JPWO2019044564A1 - 信号処理装置、消音システム、信号処理方法、及びプログラム - Google Patents

信号処理装置、消音システム、信号処理方法、及びプログラム Download PDF

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Abstract

本開示の課題は、能動的に騒音を低減させ、かつ打ち消されなかった騒音がユーザに与える不快感を低減させることができる信号処理装置、消音システム、信号処理方法、及びプログラムを提供することである。本開示に係る付加音生成部(138)は、制御点(Q1)における騒音(Vn)の周波数を騒音周波数として検出する。そして、付加音生成部(138)は、騒音周波数とは異なる付加周波数の信号成分を含む付加音信号(Yb(n))を生成する。キャンセル信号生成部(141)は、制御点(Q1)における騒音(Vn)を打ち消すためのキャンセル信号(Ya(n))を生成する。出力部(142)は、キャンセル信号(Ya(n))に付加音信号(Yb(n))を加えた制御音信号(Yc(n))をスピーカ(112)へ出力して、スピーカ(112)から制御音(Vc)を出力させる。

Description

本開示は、一般に信号処理装置、消音システム、信号処理方法、及びプログラムに関する。
従来、騒音源が発する騒音が伝播する対象空間において騒音を低減させる装置として、アクティブノイズ制御を用いた能動騒音制御装置がある。アクティブノイズ制御とは、騒音の逆位相、同振幅のキャンセル音を放射することによって、能動的に騒音を低減させる技術である。
例えば、特許文献1では、基本音源が出力する所定周波数の基本波形に対して適応フィルタ係数を乗じ、この基本波形に適応フィルタ係数を乗じた信号からキャンセル音を生成する。そして、周期性騒音のピーク周波数変動に対する追従性を向上させるために、キャンセル音の位相変化量が所定の閾値よりも大きい場合、基本音源が出力する基本波形の周波数を所定量増加または減少させている。
しかしながら、外乱音、演算誤差、環境条件(対象空間の温度、湿度、気圧等)の変化などの影響によって、騒音を完全に打ち消すことができるキャンセル音を生成することは困難である。この結果、キャンセル音によって打ち消されなかった騒音が残留騒音としてユーザに聞こえるので、ユーザは不快感を覚えていた。
特開2006−308809号公報
本開示は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、能動的に騒音を低減させ、かつ打ち消されなかった騒音がユーザに与える不快感を低減させることができる信号処理装置、消音システム、信号処理方法、及びプログラムを提供することにある。
本開示の信号処理装置は、付加音生成部と、キャンセル信号生成部と、出力部と、を備える。前記付加音生成部は、騒音源から発せられる騒音の周波数を騒音周波数として検出し、前記騒音周波数とは異なる付加周波数の信号成分を含む付加音信号を生成する。前記キャンセル信号生成部は、前記騒音及び音出力器から出力された制御音が到達する制御点における前記騒音を打ち消すためのキャンセル信号を生成する。前記出力部は、前記キャンセル信号に前記付加音信号を加えた制御音信号を前記音出力器へ出力して、前記音出力器から前記制御音を出力させる。
本開示の消音システムは、上述の信号処理装置と、前記制御点において集音した音を集音信号に変換して前記信号処理装置へ出力する音入力器と、前記制御音信号が入力されて前記制御音を出力する音出力器と、を備える。
本開示の信号処理方法は、騒音源から発せられる騒音の周波数を騒音周波数として検出し、前記騒音周波数とは異なる付加周波数の信号成分を含む付加音信号を生成する。さらに、信号処理方法は、前記騒音及び音出力器から出力された制御音が到達する制御点における前記騒音を打ち消すためのキャンセル信号を生成する。さらに、信号処理方法は、前記キャンセル信号に前記付加音信号を加えた制御音信号を前記音出力器へ出力して、前記音出力器から前記制御音を出力させる。
本開示のプログラムは、コンピュータシステムに、上述の信号処理方法を実行させる。
実施形態の消音システムの構成を示すブロック図である。 同上の誤差信号の周波数分布の一例を示すグラフである。 同上の付加音信号の周波数分布の一例を示すグラフである。 同上の制御点において聞こえる音の周波数分布を説明するための図である。 同上の付加音信号の別の周波数分布を示すグラフである。 同上の信号処理方法を示すフローチャートである。
本開示は、一般に信号処理装置、消音システム、信号処理方法、及びプログラムに関する。より詳細には能動的に騒音を低減させる信号処理装置、消音システム、信号処理方法、プログラムに関する。
以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて説明する。
(実施形態)
図1は、本実施形態の消音システム1の構成を示している。消音システム1は、制御音Vcを出力し、騒音源8が発する騒音Vnを制御音Vcによって制御点Q1付近で打ち消す。騒音源8は、例えばモータ、コンプレッサ、プロペラファン、または掃除機などであり、周期性騒音を発生する。なお、騒音源8は、上記以外の機器であってもよく、さらには周期性騒音以外の騒音を発生する機器であってもよい。また、消音システム1は、騒音源8となる機器と別体に備えられる構成、及び騒音源8となる機器に一体に備えられる構成のいずれでもよい。
消音システム1は、音入出力装置11、及び信号処理装置12を備える。
音入出力装置11は、マイクロホン111(音入力器)と、スピーカ112(音出力器)とを備える。スピーカ112は、制御音Vcを出力する。マイクロホン111は制御点Q1に位置しており、制御点Q1における騒音Vnと制御音Vcとの合成音を集音して、アナログの集音信号を出力する。
信号処理装置12は、A/D変換器121、D/A変換器122、ローパスフィルタ123,124、及び消音制御ブロック125を備える。
本実施形態における信号処理装置12または信号処理方法の実行主体は、コンピュータシステムを含んでいる。コンピュータシステムは、ハードウェアとしてのプロセッサ及びメモリを主構成とする。コンピュータシステムのメモリに記録されたプログラムをプロセッサが実行することによって、本開示における信号処理装置12または信号処理方法の実行主体としての機能が実現される。プログラムは、コンピュータシステムのメモリに予め記録されていてもよいが、電気通信回線を通じて提供されてもよいし、コンピュータシステムで読み取り可能なメモリカード、光学ディスク、ハードディスクドライブ等の非一時的記録媒体に記録されて提供されてもよい。コンピュータシステムのプロセッサは、半導体集積回路(IC)又は大規模集積回路(LSI)を含む1乃至複数の電子回路で構成される。複数の電子回路は、1つのチップに集約されていてもよいし、複数のチップに分散して設けられていてもよい。複数のチップは、1つの装置に集約されていてもよいし、複数の装置に分散して設けられていてもよい。
マイクロホン111が出力するアナログの集音信号は、A/D変換器121によってA/D変換されて、デジタルの集音信号になる。A/D変換器121が出力するデジタルの集音信号は、ローパスフィルタ123を介して消音制御ブロック125に入力される。
消音制御ブロック125から出力されるデジタルの制御音信号Yc(n)は、ローパスフィルタ124を通った後、D/A変換器122によってD/A変換されて、アナログの制御音信号Ycになる。スピーカ112は、アナログの制御音信号Ycが入力され、制御音Vcを再生して出力する。
そして、消音制御ブロック125は、マイクロホン111が設置されている制御点Q1で集音された騒音Vn(残留騒音)の音圧レベルが最小になるように、騒音源8が発する騒音Vnを打ち消すキャンセル信号Ya(n)を生成する。また、消音制御ブロック125は、後述の付加音信号Yb(n)をさらに生成する。そして、消音制御ブロック125は、キャンセル信号Ya(n)に付加音信号Yb(n)を加えた制御音信号Yc(n)を出力する。制御音信号Ycが入力されたスピーカ112は、制御音Vcを再生して出力する。制御音Vcは、キャンセル信号Ya(n)による音(キャンセル音)を含んでおり、スピーカ112がキャンセル音を含む制御音Vcを出力することによって、騒音源8から制御点Q1に伝わる騒音Vnが低減する。
すなわち、信号処理装置12(特に消音制御ブロック125)は、アクティブノイズ制御を行っており、騒音源8の騒音変化、騒音伝播特性の変化に追従するために、適応フィルタの機能を実現する消音用プログラムを実行する。例えば、この適応フィルタのフィルタ係数の更新には、Filtered−X LMS(Least Mean Square)逐次更新制御アルゴリズムが使用される。
以下、信号処理装置12の動作について詳述する。
まず、マイクロホン111は、制御点Q1に設置されており、制御点Q1における音を集音する。制御点Q1における音は、騒音源8からの騒音Vnとスピーカ112からの制御音Vcとの制御点Q1における合成音である。すなわち、マイクロホン111は、制御点Q1における合成音を集音し、この集音した合成音に相当する集音信号を、信号処理装置12へ出力する。A/D変換器121は、集音信号を予め決められたサンプリング周波数でA/D変換したデジタル値(離散値)を、消音制御ブロック125へ出力する。
消音制御ブロック125は、付加音キャンセルフィルタ131、ハウリングキャンセルフィルタ132、減算器133,134、補正フィルタ135、係数更新部136、騒音制御フィルタ137、付加音生成部138、及び加算器139を備える。そして、補正フィルタ135、係数更新部136、及び騒音制御フィルタ137は、キャンセル信号生成部141を構成している。また、加算器139は、D/A変換器122とローパスフィルタ124とで、出力部142を構成している。
付加音キャンセルフィルタ131は、スピーカ112からマイクロホン111に至る音波の伝達特性Cを模擬した伝達特性C_hatがフィルタ係数として設定されたFIRフィルタ(Finite Impulse Response Filter)である。そして、付加音キャンセルフィルタ131は、付加音生成部138が出力する付加音信号Yb(n)と伝達特性C_hatとの畳み込み演算を行い、減算器133へ出力する。
減算器133は、ローパスフィルタ123が出力した集音信号から付加音キャンセルフィルタ131の出力を減じた信号を出力する。すなわち、制御音Vcには付加音信号Yb(n)による音(付加音)も含まれており、マイクロホン111が集音した集音信号から付加音の回り込み成分を減算した信号が、誤差信号E(n)として減算器133から出力される。したがって、消音制御ブロック125は、集音信号から付加音の回り込み成分を除去した誤差信号E(n)を生成できる。誤差信号E(n)は、減算器134、係数更新部136、及び付加音生成部138に入力される。なお、nは、A/D変換後のサンプル番号である。
ハウリングキャンセルフィルタ132は、伝達特性C_hatがフィルタ係数として設定されたFIRフィルタである。このハウリングキャンセルフィルタ132は、騒音制御フィルタ137が出力するキャンセル信号Ya(n)に伝達特性C_hatを畳み込み演算する。そして、減算器134は、誤差信号E(n)からハウリングキャンセルフィルタ132の出力を減じた信号を出力する。すなわち、誤差信号E(n)からキャンセル音の回り込み成分を減算した信号が、騒音信号X(n)として減算器134から出力される。したがって、スピーカ112から発せられたキャンセル音がマイクロホン111に回り込んだとしても、ハウリングの発生を防止することができる。騒音信号X(n)は、補正フィルタ135、及び騒音制御フィルタ137に入力される。
なお、誤差信号E(n)及び騒音信号X(n)は、制御点Q1における残留騒音の信号を含む。残留騒音は、制御点Q1においてキャンセル信号によって除去しきれなかった騒音Vnである。
騒音制御フィルタ137は、FIR型の適応フィルタであり、第1フィルタ係数W(n)が設定される。
補正フィルタ135は、伝達特性C_hatが第2フィルタ係数として設定されたFIRフィルタである。そして、補正フィルタ135は、減算器134が出力する騒音信号X(n)と伝達特性C_hat(第2フィルタ係数)との畳み込み演算を行い、補正フィルタ135の出力は、参照信号R(n)として係数更新部136に入力される。
係数更新部136は、Filtered−X LMSという周知の逐次更新制御アルゴリズムを時間領域で用いて、騒音制御フィルタ137の第1フィルタ係数W(n)を更新する。一般に、Filtered−X LMSを用いた第1フィルタ係数W(n)の更新処理では、誤差信号E(n)が最小となるように第1フィルタ係数W(n)が更新される。すなわち、係数更新部136は、参照信号R(n)及び誤差信号E(n)が入力されて、第1フィルタ係数W(n)を繰り返し算出する。そして、係数更新部136は、誤差信号E(n)が最小となる第1フィルタ係数W(n)を騒音制御フィルタ137に逐次設定することで、騒音制御フィルタ137の第1フィルタ係数W(n)を更新する。
具体的に、第1フィルタ係数W(n)の算出処理は、更新パラメータ:μ、サンプル番号:nとすると、[数1]で表される。なお、更新パラメータμは、ステップサイズパラメータともいわれ、LMSアルゴリズム等を用いて第1フィルタ係数W(n)を繰り返し算出する処理における第1フィルタ係数W(n)の補正量の大きさを定めるパラメータである。
Figure 2019044564
騒音制御フィルタ137は、騒音信号X(n)と第1フィルタ係数W(n)との畳み込み演算を行う。そして、騒音制御フィルタ137は、畳み込み演算の結果をキャンセル信号Ya(n)として出力する。キャンセル信号Ya(n)は、制御点Q1における騒音Vnを低減可能なキャンセル音をスピーカ112から出力させるための信号である。
そして、加算器139は、キャンセル信号Ya(n)に付加音信号Yb(n)を加算した制御音信号Yc(n)を出力する。
以下、付加音信号Yb(n)及び制御音信号Yc(n)について説明する。
従来、キャンセル信号Ya(n)をD/A変換によってアナログ信号に変換した後にスピーカに入力して、スピーカからキャンセル音を出力していた。しかしながら、キャンセル音によって打ち消されなかった騒音Vnが残留騒音としてユーザに聞こえるので、ユーザは不快感を覚えていた。そこで、本実施形態では、キャンセル信号Ya(n)及び付加音信号Yb(n)を含む制御音信号Yc(n)をD/A変換によってアナログ信号に変換した後にスピーカ112に入力して、スピーカ112からキャンセル音及び付加音を含む制御音Vcを出力する。
まず、付加音生成部138は、誤差信号E(n)が入力されて、誤差信号E(n)の周波数分析処理を行う。周波数分析処理は、時間領域の誤差信号E(n)をFFT(Fast Fourier Transform)によって周波数領域の信号に変換して、誤差信号E(n)のパワー(パワースペクトル)が極大になる周波数(極大周波数)を騒音周波数として検出する。なお、付加音生成部138が誤差信号E(n)に基づいて騒音周波数を検出することは必須ではなく、付加音生成部138は、騒音を含む音を集音した信号に基づいて騒音周波数を検出すればよい。
例えば、付加音生成部138は、検出の対象とする周波数(対象周波数)のパワーと対象周波数の周囲の周波数におけるパワーとの比較結果、及びパワーの微分値などに基づいて、極大周波数を検出する。そして、付加音生成部138は、極大周波数のうち、周期性騒音による極大周波数のみを騒音周波数として検出することが好ましい。例えば、付加音生成部138は、一定時間に亘って連続して検出された極大周波数を、周期性騒音による極大周波数であると判別する。したがって、一時的に発生した極大周波数は騒音周波数として判別されず、周期性騒音による極大周波数のみが騒音周波数として検出される。
そして、誤差信号E(n)は制御点Q1における残留騒音の信号であることから、騒音周波数は、制御点Q1における残留騒音の周波数に相当する。すなわち、制御点Q1では、騒音周波数の音がユーザに聞こえている。
そこで、付加音生成部138は、残留騒音による不快感を低減させるために、騒音周波数に対して協和度が高い周波数の信号成分を含む信号を、付加音信号Yb(n)として生成する。騒音周波数に対して協和度が高い周波数を付加周波数とすると、付加音信号Yb(n)は、付加周波数の信号成分を含む信号になる。騒音周波数に対する付加周波数の比(付加周波数/騒音周波数)は、例えば5/4,3/2,及び5/3になる。この場合、騒音周波数の音が付加周波数の各音と組み合わされることによって、所謂メジャーシックスコードが構成されており、人にとって心地よい響きになる。
図2は、誤差信号E(n)の周波数分布の一例を示す。図2では、横軸を対数周波数軸(対数スケールの周波数軸)とし、縦軸を対数パワー軸(対数スケールのパワー軸)としており、誤差信号E(n)の周波数分布F0を示す。なお、対数周波数軸の単位は[Hz]であり、対数パワー軸の単位は[dB]である。この場合、周波数f1,f2,f3においてパワーが極大となっており、付加音生成部138は、騒音周波数f1,f2,f3を検出する。また、騒音周波数f1,f2,f3における各パワーは、P1,P2,P3となる。なお、騒音周波数f1,f2,f3は、f1<f2<f3の関係にあり、パワーP1,P2,P3は、P1>P2>P3の関係にある。また、本実施形態において信号処理装置12が扱う周波数の範囲は、20−2000[Hz]程度であるが、この範囲に限定されず、20−2000[Hz]より広い範囲であってもよい。
図3は、付加音信号Yb(n)の周波数分布の一例を示す。付加音生成部138は、騒音周波数f1,f2,f3のそれぞれに対して、協和度が高い周波数をそれぞれの付加周波数とする。
具体的に、付加音生成部138は、騒音周波数f1に対する付加周波数をf11,f12,f13とする。付加周波数f11は、f1×5/4であり、付加周波数f12は、f1×3/2であり、付加周波数f13は、f1×5/3である。すなわち、騒音周波数f1に対応する付加周波数f11,f12,f13の各信号成分(図3中の周波数分布F1に対応する)が、付加音信号Yb(n)に含まれている。
また、付加音生成部138は、騒音周波数f2に対する付加周波数をf21,f22,f23とする。付加周波数f21は、f2×5/4であり、付加周波数f22は、f2×3/2であり、付加周波数f23は、f2×5/3である。すなわち、騒音周波数f2に対応する付加周波数f21,f22,f23の各信号成分(図3中の周波数分布F2に対応する)が、付加音信号Yb(n)に含まれている。
また、付加音生成部138は、騒音周波数f3に対する付加周波数をf31,f32,f33とする。付加周波数f31は、f3×5/4であり、付加周波数f32は、f3×3/2であり、付加周波数f33は、f3×5/3である。すなわち、騒音周波数f3に対応する付加周波数f31,f32,f33の各信号成分(図3中の周波数分布F3に対応する)が、付加音信号Yb(n)に含まれている。
さらに、付加音生成部138は、誤差信号E(n)の騒音周波数f1,f2,f3における各パワーを検出する。そして、付加音生成部138は、付加音信号Yb(n)における付加周波数f11,f12,f13の各信号成分のパワーを、騒音周波数f1のパワーP1に基づいて設定する。また、付加音生成部138は、付加音信号Yb(n)における付加周波数f21,f22,f23の各信号成分のパワーを、騒音周波数f2のパワーP2に基づいて設定する。また、付加音生成部138は、付加音信号Yb(n)における付加周波数f31,f32,f33の各信号成分のパワーを、騒音周波数f3のパワーP3に基づいて設定する。
具体的に、付加音生成部138は、付加音信号Yb(n)における付加周波数f11,f12,f13の各信号成分のパワーを、騒音周波数f1のパワーP1と同じになるように調整する。また、付加音生成部138は、付加音信号Yb(n)における付加周波数f21,f22,f23の各信号成分のパワーを、騒音周波数f2のパワーP2と同じになるように調整する。また、付加音生成部138は、付加音信号Yb(n)における付加周波数f31,f32,f33の各信号成分のパワーを、騒音周波数f3のパワーP3と同じになるように調整する。
すなわち、付加音信号Yb(n)における付加周波数f11,f12,f13の各信号成分のパワーは、対数軸で表された周波数に対して一定の傾きとなる仮想的な直線L1上の値になる。また、付加音信号Yb(n)における付加周波数f21,f22,f23の各信号成分のパワーは、対数軸で表された周波数に対して一定の傾きとなる仮想的な直線L2上の値になる。また、付加音信号Yb(n)における付加周波数f31,f32,f33の各信号成分のパワーは、対数軸で表された周波数に対して一定の傾きとなる仮想的な直線L3上の値になる。図3では、直線L1,L2,L3は各傾きが0となり、付加音生成部138における信号処理の簡易化を図っている。
そして、付加音生成部138は、付加周波数f11,f12,f13、付加周波数f21,f22,f23、及び付加周波数f31,f32,f33の各信号成分を含む付加音信号Yb(n)を生成して、この付加音信号Yb(n)を出力する。
そして、加算器139は、キャンセル信号Ya(n)に付加音信号Yb(n)を加算した制御音信号Yc(n)を出力する。制御音信号Yc(n)は、ローパスフィルタ124を通った後、D/A変換器122によってD/A変換されて、アナログの制御音信号Ycになる。スピーカ112は、アナログの制御音信号Ycが入力され、制御音Vcを再生して出力する。
したがって、制御点Q1において聞こえる音は、騒音周波数f1,f2,f3、及び付加周波数f11,f12,f13、f21,f22,f23、f31,f32,f33の各信号成分を含む(図4参照)。
そして、騒音周波数f1の音が、協和度の高い付加周波数f11,f12,f13の各音と組み合わされることによって、騒音周波数f1による不快感が低減して、ユーザにとって心地よい響きになる。また、騒音周波数f2の音が、協和度の高い付加周波数f21,f22,f23の各音と組み合わされることによって、騒音周波数f2による不快感が低減して、ユーザにとって心地よい響きになる。また、騒音周波数f3の音が、協和度の高い付加周波数f31,f32,f33の各音と組み合わされることによって、騒音周波数f3による不快感が低減して、ユーザにとって心地よい響きになる。この結果、騒音周波数f1,f2,f3の各音によるユーザの不快感が低減する。
さらに、1つの騒音周波数f1(またはf2またはf3)に複数の付加周波数f11,f12,f13(またはf21,f22,f23またはf31,f32,f33)が組み合わされている。この結果、制御音Vcが出力する各周波数の音はコードを構成することができ、ユーザにとって心地よい響きになる。
また、制御音Vcにはキャンセル信号Ya(n)による音(キャンセル音)も含まれている。したがって、制御音Vcに含まれるキャンセル音によって騒音Vnを能動的に打ち消して、制御点Q1における騒音Vnが低減する。
なお、付加音生成部138は、騒音周波数に対する付加周波数の比として、5/4,3/2,及び5/3の全てを用いる必要はなく、5/4,3/2,及び5/3のうち1つまたは2つを用いてもよい。この場合、付加音生成部138は、騒音周波数f1に対して協和度の高い付加周波数の信号成分として、付加周波数f11,f12,f13のうち1つまたは2つの信号成分を生成する。また、付加音生成部138は、騒音周波数f2に対して協和度の高い付加周波数の信号成分として、付加周波数f21,f22,f23のうち1つまたは2つの信号成分を生成する。また、付加音生成部138は、騒音周波数f3に対して協和度の高い付加周波数の信号成分として、付加周波数f31,f32,f33のうち1つまたは2つの信号成分を生成する。
また、付加音生成部138は、騒音周波数に対する比が5/4,3/2,及び5/3以外の関係になる周波数を、付加周波数としてもよい。一般に、騒音周波数に対する付加周波数の比が整数比(整数/整数)になれば、騒音周波数に対する付加周波数の協和度が高いとみなせる。したがって、少なくとも騒音周波数に対する付加周波数の比が整数比であれば、騒音周波数の音によるユーザの不快感は低減する。
さらに、騒音周波数に対する付加周波数の組み合わせは、和声学などに基づく様々なパターンがある。例えば、騒音周波数に対する付加周波数の比が、3/2(完全5度)、及び4/3(完全4度)であれば完全協和音程という。また、騒音周波数に対する付加周波数の比が、5/4(長3度)、6/5(短3度)、5/3(長6度)、8/5(短6度)であれば不完全協和音程という。また、騒音周波数に対する付加周波数の比が、上述の完全協和音程及び不完全協和音程以外の関係であれば、不協和音程という。一般に、騒音周波数に対する付加周波数の比が、上述の完全協和音程及び不完全協和音程であれば、協和度が高いとみなすことができる。そこで、騒音周波数に組み合わせる付加周波数は、上述の完全協和音程及び不完全協和音程から選ぶことが好ましい。また、2つ以上の音(トーン)でコードが構成されるが、上述のメジャーシックスコード以外のコードであってもよい。
しかしながら、地域、民族、年齢などによって、協和度が高いとみなす音程が異なる場合があり、地域、民族、または年齢などによって、騒音周波数に対する付加周波数の比を適宜設定してもよい。
また、付加音生成部138は、付加音信号Yb(n)に含まれる付加周波数f11,f12,f13、付加周波数f21,f22,f23、及び付加周波数f31,f32,f33の各信号成分の波形を、付加周波数の正弦波とすることが好ましい。この場合、付加音生成部138は、付加周波数の信号を容易に生成することができる。
また、付加音生成部138は、付加音信号Yb(n)に含まれる付加周波数の各信号成分の波形を、付加周波数の正弦波、及び付加周波数の高次高調波を重畳させた波形としてもよい。この場合、付加周波数の倍音を含む付加音が出力され、ユーザの不快感はより低減する。
また、図3における直線L1,L2,L3の各傾きは0以外であってもよい。例えば図5に示すように、直線L1の傾きがマイナスである場合、付加周波数f11の信号成分のパワーは、付加周波数f12の信号成分のパワーより大きくなり、付加周波数f12の信号成分のパワーは、付加周波数f13の信号成分のパワーより大きくなる。また、直線L2の傾きがマイナスである場合、付加周波数f21の信号成分のパワーは、付加周波数f22の信号成分のパワーより大きくなり、付加周波数f22の信号成分のパワーは、付加周波数f23の信号成分のパワーより大きくなる。また、直線L3の傾きがマイナスである場合、付加周波数f31の信号成分のパワーは、付加周波数f32の信号成分のパワーより大きくなり、付加周波数f32の信号成分のパワーは、付加周波数f33の信号成分のパワーより大きくなる。
人の聴覚の周波数特性は、例えば等ラウドネス曲線に表されるように、低い周波数の音に対する耳の感度は高い周波数の音に対する耳の感度よりも悪くなる。図5では、人の聴覚の周波数特性に合わせて、付加周波数の信号成分のパワーが補正されており、騒音周波数の音と付加周波数の音とのバランスが人によって心地よいバランスになる。この結果、騒音周波数の音によるユーザの不快感はより低減する。
そして、騒音Vnの変動の減少、騒音伝播特性の変動の減少、第1フィルタ係数W(n)の更新処理の安定化などによって、制御音Vcに含まれるキャンセル音による消音効果が向上すると、誤差信号E(n)の騒音周波数におけるパワーが低減する。付加音生成部138は、騒音周波数のパワーが低減して騒音周波数を検出できなくなると、この騒音周波数に対応する付加周波数の信号成分の生成処理を停止する。そして、付加音生成部138は、騒音周波数を1つも検出できなくなると、付加音信号Yb(n)の生成処理を停止する。
上述の信号処理装置12による信号処理方法は、図6のフローチャートに示される。
まず、減算器133が誤差信号E(n)を生成する(ステップS1)。次に、付加音生成部138が、誤差信号E(n)をFFTによって周波数領域の信号に変換し(ステップS2)、騒音周波数を検出する(ステップS3)。次に、付加音生成部138は、騒音周波数に対して協和度が高い付加周波数の信号成分(例えば正弦波)を生成し(ステップS4)、付加周波数の信号成分を含む付加音信号Yb(n)を出力する(ステップS5)。また、キャンセル信号生成部141は、制御点Q1における騒音Vnを打ち消すためのキャンセル信号Ya(n)を生成する(ステップS6)。そして、加算器139が、キャンセル信号Ya(n)に付加音信号Yb(n)を加算した制御音信号Yc(n)を出力する(ステップS7)。デジタルの制御音信号Yc(n)は、D/A変換器122によってアナログの制御音信号Ycに変換される。スピーカ112は、制御音信号Ycが入力され、制御音Vcを再生して出力する(ステップS8)。
実施形態に係る第1の態様の信号処理装置12は、付加音生成部138と、キャンセル信号生成部141と、出力部142と、を備える。付加音生成部138は、騒音源8から発せられる騒音Vnの周波数を騒音周波数f1,f2,f3として検出する。そして、付加音生成部138は、騒音周波数f1,f2,f3とは異なる付加周波数f11,f12,f13,f21,f22,f23,f31,f32,f33の各信号成分を含む付加音信号Yb(n)を生成する。キャンセル信号生成部141は、騒音Vn及びスピーカ112(音出力器)から出力された制御音Vcが到達する制御点Q1における騒音Vnを打ち消すためのキャンセル信号Ya(n)を生成する。出力部142は、キャンセル信号Ya(n)に付加音信号Yb(n)を加えた制御音信号Yc(n)をスピーカ112へ出力して、スピーカ112から制御音Vcを出力させる。
すなわち、制御点Q1において聞こえる音は、騒音周波数f1,f2,f3、及び付加周波数f11,f12,f13、f21,f22,f23、f31,f32,f33の各信号成分を含む。そして、騒音周波数f1の音が、協和度の高い付加周波数f11,f12,f13の各音と組み合わされる。また、騒音周波数f2の音が、協和度の高い付加周波数f21,f22,f23の各音と組み合わされる。また、騒音周波数f3の音が、協和度の高い付加周波数f31,f32,f33の各音と組み合わされる。さらに、制御音Vcに含まれるキャンセル音によって、制御点Q1に伝わる騒音Vnが低減する。したがって、信号処理装置12は、能動的に騒音Vnを低減させ、かつ打ち消されなかった騒音Vn(残留騒音)がユーザに与える不快感を低減させることができる。
また、実施形態に係る第2の態様の信号処理装置12では、第1の態様において、騒音周波数f1,f2,f3は、制御点Q1における騒音Vnの周波数であることが好ましい。
したがって、信号処理装置12は、能動的に騒音Vnを低減させ、かつ打ち消されなかった騒音Vn(残留騒音)がユーザに与える不快感を低減させることができる。
また、実施形態に係る第3の態様の信号処理装置12では、第1または第2の態様において、騒音周波数f1(またはf2またはf3)に対する付加周波数f11,f12,f13(またはf21,f22,f23またはf31,f32,f33)の比は、整数比になることが好ましい。
したがって、信号処理装置12では、騒音周波数の音によるユーザの不快感が低減する。
また、実施形態に係る第4の態様の信号処理装置12では、第3の態様において、騒音周波数f1(またはf2またはf3)に対する付加周波数f11,f12,f13(またはf21,f22,f23またはf31,f32,f33)の比は、5/4,3/2,5/3の少なくとも1つであることが好ましい。
すなわち、信号処理装置12では、騒音周波数と組み合わされてコードを構成する周波数を付加周波数としている。したがって、制御音Vcが出力する複数の周波数の音はコードを構成することができ、ユーザにとって心地よい響きになる。
また、実施形態に係る第5の態様の信号処理装置12では、第1乃至第3の態様のいずれか一つにおいて、付加音生成部138は、騒音周波数f1(またはf2またはf3)に対応する複数の付加周波数f11,f12,f13(またはf21,f22,f23またはf31,f32,f33)の各信号成分を含む付加音信号Yb(n)を生成することが好ましい。
すなわち、信号処理装置12では、複数の付加周波数f11,f12,f13(またはf21,f22,f23またはf31,f32,f33)が騒音周波数f1(またはf2またはf3)に組み合わされる。したがって、制御音Vcが出力する複数の周波数の音はコードを構成することができ、ユーザにとって心地よい響きになる。
また、実施形態に係る第6の態様の信号処理装置12では、第5の態様において、付加音信号Yb(n)の複数の付加周波数f11,f12,f13(またはf21,f22,f23またはf31,f32,f33)における各パワーは、対数軸で表された周波数に対して一定の傾きとなる仮想的な直線L1(またはL2またはL3)上の値になることが好ましい。
すなわち、信号処理装置12では、人の聴覚の周波数特性に合わせて、付加周波数の信号成分のパワーを補正することができる。
また、実施形態に係る第7の態様の信号処理装置12では、第6の態様において、前記傾きはゼロであることが好ましい。
したがって、信号処理装置12では、付加音生成部138における信号処理の簡易化を図ることができる。
また、実施形態に係る第8の態様の信号処理装置12では、第1乃至第7の態様のいずれか一つにおいて、付加周波数f11,f12,f13,f21,f22,f23,f31,f32,f33の信号成分の波形は正弦波であることが好ましい。
したがって、信号処理装置12は、付加周波数の信号を容易に生成することができる。
また、実施形態に係る第9の態様の信号処理装置12では、第1乃至第8の態様のいずれか一つにおいて、付加音生成部138は、制御点Q1で集音された騒音Vnのパワーが極大となる周波数を騒音周波数f1,f2,f3として検出することが好ましい。
したがって、信号処理装置12は、騒音周波数f1,f2,f3を容易に検出することができる。
また、実施形態に係る第10の態様の信号処理装置12では、第1乃至第9の態様のいずれか一つにおいて、付加音生成部138は、騒音Vnのうち周期性騒音の周波数を騒音周波数f1,f2,f3として検出することが好ましい。
したがって、信号処理装置12は、周期性騒音を発する騒音源8の周囲に設置されることによって、周期性騒音による不快感が低減する。
また、実施形態に係る第11の態様の信号処理装置12では、第1乃至第10の態様のいずれか一つにおいて、減算器133をさらに備えることが好ましい。減算器133は、制御点Q1において集音された音の信号から付加音信号Yb(n)による信号成分を取り除くことで誤差信号E(n)を生成する。そして、付加音生成部138は、誤差信号E(n)に基づいて騒音周波数f1,f2,f3を検出する。
すなわち、信号処理装置12は、制御音Vcに含まれる付加音の回り込み成分を除去した誤差信号E(n)を生成できる。したがって、信号処理装置12は、付加音の影響を除いた誤差信号E(n)に基づいて騒音周波数f1,f2,f3を検出することができ、騒音周波数f1,f2,f3の検出精度が向上する。
また、実施形態に係る第12の態様の信号処理装置12では、第1乃至第11の態様のいずれか一つにおいて、キャンセル信号生成部141は、騒音制御フィルタ137と、補正フィルタ135と、係数更新部136と、を有することが好ましい。騒音制御フィルタ137は、第1フィルタ係数W(n)が設定され、制御点Q1においてマイクロホン111(音入力器)によって集音された騒音Vnの信号である騒音信号X(n)が入力される。そして、騒音制御フィルタ137は、騒音信号X(n)及び第1フィルタ係数W(n)を用いた演算処理を行うことで、キャンセル信号Ya(n)を生成する。補正フィルタ135は、スピーカ112からマイクロホン111に至る音波の伝達特性C_hatが第2フィルタ係数として設定されて、騒音信号X(n)及び伝達特性C_hat(第2フィルタ係数)を用いた演算処理を行うことで、参照信号R(n)を生成する。係数更新部136は、参照信号R(n)に基づいて第1フィルタ係数W(n)を求め、騒音制御フィルタ137の第1フィルタ係数W(n)を更新する。
すなわち、騒音制御フィルタ137は適応フィルタであり、騒音源8の騒音変化、騒音伝播特性の変化に対してもキャンセル信号Ya(n)を追従させることができる。したがって、信号処理装置12は、騒音Vnに対する消音性能を向上させることができる。
実施形態に係る第13の態様の消音システム1は、第1乃至第12の態様のいずれか一つの信号処理装置12と、マイクロホン111(音入力器)と、スピーカ112(音出力器)と、を備える。マイクロホン111は、制御点Q1において集音した音を集音信号に変換して信号処理装置12へ出力する。スピーカ112は、制御音信号Yc(n)が入力されて制御音Vcを出力する。
したがって、消音システム1は、上述の信号処理装置12と同様に、能動的に騒音Vnを低減させ、かつ打ち消されなかった騒音Vn(残留騒音)がユーザに与える不快感を低減させることができる。
実施形態に係る第14の態様の信号処理方法は、以下の各ステップを備える。
ステップS1−S5:騒音源8から発せられる騒音Vnの周波数を騒音周波数f1,f2,f3として検出する。そして、騒音周波数f1,f2,f3とは異なる付加周波数f11,f12,f13,f21,f22,f23,f31,f32,f33の信号成分を含む付加音信号Yb(n)を生成する。
ステップS6:騒音Vn及びスピーカ112(音出力器)から出力された制御音Vcが到達する制御点Q1における騒音Vnを打ち消すためのキャンセル信号Ya(n)を生成する。
ステップS7−S8:キャンセル信号Ya(n)に付加音信号Yb(n)を加えた制御音信号Yc(n)をスピーカ112へ出力して、スピーカ112から制御音Vcを出力させる。
したがって、信号処理方法は、上述の信号処理装置12と同様に、能動的に騒音Vnを低減させ、かつ打ち消されなかった騒音Vn(残留騒音)がユーザに与える不快感を低減させることができる。
実施形態に係る第15の態様のプログラムは、コンピュータシステムに、第14の態様の信号処理方法を実行させる。
したがって、プログラムは、上述の信号処理装置12と同様に、能動的に騒音Vnを低減させ、かつ打ち消されなかった騒音Vn(残留騒音)がユーザに与える不快感を低減させることができる。
なお、上述の実施の形態は本開示の一例である。このため、本開示は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本開示に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
1 消音システム
11 音入出力装置
12 信号処理装置
111 マイクロホン(音入力器)
112 スピーカ(音出力器)
133 減算器
135 補正フィルタ
136 係数更新部
137 騒音制御フィルタ
138 付加音生成部
141 キャンセル信号生成部
142 出力部
8 騒音源
Vn 騒音
Vc 制御音
Q1 制御点
f1,f2,f3 騒音周波数
f11,f12,f13,f21,f22,f23,f31,f32,f33 付加周波数
Ya(n) キャンセル信号
Yb(n) 付加音信号
Yc(n) 制御音信号
E(n) 誤差信号
X(n) 騒音信号
R(n) 参照信号
W(n) 第1フィルタ係数
C_hat 伝達特性(第2フィルタ係数)
L1,L2,L3 直線

Claims (15)

  1. 騒音源から発せられる騒音の周波数を騒音周波数として検出し、前記騒音周波数とは異なる付加周波数の信号成分を含む付加音信号を生成する付加音生成部と、
    前記騒音及び音出力器から出力された制御音が到達する制御点における前記騒音を打ち消すためのキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成部と、
    前記キャンセル信号に前記付加音信号を加えた制御音信号を前記音出力器へ出力して、前記音出力器から前記制御音を出力させる出力部と、を備える
    ことを特徴とする信号処理装置。
  2. 前記騒音周波数は、前記制御点における前記騒音の周波数である
    ことを特徴とする請求項1記載の信号処理装置。
  3. 前記騒音周波数に対する前記付加周波数の比は、整数比になることを特徴とする請求項1または2記載の信号処理装置。
  4. 前記騒音周波数に対する前記付加周波数の比は、5/4,3/2,5/3の少なくとも1つであることを特徴とする請求項3記載の信号処理装置。
  5. 前記付加音生成部は、前記騒音周波数に対応する複数の前記付加周波数の各信号成分を含む前記付加音信号を生成することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の信号処理装置。
  6. 前記付加音信号の前記複数の付加周波数における各パワーは、対数軸で表された周波数に対して一定の傾きとなる仮想的な直線上の値になることを特徴とする請求項5記載の信号処理装置。
  7. 前記傾きはゼロであることを特徴とする請求項6記載の信号処理装置。
  8. 前記付加周波数の信号成分の波形は正弦波であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の信号処理装置。
  9. 前記付加音生成部は、前記制御点で集音された前記騒音のパワーが極大となる周波数を前記騒音周波数として検出することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の信号処理装置。
  10. 前記付加音生成部は、前記騒音のうち周期性騒音の周波数を前記騒音周波数として検出することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の信号処理装置。
  11. 前記制御点において集音された音の信号から前記付加音信号による信号成分を取り除くことで誤差信号を生成する減算器をさらに備え、
    前記付加音生成部は、前記誤差信号に基づいて前記騒音周波数を検出する
    ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載の信号処理装置。
  12. 前記キャンセル信号生成部は、
    第1フィルタ係数が設定され、前記制御点において音入力器によって集音された前記騒音の信号である騒音信号が入力されて、前記騒音信号及び前記第1フィルタ係数を用いた演算処理を行うことで、前記キャンセル信号を生成する騒音制御フィルタと、
    前記音出力器から前記音入力器に至る音波の伝達特性が第2フィルタ係数として設定されて、前記騒音信号及び前記第2フィルタ係数を用いた演算処理を行うことで、参照信号を生成する補正フィルタと、
    前記参照信号に基づいて前記第1フィルタ係数を求め、前記騒音制御フィルタの前記第1フィルタ係数を更新する係数更新部と、を有する
    ことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載の信号処理装置。
  13. 請求項1乃至12のいずれか一項に記載の信号処理装置と、
    前記制御点において集音した音を集音信号に変換して前記信号処理装置へ出力する音入力器と、
    前記制御音信号が入力されて前記制御音を出力する音出力器と、を備える
    ことを特徴とする消音システム。
  14. 騒音源から発せられる騒音の周波数を騒音周波数として検出し、前記騒音周波数とは異なる付加周波数の信号成分を含む付加音信号を生成し、
    前記騒音及び音出力器から出力された制御音が到達する制御点における前記騒音を打ち消すためのキャンセル信号を生成し、
    前記キャンセル信号に前記付加音信号を加えた制御音信号を前記音出力器へ出力して、前記音出力器から前記制御音を出力させる
    ことを特徴とする信号処理方法。
  15. コンピュータシステムに、請求項14記載の信号処理方法を実行させることを特徴とするプログラム。
JP2019539375A 2017-08-29 2018-08-20 信号処理装置、消音システム、信号処理方法、及びプログラム Active JP6865393B2 (ja)

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