているデジタル信号として示している。
図１のＡＮＣシステムは、最小２乗平均(ＬＭＳ)アルゴリズムを用いており、（離散時間）伝達関数Ｐ（ｚ）を有する一次経路１２１を含んでいる。伝達関数Ｐ（ｚ）は、ノイズ源(たとえば、車両のエンジンであり、ノイズを制御すべきもの)と聴取位置(たとえば、ノイズを抑制すべき車両の内部における位置)との間の信号経路の伝達特性を表す。またＡＮＣシステムは、フィルタ伝達関数Ｗ（ｚ）を伴う適応フィルタ１２５と、適応フィルタ１２５のフィルタ伝達関数Ｗ（ｚ）を決定するフィルタ係数ｗ［ｎ］の組を計算するためのＬＭＳ適応ユニット１２７とを含んでいる。適応フィルタ１２５の下流には、伝達関数Ｓ（ｚ）を有する二次経路１２２が配置されている。二次経路１２２は、ラウドスピーカー１２３と、これが補償信号ｙ［ｎ］を送信する先の聴取位置との間の信号経路を表している。簡単にするために、二次経路１２２には、適応フィルタ１２５の下流のすべてのコンポーネント(たとえば、増幅器、アナログデジタル変換器、ラウドスピーカー、音響伝達経路、マイクロフォン、及びアナログデジタル変換器)の伝達特性が含まれていてもよい。二次経路推定フィルタ１２６は、二次経路伝達関数Ｓ（ｚ）の推定Ｓ(ｚ)である伝達関数を有している。一次経路１２１及び二次経路１２２は、本質的に聴取室(たとえば、車両キャビン)の物理特性を表す「実際の」システムである。他の伝達関数はデジタルシグナルプロセッサ内で実施してもよい。
ノイズ源によって生成されたノイズｎ［ｎ］(音波、加速度、力、振動、ハーネスなどを含む)は、一次経路１２１を介して聴取位置に伝達される。そこでは、伝達関数Ｐ（ｚ）を用いてフィルタリングされた後に、聴取位置(たとえば、車両キャビン内)で可聴であるノイズを表す妨害ノイズ信号ｄ［ｎ］として現れる。ノイズｎ［ｎ］は、力変換器センサまたは加速度センサなどのノイズ及び振動センサ(例示せず)によって捕らえられた後に、参照信号ｘ［ｎ］として機能する。加速度センサとしては、加速度計、力ゲージ、ロードセル、などを挙げてもよい。たとえば加速度計は、固有加速度を測定するデバイスである。固有加速度は座標加速度(速度の変化率である)と同じではない。単軸及び多軸モデルの加速度計が、固有加速度の大きさ及び方向を検出するために利用でき、方位、座標加速度、移動、振動、及び衝撃を検知するために用いることができる。このような加速度センサによって得られた参照信号ｘ［ｎ］は適応フィルタ１２５内に入力される。適応フィルタ１２５は、伝達関数Ｗ（ｚ）を用いて参照信号ｘ［ｎ］をフィルタリングして、補償信号ｙ「ｎ」を出力する。補償信号ｙ「ｎ」は二次経路１２２を介して聴取位置に伝達される。そこでは、伝達関数Ｓ（ｚ）を用いてフィルタリングされた後に、耐ノイズｙ’「ｎ」として現れる。耐ノイズｙ’「ｎ」及び妨害ノイズｄ［ｎ］は、聴取位置において破壊的に重ねられる。マイクロフォンから測定可能な残留信号(すなわち、ＬＭＳ適応ユニット１２７において適応させるために用いられる誤差信号ｅ［ｎ］)が出力される。誤差信号ｅ［ｎ］は、聴取位置(たとえば、車両のキャビン内)に存在する(残留)ノイズを含む音を表す。
フィルタ係数ｗ［ｎ］は、二次経路１２２における信号歪みを表す二次経路伝達関数Ｓ（ｚ）の推定Ｓ（ｚ）を用いてフィルタリングされた参照信号ｘ［ｎ］に基づいて更新される。二次経路推定フィルタ１２６は、参照信号ｘ［ｎ］が供給されて、フィルタリング済み参照信号ｘ’［ｎ］をＬＭＳ適応ユニット１２７へ送る。適応フィルタ１２５及び二次経路１２２の直列接続によって得られる全体的な伝達関数Ｗ（ｚ）*Ｓ（ｚ）によって、参照信号ｘ［ｎ］の位相が１８０度シフトされる結果、妨害ノイズｄ［ｎ］及び耐ノイズｙ’［ｎ］が破壊的に重ねられ、その結果、聴取位置における妨害ノイズｄ［ｎ］が抑制される。
マイクロフォン１２４によって測定された誤差信号ｅ［ｎ］と、二次経路推定フィルタ１２６によって得られたフィルタリング済み参照信号ｘ’［ｎ］とが、ＬＭＳ適応ユニット１２７に供給される。ＬＭＳ適応ユニット１２７は、フィルタリング済み参照信号ｘ’［ｎ］（「フィルタリング済みｘ」）及び誤差信号ｅ［ｎ］から、誤差信号ｅ［ｎ］のノルム（すなわち、パワーまたはＬ２ノルム）］が小さくなるように、適応フィルタ１２５に対するフィルタ係数ｗ［ｎ］を計算する。フィルタ係数ｗ［ｎ］の計算は、たとえば、ＬＭＳアルゴリズムを用いて行う。適応フィルタ１２５、ＬＭＳ適応ユニット１２７、及び二次経路推定フィルタ１２６は、デジタルシグナルプロセッサにおいて実施してもよい。当然のことながら、「フィルタリング済みｘ」ＬＭＳアルゴリズムの代替物または変更（たとえば、「フィルタリング済みｅ」ＬＭＳアルゴリズムなど）も適用できる。
加速度センサは可聴スペクトルの広周波数帯域においてノイズｎ[ｎ]を直接捕らえることができ得る。したがって、図１のシステムを広帯域フィルタと共に用いてもよい。伝達関数Ｗ（ｚ）を与える広帯域フィルタは代替的に、場合に応じて、適応的伝達関数の代わりに固定伝達関数を有していてもよい。直接捕らえることには本質的に、他の信号による著しい影響を伴うことなく当該の信号を捕らえることが含まれる。図１に示す典型的なシステムでは、簡単な単一チャネルフィードフォワードフィルタリング済みｘＬＭＳ制御構造を用いているが、他の制御構造(たとえば、多くのさらなるチャネル、多くのさらなるマイクロフォン、及び多くのさらなるラウドスピーカーを伴う多チャネル構造)を適用してもよい。多チャネル構造については図１６に関して以下でさらに説明する。
ユーザ関連の用途で用いるとき、優れた音響特性が得られるように、ＡＮＣシステムのマイクロフォンはユーザの頭部のできるだけ近くに位置させなければならない。しかし、たとえば車内などの多くの環境では、マイクロフォンを頭部の近くに位置させることはほとんどできないかまたは全くできない。したがって、用途によっては、マイクロフォンを柔軟なアーム、ヒンジ留めされたホルダ、硬いブーム、旋回可能または伸縮可能なウィングなどに取り付けて、ユーザの方向に延ばすが、このような配置は不都合であり、(特に車両衝突の場合に)ユーザの傷害が生じる著しいリスクを負う場合がある。
図２は車両ＡＮＣシステム２００の平面図である。ヘッドレスト２０２(たとえば、車内に配置されたシートのヘッドレスト)を断面図で例示している。ヘッドレスト２０２は、カバーと、ヘッドレスト本体を形成する１つ以上の構造要素とを有していてもよい。またヘッドレスト２０２は、シート(図示せず)の頂部と嵌合する一対の支柱(図示せず)を含んでいてもよく、シートに組み込まれたメカニズムによって上下に移動可能であってもよい。ヘッドレスト２０２の前面２０３は、聴取者の頭部３００をサポートすることができ、その結果、聴取者の耳３１０の優先的位置が規定される。聴取者の耳３１０の優先的位置(聴取位置とも言われる)は、意図する使用の間、対応する耳３１０がほとんどの場合に(>５０％)存在する領域である。通常、自分の耳３１０が優先的位置にあるとき、聴取者３００はまっすぐ前方を見る(ヘッドレスト２０２の前面２０３に本質的に垂直な軸に対して頭部位置０°)。
ヘッドレスト２０２にマイクロフォン２１０が組み込まれており、その感度が最大になる方向は、聴取者の耳３１０の優先的位置と交差し得る。聴取者の耳３１０それぞれの優先的位置の周りに、無音域４００(ノイズが小さいか無い領域)を設けなければならない。システムにはさらに、聴取者３００の前方(たとえば、車両のダッシュボードの中)に配置されたラウドスピーカー２１４が含まれている。ラウドスピーカー２１４にはそれぞれ、それが最大音圧を発する主伝達方向が(たとえば、聴取者の頭部３００の方向に)ある。
システム２００にはさらに、フィードフォワードもしくはフィードバック(図１を参照)またはそれらの組み合わせであり得るノイズ制御構造を有するＡＮＣコントローラ２１２が含まれている。ＡＮＣコントローラ２１２は、ヘッドレスト２０２内のマイクロフォン２１０のうちの少なくとも１つからマイクロフォン出力信号ｙ（ｎ）を受け取る。ＡＮＣコントローラ２１２は、マイクロフォン出力信号ｙ（ｎ）のうちの少なくとも１つに基づいて、ラウドスピーカー２１４のうちの少なくとも１つにラウドスピーカー入力信号ｖ（ｎ）を送るように構成されている。
図２のシステム２００によって生成される無音域４００は全般的にやや小さい。優先的位置にある間、聴取者の耳３１０は通常、無音域４００内に少なくとも部分的に配置される。しかし、図３に例示するように、たとえば、聴取者３００が自分の頭部を一方の側に動かすと、耳３１０は無音域４００から外に動く。なぜならば、無音域４００は、聴取者の頭部３００の動きの影響を受けないままだからである。図３に例示した例では、ユーザ３００は自分の頭部を、ヘッドレスト２０２の前面２０３に本質的に垂直な軸に対して約４５°回転させている。聴取者３００が自分の耳３１０を無音域４００の外に動かした場合、ノイズキャンセレーション経験はそれほど良好ではなくなる。
図４に、図２及び図３のシステムの無音域４００における音圧レベルを典型的に例示する。実線は、アクティブノイズキャンセレーションがアクティブでない場合の音圧レベルを例示し、一方で破線は、アクティブノイズキャンセレーションがアクティブな場合の音圧レベルを例示する。図から分かるように、音圧レベルを非常に大きな周波数範囲に対して良好な量だけ小さくすることができる。非常に低周波ならびに高周波の場合にのみ、結果は不十分である。しかし、図２及び図３のシステムによって生成される無音域４００は同程度に小さい。すなわち、聴取者の頭部に小さい動きがあるとすでに耳３１０が無音域４００の外に出てしまう。図５に、図２及び図３のシステムの正面図を典型的に例示する。破線は無音域４００を概略的に例示する働きをしている。図から分かるように、無音域は第１の水平方向ｘに同程度に狭い。
図６に別のシステムを概略的に例示する。図６のシステムでは、ヘッドレスト２０２の前方の聴取者の頭部３００の上に１つのマイクロフォン２１０が配置されている。たとえば、マイクロフォン２１０をユーザの頭部３００の上の車両のルーフライナ内に配置してもよい。図２及び図３のシステムの場合と同様に、ラウドスピーカー２１４が聴取者３００の前方に配置されている。図６に示したように、また図８のシステムの正面図から分かるように、無音域４００の方が図２及び図３のシステムの無音域４００と比べて大きい。しかし、図７に例示した略図から分かるように、ノイズキャンセレーションの結果は約２００Ｈｚから上の周波数に対してやや不十分である。すなわち、たとえ無音域４００の方が大きくても、ノイズキャンセレーションによって良好な結果が得られるのは、約２０～２００Ｈｚの限定された周波数範囲のみである。実線はこの場合も、アクティブノイズキャンセレーションがアクティブでない場合の音圧レベルを例示し、一方で破線は、アクティブノイズキャンセレーションがアクティブな場合の音圧レベルを例示する。
図９に別のシステムを概略的に例示する。図９のシステムでは、ヘッドレスト２０２内にマイクロフォン２１０及びラウドスピーカー２１４が配置されている。図９に示したように、また図１１のシステムの正面図から分かるように、図２及び図３のシステムと同様に無音域４００はやや狭い。図１０の略図から分かるように、ノイズキャンセレーションの結果は、同程度に広い周波数範囲に対して許容できるものである。実線はこの場合も、アクティブノイズキャンセレーションがアクティブでない場合の音圧レベルを例示し、一方で破線は、アクティブノイズキャンセレーションがアクティブな場合の音圧レベルを例示する。
図２、図６、及び図９のシステムでは、マイクロフォン２１０の位置において最大のノイズキャンセレーションが実現される。聴取者３００の耳３１０はマイクロフォン２１０から特定の距離に配置されているため、耳におけるノイズキャンセレーションは全般的にそれほど良好ではない。しかし、これは、通常、すでに上記で概略したようにマイクロフォンが耳３１０の直近に配置されることがないことを優先して許容される。
図１２に典型的な実施形態を概略的に例示する。ヘッドレスト２０２内の第１の位置に第１のマイクロフォン２１０ａが配置されている。ヘッドレスト２０２内の第１の位置には第１のラウドスピーカー２１４ａも配置されている。図１２では、第１のマイクロフォン２１０ａと第１のラウドスピーカー２１４ａとは、両者の間に短い距離を開けて例示されている。しかし、マイクロフォン２１０ａは通常、ラウドスピーカー２１４ａと比べて小さいため、たとえば、マイクロフォン２１０ａをラウドスピーカー２１４ａの前方に配置して、第１のマイクロフォン２１０ａと第１のラウドスピーカー２１４ａとが同じ位置に配置されていると効果的に分かるようにしてもよい。第１のマイクロフォン２１０ａと第１のラウドスピーカー２１４ａとを、両者の間に単に短い距離を開けてまたは全く距離を開けずに(たとえば、距離<１ｃｍ)互いに隣接して配置して、やはり同じ位置であると効果的に分かるようにすることもできる。
第２のマイクロフォン２１０ｂと第２のラウドスピーカー２１４ｂとがヘッドレスト２０２内の第２の位置に配置されている場合にも、同じことが当てはまる。しかし、第２の位置は第１の位置から離れている。たとえば、第１の位置と第２の位置との間の第１の水平方向ｘの距離ｄ３は１０ｃｍ以上であってもよい。ヘッドレスト２０２の前方の聴取者の頭部３００の上(たとえば、車内のルーフライナの中)に第３のエラーマイクロフォン２１０ｃが配置されている。この文脈においてヘッドレスト２０２の前方の意味は、第３のマイクロフォン２１０ｃがヘッドレスト２０２の上に直接配置されずに、第２の水平方向ｚの第１及び第２の位置にずれて配置されているということである(第２の水平方向ｚは第１の水平方向ｘに垂直である)。
第３のエラーマイクロフォン２１０ｃは、ヘッドレスト２０２の周りで生じるバックグラウンドノイズを測定してフィードバックする。第３のフィードバックマイクロフォン２１０ｃから出力される信号(本明細書では、第３の誤差信号ｙ３(ｎ)と言う)を、第１のラウドスピーカー２１４ａに供給される１つ以上の音響信号と、ヘッドレスト２０２に埋め込まれた第１のエラーマイクロフォン２１０ａからの１つ以上の第１の誤差信号ｙ１（ｎ）とに結合して、聴取者３００の第１の耳３１０(たとえば、右耳)の周りに第１の無音域４００を形成する。第３の誤差信号ｙ３(ｎ)をさらに、第２のラウドスピーカー２１４ｂに供給される１つ以上の音響信号と、ヘッドレスト２０２に埋め込まれた第２のエラーマイクロフォン２１０ｂからの１つ以上の第２の誤差信号ｙ２(ｚ)とに結合して、聴取者３００の第２の耳３１０(たとえば、左耳)の周りに第２の無音域４００を形成する。第１のラウドスピーカー２１４ａから出力されるべき第１のラウドスピーカー入力信号ｖ(ｎ)を生成するＡＮＣコントローラ２１２を典型的に例示する。ＡＮＣコントローラ２１２は、例示していないが、第２のラウドスピーカー２１４ｂに出力されるべき第２のラウドスピーカー入力信号を生成してもよい。しかし、第２のラウドスピーカー２１４ｂに対する第２のラウドスピーカー入力信号を、別個の第２のＡＮＣコントローラ(例示せず)が生成してもよい。
図１４に例示したシステムの正面図から分かるように、第３のエラーマイクロフォン２１０ｃはさらに、第１及び第２の水平方向ｘ、ｚに垂直な垂直方向ｙの第１及び第２の位置にずれて配置されている。第１、第２、及び第３のマイクロフォン２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは二等辺三角形の角を形成している。これを図１５に概略的に例示する。図１５では、図１４の正面図の一部がより詳細に例示されている。詳細には、図１５では、車両の乗客の１人（たとえば、運転手）に対するマイクロフォン配置を例示している。第１及び第２の位置の間の距離ｄ３は三角形の底辺を形成している。第３のマイクロフォン２１０ｃと第１の位置との間、及び第３のマイクロフォンと第２の位置との間の距離ｄ１、ｄ２は、三角形の脚を形成している。脚の長さは等しく、すなわちｄ１＝ｄ２である。第１の水平方向ｘにおいて、第３のマイクロフォン２１０ｃは第１の位置と第２の位置との間の中間に配置されている。すなわち、ｘ１=ｘ２であり、ｘ１+ｘ２=ｄ３である(図１５を参照)。
次に図１６を参照して、典型的な多チャネルフィードフォワード型アクティブノイズリダクションシステムのブロック図を例示する。図１６のノイズリダクションシステムは全般的に、前出の図１に対して説明した単一チャネルノイズリダクションシステムに対応している。図１６では一次経路については具体的には例示していない。図１６のＡＮＣシステムには、第１及び第２のラウドスピーカー１２３ａ、１２３ｂが含まれている。第１及び第２のラウドスピーカー１２３ａ、１２３ｂは、ヘッドレスト内に配置されたラウドスピーカー２１４(前出の図１２～図１５に対して説明した)に対応している。図１６のＡＮＣシステムにはさらに、少なくとも１つの第３のラウドスピーカー１２３ｓが含まれている。これは、たとえば、聴取者の前方(たとえば、車両のダッシュボード内)に配置された音響システムのラウドスピーカーに対応する。図１６では、１つの第３のラウドスピーカー１２３ｓのみを概略的に例示している。しかし、一例によれば、システムには、複数(たとえば５つ)の第３のラウドスピーカー１２３ｓが含まれていてもよい。アクティブノイズリダクションシステムにはさらに、３つのフィードバックマイクロフォン１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃが含まれている。フィードバックマイクロフォン１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃは、たとえば、ユーザ３００の耳３１０に対する無音域４００を生成するために、図１２～図１５の第１のマイクロフォン２１０ａ、第２のマイクロフォン２１０ｂ、及び第３のマイクロフォン２１０ｃに対応する。すなわち、マイクロフォン１２４ａ、１２４ｂを車両のヘッドレスト内に配置してもよく、マイクロフォン１２４ｃをヘッドレスト２０２の前方の聴取者の頭部３００の上(たとえば、車内のルーフライナ内)に配置してもよい。
第１の適応フィルタ１２５ｈの下流に、第１の伝達関数Ｓｈ(ｚ)を有する第１の二次経路行列が配置されている。第１の二次経路行列は、ヘッドレストラウドスピーカー１２３ａ、１２３ｂと、これらが第１の補償信号ｙｈ[ｎ]を送信する先のヘッドレストラウドスピーカー１２３ａ、１２３ｂのそれぞれとの間の信号経路を表している。この文脈において二次経路行列は、複数の各ヘッドレストラウドスピーカー１２３ａ、１２３ｂから複数の各マイクロフォン１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃへのすべての可能な組み合わせを指す。図１６の例では、第１の二次経路行列は２ｘ２行列(２つのラウドスピーカー、２つのマイクロフォン)であってもよい。第２の適応フィルタ１２５ｓの下流に第２の伝達関数Ｓｓ(ｚ)を有する第２の二次経路行列が配置されている。第２の二次経路行列は、聴取者の前方に配置された音響システムの１つ以上のラウドスピーカー１２３ｓと、ラウドスピーカー１２３ｓが第２の補償信号ｙｓ[ｎ]を送信する先のマイクロフォン１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃのそれぞれとの間の信号経路を表している。この文脈において二次経路行列は、ラウドスピーカー１２３ｓから複数の各マイクロフォン１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃへのすべての可能な組み合わせを指す。図１６の例では、第２の二次経路行列はＫｘ５行列（Ｋ個のマイクロフォン、５つの音響システムラウドスピーカー)であってもよい。二次経路推定フィルタ１２６ｈ、１２６ｓは、図１に対して説明した二次経路推定フィルタ１２６と同様である。マイクロフォン１２４はそれぞれ、誤差信号ｅ１[ｎ]、ｅ２[ｎ]、ｅ３[ｎ]を送出する。誤差信号ｅ１[ｎ]、ｅ２[ｎ]、ｅ３[ｎ]を２つのＬＭＳ適応ユニット１２７h、１２７ｓが受け取る。ＬＭＳ適応ユニット１２７ｈ、１２７ｓの関数は、前出の図１に対して説明したＬＭＳ適応ユニット１２７の関数と同様である。各ＬＭＳ適応ユニット１２７ｈ、１２７ｓは、適応させるためにすべての３つの誤差信号ｅ１[ｎ]、ｅ２[ｎ]、ｅ３[ｎ]を用いてもよい。
図１６に示すシステムの最小２乗平均(ＬＭＳ)アルゴリズムを２つの適応性のある方程式に分割する。１つは、ヘッドレストラウドスピーカー１２３ａ、１２３ｂ（Ｍｈ：ヘッドレストスピーカの数）に対するものであり、１つは、カーオーディオシステムスピーカ（Ｍｓ：音響システムスピーカの数)に対するものである。
ヘッドレストプロセシングに対する方程式を以下のように説明することができる。
Figure 0007260630000001
 ここで、Ｌはヘッドレストマイクロフォンの数であり、Ｋは参照信号ｘ［ｎ］の数であり、μＭｈＬはヘッドレストスピーカに対するステップサイズであり、ＲＬＭｈＫはフィルタリングされた参照信号のクロススペクトル行列であり、ＥＬｈは各シートに対するヘッドレストマイクロフォンに、ヘッドレストマイクロフォンが三角形を形成する最も近いヘッドライナマイクロフォンを足したものである。方程式では、ｉｆｆｔは逆高速フーリエ変換を指す。したがって、この方程式は車両環境内に個々の無音域を形成することに適用される。
システムラウドスピーカープロセシングＥＬｓに対する方程式は以下のように記述することができる。
Figure 0007260630000002
 ここで、Ｌはマイクロフォンの数であり、Ｋは参照信号ｘ［ｎ］の数であり、μＭｓＬはヘッドライナスピーカに対するステップサイズであり、ＲＬＭｓＬはフィルタリングされた参照信号のクロススペクトル行列であり、ＥＬはすべてのマイクロフォン(ヘッドライナ及びヘッドレストに取り付けたマイクロフォン)の誤差信号である。
適応フィルタ１２５ｈ、１２５ｓ、ＬＭＳ適応ユニット１２７ｈ、１２７ｓ、及び二次経路推定フィルタ１２６ｈ、１２６ｓを、たとえば、図１２のＡＮＣコントローラ
１２内に含めてもよい。
本明細書で説明したシステム及び方法を多くの応用例及び環境(たとえば、生活領域及び車内など)で用いて、専用の無音または音域を生成してもよい。全般的なノイズ制御に加えて、本明細書で説明したシステム及び方法は、陸上車両での道路ノイズ制御または燃焼エンジン駆動車両でのエンジンオーダーキャンセレーションなどの特定の制御状況において適用可能である。
例示及び説明を目的として実施形態の説明を示してきた。実施形態に対する好適な変更及び変化を、前述の説明を考慮して行ってもよいし、または本方法を実施することによって得てもよい。たとえば、特に断らない限り、説明した方法のうちの１つ以上を好適なデバイス及び／またはデバイスの組み合わせによって行ってもよい。また説明した関連する動作を、本出願で説明した順番以外の種々の順番で、並列に、及び／または同時に行ってもよい。説明したシステムは性質上典型的であり、さらなる要素を含んでいてもよいし及び／または要素を省略してもよい。
本出願で用いる場合、単数形で説明されて用語「a」または「an」が前に付く要素またはステップは、前記要素またはステップの複数形は除外していないと理解するべきである。ただし、このような排除について記載がある場合は別である。さらに、本開示の「一実施形態」または「一例」に言及した場合、説明した特徴がやはり組み込まれているさらなる実施形態の存在を除外していると解釈することは意図していない。用語「第１」「第２」及び「第３」などは単に標識として用いており、それらの目的語に対して数値要求または特定の位置秩序を課すことは意図していない。
本開示の実施形態によって全般的に、複数の回路、電気デバイス、及び／または少なくとも１つのコントローラが提供される。回路、少なくとも１つのコントローラ、及び他の電気デバイス、ならびにそれぞれがもたらす機能への言及はすべて、本明細書で例示及び説明したもののみを包含することに限定されることは意図していない。開示した種々の回路(複数可)、コントローラ(複数可)、及び他の電気デバイスに特定の標識が割り当てられ得るが、このような標識が種々の回路(複数可)、コントローラ(複数可)、及び他の電気デバイスに対する動作範囲を限定することは意図していない。このような回路(複数可)、コントローラ(複数可)、及び他の電気デバイスは、望ましい特定の種類の電気的な実施態様に基づく何らかの方法によって、互いに結合してもよく、及び／または分離してもよい。
本明細書で開示した任意のシステムには、任意の数のマイクロプロセッサ、集積回路、メモリ装置(たとえば、ＦＬＡＳＨ（登録商標）、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、電気的にプログラム可能な読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ)、電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ(ＥＥＰＲＯＭ)、またはそれらの他の好適な変形)、及び本明細書で開示した動作(複数可)を実行するために互いに共同するソフトウェアが含まれていてもよいことが理解される。加えて、開示した任意のシステムでは、いずれか１つ以上のマイクロプロセッサを用いて、開示した任意の数の機能を行うようにプログラムされた非一時的コンピュータ可読媒体において具体化されたコンピュータープログラムを実行してもよい。さらに、本明細書で示した任意のコントローラには、ハウジングならびに種々の数のマイクロプロセッサ、集積回路、及びメモリ装置(たとえば、ＦＬＡＳＨ（登録商標）、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、電気的にプログラム可能な読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ)、及び／または電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ(ＥＥＰＲＯＭ))が含まれる。
本発明の種々の実施形態について説明してきたが、当業者には明らかなように、さらに多くの実施形態及び実施態様が本発明の範囲内で可能である。詳細には、当業者であれば、異なる実施形態からの種々の特徴の互換性を理解するであろう。これらの技術及びシステムをある実施形態及び例に関して開示してきたが、当然のことながら、これらの技術及びシステムは、具体的に開示した実施形態のほかに、他の実施形態及び／または用法ならびにそれらの明らかな変更に拡張してもよい。

Claims (13)

  1. 聴取位置において無音域を生成するためのシステムであって、
    前記聴取位置に隣接する第１の位置に配置され、音響信号に対応する音を発するように構成された第１のラウドスピーカーと、
    前記第１の位置に配置された第１のエラーマイクロフォンであって、前記聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえるように構成され、対応する第１のマイクロフォン信号を生成するように構成された、前記第１のエラーマイクロフォンと、
    前記聴取位置に隣接する第２の位置に配置され、音響信号に対応する音を発するように構成された第２のラウドスピーカーと、
    前記第２の位置に配置された第２のエラーマイクロフォンであって、前記聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえるように構成され、対応する第２のマイクロフォン信号を生成するように構成された、前記第２のエラーマイクロフォンと、
    前記聴取位置に隣接する第３の位置に配置された第３のエラーマイクロフォンであって、前記聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえるように構成され、対応する第３のマイクロフォン信号を生成するように構成された、前記第３のエラーマイクロフォンと、
    ＡＮＣコントローラであって、それぞれ前記第３のエラーマイクロフォンと前記第１及び第２のエラーマイクロフォンの少なくとも一方とから前記第３のマイクロフォン信号と前記第１及び前記第２のマイクロフォン信号の少なくとも一方とを受け取るように構成され、前記第３のマイクロフォン信号と前記第１及び前記第２のマイクロフォン信号の前記少なくとも一方とに基づいて、前記ラウドスピーカーのうちの少なくとも１つにラウドスピーカー入力信号を送るように構成された、前記ＡＮＣコントローラと、
    を含み、
    前記第３の位置と前記第１の位置との間の距離は、前記第３の位置と前記第２の位置との間の距離に等しく、前記第１、第２、及び第３のエラーマイクロフォンが二等辺三角形の角を形成する、前記システム。
  2. 前記第１のエラーマイクロフォンと前記第１のラウドスピーカーとは車両のヘッドレスト内に配置され、
    前記第２のエラーマイクロフォンと前記第２のラウドスピーカーとは、前記ヘッドレスト内に、前記第１のエラーマイクロフォンと前記第１のラウドスピーカーとから離れて配置されている、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記第３のエラーマイクロフォンは、前記第１の位置に対して、第１の水平方向、前記第１の水平方向に垂直な第２の水平方向、及び前記第１及び前記第２の水平方向に垂直な垂直方向にずれて配置され、
    前記第３のエラーマイクロフォンは、前記第２の位置に対して、前記第１の水平方向、前記第２の水平方向、及び前記垂直方向にずれて配置される、請求項１または２に記載のシステム。
  4. 前記ＡＮＣコントローラは、前記第１及び第２のラウドスピーカーに結合された第１の適応フィルタを含む、請求項１～３のいずれかに記載のシステム。
  5. 前記ＡＮＣコントローラはさらに、前記第１、第２、及び第３のマイクロフォン信号に基づいて前記第１の適応フィルタのフィルタ伝達関数を決定するフィルタ係数の組を計算するための第１のＬＭＳ適応ユニットを含む、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記第１の適応フィルタの下流に配置された二次経路であって、二次経路伝達関数を有する、前記二次経路をさらに含み、
    前記フィルタ係数の組は、前記二次経路における信号歪みを表す前記二次経路伝達関数の推定を用いてフィルタリングされた参照信号に基づいて更新される、請求項５に記載のシステム。
  7. 前記ＡＮＣコントローラはさらに、少なくとも１つの第３のラウドスピーカーと、前記少なくとも１つの第３のラウドスピーカーに結合された第２の適応フィルタと、前記第１、第２、及び第３のマイクロフォン信号に基づいて前記第２の適応フィルタのフィルタ伝達関数を決定する第２のフィルタ係数の組を計算するための第２のＬＭＳ適応ユニットとを含む、請求項４～６のいずれかに記載のシステム。
  8. 前記第２の適応フィルタの下流に配置された第２の二次経路であって、第２の二次経路伝達関数を有する、前記第２の二次経路をさらに含み、
    前記第２のフィルタ係数の組は、前記第２の二次経路における信号歪みを表す前記第２の二次経路伝達関数の推定を用いてフィルタリングされた参照信号に基づいて更新される、請求項７に記載のシステム。
  9. 聴取位置において無音域を生成するための方法であって、
    前記聴取位置に隣接する第１の位置に配置された第１のラウドスピーカーを用いて、音響信号に対応する音を発することと、
    前記第１の位置に配置された第１のエラーマイクロフォンを用いて、前記聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえ、対応する第１のマイクロフォン信号を生成することと、
    前記聴取位置に隣接する第２の位置に配置された第２のラウドスピーカーを用いて、前記音響信号に対応する音を発することと、
    前記第２の位置に配置された第２のエラーマイクロフォンを用いて、前記聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえ、対応する第２のマイクロフォン信号を生成することと、
    前記聴取位置に隣接する第３の位置に配置された第３のエラーマイクロフォンを用いて、前記聴取位置までの一次経路を介してノイズ源が発したノイズを捕らえ、対応する第３のマイクロフォン信号を生成することと、
    前記第３のマイクロフォン信号と前記第１及び前記第２のマイクロフォン信号の少なくとも一方とに基づいて、前記ラウドスピーカーのうちの少なくとも１つにラウドスピーカー入力信号を送ることと、
    を含み、
    前記第３の位置と前記第１の位置との間の距離は、前記第３の位置と前記第２の位置との間の距離に等しく、前記第１、第２、及び第３のエラーマイクロフォンそれぞれが二等辺三角形の角を形成する、前記方法。
  10. 第１の適応フィルタによって、前記第１の適応フィルタの下流に配置された二次経路における信号歪みを表す二次経路伝達関数の推定を用いて参照信号をフィルタリングすることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記第１、第２、及び第３のマイクロフォン信号に基づいて前記第１の適応フィルタのフィルタ伝達関数を決定するフィルタ係数の組を計算することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 第２の適応フィルタによって、前記第２の適応フィルタの下流に配置された二次経路における信号歪みを表す二次経路伝達関数の推定を用いて前記参照信号をフィルタリングすることをさらに含む、請求項１０および１１のいずれかに記載の方法。
  13. 前記第１、第２、及び第３のマイクロフォン信号に基づいて前記第２の適応フィルタのフィルタ伝達関数を決定するフィルタ係数の組を計算することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
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