JP4977551B2 - 能動型騒音制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、オーディオ信号を楽音に変えて出力するスピーカから前記楽音とともにロードノイズの逆位相の相殺音を併せて出力し、ロードノイズを打ち消して消音することにより乗車者が、前記スピーカからの楽音をより明瞭に聴けるようにした能動型騒音制御装置に関する。

道路（ロード）から受ける車輪の振動がサスペンションを介して車体に伝わり、特に車室内のような閉空間の音響的な共鳴特性により励起され、４０Ｈｚ程度にピークを有し２０〜１５０Ｈｚ帯域幅のロードノイズ（「ゴー」というこもった音で、ドラミングノイズとも呼ばれる）を、マイクロフォンが配置される評価点（受聴点）において前記ロードノイズと逆位相の相殺音により打ち消す能動型騒音制御装置が提案されている。

一方、近時、乗用車両には、チューナ、コンパクトディスク、ハードディスク等種々の音楽ソースの楽音を楽しむためのオーディオユニットが備えられている。

コストの低減、スペースの有効利用のために、前記相殺音と前記楽音とは、同一のスピーカから出力される。

ところで、楽音には、ロードノイズと同一周波数の成分が離散的に含まれる。そして、上記マイクロフォンには、ロードノイズと楽音の両方が入力される。

この場合、前記マイクロフォンの出力は、前記能動型騒音制御装置の誤差信号として利用されるが、誤差信号にロードノイズと楽音の両方による混合信号が入力されるので、能動型騒音制御装置は、この混合信号（誤差信号）をゼロ値とするように制御しようとするため、適応動作が安定しなくなり、消音したいロードノイズが十分に減衰しないという問題がある。

この問題を解決しようとする能動型騒音制御装置が提案されている（特許文献１、２）。

図６は、特許文献１で提案された能動型騒音制御装置１の構成を示している。この能動型騒音制御装置１では、オーディオ装置２から発生されたオーディオ信号が、加算器３を介しスピーカ４から楽音（オーディオ信号再生音）として出力され、誤差検出器５で受音される。

その一方で、オーディオ装置２から発生されたオーディオ信号は、スピーカ４から誤差検出器５までの音の伝達特性を有するデジタルフィルタ６により処理された信号とされる。

減算器８は、誤差検出器５の出力信号からデジタルフィルタ６の出力信号を減算することにより、オーディオ信号の影響を除いて、適応フィルタ９の誤差信号として出力する。

適応フィルタ９は、誤差信号がゼロ値となるように係数更新を行い、騒音検出器１０で検出した騒音信号の振幅と位相を調整した制御信号を加算器３を介して、スピーカ４から相殺音として出力すると記載されている。

しかしながら、この特許文献１に係る能動型騒音制御装置１では、騒音検出器１０がスピーカ４と同一音響空間内に設置された場合には、スピーカ４からの楽音が騒音検出器１０にフィードバックし、適応フィルタ９が安定に収束しない等、騒音制御の動作に悪影響を及ぼす問題点がある。また、デジタルフィルタ６での演算負荷が大きいという問題もある。

図７は、特許文献２で提案された能動型騒音制御装置３０の構成を示している。この能動型騒音制御装置３０は、ローパスフィルタ２２、適応フィルタ２３、加算部２４、適応信号処理部２５によりオーディオ信号の低周波成分を除去するキャンセル信号Ｚ（ｎ）を発生し、該キャンセル信号Ｚ（ｎ）をマイク１２により検出された合成音信号ｇ（ｎ）より除去し信号ｇ（ｎ）´を生成する。

騒音信号発生部１５は信号ｇ（ｎ）´から第１のキャンセル音伝搬系特性付与部１３の出力Ｓ（ｎ）を差し引いて騒音信号ｄ（ｎ）を発生する。第２のキャンセル音伝搬系特性付与部１８は該騒音信号ｄ（ｎ）にキャンセル音伝搬系特性を畳み込む。

適応予測処理部１９は第２のキャンセル音伝搬系特性付与部１８の出力ｒ（ｎ）を入力され、自分が予測する予測騒音信号と騒音信号との差が零となるように適応予測処理を行ってデジタルフィルタ１６の係数を決定する。デジタルフィルタ１６は決定された係数を用いて騒音信号ｄ（ｎ）にフィルタリング処理を施して符号反転部１７で符号を反転した騒音キャンセル信号ｙ（ｎ）を発生してスピーカ１１に入力する。

このように、能動型騒音制御装置３０では、オーディオ信号の低周波成分を除去するキャンセル信号Ｚ（ｎ）を生成し、マイク１２により検出された合成音信号ｇ（ｎ）から除去することで、楽音を低減しないで騒音を低減すると記載されている。

しかしながら、特許文献２に係る能動型騒音制御装置３０では、キャンセル信号Ｚ（ｎ）を生成する際に、ローパスフィルタ２２と適応フィルタ２３とを利用していることから構成要素が多く、また、スピーカ１１からマイク１２までのキャンセル音伝搬系の特性を付与する第１のキャンセル音伝搬系特性付与部１３での演算負荷も大きく、全体として演算負荷が大きいという問題がある。

特開平５−４０４８７号公報 特開平６−３０８９７６号公報

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであって、きわめて簡単な構成によりオーディオ信号中のロードノイズの周波数に対応する周波数成分を抽出し、かつきわめて簡単な構成により、抽出した周波数成分を誤差信号から除去した補正誤差信号（ロードノイズ成分のみからなる誤差信号）を生成することを可能とする能動型騒音制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る能動型騒音制御装置は、ロードノイズと、オーディオ信号に基づく音出力器からの楽音と、制御信号に基づく前記音出力器からの前記ロードノイズの相殺音と、の混合音を検出し誤差信号として出力する音検出器と、前記オーディオ信号の周波数成分中、前記ロードノイズの制御周波数を中心周波数とした成分を抽出し、抽出信号を生成する適応ノッチフィルタと、前記抽出信号の位相を遅延した遅延抽出信号を出力する遅延器と、前記誤差信号から前記遅延抽出信号を減算して補正誤差信号を生成する減算器と、前記補正誤差信号と前記ロードノイズに関する基準信号とに基づいて前記制御信号を生成する能動型騒音制御器と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、適応ノッチフィルタにより、オーディオ信号の周波数成分中、ロードノイズの制御周波数を中心周波数とした成分を抽出して抽出信号を生成し、遅延器により該抽出信号の位相を遅延した遅延抽出信号を出力し、誤差信号から前記遅延抽出信号を減算して補正誤差信号を生成するようにしているので、きわめて簡単な構成によりオーディオ信号中のロードノイズの周波数に対応する周波数成分を抽出し、かつきわめて簡単な構成により、抽出した周波数成分を誤差信号から除去した補正誤差信号（ロードノイズ成分のみからなる誤差信号）を生成することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。

図１は、この発明に係る能動型騒音制御装置の一実施の形態が適用された車両用音響制御装置１００の構成を示すブロック図である。

車両に搭載される車両用音響制御装置１００は、基本的には、チューナ、コンパクトディスク、ハードディスク等種々の内部の音楽ソース１６０の楽音や、携帯音楽再生装置等の外部の音楽ソースから外部入力（ＡＵＸ入力等）１６２を通じて得た楽音を楽しむためのオーディオ信号Ｓａを出力するオーディオユニット１２０と、低周波のロードノイズ（ドラミングノイズ）を打ち消すための能動型騒音制御ユニット（ＡＮＣユニット）１１８とを備える。

オーディオユニット１２０及びＡＮＣユニット１１８は、コンピュータを含んで構成され、ＣＰＵが各種入力に基づきＲＯＭ等のメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能実現手段としても動作する。

ロードノイズと、このロードノイズの相殺音と楽音とを受音するマイクロフォン（音検出器）１０８は、車室内空間１０４の前後方向の音響固有モードの１次又は２次モードにおける腹部分の位置｛２０〜１５０Ｈｚ帯域幅のロードノイズ中、４２［Ｈｚ］又は８４［Ｈｚ］の車室内共鳴音の定在波の音圧が大きな位置｝に設けられている。具体的には、車両がセダンであれば、車両の幅方向の断面が閉空間となる、例えば前部位置近傍、例えば前座席の足元付近、ルームミラー近傍、インストルメンタルパネルの奥の位置等である。

複数のスピーカ（音出力器）１０６は、５ｃｈサウンドのサラウンド効果を高めるために、例えば、車両前席側の左右キックパネル部、インストルメントルパネル中央下部、車両後席側のＣピラー下部の左右ボディ部等に配置される。なお、０．１ｃｈ分のウーハは方向性をほとんど持たないので任意の位置に配置される。

加算器１２４、Ｄ／Ａ変換器１１６及び増幅器１１０から構成される合成ユニット１２６は、オーディオユニット１２０の増幅器１５４から出力されるオーディオ信号ＳａとＡＮＣユニット１１８で生成される相殺音信号としての制御信号Ｓｃとを加算器１２４で合成して合成信号Ｓｓとし、合成信号ＳｓをＤ／Ａ変換器１１６、増幅器１１０を介して車室内空間１０４内のスピーカ１０６に供給する。

スピーカ１０６は、合成信号Ｓｓに含まれるオーディオ信号Ｓａに基づく楽音と制御信号Ｓｃに基づく相殺音の合成音を出力する。

マイクロフォン１０８は、スピーカ１０６から出力される楽音と相殺音とロードノイズを受音し、ロードノイズと相殺音（の差）に楽音が加わった誤差信号を出力する。この誤差信号は、ＡＮＣユニット１１８のＡ／Ｄ変換器１１４を通じてデジタル信号の誤差信号ｅ１とされ減算器１１５の被減算入力ポートに供給される。

減算器１１５の減算入力ポートには、オーディオ信号Ｓａ中、ノードノイズの制御周波数ｆｄ（この実施形態では、ｆｄ＝４２［Ｈｚ］）を中心周波数とする後述の遅延抽出信号Ｓａｄφが供給されている。

減算器１１５の出力には、誤差信号ｅ１から遅延抽出信号Ｓａｄφが減算された補正誤差信号ｅ２が得られる。補正誤差信号ｅ２は、能動型騒音制御器（ＡＮＣ）１１２に供給される。

能動型騒音制御器１１２は、フィードフォワード型のｆｉｌｔｅｒｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムを利用した回路であり、車種により固定の、例えば、４２［Ｈｚ］程度のロードノイズの制御周波数ｆｄ［Ｈｚ］に同期した余弦波信号ｃｏｓ（２πｆｄｔ）と正弦波信号ｓｉｎ（２πｆｄｔ）を生成する基準信号生成器７０（余弦波信号生成器７０ａと正弦波信号生成器７０ｂ）と、スピーカ１０６からマイクロフォン１０８までの車室４でのロードノイズの周波数の音の伝達特性を模擬した模擬伝達関数Ｃ＾｛模擬伝達関数（実部）Ｃｒ（ｆｄ）及び模擬伝達関数（虚部）Ｃｉ（ｆｄ）｝が設定され、余弦波信号ｃｏｓ（２πｆｄｔ）と正弦波信号（ｓｉｎ２πｆｄｔ）に作用させて参照信号ｒ（ｎ）｛模擬余弦波信号である参照信号ｒｃ及び模擬正弦波信号である参照信号ｒｓ｝を生成する参照信号生成器（フィルタ）７４と、参照信号ｒ（ｎ）と補正誤差信号ｅ２（ｎ）とが供給され、誤差信号ｅ２（ｎ）が最小となる適応制御アルゴリズム、例えば最急降下法の一種であるＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）アルゴリズムに基づいて１タップ適応フィルタ（適応ノッチフィルタ）１７１、１７２のフィルタ係数Ａ、Ｂを更新するフィルタ係数更新器（アルゴリズム演算器）１９１、１９２と、１タップ適応フィルタ１７１、１７２から供給される係数Ａが乗算された余弦波信号Ａ×ｃｏｓ（２πｆｄｔ）と係数Ｂが乗算された正弦波信号Ｂ×ｓｉｎ（２πｆｄｔ）を加算して制御信号Ｓｃ（ｎ）｛Ｓｃ（ｎ）＝Ａ×ｃｏｓ（２πｆｄｔ）＋Ｂ×ｓｉｎ（２πｆｄｔ）｝を生成する加算器１９６とを備える。

ＡＮＣユニット１１８は、さらに、帯域フィルタ（ＢＰＦ）として機能する適応ノッチフィルタ１１３を備える。適応ノッチフィルタ１１３は、いわゆるＳＡＮ（Ｓｉｎｇｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｎｏｔｃｈ ｆｉｌｔｅｒ）の構成とされている。

適応ノッチフィルタ（ＳＡＮ）１１３は、基準信号生成器７０（余弦波信号生成器７０ａと正弦波信号生成器７０ｂ）を能動型騒音制御器１１２と共用している。

適応ノッチフィルタ１１３は、１タップ適応フィルタ（適応ノッチフィルタ）１８１、１８２のフィルタ係数Ａａ、Ｂａを更新するフィルタ係数更新器（アルゴリズム演算器）１９３、１９４を有している。

フィルタ係数更新器（アルゴリズム演算器）１９３、１９４には、それぞれ余弦波信号ｃｏｓ（２πｆｄｔ）と正弦波信号ｓｉｎ（２πｆｄｔ）とが供給されるとともに、オーディオ信号Ｓａから抽出信号Ｓａｄを減算した誤差信号ｅ３が減算器１９８から供給される。フィルタ係数更新器１９３、１９４は、誤差信号ｅ３がゼロ値となるようにフィルタ係数Ａａ、Ｂａを更新する。結果として、抽出信号Ｓａｄは、オーディオ信号Ｓａの周波数成分中、ロードノイズの制御周波数ｆｄを中心とした成分となる。すなわち、適応ノッチフィルタ１１３は、中心周波数ｆｄ（ｆｄ＝４２［Ｈｚ］）の帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）として機能する。

図２は、適応ノッチフィルタ１１３の通過帯域周波数特性２５０を示している。通過帯域周波数特性２５０から、中心周波数ｆｄ（ｆｄ＝４２［Ｈｚ］）で急峻な帯域通過フィルタとして動作することが分かる。急峻さは、制御パラメータであるステップサイズパラメータを調整することで変化させることができる。

抽出信号Ｓａｄの位相を遅延した遅延抽出信号Ｓａｄφが遅延器２０２から出力される。遅延器２０２から出力された遅延抽出信号Ｓａｄφは、振幅調整器（利得調整器）２０３により振幅（利得）が調整されて減算器１１５の減算入力に供給される。

遅延器２０２に必要な位相特性（遅延特性）について説明すると、まず、ｆｄ＝４２［Ｈｚ］の正弦波信号（又は余弦波信号）が、Ｄ／Ａ変換器１１６の入力からＡ／Ｄ変換器１１４の出力（概ね、スピーカ１０６からマイクロフォン１０８）までにどれだけ遅延するかを考慮する必要がある。

図３中、点線の特性２５２は、図１の車室内空間１０４で測定した実際の位相特性を示している。ｆｄ＝４２［Ｈｚ］を中心周波数としてその近傍で、この実施形態では、制御対象周波数４２［Ｈｚ］±１０［Ｈｚ］で、特性２５２に近似した実線の特性２５４により遅延器２０２を形成した。移相器として機能する遅延器２０２は、１００タップ遅延フィルタにより形成した。

このようにすれば、スピーカ１０６から車室内空間１０４を経て減算器１１５の被減算入力端子まで伝達してきたオーディオ信号Ｓａ中の中心周波数ｆｄ（ロードノイズの制御周波数）の成分の位相に対して逆相の成分（遅延抽出信号Ｓａｄφを減算器１１５の減算入力で反転した信号）が、減算器１１５で減算されることから、減算器１１５の出力側には、４２［Ｈｚ］において、楽音成分が除去されたロードノイズの成分のみを含む補正誤差信号ｅ２が出力されることになる。

すなわち、誤差信号ｅ１には、ロードノイズとこの逆相の相殺音を合成したロードノイズ制御周波数ｆｄの誤差信号成分と、楽音（ロードノイズ制御周波数ｆｄに等しい周波数成分を含む。）がマイクロフォン１０８で変換されたオーディオ信号が含まれることから、このロードノイズ制御周波数ｆｄに等しい周波数のオーディオ信号の逆相信号（−遅延抽出信号Ｓａｄφ）を減算することにより補正誤差信号ｅ２は、ロードノイズ制御周波数ｆｄにおいてロードノイズの誤差信号のみを含むことになる。なお、振幅調整器２０３は、スピーカ１０６からマイクロフォン１０８までの４２［Ｈｚ］の楽音の減衰分を補うために、遅延抽出信号Ｓａｄφの振幅（ゲイン）を調整する。このようにして、−遅延抽出信号Ｓａｄφ（「−」は、負、反転の意）は、マイクロフォン１０８で変換されたオーディオ信号中、４２［Ｈｚ］のオーディオ信号に対して、同振幅・逆相の信号になる。

こうして、能動型騒音制御器１１２は、補正誤差信号ｅ２がゼロ値になるように作動するので、相殺音と楽音が混合していても、ロードノイズをマイクロフォン１０８（受音）位置で正確に打ち消すことができる。

以上説明したように、上述した実施形態によれば、ロードノイズと、オーディオ信号Ｓａに基づくスピーカ１０６からの楽音と、制御信号Ｓｃに基づくスピーカ１０６からの前記ロードノイズの相殺音との混合音をマイクロフォン１０８で検出し、誤差信号ｅ１を得る。

また、適応ノッチフィルタ１１３によりオーディオ信号Ｓａから、ロードノイズの制御周波数ｆｄを中心周波数として成分を抽出し、抽出信号Ｓａｄを生成する。

さらに、遅延器２０２により、抽出信号Ｓａｄの位相を概ねスピーカ１０６からマイクロフォン１０８までの位相遅延時間分遅延した遅延抽出信号Ｓａｄφを出力する。その際、振幅調整器２０３により遅延抽出信号Ｓａｄφの振幅を調整する。

そして、減算器１１５により、誤差信号ｅ１に含まれる周波数ｆｄのオーディオ信号Ｓａの前記位相遅延時間分遅延した成分から、遅延抽出信号Ｓａｄφを減算することで、減算器１１５の出力には、相殺音で相殺されなかった周波数ｆｄの残りのロードノイズ信号のみの誤差信号ｅ２が得られる。

この誤差信号ｅ２がゼロ値となるように能動型騒音制御器１１２が動作し、制御信号Ｓｃを出力する。

この制御信号Ｓｃとオーディオ信号Ｓａが加算器１２４で加算され、Ｄ／Ａ変換器１１６、増幅器１１０、スピーカ１０６を通じて相殺音並びに楽音として車室内空間１０４に出力される。

このように、適応ノッチフィルタ１１３により、オーディオ信号Ｓａから、ロードノイズの制御周波数ｆｄを中心周波数として成分を抽出し抽出信号Ｓａｄを生成し、遅延器２０２により抽出信号Ｓａｄの位相を遅延した遅延抽出信号Ｓａｄφを出力し、減算器１１５により誤差信号ｅ１から遅延抽出信号Ｓａｄφを減算して補正誤差信号ｅ２を生成するようにしているので、きわめて簡単な構成により、演算処理量を少なく、補正誤差信号（ロードノイズ成分のみからなる誤差信号）ｅ２を生成することができる。

しかも、消音しようとするロードノイズを確実に消音でき、オーディオ信号Ｓａによる周波数ｆｄの楽音を車室内空間１０４内で消音することもない。構成が簡単であることからシステムもきわめて安定である。このようにして高精度なオーディオ音質補償を行うことができる。

図４は、ロードノイズの相殺効果を説明する特性図で、能動型騒音制御器１１２をＯＦＦ状態にした特性２５６と、ＯＮ状態にした特性２５８とを示している。音圧レベル（ＳＰＬ）で、ロードノイズの制御周波数ｆｄ＝４２［Ｈｚ］で約１０［ｄＢ］ロードノイズが減少していることが分かる。

図５は、オーディオ音質補償の効果を説明する特性図である。図５において、点線の特性２６０は、オーディオ信号Ｓａによる楽音の原特性を示している。一点鎖線の特性２６２は、オーディオ音質補償に係る適応ノッチフィルタ１１３がＯＦＦ状態でＡＮＣユニット１１８を作動させた状態の特性であり、オーディオ信号Ｓａの特性２６０中、ロードノイズの制御周波数ｆｄの成分が５［ｄＢ］程度減衰しており、他の周波数においても、原特性である特性２６０から変動していることが分かる。これに対して、適応ノッチフィルタ１１３をＯＮ状態にした実線の特性２６４は、原特性の特性２６０と略一致し、高精度にオーディオ音質補償が達成されていることが分かる。

すなわち、この実施形態によれば、スピーカ１０６からの楽音とスピーカ１０６からの相殺音とが混合されていても、この相殺音により相殺しようとするロードノイズを確実に相殺し、かつ楽音に影響を与えない車両用音響制御装置１００を構築することができる。

この発明に係る能動型騒音制御装置の一実施の形態が適用された車両用音響制御装置の構成を示すブロック図である。 適応ノッチフィルタの通過帯域周波数特性を示す説明図である。 車室内空間の位相特性と、その近似特性の説明図である。 ロードノイズの相殺効果を示す特性図である。 オーディオ音質補償の効果を示す特性図である。 従来技術に係る能動型騒音制御装置の構成図である。 他の従来技術に係る能動型騒音制御装置の構成図である。

符号の説明

１００…車両用音響制御蔵置
１１２…能動型騒音制御器
１１３…適応ノッチフィルタ
１１８…能動型騒音制御ユニット（ＡＮＣユニット）
１２０…オーディオユニット
２０２…遅延器

Claims (1)

1. 楽音としてのオーディオ信号を出力するオーディオユニットと、
   相殺音としての制御信号を出力する能動型騒音制御ユニットと、
   前記オーディオ信号と前記制御信号を合成して合成信号を生成する加算器と、
   前記合成信号に含まれる、前記オーディオ信号に基づく前記楽音と、前記制御信号に基づく前記相殺音との合成音を出力するスピーカと、
   ロードノイズと、前記スピーカから出力される前記合成音を受音し、前記ロードノイズと前記相殺音に前記楽音が加わった誤差信号を出力するマイクロフォンと、を備え、
   前記能動型騒音制御ユニットは、
   前記ロードノイズの制御周波数に同期した基準信号を生成する基準信号生成器と、
   前記基準信号に基づいて前記制御信号を生成する適応ノッチフィルタと、
   前記スピーカから前記マイクロフォンまでの音の伝達特性を模擬した模擬伝達関数を前記基準信号に作用させて参照信号を生成する参照信号生成器と、
   前記オーディオ信号の周波数成分中、前記ロードノイズの制御周波数を中心周波数とした成分を抽出し、抽出信号を生成する第２適応ノッチフィルタと、
   前記抽出信号の位相を遅延した遅延抽出信号を出力する遅延器と、
   前記誤差信号から前記遅延抽出信号を減算することで、前記楽音の、前記制御周波数を中心周波数とする成分を除去した補正誤差信号を生成する減算器と、
   前記参照信号と前記補正誤差信号とに基づいて前記補正誤差信号が最小になるように前記適応ノッチフィルタのフィルタ係数を更新するフィルタ係数更新器と、
   を備えることを特徴とする能動型騒音制御装置。

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