JPWO2009041012A1 - ノイズ制御システム - Google Patents
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Abstract
Description
既存のいわゆる立体再生を目的としたバイノーラルシステムにおいては、ある程度以上の騒音下においてはマスキング効果により音像が定位しないという問題点があった。現在広く普及しているノイズキャンセルヘッドホン・イヤホンにおいては音源への補正フィルタは低次のアナログフィルタで構成されており、減衰する帯域を強調するに留まり、詳細な位相情報の要求されるバイノーラルシステムにおいては難点があった。
既存のノイズキャンセルヘッドホン・イヤホンあるいはそれに関する研究報告等のほとんどは、その制御対象となっているノイズの減衰量に着目したものである。しかしながら、現実問題としては低騒音化において過剰にノイズキャンセルを行うことは圧迫感など不快感を伴うことは良く知られており、またしばしばノイズキャンセル回路自体もマイクアンプなどに寄生するノイズが発生することから、環境騒音レベルに関わらずノイズキャンセル量を極限にとることは快適性の向上と必ずしも繋がらない。
広く普及しているノイズキャンセルヘッドホン・イヤホンにおいては、それが採用しているフルアナログシステムの構成上、特性の更新は困難であった。また、学術分野やダクト等他の構成のANC(アクティブ・ノイズキャンセル)で広く研究が進められているようなLMS(Least Mean Square)アルゴリズム等ディジタルフィルタを用いたノイズキャンセルシステムは、ヘッドホンのように極端にリファレンスマイクとスピーカ,エラーマイクの近接した構成では、A/D変換及びD/A変換に伴う遅延からハイサンプリングが要求され、サンプリング周波数の大幅な上昇は計算量を膨大にしてしまい非周期性の騒音制御には実用に即さないことが多かった。
イヤホン型のノイズキャンセルシステムにおいては、本来フィードフォワード、フィードバックの両手法において最適の結果を得るには、受聴者各個人の装着状態に特有のリファレンスマイクからスピーカへの伝達関数、スピーカからエラーマイクへの伝達関数に応じた処理をしなければならない。しかし、従来技術では、予めシステム側が用意した伝達関数とそれに対応した処理のみが行われており、受聴者個人にごとに適応した処理を行うことはできなかった。
既存のノイズキャンセルヘッドホン・イヤホンシステムでは、1デバイスに1処理系の構成であったため、様々な特性をもつノイズキャンセル用のデバイスをそれぞれ用意する必要があり、例えば一機種のポータブルオーディオプレーヤに様々なノイズキャンセル用デバイスを接続し使用することが不可能であった。
(2) 制御対象点が鼓膜近傍であるので制御量によっては圧迫感を感じたり、制御により新しく発生するノイズに敏感であるなどの特徴がある。広く試みられているエラーマイクで観察されるノイズ量の実効値だけでの評価と、実際に人間が感じる快適性とは直結しないことがある。
(a) ディジタル信号は制御にのみ使い、信号はあくまでアナログ経路のみとして、イヤホンなどでのノイズキャンセルに特化したディジタル・アナログの利点を生かすディジタルコントロール・アナログノイスキャンセルシステム。
(b) ノイズパワーの制御量にのみ評価基準を置くのでなく、主観評価を含めた聴者の快適性に着目した評価関数に基づく適応化。
を提案するものである。
2…マイクアンプ
3…フィードフォワード処理部
3a…周波数応答制御部
3b…利得制御部
4…制御部
4a…外部ノイズ検出部
4b…パラメータ取得部
4c…データ出力部
5…A/D変換器
6…制御テーブル
7…加算器
8…音源
9…D/A変換器
10…出力手段
11…エラーマイク
12…マイクアンプ
13…フィードバック処理部
13a…周波数応答部
13b…ゲイン制御部
14…A/D変換器
15…音質補正フィルタ
16…同定フィルタ
17…逆フィルタ生成器
18…D/A変換器
19…加算器
21…パラメータ選択スイッチ
本実施形態において使用されている用語について説明する。
(a) リファレンスマイク(騒音源情報取得センサー)
イヤホンの外側に設置するマイクで、原則的にはイヤホン出力音は含まれないので、耳に到来する騒音そのものを拾っていると考える。フィードフォワード処理部における騒音源の情報を取得するセンサとして機能するものである。
イヤホンの内側(耳側)に設置するマイクで、「耳栓効果」も含めた実際に聞こえている音として処理する。イヤホンからの音楽情報も含むので、エラーマイクの収録音をもとにノイズキャンセル処理を行うと、結果として音楽信号もキャンセルしてしまう。フィードバック処理部における制御状態評価センサとして機能するものである。
いずれもノイズキャンセル処理部3,13の構成部材であり、ディジタル制御可能なアナログ素子である。ゲイン制御部は、電子ボリューム、電子アッテネータなどから構成される。周波数応答制御部は、位相の配慮をするが、基本はコンデンサC及び抵抗Rで構成される1次ないし2次程度のフィルタである。この抵抗Rの値をラダー抵抗やスイッチを用いて切り替えることにより、フィルタとしてのカットオフや減衰量を可変とする。この周波数応答制御部は、外部ノイズの制御周波数帯域内のみの成分を通過させ(制御周波数帯域外の周波数成分を遮断する)、外部ノイズに含まれない周波数帯域を不通過とするものである。
本発明のノイズキャンセル処理部の一例であって、リファレンスマイクより入力された騒音参照信号を、イヤホン出力部までの伝達関数を予想・近似したフィルタを通し逆相で出力することにより、騒音を抑圧する。実際にはリファレンスマイクでの検知から出力よりも先に音波は出力部に到達してしまうので、処理としては低域を抑圧するに留まる。
本発明のノイズキャンセル処理部の他の例であって、エラーマイクより入力された信号を逆相にして出力することにより騒音を抑圧する。この際、電気音響変換系による遅延が発生し、ハウリングが起こってしまうことから、一般にはそれら遅延が問題にならない程度に低域に限定して出力する。
前記のように、フィードフォワード、フィードバックいずれの処理においても、遅延は制御可能域を狭めてしまう。処理系の遅延特性はノイズキャンセル性能に深く関わっており、A/D変換やD/A変換に伴う遅延から処理系はアナログ回路で構成されているのが現状である。
音源から出力される種々な信号の総称で、音声、音楽、効果音などを含む。原音ともいう。録音されて、再生されたものに限らない。
本発明に使用する出力手段としては、イヤホン、ヘッドホンまたはイヤースピーカのように、出力手段と耳との距離が短いものを対象とする。この場合、イヤースピーカは、リスニングチェア(両耳のすぐ後ろにスピーカがついた椅子や車の座席)など、耳のごく近傍で聞かせるスピーカをいう。
本発明における主観評価を考慮した制御パラメータの決定に当たっては、想定する騒音モデル信号に対し各騒音レベル時の最も快適性を感じる制御パラメータを主観評価により決定する。主観評価には以下のような要素が含まれる。
(a) ノイズ制御による抑圧効果の主観的な評価量。
(b) 制御に要する回路上の寄生ノイズや制御時に想定している伝達関数との誤差、フィードバックループにおいてゲインの上がってしまう帯域など制御によって新たに発生してしまうノイズ。
(c) 制御により感じる圧迫感や逆相感。
(1) 得られた各パラメータを元に制御テーブルを作成し、ノイズレベルに合わせ適切な値を設定する。
(2) 得られた各パラメータを元に近似直線、近似曲線を算出し、ノイズレベルに応じた値を逐次算出し設定する。
(3) 得られた各パラメータあるいは(個人差を考慮し幅を持たせた)近しい値を制御テーブルとして作成し、それらの中から利用者が選択し利用する。
前記のような主観評価を考慮した本発明のノイズキャンセルシステムの第1実施形態を、図5に従って説明する。この第1実施形態は、フィードフォワード処理部に設けられたリファレンスマイクのみを使用して、ノイズキャンセルを行うものである。
本発明の第2実施形態を図6に従って説明する。この第2実施形態は、リファレンスマイクとエラーマイクを併用したものである。なお、前記第1実施形態と同様な構成については、説明を省略する。
図7は、本発明の第3実施形態を示すものであって、前記第1実施形態のリファレンスマイクによって取得した外部ノイズに基づいてパラメータを決定する代わりに、デバイスの特性や個人の耳の特性、さらにはノイズの発生環境に応じて、予め用意して置いた複数のパラメータの中から、ユーザが希望するパラメータを選択するものである。
図8は、本発明の第4実施形態を示すものであって、この第4実施形態は、前記第3実施形態に示したパラメータ選択スイッチ21によるフィードフォワード処理と、第2実施形態に示したフィードバック処理とを組み合わせたものである。
図9は、本発明の第5実施形態を示すものであって、この第5実施形態は、リファレンスマイク1を使用することなく、エラーマイク11のみによって外部ノイズの検出を行うと共に、補正フィルタ15による音質の補正を行うようにしたものである。
前記のような構成並びに作用を有する各実施形態の効果は次の通りである。
Claims (8)
- 外部ノイズ収集手段と、
この外部ノイズ収集手段の出力側に接続され、外部ノイズをアナログ信号として入力するノイズキャンセル処理部と、
このノイズキャンセル処理部に設けられて、ディジタル制御されるアナログ素子から構成され、外部ノイズの制御周波数帯域内のみの成分を通過させ、外部ノイズに含まれないあるいは制御帯域外の周波数帯域を不通過とするようフィルタを適応化する周波数応答制御部と、前記外部ノイズの利得を調整するゲイン制御部と、
前記外部ノイズ収集手段の出力側に接続され外部ノイズをディジタル信号として入力するノイズキャンセル制御部と、
このノイズキャンセル制御部に設けられて、ノイズキャンセル制御部に入力された外部ノイズの情報を検出する外部ノイズ検出部と、この外部ノイズ検出部の検出結果に基づいて制御パラメータを取得するパラメータ取得部と、このパラメータ取得部が取得したパラメータに基づいて、前記周波数応答制御部とゲイン制御部に制御データをディジタル信号として出力するデータ出力部と、
前記ノイズキャンセル処理部の出力側に設けられ、ノイズキャンセル処理部から出力されたノイズキャンセル信号と、音源から出力されたアナログデータである音楽信号とを加算する加算器と、
この加算器においてノイズキャンセル信号が加算された音楽信号を出力する出力手段を備えていることを特徴とするノイズ制御システム。 - 外部ノイズ収集手段と、
この外部ノイズ収集手段の出力側に接続され、外部ノイズをアナログ信号として入力するノイズキャンセル処理部と、
このノイズキャンセル処理部に設けられて、ディジタル制御されるアナログ素子から構成され、外部ノイズの制御周波数帯域内のみの成分を通過させ、外部ノイズに含まれないあるいは制御帯域外の周波数帯域を不通過とするようフィルタを適応化する周波数応答制御部と、前記外部ノイズの利得を調整するゲイン制御部と、
前記周波数応答制御部とゲイン制御部を制御するためのパラメータ選択スイッチを備えたノイズキャンセル制御部と、
このノイズキャンセル制御部に設けられて、ノイズキャンセル制御部に入力された外部ノイズの情報を検出する外部ノイズ検出部と、この外部ノイズ検出部の検出結果に基づいて制御パラメータを取得するパラメータ取得部と、このパラメータ取得部が取得したパラメータに基づいて、前記周波数応答制御部とゲイン制御部に制御データをディジタル信号として出力するデータ出力部と、
前記ノイズキャンセル処理部の出力側に設けられ、ノイズキャンセル処理部から出力されたノイズキャンセル信号と、音源から出力されたアナログデータである音楽信号とを加算する加算器と、
この加算器においてノイズキャンセル信号が加算された音楽信号を出力する出力手段を備えていることを特徴とするノイズ制御システム。 - 前記ノイズキャンセル処理部がフィードフォワード処理部であり、前記外部ノイズ収集手段がリファレンスマイクであって、
このリファレンスマイクからで収集された外部ノイズがノイズキャンセル制御部の外部ノイズ検出部に入力され、前記ノイズキャンセル制御部によって決定されたパラメータによりフィードフォワード処理が実行されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のノイズ制御システム。 - 前記ノイズキャンセル処理部がフィードバック処理部であり、前記外部ノイズ収集手段が、出力手段の近傍に設けられてノイズキャンセル後の音楽信号を収集するエラーマイクであって、
このエラーマイクから出力されるエラーマイク信号が前記ノイズキャンセル処理部に入力されると共に、このエラーマイク信号中の外部ノイズ成分が前記ノイズキャンセル制御部の外部ノイズ検出部に入力され、前記ノイズキャンセル制御部によって決定されたパラメータによりフィードバック処理が実行されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のノイズ制御システム。 - 前記ノイズキャンセル制御部には、ディジタル化されたエラーマイク信号と音楽信号とを入力してその変化量を求める同定フィルタと、この同定フィルタからの出力に基づきその逆フィルタのフィルタ係数を生成する逆フィルタ生成器と、
前記音源の出力側に設けられて、前記逆フィルタ生成器からの出力によりそのフィルタ係数を更新する補正フィルタを備え、
前記加算器が、前記補正フィルタを通過した音源からの音楽信号と前記ノイズキャンセル処理部からのノイズキャンセル信号を加算して、出力手段に出力するものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のノイズ制御システム。 - 前記ノイズキャンセル制御部が予め複数のパラメータを格納した制御テーブルを備え、前記パラメータ取得部が、外部ノイズ検出部の検出結果またはパラメータ選択スイッチの選択結果に基づいて、前記制御テーブルに格納されているパラメータの中から所定のパラメータを取得するものであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載のノイズ制御システム。
- 前記パラメータ取得部が、外部ノイズ検出部の検出結果またはパラメータ選択スイッチの選択結果に基づいて、前記周波数応答制御部とゲイン制御部の制御用のパラメータを、その都度演算して求めるものであることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載のノイズ制御システム。
- 前記出力手段が、イヤホン、ヘッドホンまたはイヤースピーカであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のノイズ制御システム。
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