WO2016021114A1

WO2016021114A1 - 信号処理装置、プログラム、レンジフード装置

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Publication number: WO2016021114A1
Application number: PCT/JP2015/003476
Authority: WO
Inventors: 正也花園; 山田　和喜男
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2016-02-11
Also published as: US10229666B2; US20170229111A1; JP6384784B2; JP2016038416A

Abstract

　環境条件の変化によって変動する騒音をより精度よく消音することができる信号処理装置、プログラム、レンジフード装置を提供する。信号処理装置（１２）において、係数更新部（１３５）は、参照信号Ｒ（ω）、誤差信号Ｅ（ω）、更新パラメータμに基づいてフィルタ係数Ｗを算出し、消音フィルタ（１３６ａ）に設定する。パラメータ調整部（１３７）は、参照マイクロホン（１１１）の出力から生成された参照信号Ｒ（ω）の変動に応じて更新パラメータμを調整する。

Description

信号処理装置、プログラム、レンジフード装置

　本発明は、一般に信号処理装置、プログラム、レンジフード装置、より詳細にはアクティブノイズ制御を行う信号処理装置、プログラム、および信号処理装置を用いたレンジフード装置に関するものである。

　従来、騒音源で発生する音が伝播する空間（騒音伝播路）において騒音を低減させる技術として、アクティブノイズ制御を用いた消音装置がある。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。

　従来技術（例えば、文献１「日本国特許公開番号Ｈ７－２１９５６３」参照）では、ＬＭＳアルゴリズム（ＬＭＳ：Least Mean Square）を用いて、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）型適応デジタルフィルタのフィルタ係数を更新することによって、キャンセル音を生成する構成が開示されている。ＬＭＳアルゴリズムは、更新パラメータ（ステップサイズパラメータ：繰り返しにおける補正量の大きさを定めるパラメータ）を用いてフィルタ係数を演算する。そして従来技術では、騒音を消音対象とし、騒音以外の音（外乱音）が大きいときには更新パラメータの値を小さくして、外乱音に対する耐性を向上させ、外乱音が大きいときには更新パラメータの値を大きくして、消音性能を向上させている。

　一般に騒音は、温度、湿度、気圧等の環境条件によって変動する。例えば、レンジフード装置の騒音は、ダクト内の静圧変化、温度変化等によって変動する。しかしながら、上述の従来技術における外乱音とは、消音対象となる騒音とは独立に発生する音であり、この従来技術では、環境条件の変化によって変動する騒音を消音することは困難であった。

　本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、環境条件の変化によって変動する騒音をより精度よく消音することができる信号処理装置、プログラム、レンジフード装置を提供することにある。

　本発明に係る一態様の信号処理装置は、騒音源から発せられた騒音が伝播する空間に設けられて前記騒音を集音する第１音入力器と、キャンセル信号を受け取って前記騒音を打ち消すキャンセル音を前記空間に発する音出力器と、前記空間において前記騒音と前記キャンセル音との合成音を集音する第２音入力器とを備える音入出力装置に組み合わせて用いられて、フィルタ係数を持つ消音フィルタを具備して、前記第１音入力器の出力に基づいて生成された第１信号を受け取って前記キャンセル信号を出力するキャンセル信号生成部と、前記音出力器から前記第２音入力器に至る音響経路の伝達関数に基づいて前記第１信号を補正した第２信号を出力する第１信号変換部と、前記第２信号、前記第２音入力器の出力から生成された第３信号、および前記フィルタ係数の補正量の大きさに関係する更新パラメータに基づいて新たなフィルタ係数を算出し、前記消音フィルタが持つ前記フィルタ係数を前記新たなフィルタ係数に更新する係数更新部と、前記第１音入力器の出力変動に応じて前記更新パラメータを調整するパラメータ調整部とを備えることを特徴とする。

　本発明に係る一態様のプログラムは、コンピュータを、信号処理装置として機能させることを特徴とする。

　本発明に係る一態様のレンジフード装置は、中空状の通気路と、前記通気路の第１端から第２端に向かう気流を発生させる送風装置と、前記通気路内に設けられて前記送風装置が発する騒音を集音する第１の音入力器と、キャンセル信号を入力されて前記騒音を打ち消すキャンセル音を前記通気路内に発する音出力器と、前記通気路内において前記騒音と前記キャンセル音との合成音を集音する第２の音入力器と、信号処理装置とを備え、前記通気路の前記第１端から前記第２端に向かって、前記第２の音入力器、前記音出力器、前記第１の音入力器の順に配置されることを特徴とする。

　上述した信号処理装置、プログラム、レンジフード装置は、環境条件の変化によって変動する騒音をより精度よく消音することができるという効果を有する。

実施形態のレンジフード装置の構成例を示すブロック図である。実施形態のレンジフード装置の外観を示す斜視図である。実施形態の更新パラメータと収束時間との関係を示すグラフである。実施形態の変形例の構成を示すブロック図である。実施形態の更新パラメータの更新制御を説明する説明図である。実施形態の参照信号のスペクトル分布を示すグラフである。実施形態の参照信号のスペクトル分布を示すグラフである。実施形態の参照信号の信号強度の比を示すグラフである。

　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

　　（実施形態）
　本実施形態の消音装置１（能動騒音制御装置）の構成を図１に示す。消音装置１は、レンジフード装置２に組み合わせて用いられる。

　レンジフード装置２は、図２に示すように、台所の厨房器具の上方に配置されたダクト２１（通気路）を備える。ダクト２１は、下面に吸気口２１ａを設けた箱状に形成されており、ダクト２１は、吸気口２１ａからダクト２１内に室内空気を取り込んで室外に排出するファン２２（送風装置、図１参照）を内部に設けている。また、レンジフード装置２は整流板２３を備え、整流板２３の周囲に吸気口２１ａが形成される（図２参照）。整流板２３は、吸気効率を向上させている。また、レンジフード装置２の前面には操作部２４が設けられており、操作部２４は、レンジフード装置２の各動作の操作スイッチ、動作状態を示す表示灯等を備える（図２参照）。なお、通気路を構成するダクト２１内の空間が、騒音源から発せられた騒音が伝播する空間に相当する。

　そして、ファン２２が動作すると、このファン２２が騒音源となって、ファン２２の動作音（騒音）がダクト２１内を伝播し、吸気口２１ａから室内に伝わる。そこで、ファン２２の動作時に室内に伝わる騒音を抑制するため、ダクト２１に消音装置１が設けられている。

　ダクト２１に設けられた消音装置１は、図１に示すように、音入出力装置１１、信号処理装置１２を備える。

　音入出力装置１１は、参照マイクロホン１１１（第１音入力器）、誤差マイクロホン１１２（第２音入力器）、スピーカ（音出力器）１１３を備える。参照マイクロホン１１１は、ダクト２１内のファン２２の近くに位置する。誤差マイクロホン１１２は、ダクト２１内の吸気口２１ａの近くに位置する。スピーカ１１３は、ダクト２１内において、参照マイクロホン１１１と誤差マイクロホン１１２との間に位置している。すなわち、ファン２２から吸気口２１ａに至るまでに、参照マイクロホン１１１、スピーカ１１３、誤差マイクロホン１１２の順に配置されている。

　信号処理装置１２は、増幅器１２１，１２２，１２３、Ａ／Ｄ変換器１２４，１２５、Ｄ／Ａ変換器１２６、消音制御装置１２７で構成される。

　参照マイクロホン１１１から出力されたアナログ信号は、増幅器１２１で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１２４によってＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換器１２４から出力されたデジタル信号は、消音制御装置１２７に入力される。

　誤差マイクロホン１１２から出力されたアナログ信号は、増幅器１２２で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１２５によってＡ／Ｄ変換される。Ａ／Ｄ変換器１２５から入力されたデジタル信号は、消音制御装置１２７に入力される。

　消音制御装置１２７から出力されるキャンセル信号は、Ｄ／Ａ変換器１２６によってＤ／Ａ変換された後、増幅器１２３で増幅される。スピーカ１１３は、増幅器１２３で増幅されたキャンセル信号を受け取り、キャンセル音を発する。

　消音制御装置１２７は、プログラムを実行するコンピュータで構成される。そして、消音制御装置１２７は、誤差マイクロホン１１２の設置点（消音点）における音圧レベルが最小になるよう、ファン２２の騒音を打ち消すキャンセル音をスピーカ１１３から出力する。すなわち、スピーカ１１３がキャンセル音を出力することによって、ファン２２から吸気口２１ａを通ってダクト２１外に伝わる騒音を抑制する。この消音制御装置１２７は、アクティブノイズ制御を行っており、騒音源となるファン２２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。この適応フィルタのフィルタ係数の更新には、Ｆｉｌｔｅｒｅｄ－ＸＬＭＳ（Least Mean Square）逐次更新制御アルゴリズムが使用される。

　なお、消音制御装置１２７を構成するコンピュータとしては、プログラムに従って動作するプロセッサおよびインターフェースを主なハードウェア構成として備える。この種のプロセッサとしては、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit）等を含み、プログラムを実行することによって以下の信号処理装置１２の機能を実現することができれば、その種類は問わない。

　また、プログラムの提供形態としては、コンピュータに読み取り可能なＲＯＭ（Read Only Memory）、光ディスク等の記録媒体に予め格納されている形態、インターネット等を含む広域通信網を介して記録媒体に供給される形態等がある。

　以下、信号処理装置１２の動作について説明する。

　参照マイクロホン１１１は、ファン２２が発生する騒音を集音し、この集音した騒音に相当する騒音信号を、信号処理装置１２へ出力する。増幅器１２１は、騒音信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換器１２４は、増幅器１２１で増幅された騒音信号を予め決められたサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換する。Ａ／Ｄ変換器１２４は、Ａ／Ｄ変換した離散値を、消音制御装置１２７へ出力する。

　誤差マイクロホン１１２は、消音点において、キャンセル音によって消去しきれなかった残留騒音を集音し、この集音した残留騒音に相当する誤差信号を、信号処理装置１２へ出力する。Ａ／Ｄ変換器１２５は、Ａ／Ｄ変換器１２４と同じサンプリング周波数で、増幅器１２２によって増幅された誤差信号をＡ／Ｄ変換する。Ａ／Ｄ変換器１２５は、Ａ／Ｄ変換した離散値を、時間領域の誤差信号ｅ（ｔ）として消音制御装置１２７へ出力する。

　消音制御装置１２７は、ハウリングキャンセルフィルタ１３１（Howling Cancel Filter）、減算器１３２、第１信号変換部１３３、第２信号変換部１３４、係数更新部１３５、キャンセル信号生成部１３６、パラメータ調整部１３７を備える。第１信号変換部１３３は、補正フィルタ１３３ａ、変換部１３３ｂを備える。第２信号変換部１３４は、変換部１３４ａを備える。係数更新部１３５は、係数設定部１３５ａ、逆変換部１３５ｂを備える。キャンセル信号生成部１３６は、消音フィルタ１３６ａ、反転器１３６ｂを備える。

　ハウリングキャンセルフィルタ１３１は、スピーカ１１３から参照マイクロホン１１１に至る音波の伝達関数Ｆを模擬した伝達関数Ｆ＾を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。なお、伝達関数Ｆを模擬した伝達関数は、Ｆに山形の記号＾（ハット記号）を付した符号Ｆ＾で表す。また、本明細書中ではＦの斜め上に記号＾を配置し、図１、図４ではＦの真上に記号＾を配置しているが、いずれも伝達関数Ｆを模擬した伝達関数を表す。

　ハウリングキャンセルフィルタ１３１は、キャンセル信号生成部１３６が出力するキャンセル信号Ｙ（ｔ）に伝達関数Ｆ＾を畳み込み演算する。そして、減算器１３２は、Ａ／Ｄ変換器１２４から出力された信号からハウリング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、参照マイクロホン１１１が集音した騒音信号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（ｔ）（第１信号）として減算器１３２から出力される。したがって、スピーカ１１３から発せられたキャンセル音が参照マイクロホン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。減算器１３２が出力する騒音信号Ｘ（ｔ）は、消音フィルタ１３６ａ、および補正フィルタ１３３ａに入力される。

　消音フィルタ１３６ａは、係数更新部１３５によってフィルタ係数Ｗ（ｔ）を持つＦＩＲ型の適応フィルタである。本実施形態の消音フィルタ１３６ａは、キャンセル音の全周波数帯域をｎ個に分割した複数の周波数ビン毎に、フィルタ係数Ｗ１（ｔ）～Ｗｎ（ｔ）がそれぞれ設定される。なお、時間領域のフィルタ係数Ｗ１（ｔ）～Ｗｎ（ｔ）を区別しない場合、フィルタ係数Ｗ（ｔ）と表す。

　補正フィルタ１３３ａは、スピーカ１１３から誤差マイクロホン１１２に至る音波の伝達関数Ｃを模擬した伝達関数Ｃ＾が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１３３ａは、減算器１３２が出力する騒音信号Ｘ（ｔ）と伝達関数Ｃ＾との畳み込み演算を行い、補正フィルタ１３３ａの出力は、時間領域の参照信号ｒ（ｔ）として変換部１３３ｂに入力される。変換部１３３ｂは、時間領域の参照信号ｒ（ｔ）をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）によって周波数領域の参照信号Ｒ（ω）（第２信号）に変換する。すなわち、第１信号変換部１３３は、伝達関数Ｃ＾に基づいて騒音信号Ｘ（ｔ）を補正した周波数領域の参照信号Ｒ（ω）を、係数設定部１３５ａおよびパラメータ調整部１３７へ出力する。なお、伝達関数Ｃを模擬した伝達関数は、Ｃに山形の記号＾を付した符号Ｃ＾で表す。また、本明細書中ではＣの斜め上に記号＾を配置し、図１、図４ではＣの真上に記号＾を配置しているが、いずれも伝達関数Ｃを模擬した伝達関数を表す。

　また、第２信号変換部１３４の変換部１３４ａは、時間領域の誤差信号ｅ（ｔ）をＦＦＴによって周波数領域の誤差信号Ｅ（ω）（第３信号）に変換する。すなわち、第２信号変換部１３４は、周波数領域の誤差信号Ｅ（ω）を、係数設定部１３５ａへ出力する。

　係数更新部１３５の係数設定部１３５ａは、Ｆｉｌｔｅｒｅｄ－ＸＬＭＳという周知の逐次更新制御アルゴリズムを周波数領域で用いて、消音フィルタ１３６ａのフィルタ係数Ｗ１（ω）～Ｗｎ（ω）を更新する。この係数設定部１３５ａは、第１信号変換部１３３が出力する参照信号Ｒ（ω）と第２信号変換部１３４が出力する誤差信号Ｅ（ω）とに基づいて、消音フィルタ１３６ａのフィルタ係数Ｗ１（ω）～Ｗｎ（ω）を演算する。なお、周波数領域のフィルタ係数Ｗ１（ω）～Ｗｎ（ω）を区別しない場合、フィルタ係数Ｗ（ω）と表す。

　さらに、時間領域のフィルタ係数Ｗ（ｔ）、周波数領域のフィルタ係数Ｗ（ω）を区別しない場合、フィルタ係数Ｗと表す。

　一般に、周波数領域のＦｉｌｔｅｒｅｄ－ＸＬＭＳを用いたフィルタ係数Ｗ（ω）の更新処理では、誤差信号Ｅ（ω）が最小となるようにフィルタ係数Ｗ（ω）が更新される。具体的に、フィルタ係数Ｗ（ω）の更新処理は、フィルタ係数をＷ（ω）、更新パラメータをμ、サンプル番号をｍ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フィルタ係数Ｗ（ω）を繰り返し算出する処理におけるフィルタ係数Ｗ（ω）の補正量の大きさを定めるパラメータである。

　ここで、［数１］において参照信号Ｒ（ω）、誤差信号Ｅ（ω）、更新パラメータμからなる右辺第２項が大きくなると、より早く最小二乗誤差に到達し、フィルタ係数Ｗ（ω）がより早く収束する。すなわち、フィルタ係数Ｗ（ω）の収束時間は、参照信号Ｒ（ω）、誤差信号Ｅ（ω）、更新パラメータμの大きさに依存している。

　例えば、参照信号Ｒ（ω）、誤差信号Ｅ（ω）の各振幅が大きければフィルタ係数Ｗ（ω）が早く収束し、参照信号Ｒ（ω）、誤差信号Ｅ（ω）の各振幅が小さければフィルタ係数Ｗ（ω）が収束するまでに時間を要してしまう。そこで、係数設定部１３５ａは、フィルタ係数Ｗ（ω）の演算処理の過程で更新パラメータμを乗算することで、この収束時間を調整している。収束に要する時間を短くするためには更新パラメータμを大きくする必要があるが、更新パラメータμを大きくし過ぎると収束せずに発散する可能性があるので、係数設定部１３５ａは、収束可能な範囲で更新パラメータμを設定する必要がある。

　図３は、フィルタ係数Ｗの更新制御において、更新パラメータμと、消音量が最大になるまでに要する時間Ｔ１（収束時間Ｔ１）との関係を示す。更新パラメータμが０から増大すると収束時間Ｔ１は次第に短くなる。そして、更新パラメータμが最適値μａを上回ると、フィルタ係数Ｗは発散しないが、消音量が最大とならない非誤差最小状態となる。さらに更新パラメータμが増大して、更新パラメータμが上限値μｂを上回るとフィルタ係数Ｗは発散する。すなわち、最適値μａは、フィルタ係数Ｗが収束する更新パラメータμとフィルタ係数Ｗが非誤差最小状態となる更新パラメータμとの境界値である。また、上限値μｂは、フィルタ係数Ｗが非誤差最小状態となる更新パラメータμとフィルタ係数Ｗが発散する更新パラメータμとの境界値である。一般に、［最適値μａ＝上限値μｂ／２］の関係にあり、更新パラメータμ＝μａである場合、収束時間Ｔ１＝最短時間Ｔａとなる。

　そこで、本実施形態では、更新パラメータμを最適値μａに近付けるために、［数２］に示す理論式で更新パラメータμを求める。なお、［数２］は、周波数領域のＬＭＳに適用される。なお、［数２］では、伝達関数Ｃ（ω）＾の共役関数を、伝達関数Ｃ＾に記号＊を付して表している。

　さらに、伝達関数Ｃ（ω）＾の推定誤差がないものとすると、［数２］は［数３］のように簡略化できる。

　そして、［数３］を［数４］のように展開することで、更新パラメータμは、参照信号Ｒ（ω）の関数で求められる。すなわち、更新パラメータμは、参照マイクロホン１１１の出力の信号強度が増加した場合に減少し、参照マイクロホン１１１の出力の信号強度が低下した場合に増大する。なお、［数２］では、参照信号Ｒ（ω）の共役関数を、参照信号Ｒ（ω）に記号＊を付して表している。

　そして、パラメータ調整部１３７は、更新パラメータμを［数４］に基づいて導出する。まず、変換部１３３ｂは、時間領域の参照信号ｒ（ｔ）を蓄積し、この蓄積した所定サンプル数の参照信号ｒ（ｔ）にＦＦＴ処理を施して、周波数領域の参照信号Ｒ（ω）を導出する。パラメータ調整部１３７は、参照信号Ｒ（ω）を［数４］に適用して更新パラメータμを逐次導出して、更新パラメータμの導出結果を係数設定部１３５ａへ順次引き渡す。具体的に、パラメータ調整部１３７は、複数の周波数ビンに対応する更新パラメータμ１～μｎをそれぞれ導出する。なお、更新パラメータμ１～μｎを区別しない場合、更新パラメータμと表す。

　係数設定部１３５ａは、周波数領域の参照信号Ｒ（ω）と周波数領域の誤差信号Ｅ（ω）が入力され、周波数ビン毎のＬＭＳアルゴリズムで用いる更新パラメータμ１～μｎがパラメータ調整部１３７によってそれぞれ設定される。そして、係数設定部１３５ａは、周波数領域におけるＦｉｌｔｅｒｅｄ－ＸＬＭＳのアルゴリズムを実行し（［数１］参照）、周波数ビン毎のフィルタ係数Ｗ１（ω）～Ｗｎ（ω）をそれぞれ算出して出力する。

　したがって、消音対象となる騒音の周波数特性にピークあるいはディップがある場合でも、周波数ビン毎にフィルタ係数Ｗ１（ω）～Ｗｎ（ω）をそれぞれ設定することによって、騒音の周波数特性に応じたフィルタ特性を実現することができる。

　逆変換部１３５ｂは、逆ＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）を実行することによって、係数設定部１３５ａが算出した周波数領域のフィルタ係数Ｗ１（ω）～Ｗｎ（ω）を時間領域のフィルタ係数Ｗ１（ｔ）～Ｗｎ（ｔ）にそれぞれ変換する。消音フィルタ１３６ａの周波数ビン毎のフィルタ係数Ｗ１（ｔ）～Ｗｎ（ｔ）は、逆変換部１３５ｂの出力によって設定される。

　そして、係数更新部１３５は、消音フィルタ１３６ａのフィルタ係数Ｗ１（ｔ）～Ｗｎ（ｔ）を逐次更新する。消音フィルタ１３６ａは、騒音信号Ｘ（ｔ）を周波数ビン毎に分離し、周波数ビン毎に、対応するフィルタ係数Ｗ（ｔ）と騒音信号Ｘ（ｔ）との畳み込み演算を行う。そして、消音フィルタ１３６ａは、周波数ビン毎に行われた畳み込み演算の結果の和を出力する。そして、消音フィルタ１３６ａの出力が反転器１３６ｂによって位相反転されることによって、キャンセル信号Ｙ（ｔ）が生成される。キャンセル信号生成部１３６が出力するキャンセル信号Ｙ（ｔ）は、Ｄ／Ａ変換器１２６によってＤ／Ａ変換が施された後、増幅器１２３で増幅され、スピーカ１１３からキャンセル音が出力される。

　キャンセル音（キャンセル信号Ｙ（ｔ））の波形は、消音点における騒音波形に対して逆位相、同振幅となるように生成されており、ファン２２からダクト２１を伝播して吸気口２１ａから放出される騒音を低減させている。

　また、図４に示すように、統計部１３８と、補正部１３９とを備える信号処理装置１２Ａを用いることが好ましい。以下、統計部１３８、補正部１３９の各動作について、図５を用いて説明する。

　まず、変換部１３３ｂは、時間領域の参照信号ｒ（ｔ）を蓄積し、この蓄積したサンプル数Ｍ１の参照信号ｒ（ｔ）にＦＦＴ処理を施して、周波数領域の参照信号Ｒ（ω）を導出する。

　そして、統計部１３８は、所定サンプル数の参照信号Ｒ（ω）を１ブロック（分析長Ｔ１１）として、スペクトル推定を行う。統計部１３８は、１ブロックの参照信号Ｒ（ω）をスペクトル推定の対象として統計処理を順次行い、ＭａｘＨｏｌｄ（極大特性：Ｍ．Ｈ）による参照信号Ｒａ（ω）（第４信号）を生成する。参照信号Ｒａ（ω）は、以下のようにして、複数の周波数ビン毎に信号強度を設定することで生成される。統計部１３８は、一の周波数ビンに対応する信号強度を所定サンプル数の参照信号Ｒ（ω）のそれぞれから取得する。統計部１３８は、取得した複数の信号強度のうち極大値となる信号強度を、参照信号Ｒａ（ω）の一の周波数ビンにおける信号強度として設定する。参照信号Ｒａ（ω）の残りの周波数ビンに対する信号強度も同様の方法で設定する。

　而して、統計部１３８のＭａｘＨｏｌｄによるスペクトル推定処理によって、参照信号Ｒａ（ω）のスペクトル分布は、分析長Ｔ１１の参照信号Ｒ（ω）の極大特性となる。したがって、参照信号Ｒａ（ω）の信号強度が過少に設定されることを抑制できる。

　さらに補正部１３９は、参照信号Ｒａ（ω）に対して補正処理を施す。統計部１３８の分析長Ｔ１１が短い場合、参照信号Ｒａ（ω）の信号強度は本来の特性（長期間特性）より低くなって、誤差が生じやすくなる。一方、統計部１３８の分析長Ｔ１１が長い場合、参照信号Ｒａ（ω）の信号強度は比較的高くなって本来の特性にほぼ一致し、誤差が生じ難い。本実施形態では、統計部１３８の分析長Ｔ１１を短くした短時間測定を行っており、補正部１３９による補正処理を行うことが好ましい。

　具体的に、図６は、参照信号Ｒａ（ω）の二乗［Ｒａ（ω）^２］のスペクトル分布を示しており、分析長Ｔ１１が異なる３つの信号強度特性をそれぞれ示している。図６では、［Ｒａ（ω）^２］を表す縦軸を対数軸としている。そして、本実施形態の統計部１３８による［Ｒａ（ω）^２］は、細破線の特性Ｇ１で示されており、分析長Ｔ１１が最も短い（第１サンプル数）。一方、特性Ｇ１より分析長Ｔ１１を長くした場合の［Ｒａ（ω）^２］を、実線の特性Ｇ２、太破線の特性Ｇ３に示す。実線の特性Ｇ２は、分析長Ｔ１１を特性Ｇ１の１００倍に長くした場合の特性であり、太破線の特性Ｇ３は、分析長Ｔ１１を特性Ｇ１の２００倍に長くした場合（第２サンプル数）の特性である。図６では、分析長Ｔ１１が十分に長い特性Ｇ３は［Ｒａ（ω）^２］の本来の特性であるとみなすことができ、特性Ｇ２は特性Ｇ３にほぼ一致している。一方、特性Ｇ１の信号強度は、他の特性Ｇ２，Ｇ３の信号強度に比べて低くなっている。また図７は、図６の縦軸を線形軸に変換したものであり、この場合も、特性Ｇ１の信号強度が、他の特性Ｇ２，Ｇ３の信号強度に比べて低くなっている。

　図８は、特性Ｇ１，Ｇ２の各信号強度に対する特性Ｇ３の信号強度の比を示す（推定比）。図８中の特性Ｇ１１は、特性Ｇ１の推定比（＝Ｇ３／Ｇ１）であり、図８中の特性Ｇ１２は、特性Ｇ２の推定比（＝Ｇ３／Ｇ２）である。特性Ｇ１１より、特性Ｇ１の推定比は大きく、特性Ｇ１は特性Ｇ３に比べて小さいことがわかる。また、特性Ｇ１２より、特性Ｇ２の推定比は略１であり、特性Ｇ２は特性Ｇ３にほぼ一致していることがわかる。

　すなわち、分析長Ｔ１１が短い本実施形態の［Ｒａ（ω）^２］のスペクトル分布は、本来のスペクトル分布に比べて信号強度が低いことが分かる。

　そこで、補正部１３９は、特性Ｇ１の推定比の平方根を補正パラメータとし、この補正パラメータを参照信号Ｒａ（ω）に乗じて、参照信号Ｒａ（ω）を補正する。すなわち、特性Ｇ１の推定比が９倍である場合、補正部１３９は、補正パラメータ＝３とし、参照信号Ｒａ（ω）を３倍して、補正後の参照信号Ｒｂ（ω）（＝Ｒａ（ω）×３）を導出する。

　すなわち、参照信号Ｒａ（ω）は、短時間での局所的な最大特性であり、雑音信号の長時間分析による母集団の最大特性との誤差を求めておく必要がある。上述の説明では、特性Ｇ１の推定比（特性Ｇ１１）が、母集団の最大特性に対する参照信号Ｒａ（ω）の誤差である。そして、この誤差を実験またはシミュレーション等で予め求めておき、補正部１３９は、参照信号Ｒａ（ω）に対して補正パラメータを乗じることで、この誤差分の補正を施して、補正後の参照信号Ｒｂ（ω）を導出する。

　したがって、参照信号が実際より小さく推定されることを防止できるので、更新パラメータμが過大とならず（数４参照）、フィルタ係数Ｗ（ω）が発散することを抑制できる。

　そして、パラメータ調整部１３７は、更新パラメータμを［数５］に基づいて導出する。具体的に、パラメータ調整部１３７は、フィルタ係数Ｗ１（ω）～Ｗｎ（ω）に対応する更新パラメータμ１～μｎをそれぞれ導出する。

　このとき、パラメータ調整部１３７は、忘却係数αを用いることによって、更新パラメータμを導出することが好ましい。具体的に、パラメータ調整部１３７は、過去の参照信号Ｒｂ（ω）の履歴を記憶しており、［数６］に基づいて、参照信号Ｒｂ（ｉ）（ω）と、参照信号Ｒｂ（ｉ－１）（ω）とのそれぞれに重み付けを行う。なお、［数６］中の（ｉ）は、Ｒｂ（ω）の最新のサンプル番号であり、（ｉ－１）は、Ｒｂ（ω）の１つ前のサンプル番号である。忘却係数αは、０≦α≦１の範囲で予め設定されており、参照信号Ｒｂ（ｉ）（ω）には忘却係数αが乗じられ、参照信号Ｒｂ（ｉ－１）（ω）にはα－１が乗じられて、各乗算結果の和が参照信号Ｒｂ（ω）として導出される。そして、パラメータ調整部１３７は、更新パラメータμを［数５］に基づいて導出する。

　すなわち、更新パラメータμは、現在の更新パラメータμ（ｉ）と過去の更新パラメータμ（ｉ－１）との各々に重み付けをして足し合わせることによって、突発的な変動が抑制される。

　また、係数設定部１３５ａは、Ｆｉｌｔｅｒｅｄ－ＸＬＭＳという周知の逐次更新制御アルゴリズムを周波数領域で用いているが、時間領域の逐次更新制御アルゴリズムを用いてもよい。この場合、ＦＦＴ処理、逆ＦＦＴ処理が不要となる。

　なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、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、本発明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。

　以上述べた実施形態から明らかなように、本発明に係る第１の態様の信号処理装置１２は、音入出力装置１１に組み合わせて用いられる。音入出力装置１１は、参照マイクロホン１１１（第１音入力器）と、誤差マイクロホン１１２（第２音入力器）と、スピーカ１１３（音出力器）とを備える。参照マイクロホン１１１は、ファン２２（騒音源）から発せられた騒音が伝播するダクト２１内（空間）に設けられて騒音を集音する。スピーカ１１３は、キャンセル信号Ｙ（ｔ）を受け取って騒音を打ち消すキャンセル音をダクト２１内に発する。誤差マイクロホン１１２は、ダクト２１内において騒音とキャンセル音との合成音を集音する。この信号処理装置１２は、キャンセル信号生成部１３６と、第１信号変換部１３３と、係数更新部１３５と、パラメータ調整部１３７とを備える。キャンセル信号生成部１３６は、フィルタ係数Ｗ（Ｗ（ｔ））を持つ消音フィルタ１３６ａを具備して、参照マイクロホン１１１の出力に基づいて生成された騒音信号Ｘ（ｔ）（第１信号）を受け取ってキャンセル信号Ｙ（ｔ）を出力する。第１信号変換部１３３は、スピーカ１１３から誤差マイクロホン１１２に至る音響経路の伝達関数Ｃに基づいて騒音信号Ｘ（ｔ）を補正した参照信号Ｒ（ω）（第２信号）を出力する。係数更新部１３５は、参照信号Ｒ（ω）、誤差マイクロホン１１２の出力から生成された誤差信号Ｅ（ω）（第３信号）、および更新パラメータμに基づいて新たなフィルタ係数を算出し、消音フィルタ１３６ａが持つフィルタ係数を新たなフィルタ係数に更新する。この更新パラメータμは、フィルタ係数Ｗを繰り返し算出する処理におけるフィルタ係数Ｗの補正量の大きさに関係する。パラメータ調整部１３７は、参照マイクロホン１１１の出力変動に応じて更新パラメータμを調整する。

　而して、本実施形態の信号処理装置１２は、参照マイクロホン１１１が集音した騒音信号からキャンセル音の回り込み成分を減算することで騒音信号Ｘ（ｔ）を生成している。そして、パラメータ調整部１３７は、この騒音信号Ｘ（ｔ）から生成した参照信号Ｒ（ω）に応じて更新パラメータμを更新しており、参照マイクロホン１１１が集音した騒音信号に応じた更新パラメータμを設定することができる。すなわち、更新パラメータμは、参照マイクロホン１１１が集音する騒音にリアルタイムに適応しており、騒音の変動にリアルタイムに適応したフィルタ係数Ｗが導出され、消音フィルタ１３６ａに設定される。したがって、信号処理装置１２は、温度、湿度、気圧等の環境条件の変化によって変動する騒音をより精度よく消音することができる。

　例えば、レンジフード装置２において参照マイクロホン１１１が集音する騒音は、ダクト２１内の静圧変化、温度変化、湿度変化等によって変動する。そして、本実施形態の信号処理装置１２は、温度、湿度、気圧等の環境条件の変化によって変動するレンジフード装置２の騒音をより精度よく消音することができる。

　本発明に係る第２の態様の信号処理装置１２では、第１の態様において、係数更新部１３５による新たなフィルタ係数を算出する処理の収束時間Ｔ１は、更新パラメータμが小さいほど長くなる（図３参照）。そして、パラメータ調整部１３７は、参照マイクロホン１１１の出力の信号強度が増加した場合に更新パラメータμの値を減少させ、参照マイクロホン１１１の出力の信号強度が低下した場合に更新パラメータμの値を増大させることが好ましい（［数４］参照）。

　この場合、信号処理装置１２は、温度、湿度、気圧等の環境条件の変化によって変動する騒音に対して、フィルタ係数Ｗの発散状態、非誤差最小状態を抑制して、更新制御の収束時間Ｔ１を短くできる。本実施形態の信号処理装置１２は、上述の［数４］にしたがって、ＬＭＳアルゴリズムによるフィルタ係数Ｗの更新制御に用いられる更新パラメータμを求める。

　本発明に係る第３の態様の信号処理装置１２では、第１の態様または第２の態様において、誤差マイクロホン１１２出力から出力された時間領域の誤差信号ｅ（ｔ）から周波数領域の誤差信号Ｅ（ω）を生成する第２信号変換部１３４をさらに備える。第１信号変換部１３３は、時間領域の参照信号ｒ（ｔ）を周波数領域の参照信号Ｒ（ω）に変換し、参照信号Ｒ（ω）を出力することが好ましい。そして、消音フィルタ１３６ａは、所定の周波数帯域を複数の周波数ビンに分割して、周波数ビン毎にフィルタ係数Ｗ（Ｗ（ｔ））を持ち、係数更新部１３５は、周波数領域において複数周波数ビン毎にフィルタ係数Ｗ（Ｗ（ω））を算出する。パラメータ調整部１３７は、複数の周波数ビンのそれぞれに対応する更新パラメータμ１～μｎを調整する。

　この場合、信号処理装置１２は、消音対象となる騒音の周波数特性にピークあるいはディップがある場合でも、周波数ビン毎にフィルタ係数Ｗ（Ｗ１～Ｗｎ）を設定することによって、騒音の周波数特性に応じたキャンセル音を生成することができる。したがって、信号処理装置１２は、消音対象となる騒音の周波数特性にピークあるいはディップがある場合でも、消音性能を維持することができる。

　本発明に係る第４の態様の信号処理装置１２では、第３の態様において、パラメータ調整部１３７は、参照マイクロホン１１１の出力変動として参照信号Ｒ（ω）の変動を用い、参照信号Ｒ（ω）の変動に基づいて更新パラメータμを調整することが好ましい。

　具体的に、信号処理装置１２は、騒音信号Ｘ（ｔ）と伝達関数Ｃ＾との畳み込み演算を行い、この畳み込み演算の結果に対してＦＦＴ処理を施して参照信号Ｒ（ω）を得て、この参照信号Ｒ（ω）に基づいて更新パラメータμを導出している。すなわち、信号処理装置１２は、参照マイクロホン１１１の出力変動として参照信号Ｒ（ω）の変動を用いる。一方、騒音信号Ｘ（ｔ）と伝達関数Ｃ＾との各々にＦＦＴ処理を個別に行い、ＦＦＴ処理を施した騒音信号Ｘ（ω）とＦＦＴ処理を施した伝達関数Ｃ＾との畳み込み演算を行って、参照信号Ｒ（ω）を得る方法もある。しかしながら、本実施形態で採用している前者の方法では、１回のＦＦＴ処理で更新パラメータμを導出できるが、後者の方法では、更新パラメータμを導出するために２回のＦＦＴ処理が必要になる。したがって、信号処理装置１２は、ＦＦＴ処理の回数を減らすことができるので、演算負荷を抑制することができる。

　本発明における第５の態様の信号処理装置１２では、第３の態様または第４の態様において、統計部１３８と、補正部１３９とを備えることが好ましい。統計部１３８は、複数の周波数ビンのそれぞれに対して、当該周波数ビンに対する信号強度を所望のサンプル数（分析長Ｔ１１）の参照信号Ｒ（ω）のそれぞれから取得する。統計部１３８は、取得した複数の信号強度のうち極大値である信号強度を、当該周波数ビンの信号強度として設定する統計処理によって参照信号Ｒａ（ω）（第４信号）を生成する。補正部１３９は、第１信号強度と第２信号強度との比に基づいて、参照信号Ｒａ（ω）を補正する。ここで、第１信号強度は、参照信号Ｒ（ω）のサンプル数を第１サンプル数とした場合に統計処理によって生成される信号の強度である。第２信号強度は、参照信号Ｒ（ω）のサンプル数を第１サンプル数より多い第２サンプル数とした場合に統計処理によって生成される信号の強度である。そして、パラメータ調整部１３７は、補正部１３９によって補正された参照信号Ｒａ（ω）を用いて更新パラメータμを導出する。

　したがって、参照信号が実際より小さく推定されることを防止できるので、更新パラメータμが過大とならず、フィルタ係数Ｗ（ω）が発散することを抑制できる。すなわち、信号処理装置１２は、参照マイクロホン１１１による短時間測定によって、本来の特性に近い参照信号Ｒｂ（ω）を取得でき、更新パラメータμを最適値μａにさらに近付けることができる。

　本発明に係る第６の態様の信号処理装置１２では、第１の態様から第５の態様のうちいずれかの態様において、パラメータ調整部１３７は、忘却係数αを用いることによって、更新パラメータμを導出することが好ましい。この場合、ノイズ等による更新パラメータμの突発的な変動が抑制される。

　本発明に係る第７の態様のプログラムは、コンピュータを、上述の信号処理装置１２として機能させる。

　このプログラムによると、温度、湿度、気圧等の環境条件の変化によって変動する騒音をより精度よく消音することができる。

　本発明に係る第８の態様のレンジフード装置２は、中空状のダクト２１（通気路）と、ファン２２（送風装置）と、参照マイクロホン１１１（第１の音入力器）と、スピーカ１１３（音出力器）と、誤差マイクロホン１１２（第２の音入力器）と、信号処理装置１２とを備える。そして、ダクト２１の第１端から第２端に向かって、誤差マイクロホン１１２、スピーカ１１３、参照マイクロホン１１１の順に配置される。ファン２２は、ダクト２１の第１端から第２端に向かう気流を発生させる。参照マイクロホン１１１は、ダクト２１内に設けられてファン２２が発する騒音を集音する。スピーカ１１３は、キャンセル信号を入力されて騒音を打ち消すキャンセル音をダクト２１内に発する。誤差マイクロホン１１２は、ダクト２１内において騒音とキャンセル音との合成音を集音する。

　このレンジフード装置２によると、温度、湿度、気圧等の環境条件の変化によって変動する騒音をより精度よく消音することができる。

Claims

　騒音源から発せられた騒音が伝播する空間に設けられて前記騒音を集音する第１音入力器と、キャンセル信号を受け取って前記騒音を打ち消すキャンセル音を前記空間に出力する音出力器と、前記空間において前記騒音と前記キャンセル音との合成音を集音する第２音入力器とを備える音入出力装置に組み合わせて用いられて、
　フィルタ係数を持つ消音フィルタを具備して、前記第１音入力器の出力に基づいて生成された第１信号を受け取って前記キャンセル信号を出力するキャンセル信号生成部と、
　前記音出力器から前記第２音入力器に至る音響経路の伝達関数に基づいて前記第１信号を補正した第２信号を出力する第１信号変換部と、
　前記第２信号、前記第２音入力器の出力から生成された第３信号、および前記フィルタ係数の補正量の大きさに関係する更新パラメータに基づいて新たなフィルタ係数を算出し、前記消音フィルタが持つ前記フィルタ係数を前記新たなフィルタ係数に更新する係数更新部と、
　前記第１音入力器の出力変動に応じて前記更新パラメータを調整するパラメータ調整部と
　を備えることを特徴とする信号処理装置。
　前記係数更新部による前記新たなフィルタ係数を算出する処理の収束時間は、前記更新パラメータが小さいほど長くなり、
　前記パラメータ調整部は、前記第１音入力器の出力の信号強度が増加した場合に前記更新パラメータの値を減少させ、前記第１音入力器の出力の信号強度が低下した場合に前記更新パラメータの値を増大させる
　ことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
　前記第２音入力器から出力された時間領域の信号を周波数領域の信号に変換して前記第３信号を生成する第２信号変換部をさらに備えて、
　前記第１信号変換部は、時間領域の信号を周波数領域の信号に変換して、前記第２信号として出力し、
　前記消音フィルタは、所定の周波数帯域を複数の周波数ビンに分割して、前記複数の周波数ビン毎に前記フィルタ係数を持ち、
　前記係数更新部は、周波数領域において前記複数の周波数ビン毎に前記フィルタ係数を算出し、
　前記パラメータ調整部は、前記複数の周波数ビンのそれぞれに対応する前記更新パラメータを調整する
　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。
　前記パラメータ調整部は、前記第１音入力器の出力変動として前記第２信号の変動を用い、前記第２信号の変動に基づいて前記更新パラメータを調整することを特徴とする請求項３記載の信号処理装置。
　前記複数の周波数ビンのそれぞれに対して、当該周波数ビンに対する信号強度を所望のサンプル数の前記第２信号のそれぞれから取得し、取得した複数の周波数ビンのうち極大値である信号強度を当該周波数ビンの信号強度として設定する統計処理によって第４信号を生成する統計部と、
　前記第２信号のサンプル数を第１サンプル数とした場合に前記統計処理によって生成される信号の信号強度と、前記第２信号のサンプル数を前記第１サンプル数より多い第２サンプル数とした場合に前記統計処理によって生成される信号の信号強度との比に基づいて、前記第４信号を補正する補正部とを備え、
　前記パラメータ調整部は、前記補正部によって補正された前記第４信号を用いて前記更新パラメータを導出する
　ことを特徴とする請求項３または４記載の信号処理装置。
　前記パラメータ調整部は、忘却係数を用いることによって、前記更新パラメータを導出することを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載の信号処理装置。
　コンピュータを、請求項１乃至６いずれか記載の信号処理装置として機能させることを特徴とするプログラム。
　中空状の通気路と、前記通気路の第１端から第２端に向かう気流を発生させる送風装置と、前記通気路内に設けられて前記送風装置が発する騒音を集音する第１の音入力器と、キャンセル信号を受け取って前記騒音を打ち消すキャンセル音を前記通気路内に出力する音出力器と、前記通気路内において前記騒音と前記キャンセル音との合成音を集音する第２の音入力器と、請求項１乃至６いずれか記載の信号処理装置とを備え、前記通気路の前記第１端から前記第２端に向かって、前記第２の音入力器、前記音出力器、前記第１の音入力器の順に配置されることを特徴とするレンジフード装置。