JP7599788B2 - 能動型騒音制御システム - Google Patents

Description

本発明は、主として、騒音を打ち消す騒音キャンセル音を放射することにより騒音を低減する能動型騒音制御(ANC;Active Noise Control）の技術に関するものである。

能動型騒音制御の技術としては、図３に示す能動型騒音制御システムのように、第１エリアのユーザ用の音源装置である第１音源装置５１から第１エリアのユーザ用のスピーカ５２に出力されている音楽などの音声を、第２のエリアのユーザにとっての騒音として、適応フィルタ５３を用いて生成した騒音キャンセル音を、第２エリアのユーザ用の音源装置である第２音源装置５６の出力に加算して、第２エリアのスピーカ５４から出力する技術が知られている（たとえば、特許文献１）。

この能動型騒音制御システムでは、第２エリアに配置したエラーマイク５５と、伝達関数として第２エリアのスピーカ５４からエラーマイク５５までの伝達関数C(z)として推定される伝達関数C^(z)を設定した、第１音源装置５１の出力を入力とする二次経路再現フィルタ５６を用いる。また、適応フィルタ５３において、係数更新部５３２で、エラーマイク５５の出力をエラーとして、二次経路再現フィルタ５６の出力を参照信号としてLMSアルゴリズムを行うFiltered-X LMSアルゴリズムによって、第１音源装置５１の出力から騒音キャンセル音を生成する可変フィルタ５３１のフィルタ係数をエラーが最小となるように更新する。

また、図４に示すように、第１エリアのマイク６１でピックアップしたユーザの音声を第２エリアのスピーカ６３から出力し、第２エリアのマイク６４でピックアップしたユーザの音声を第１エリアのスピーカ６２から出力することにより、第１エリアのユーザと第２エリアのユーザの対話を支援するシステムにおいて、適応フィルタ６５を用いて、エコーをキャンセルするキャンセル音を生成し、キャンセル音を第２エリアのマイク６４の出力に加算器６６で加算することにより、第２エリアのスピーカ６３から第２エリアのマイク６４にまわりこんだエコーをキャンセルするエコーキャンセルシステムも知られている
（たとえば、特許文献２）。

このエコーキャンセルシステムでは、適応フィルタ６５において、第１エリアのマイク６１の出力からキャンセル音を生成する可変フィルタ６５１のフィルタ係数を、係数更新部６５２によって、加算器６６の出力をエラー、第１エリアのマイク６１の出力を参照信号として、LMSアルゴリズム等によりエラーが最小となるように更新する。

特開２０１０-１６３０５４号公報 特開２０１０- １６５６４号公報

図３に示した能動型騒音制御システムによれば、第２エリアのスピーカ５４から出力される第２音源装置５６の出力音が、エラーマイク５５によってピックアップされ、キャンセルし残った騒音と共に適応フィルタ５３に入力しエラーとして処理されることとなるが、この第２音源装置５６の出力音は、キャンセルすべき騒音の成分ではないため、適応フィルタ５３にとって、適正な騒音キャンセル音の生成を妨げる外乱となる。

そこで、本発明は、騒音を検出するマイクに音源装置の出力音が入力してしまう場合でも良好な騒音のキャンセルを行うことを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、騒音を低減する能動型騒音制御システムに、第１のエリアに配置されたマイクである第１エリアマイクと、第２のエリアに音を出力するスピーカである第２エリアスピーカと、第２のエリアに配置されたマイクである第２エリアマイクと、前記第２エリアスピーカから出力される音を出力する音源装置である第２エリア音源装置と、前記第１エリアマイクの出力と前記第２エリア音源装置の出力とを加算する第１加算器と、前記第１加算器の出力を入力とするエコーキャンセル用適応フィルタと、前記第２エリアマイクの出力と前記エコーキャンセル用適応フィルタの出力を加算する第２加算器と、第２エリアのユーザにとっての騒音を表す騒音信号を入力とする騒音キャンセル用適応フィルタと、前記第１エリアマイクの出力と前記第２エリア音源装置の出力と前記騒音キャンセル用適応フィルタの出力とが加算された信号を前記第２エリアスピーカに出力する第３加算器とを備えたものである。ここで、前記エコーキャンセル用適応フィルタは、前記第２加算器の出力をエラーとして、当該エラーが最小となるようにフィルタ係数を更新し、前記騒音キャンセル用適応フィルタは、前記第２加算器の出力をエラーとして、当該エラーが最小となるようにフィルタ係数を更新する。

ここで、このような能動型騒音制御システムに、前記騒音信号を入力とする、前記第２スピーカから前記第１マイクまでの伝達関数が予め設定された二次経路再現フィルタを備え、前記騒音キャンセル用適応フィルタにおいて、前記第２加算器の出力をエラーとし、前記二次経路再現フィルタの出力を参照信号とするFiltered-X LMSアルゴリズムによって、フィルタ係数を更新するようにしてもよい。

また、以上の能動型騒音制御システムは、前記エコーキャンセル用適応フィルタにおいて、前記第１加算器の出力を参照信号、前記第２加算器の出力をエラーとするLMSアルゴリズムによって、フィルタ係数を更新してもよい。

また、以上の能動型騒音制御システムに、前記第２加算器の出力が入力する、前記第１のエリアに音を出力するスピーカである第１エリアスピーカを備えてもよい。
または、以上の能動型騒音制御システムに、第１のエリアに音を出力する第１エリアスピーカと、前記第１エリアスピーカから出力される音を出力する音源装置である第１エリア音源装置とを備え、前記騒音信号を、前記第１エリア音源装置の出力としてもよい。

または、以上の能動型騒音制御システムに、第１のエリアに音を出力する第１エリアスピーカと、前記第１エリアスピーカから出力される音を出力する音源装置である第１エリア音源装置と、前記第２加算器の出力に前記第１エリア音源装置の出力を加算し、前記第１エリアスピーカに出力する第４加算器とを備え、前記騒音信号を、前記第１エリア音源装置の出力としてもよい。

また、以上の能動型騒音制御システムを、自動車に搭載されたシステムとし、前記第１のエリアと前記第２のエリアを、前記自動車の車室内の異なるエリアとしてもよい。
以上のような能動型騒音制御システムによれば、第２加算器の出力は、第２エリアマイクの出力から第１エリアマイクの出力のエコーや第２エリア音源装置の出力音を除外したものとなる。従って、騒音キャンセル用適応フィルタにおいて、第２加算器の出力をエラーとして、当該エラーが最小となるようにフィルタ係数を更新することにより、第１エリアマイクの出力のエコーや第２エリア音源装置の出力音などの外乱の影響を排除した、良好な騒音のキャンセルを行うことができる。

また、第２加算器の出力が入力する、前記第１のエリアに音を出力するスピーカである第１エリアスピーカを設けて、第２エリアのユーザの発話の第１エリアのユーザの聞き取りを支援する場合には、このような外乱の影響の排除を、第１エリアスピーカに出力されてしまう第１エリアマイクの出力のエコーをキャンセルするエコーキャンセル用適応フィルタを流用した簡易な構成で実現することができる。

以上のように、本発明によれば、騒音を検出するマイクに音源装置の出力音が入力してしまう場合でも良好な騒音のキャンセルを行うことができる。

本発明の実施形態に係る車載システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。 公知の能動型騒音制御システムの構成を示す図である。 公知のエコーキャンセルシステムの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、自動車に搭載される車載システムへの適用を例にとり説明する。
図１ａに、本実施形態に係る車載システムの構成を示す。
図示するように、車載システムは、車室内の第１エリアのユーザ用のスピーカである第１スピーカ１１、第１エリアのユーザ用のマイクである第１マイク１２、第１エリアのユーザ用の音源装置であり楽曲等の音を出力する第１音源装置１３、車室内の第２エリアのユーザ用のスピーカである第２スピーカ２１、第２エリアのユーザ用のマイクである第２マイク２２、第２エリアのユーザ用の音源装置であり楽曲等の音を出力する第２音源装置２３、以上の各部が接続された信号処理装置３を備えている。

信号処理装置３は、第１エリアの第１マイク１２でピックアップした第１エリアのユーザの音声を第２エリアの第２スピーカ２１に出力し、第２エリアの第２マイク２２でピックアップした第２エリアのユーザの音声を、第２スピーカ２１から第２マイク２２に回りこんだ第１エリアのユーザの音声のエコーと第２マイク２２でピックアップされた第２音源装置２３の出力音をキャンセルした上で第１エリアの第１スピーカ１１に出力することにより、第１エリアのユーザと第２エリアのユーザとの間の会話によるコミュニケーションを支援する。

また、信号処理装置３は、第１音源装置１３の出力音を第１エリアの第１スピーカ１１に出力すると共に、第２音源装置２３の出力音を第２エリアの第２スピーカ２１に出力する。

また、信号処理装置３は、第１スピーカ１１から出力された第１音源装置１３の出力音を、第２エリアのユーザの騒音として、当該騒音を第２エリアのユーザの位置でキャンセルする騒音キャンセル音を、第２エリアの第２スピーカ２１から出力することにより、第２エリアのユーザが、第１エリアのユーザが聴いている第１音源装置１３の出力音によって煩わされることを排除する。

ここで、第１エリアは、たとえば、図１ｂに示すように、自動車の運転席のエリアであり、第１スピーカ１１や第１マイク１２は第１エリアに配置される。また、第２エリアは、自動車の運転席の後ろの席のエリアであり、第２スピーカ２１や第２マイク２２は第２エリアに配置される。

次に、図２に信号処理装置３の構成を示す。
図示するように信号処理装置３は、騒音キャンセル用適応フィルタ３１、二次経路再現フィルタ３２、エコーキャンセル用適応フィルタ３３、第１加算器３４、第２加算器３５、第３加算器３６、第４加算器３７を備えている。

第１マイク１２の出力は、第１加算器３４に送られ、第１加算器３４で第２音源装置２３の出力と加算される。第２加算器３５は、第１加算器３４から出力される第１マイク１２の出力と第２音源装置２３の出力の加算信号に、さらに、騒音キャンセル用適応フィルタ３１が出力する騒音キャンセル音を加算し第２スピーカ２１から出力する。

第２マイク２２の出力は、第３加算器３６に送られ、第３加算器３６で、エコーキャンセル用適応フィルタ３３が出力するエコーキャンセル音が減算された上で第４加算器３７に送られ、第４加算器３７は、第３加算器３６の出力に第１音源装置１３の出力を加算し第１スピーカ１１に出力される。

エコーキャンセル用適応フィルタ３３は、エコーキャンセル用可変フィルタ３３１と、エコーキャンセル用係数更新部３３２を備えている。
エコーキャンセル用可変フィルタ３３１は、第１加算器３４から出力される第１マイク１２の出力と第２音源装置２３の出力の加算信号を入力とし、エコーキャンセル用可変フィルタ３３１の出力はエコーキャンセル音として、第３加算器３６に出力される。

エコーキャンセル用係数更新部３３２は、第３加算器３６の出力をエラーとして、第１加算器３４から出力される第１マイク１２の出力と第２音源装置２３の出力の加算信号を参照信号として、LMSアルゴリズム等によりエラーが最小となるようにエコーキャンセル用可変フィルタ３３１のフィルタ係数を更新する。

次に、二次経路再現フィルタ３２は、その伝達関数として、予め、第２スピーカ２１から第２マイク２２までの伝達関数C(z)として推定される伝達関数C^(z)が設定されている。二次経路再現フィルタ３２は、第１音源装置１３の出力を入力とし、二次経路再現フィルタ３２の出力は、騒音キャンセル用適応フィルタ３１に参照信号として出力される。

騒音キャンセル用適応フィルタ３１は、騒音キャンセル用可変フィルタ３１１と、騒音キャンセル用係数更新部３１２を備えている。
騒音キャンセル用可変フィルタ３１１は、第１音源装置１３の出力を入力とし、その出力は騒音キャンセル音として第２加算器３５に出力される。
騒音キャンセル用係数更新部３１２には、第３加算器３６の出力がエラーとして、二次経路再現フィルタ３２の出力が参照信号として入力する。
騒音キャンセル用係数更新部３１２は、二次経路再現フィルタ３２から入力する参照信号を用いて、第３加算器３６から入力するエラーが最小となるようにLMSアルゴリズムを行うことにより、Filtered-X LMSアルゴリズムによる騒音キャンセル用可変フィルタ３１１のフィルタ係数の更新を行う。

より具体的には、エコーキャンセル用係数更新部３３２は、Filtered-X LMSアルゴリズムに従って、下式における、x(n)を騒音キャンセル用可変フィルタ３１１のフィルタ係数、μをステップサイズパラメータ、e(n)を第３加算器３６から入力するエラー、r(n)を二次経路再現フィルタ３２から入力する参照信号（濾波参照信号）として、
x(n+1)=x(n)+μe(n)r(n)
により、騒音キャンセル用可変フィルタ３１１のフィルタ係数x(n)の更新を行う。

さて、以上のような構成において、エコーキャンセル用係数更新部３３２と騒音キャンセル用係数更新部３１２がエラーとして用いる第３加算器３６の出力e(z)は、エコーキャンセル用可変フィルタ３３１の伝達関数をW(z)、騒音キャンセル用可変フィルタ３１１の伝達関数をX(z)、第１スピーカ１１から第２マイク２２までの伝達関数をP(z)、第２スピーカ２１から第２マイク２２までの伝達関数C(z)を、第１音源装置１３の出力をS1(z)、第２音源装置２３の出力をS2(z)、第１マイク１２の出力をM1(z)として、第２エリアのユーザの発話を第２マイク２２でピックアップしていないときには、
e(z)=M1(z)C(z)+S2(z)C(z)+S1(z)P(z)-M1(z)W(z)-S2(z)W(z)-S1(z)X(z)C(z)
={M1(z)+S2(z)}C(z)-{M1(z)+S2(z)}W(z)+S1(z){P(z)-X(z)C(z)}
によって表され、
C(z)=W(z)、かつ、P(z)=X(z)C(z)のとき、e(z)＝0となる。

したがって、エコーキャンセル用係数更新部３３２の動作によって、エコーキャンセル用可変フィルタ３３１の伝達関数W(z)は第２スピーカ２１から第２マイク２２までの伝達関数C(z)と等しくなるように設定される。

そして、エコーキャンセル用可変フィルタ３３１が、第１マイク１２の出力と第２音源装置２３の出力の加算信号から伝達関数W(z)で生成し出力するエコーキャンセルは、第３加算器３６の減算によって、第２マイク２２でピックアップした第２スピーカ２１から出力された第１マイク１２の出力のエコーと第２音源装置２３の出力音を、第２マイク２２の出力からキャンセルする音となる。

また、したがって、騒音キャンセル用係数更新部３１２の動作によって騒音キャンセル用可変フィルタ３１１の伝達関数X(z)は、騒音キャンセル用可変フィルタ３１１の入力から第２マイク２２までの伝達関数X(z)C(z)が、第１スピーカ１１から第２マイク２２までの伝達関数P(z)と等しくなるように設定される。

そして、騒音キャンセル用可変フィルタ３１１が第１音源装置１３の出力から伝達関数X(z)生成して第２スピーカ２１から出力する騒音キャンセル音は、第２マイク２２が配置されている領域で、第１スピーカ１１から出力された第１音源装置１３の出力音をキャンセルするものとなる。

また、騒音キャンセル用係数更新部３１２にエラーとして入力する第３加算器３６の出力e(z)は、第２マイク２２の出力から第１マイク１２の出力のエコーや第２音源装置２３の出力音を除外したものとなっている。

したがって、たとえば、第２エリアのユーザの発話を第２マイク２２でピックアップしていないときには、第３加算器３６の出力e(z)は、S1(z){P(z)-X(z)C(z)}となり、騒音キャンセル音でキャンセルし残った騒音（第１音源装置１３の出力音）のみを表すものとなる。

よって、本実施形態によれば、騒音キャンセル用適応フィルタ３１において、第１マイク１２の出力のエコーや第２音源装置２３の出力音などの外乱の影響を排除した、良好な第１音源装置１３の出力音のキャンセルを行うことができる。

また、このような外乱の影響の排除を、第１スピーカ１１に出力されてしまう第１マイク１２の出力のエコーをキャンセルするエコーキャンセル用適応フィルタ３３を流用した簡易な構成で実現することができる。

ところで、以上の各実施形態は、以上で示した信号処理装置３の第２スピーカ２１から第２マイク２２に回りこんだエコーをキャンセルする構成と、第１エリアと第２エリアについて対称な構成を信号処理装置３に付加することにより、第１エリアの第１マイク１２でピックアップした音声を、第１スピーカ１１から第１マイク１２に回りこんだエコーをキャンセルした上で第２スピーカ２１に出力するように構成してもよい。

また、以上で示した信号処理装置３の第１スピーカ１１から出力された第１音源装置１３の出力音を、第２エリアのユーザの位置でキャンセルする騒音キャンセル音を、第２スピーカ２１から出力する構成と、第１エリアと第２エリアについて対称な構成を信号処理装置３に付加することにより、第２スピーカ２１から出力された第２音源装置２３の出力音を、第１エリアのユーザの位置でキャンセルする騒音キャンセル音を、第１スピーカ１１から出力するようにしてもよい。

また、以上の各実施形態では、エリア数を２としたが、本実施形態は３以上のエリアに対応するように拡張して実施してよい。
また、以上では、車載システムへの適用を例にとり説明したが、以上の各実施形態は各エリアが自動車外のエリアである場合についても同様に適用することができる。

３…信号処理装置、１１…第１スピーカ、１２…第１マイク、１３…第１音源装置、２１…第２スピーカ、２２…第２マイク、２３…第２音源装置、３１…騒音キャンセル用適応フィルタ、３２…二次経路再現フィルタ、３３…エコーキャンセル用適応フィルタ、３４…第１加算器、３５…第２加算器、３６…第３加算器、３７…第４加算器、３１１…騒音キャンセル用可変フィルタ、３１２…騒音キャンセル用係数更新部、３３１…エコーキャンセル用可変フィルタ、３３２…エコーキャンセル用係数更新部。

Claims (4)

1. 騒音を低減する能動型騒音制御システムであって、
   第１のエリアに音を出力する第１エリアスピーカと、
   前記第１のエリアに配置されたマイクである第１エリアマイクと、
   第２のエリアに音を出力するスピーカである第２エリアスピーカと、
   前記第２のエリアに配置されたマイクである第２エリアマイクと、
   前記第１エリアスピーカから出力される音を出力する音源装置である第１エリア音源装置と、
   前記第２エリアスピーカから出力される音を出力する音源装置である第２エリア音源装置と、
   前記第１エリアマイクの出力と前記第２エリア音源装置の出力とを加算する第１加算器と、
   前記第１加算器の出力を入力とするエコーキャンセル用適応フィルタと、
   前記第２エリアマイクの出力と前記エコーキャンセル用適応フィルタの出力を加算する第２加算器と、
   前記第２エリアのユーザにとっての騒音を表す騒音信号を入力とする騒音キャンセル用適応フィルタと、
   前記第１エリアマイクの出力と前記第２エリア音源装置の出力と前記騒音キャンセル用適応フィルタの出力とが加算された信号を前記第２エリアスピーカに出力する第３加算器と、
   前記第２加算器の出力に前記第１エリア音源装置の出力を加算し、前記第１エリアスピーカに出力する第４加算器とを備え、
   前記騒音信号は、前記第１エリア音源装置の出力であり、
   前記エコーキャンセル用適応フィルタは、前記第２加算器の出力をエラーとして、当該エラーが最小となるようにフィルタ係数を更新し、
   前記騒音キャンセル用適応フィルタは、前記第２加算器の出力をエラーとして、当該エラーが最小となるようにフィルタ係数を更新することを特徴とする能動型騒音制御システム。
2. 請求項１記載の能動型騒音制御システムであって、
   前記騒音信号を入力とする、前記第２エリアスピーカから前記第１エリアマイクまでの伝達関数が予め設定された二次経路再現フィルタを備え、
   前記騒音キャンセル用適応フィルタは、前記第２加算器の出力をエラーとし、前記二次経路再現フィルタの出力を参照信号とするFiltered-X LMSアルゴリズムによって、フィルタ係数を更新することを特徴とする能動型騒音制御システム。
3. 請求項１または２記載の能動型騒音制御システムであって、
   前記エコーキャンセル用適応フィルタは、前記第１加算器の出力を参照信号、前記第２加算器の出力をエラーとするLMSアルゴリズムによって、フィルタ係数を更新することを特徴とする能動型騒音制御システム。
4. 自動車に搭載された、請求項１、２または３記載の能動型騒音制御システムであって、
   前記第１のエリアと前記第２のエリアは、前記自動車の車室内の異なるエリアであることを特徴とする能動型騒音制御システム。