KR102841462B1

KR102841462B1 - 노이즈 제거 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102841462B1
Application number: KR1020247029963A
Authority: KR
Inventors: 노부아키 다나카
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2022-03-23
Filing date: 2022-03-23
Publication date: 2025-07-31
Anticipated expiration: 2042-03-23
Also published as: TWI894470B; DE112022006364T5; WO2023181144A1; JPWO2023181144A1; EP4478359A1; TW202338793A; US20240412751A1; JP7507999B2; KR20240137705A; EP4478359A4; CN118843905A

Abstract

단일의 음향 센서로 노이즈의 시간 변화에 대응 가능한 노이즈 제거 장치를 제공한다. 노이즈 제거 장치는, 목적 신호 이외의 성분을 포함하는 하나의 입력 신호를 일정한 시간으로 구획된 프레임으로 분할하여 주파수 스펙트럼으로 변환하고, 지연량을 이용하여 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍을 복수 생성하는 푸리에 변환부와, 복수의 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍으로부터, 크로스 스펙트럼 또는 코히어런스를 복수 생성하는 크로스 스펙트럼부와, 복수의 크로스 스펙트럼 또는 복수의 코히어런스를 평균화하고, 목적 신호의 파워 스펙트럼을 추출하는 노이즈 제거부를 구비한다.

Description

노이즈 제거 장치 및 방법

본 발명은, 음향 센서로부터 얻어지는 입력 신호로부터 목적 신호 이외의 성분을 노이즈로서 제거하고, 목적 신호를 추출하는 노이즈 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.

마이크로폰(마이크) 등의 음향 센서를 이용하여 기기의 동작음을 관측하고, 관측한 음향 신호(입력 신호)에 이상음이 포함되어 있는지 여부를 판정하는 것으로, 기기의 이상 동작을 자동적으로 검출하는 진단 기술이 제안되어 있다.

상기와 같은 진단 기술이 필요한 현장의 환경은, 기계실이나 제조 라인 등 주위에 다수의 기계 설비가 배치되어 있는 경우가 많아, 이러한 기계 설비 등에서 생기는 소음·전기 노이즈 등의 노이즈 대책을 확립할 수 없으면, 상술한 환경에 있어 기기의 동작음으로부터 정확하게 이상 동작을 검출하는 것은 곤란하다.

이러한 노이즈를 제거하는 기술은 다수 제안되어 있다. 예를 들면, 스펙트럼 서브트랙션은 가장 기본적인 노이즈 제거 기술의 하나이다. 스펙트럼 서브트랙션은, 사전에 어떠한 방법으로 노이즈의 파워 스펙트럼을 취득한 다음, 입력 신호의 파워 스펙트럼으로부터 노이즈의 파워 스펙트럼을 감산하는 것이다. 이 방법은 단순한 구성이면서, 노이즈의 파워 스펙트럼이 정상적인 경우에는, 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다. 그러나, 음색이 시간적으로 변화하는 비정상인 노이즈인 경우, 노이즈의 파워 스펙트럼을 잘 추정할 수 없고, 노이즈 제거 성능은 현저하게 저하한다.

상기의 과제에 대응하기 위해, 노이즈의 파워 스펙트럼을 추정하는 대신에, 복수의 음향 센서로부터 얻어지는 입력 신호의 위상 성분에 주목하여 노이즈 제거를 행하는 방법이 알려져 있다. 예를 들면, 2개의 음향 센서에 생기는 위상차의 시간 변동의 대소를 주파수마다 산출하고, 시간 변동이 큰 주파수 성분을 노이즈라고 간주하여 제거하는 기술이 개시되어 있다(특허문헌 1).

[특허문헌 1] 일본특허공개 제2011-33717호 공보

그러나, 종래의 노이즈 제거 장치에는 이하와 같은 문제가 있다. 특허문헌 1에 기재된 종래의 노이즈 제거 장치는, 소정의 간격을 두고 설치된 2개의 음향 센서로부터 위상차를 얻고 있다. 그 때문에, 적어도 2개의 음향 센서를 다른 위치에 설치할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 한 개소에 설치된 음향 센서로, 음색이 시간적으로 변화하는 비정상인 노이즈에 대응 가능한 노이즈 제거 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 개시에 따른 노이즈 제거 장치는,

목적 신호 이외의 성분을 포함하는 입력 신호를 일정한 시간으로 구획된 프레임으로 분할하여 주파수 스펙트럼으로 변환하고, 지연량을 이용하여 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍을 복수 생성하는 푸리에 변환부와,

복수의 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍으로부터, 크로스 스펙트럼 또는 코히어런스를 복수 생성하는 크로스 스펙트럼부와,

복수의 크로스 스펙트럼 또는 복수의 코히어런스를 평균화하고, 목적 신호의 파워 스펙트럼을 추출하는 노이즈 제거부를 구비한다.

본 개시에 따른 노이즈 제거 방법은,

푸리에 변환부가, 목적 신호 이외의 성분을 포함하는 입력 신호를 일정한 시간으로 구획된 프레임으로 분할하여 주파수 스펙트럼으로 변환하고, 지연량을 이용하여 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍을 복수 생성하고,

크로스 스펙트럼부가, 복수의 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍으로부터, 크로스 스펙트럼 또는 코히어런스를 복수 생성하고,

노이즈 제거부가, 복수의 크로스 스펙트럼 또는 복수의 코히어런스를 평균화하고, 목적 신호의 파워 스펙트럼을 추출한다.

본 개시에 의하면, 한 개소에 설치된 음향 센서로, 음색이 시간적으로 변화하는 비정상인 노이즈에 대응 가능한 노이즈 제거 장치를 얻는 효과를 갖는다.

도 1은 실시의 형태 1에 있어서의 노이즈 제거 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 목적 신호의 주파수 스펙트럼에 대한, 크로스 스펙트럼의 시간 변화를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 목적 신호의 주파수 스펙트럼에 대한, 크로스 스펙트럼의 시간 변화의 다른 사례이다.
도 4는 노이즈의 주파수 스펙트럼에 대한, 크로스 스펙트럼의 시간 변화를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 목적 신호인 주기 신호의 주파수 특성의 그래프이다.
도 6은 비정상 노이즈의 주파수 특성의 그래프이다.
도 7은 목적 신호에 비정상 노이즈를 중첩한 시험 신호(입력 신호)의 주파수 특성의 그래프이다.
도 8은 실시의 형태 1에 있어서의 노이즈 제거 장치의 노이즈 제거 효과를 나타내는 일례로서, 노이즈 제거된 입력 신호의 주파수 특성의 그래프이다.
도 9는 실시의 형태 1에 있어서의 노이즈 제거 처리의 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 10은 실시의 형태 1에 있어서의 노이즈 제거 장치가 갖는 하드웨어의 구성도이다.
도 11은 실시의 형태 2에 있어서의 노이즈 제거 장치의 블록 구성도이다.
도 12는 실시의 형태 2에 있어서의 노이즈 제거 처리의 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 13은 실시의 형태 3에 있어서의 노이즈 제거 장치의 블록 구성도이다.
도 14는 실시의 형태 3에 있어서의 노이즈 제거 처리의 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 15는 실시의 형태 4에 있어서의 노이즈 제거 장치의 블록 구성도이다.

실시의 형태의 설명 및 도면에 있어서, 동일한 요소 및 대응하는 요소에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 동일한 부호가 붙여진 요소의 설명은, 적당하게 생략 또는 간략화한다. 이하의 실시의 형태에서는, 「부」를 「회로」, 「공정」, 「절차」 또는 「처리」로 적절히 바꾸어읽어도 좋다.

실시의 형태 1.

실시의 형태 1에 있어서의 노이즈 제거 장치에 대해 도 1~도 10을 이용하여 설명한다.

본 실시의 형태에 있어서, 기기의 동작음(즉, 목적 신호)은, 회전부(예를 들면, 모터, 발전기, 터빈, 압축기, 송풍기, 플라이 휠, 변속기, 기어, 차륜, 차축 및 베어링 등)의 동작에 수반하는 주기적인 동작음을 발생시키는 기기의 것으로 한다. 단, 대상이 되는 기기는 반드시 회전부를 가질 필요는 없다. 기기가 주기적인 동작음을 발생시키는 것이면, 어떠한 기기여도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다. 또, 제거 대상이 되는 노이즈는, 예를 들면, 공조기의 송풍 소음, 전기적인 백색 잡음, 차량 주행 시의 주행 소음, 공장 내의 소음 등이다.

또, 이후에는 음향 센서의 구체적인 예로서 마이크를 이용하지만, 본 발명에 있어서의 음향 센서는 마이크로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 음향 트랜스듀서(예를 들면, 진동 센서, 초음파 센 등), 가속도 센서(예를 들면, 가속도 픽업, 레이저 도플러 가속도계 등)도 이용하는 것이 가능하다.

＜장치＞

도 1은, 실시의 형태 1에 있어서의 노이즈 제거 장치의 블록 구성도이다. 도 1에 있어서, 본 실시의 형태에 있어서의 노이즈 제거 장치(100)는, 푸리에 변환부(3), 크로스 스펙트럼부(4), 노이즈 제거부(5)로 구성되어 있다. 푸리에 변환부(3)는, STFT부(31)와 지연부(32)로 구성되어 있다. 또, 지연부(32)에 부여하는 지연량 DLY는, 예를 들면, 목적 신호 혹은 노이즈의 상태에 따른 소정의 값이, 복수의 지연량의 후보로부터 사전에 설정되어도 좋다.

마이크(1)는, 목적 신호인 기기의 동작음에 노이즈가 중첩된 음향 파형을 관측(취득)하고, 관측한 음향 파형을 아날로그 신호 D1로서 출력한다.

AD 변환부(2)는, 소정의 분해능(예를 들면, 16bit), 소정의 샘플링 주파수(예를 들면, 16000Hz)에 의해, 아날로그 신호 D1을 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환(샘플링)한다. AD 변환부(2)는 샘플링된 시간 영역의 신호(디지털 신호)를 입력 신호 D2로서 출력한다. 이후, 입력 신호 D2를 x(t)로 한다. 단, t는 이산 시간이다.

푸리에 변환부(3)는, 입력 신호 D2의 푸리에 변환을 행하고, 지연량 DLY를 이용하여 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍(페어)을 복수 생성한다. 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 페어는, 구체적으로는, 후술하는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3의 요소와, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3보다 시간 방향으로 지연한 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4의 요소로 이루어지는 주파수 스펙트럼의 페어이다. 이하, 푸리에 변환부(3)의 내부 처리에 대해 설명한다.

STFT부(31)는, 우선, 입력 신호 D2(x(t))를, 소정의 시간 간격(예를 들면, 32msec)의 프레임으로 분할한다. 다음에, STFT부(31)는, 현 프레임의 입력 신호와, 다음 프레임의 입력 신호를 합쳐, 소정의 구간 길이(64msec)의 입력 신호를 생성한다. 소정의 구간 길이의 입력 신호에 대해, 윈도잉 처리(windowing processing)(예를 들면, 해닝창(Hanning window))를 행하고, 윈도잉된 입력 신호 x＾(t)를 산출한다.

계속해서, STFT부(31)는, 단시간 푸리에 변환(Short-Time Fourier Transform, 이하, STFT로 약칭함)에 의해, 윈도잉된 입력 신호 x＾(t)를, 현 프레임의 입력 신호의 주파수 스펙트럼 X(ω, k)로 변환한다. 단, ω은 이산 주파수, k는 현 프레임의 번호이다. 현 프레임의 입력 신호의 주파수 스펙트럼 X(ω, k)는, 과거 프레임의 입력 신호의 주파수 스펙트럼과 합쳐, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3으로서 출력된다.

주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3은, 현 프레임의 번호 k를 기점(0)으로 하고, K-1 프레임 거슬러 올라간 시점까지의 과거 프레임의 입력 신호의 주파수 스펙트럼의 배열이다. 구체적으로는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3은 X(ω, 0), X(ω, -1), …, X(ω, -(K-1))이다. 여기서, K는 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3의 사이즈이다.

또, 과거 프레임의 입력 신호의 주파수 스펙트럼은, 노이즈 제거 장치(100) 내의 도시하지 않는 메모리 MEM에 유지되고 있다. 메모리 MEM에는, K-1＋DLY 프레임 거슬러 올라간 시점까지의 과거 프레임의 입력 신호의 주파수 스펙트럼이 유지된다. 여기서, DLY는 소정의 지연량이다. 메모리 MEM의 내용(즉, 과거 프레임의 입력 신호의 주파수 스펙트럼)은, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3 및 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4를 출력한 후, 현 프레임의 입력 신호의 주파수 스펙트럼 X(ω, k)를 이용하여 갱신된다.

지연부(32)는, 도시하지 않는 메모리 MEM으로부터 과거 프레임의 입력 신호의 주파수 스펙트럼을 판독하고, 소정의 지연량 DLY에 의해, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3보다 지연한 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4를 생성한다. 구체적으로는, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4를 X_D(ω, k)로 나타내면, X_D(ω, k)=X(ω, k-DLY)(단, k=0, -1, …, -(K-1))의 관계가 되는 배열 X_D(ω, k)를 생성한다.

주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4는, DLY 프레임 거슬러 올라간 시점의 프레임이 기점이 되고, K-1＋DLY 프레임 거슬러 올라간 시점까지의 과거 프레임의 입력 신호의 주파수 스펙트럼의 배열이다. 구체적으로는, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4는, X_D(ω, 0)=X(ω, -DLY), X_D(ω, -1)=X(ω, -1-DLY), …, X_D(ω, -(K-1))=X(ω, -(K-1)-DLY)이다. 즉, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4의 k번째의 프레임의 성분과, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3의 k번째의 프레임의 성분은, 각각, 일정한 시간차(DLY)를 갖는 주파수 스펙트럼의 페어이다.

크로스 스펙트럼부(4)는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3과, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4를 이용하여, 일정한 시간차(DLY)의 프레임끼리의 주파수 스펙트럼의 페어로부터 크로스 스펙트럼을 복수 생성한다. 생성된 각 프레임의 크로스 스펙트럼은, 현 프레임(k=0)의 크로스 스펙트럼과, 과거 프레임(k=-1, …, -(K-1))의 크로스 스펙트럼을 합쳐, 크로스 스펙트럼의 배열 D5로서 출력된다.

여기서, 크로스 스펙트럼이란, 2개의 스펙트럼 중 한쪽을 복소 공역으로 했을 때의 복소수의 곱이다. 현 프레임의 번호 k의 크로스 스펙트럼을 S(ω, k)로 하면, 크로스 스펙트럼의 배열 D5는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3과, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4를 이용하여, 예를 들면, 식 (1)에 의해 계산할 수 있다.

단, τ은 프레임의 개수로 나타낸 지연량(즉, DLY), W는 주파수 스펙트럼의 빈 수, K는 프레임의 개수, 식 (1) 중 윗선(overline)은 복소 공역을 나타낸다. 크로스 스펙트럼의 배열 D5는, 현 프레임의 번호 k를 기점(0)으로 하고, K-1 프레임 거슬러 올라간 시점까지의 과거 프레임의 크로스 스펙트럼으로 이루어지는 크로스 스펙트럼의 배열이다. 구체적으로는, 크로스 스펙트럼의 배열 D5는 S(ω, 0), S(ω, -1), …, S(ω, -(K-1))이다.

크로스 스펙트럼의 배열 D5는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3의 경우와 마찬가지로, 예를 들면, 노이즈 제거 대상으로 하는 구간인 K 프레임(K는 양의 정수) 분의 데이터가, 노이즈 제거 장치(100) 내의 메모리(도시하지 않음) 내에 유지된다. 이 K의 수치 및 메모리의 용량은, 예를 들면, 후술하는 식 (2)가 계산 가능한 범위의 값이면 된다.

노이즈 제거부(5)는, 크로스 스펙트럼의 배열 D5를 시간 방향으로 평균화하는 것에 의해, 입력 신호 중의 노이즈를 제거하고, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6을 추출한다. 구체적으로는, 크로스 스펙트럼의 배열 D5를 소정의 프레임 구간에서 평균화하고, 그 평균 파워를 주파수마다 산출하는 것에 의해, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6을 추출한다. 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6을 P(ω)로 하면, 크로스 스펙트럼의 배열 D5를 이용하여, 예를 들면, 식 (2)에 의해 계산할 수 있다.

단, k_start는 노이즈 제거의 대상으로 하는 구간의 시단(始端) 프레임의 번호, k_end는 종단 프레임의 번호이다. 또, K_C는, 노이즈 제거의 대상으로 하는 구간 길이이며, 그 구간에 포함되어 있는 프레임의 개수(즉, K_C=k_end-k_start＋1)이다. 이 식 (2)는, 크로스 스펙트럼의 배열 D5를 복소 평면 상에서 평균화하고, 그 절대치를 파워 스펙트럼으로서 출력하고 있는 것이라고 해석할 수 있다. 그러므로, 얻어진 파워 스펙트럼 성분은, 노이즈의 영향이 제거되고, 목적 신호인 기기의 동작음의 주기적 성분만큼을 추출한 것이 된다. 또, K_C는, 노이즈 종류, 노이즈의 상태, 혹은 목적 신호의 상태에 따라 적절히 변경되어도 좋다. 또, 식 (2)에 있어서, 프레임의 번호 k의 순서대로(예를 들면, k=k_start부터 시작해서, k=k_end로 종료) 계산할 필요는 없다.

여기서, 상술한 일련의 처리에 의해, 입력 신호로부터, 목적 신호인 기기의 동작음의 주기적 성분만큼이 추출되는 원리를, 도 2~도 4를 이용하여 설명한다.

도 2는, 목적 신호의 주파수 스펙트럼에 대한, 크로스 스펙트럼의 시간 변화를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 2에서는, 왼쪽에서 오른쪽으로 나아가는 것에 따라 시간이 경과하고 있다. 도 2 중에 나타내는 단위원은 복소 평면을 나타내고 있다. 도 2(A)는 목적 신호의 시간 파형이며, 1kHz의 정현파이다. 도 2(B)(1단째의 단위원)는, 각각, 일정한 시간 간격 T에 있어서의, 각 시각의 1kHz의 주파수 스펙트럼(복소수)을 화살표로 나타내고 있다.

목적 신호는 주기적이기 때문에, 주파수 스펙트럼의 위상(복소수의 편각)은, 시간의 경과와 함께 일정한 속도로 시계 방향으로 회전한다. 또, 일정한 시간 간격 T는, 정현파의 1 주기를 8등분한 값으로 하고 있지만, 이것은 원리를 이해하기 쉽게 하기 위한 것이다. 일정한 시간 간격 T는, 목적 신호의 주기에 동기시킬 필요는 없고, 임의의 값으로 설정되어도 좋다.

다음에, 크로스 스펙트럼부(4)에 의한, 크로스 스펙트럼 처리의 작용에 대해 고려한다. 또, 크로스 스펙트럼의 절대치는, 2개의 주파수 스펙트럼의 진폭의 곱이지만, 여기에서는 크로스 스펙트럼의 편각에 주목한다. 도 2(C)(2단째의 단위원)는, 각 시각에 있어서의 주파수 스펙트럼과, 일정한 시간 간격 T만큼 어긋난 주파수 스펙트럼의, 2개의 주파수 스펙트럼으로부터 얻어지는 크로스 스펙트럼을 화살표로 나타내고 있다. 크로스 스펙트럼의 편각은, 2개의 주파수 스펙트럼의 편각의 차(즉, 위상차)가 된다. 그 때문에, 일정한 속도로 회전하고 있는 주파수 스펙트럼에 대한 크로스 스펙트럼의 편각은, 도 2(C)에 나타내는 2단째의 단위원과 같이 일정한 값으로 된다.

계속해서, 노이즈 제거부(5)에 의한, 크로스 스펙트럼의 시간 방향의 평균화의 작용에 대해 고려한다. 도 2(D)(3단째의 단위원)는, 소정의 구간 내의 복수의 크로스 스펙트럼을, 복소 평면 상에서 평균화한 파워 스펙트럼을 화살표로 나타내고 있다. 도 2(D)에 나타내는 바와 같이, 소정의 구간 내의 복수의 크로스 스펙트럼의 복소 평면에 있어서의 시간 평균은, 크로스 스펙트럼의 편각이 일정한 값을 갖기 때문에, 목적 신호의 주파수 스펙트럼의 파워와 동일한 진폭으로 된다. 이 진폭이 최종적인 계산 결과로서 남는다.

도 3은, 목적 신호의 주파수 스펙트럼에 대한, 크로스 스펙트럼의 시간 변화의 다른 사례이다. 도 3은, 도 2와 동일한 목적 신호(1kHz의 정현파)를 이용하지만, 각 시각의 주파수 스펙트럼의 취득 시각을 엇갈리게 하고 있다. 또한, 크로스 스펙트럼을 산출하기 위한 2개의 주파수 스펙트럼의 시간차를 2T로 하고 있다. 이 경우도, 크로스 스펙트럼의 편각은, 도 3(C)에 나타내는 2단째의 단위원과 같이, 도 2의 경우와 마찬가지로, 일정한 값으로 된다. 그리고, 도 3(D)에 나타내는 바와 같이, 소정의 구간 내의 복수의 크로스 스펙트럼의 복소 평면에 있어서의 시간 평균은, 도 2의 경우와 마찬가지로, 목적 신호의 파워와 동일한 진폭으로 된다.

푸리에 변환부(3)에 있어서, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3에 대해, 일정한 프레임의 구간 지연 τ을 부여하는 것으로 생성된다. 이것은, 예를 들면, 도 2(C)(혹은, 도 3(C))에 나타낸 바와 같이, 일정한 시간 간격 T로 취득한 주파수 스펙트럼을, 소정의 시간 간격만큼 엇갈리게 하는 것과 마찬가지의 처리이다. 이렇게 하여 생성된 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4와, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3으로부터 산출되는 크로스 스펙트럼의 배열 D5는, 입력 신호가 주기적, 즉, 기기의 회전수와 음압 레벨이 안정적이면, 위상차를 항상 일정하게 할 수 있다. 또, 각 프레임의 주파수 스펙트럼의 취득 시각, 및 크로스 스펙트럼을 산출하기 위한 지연량을 변경해도, 위상차를 항상 일정하게 할 수 있다.

따라서, 임의의 시점에 있어서의 크로스 스펙트럼의 배열 D5는, 복소 평면 상에 있어서, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6과 동일한 절대치를 갖고, 또한, 도 2(C)의 2단째의 단위원과 같이, 시간 방향으로 편각이 변화하지 않는 일정한 값으로 된다. 따라서, 목적 신호는, 노이즈 제거부(5)에 있어서의, 크로스 스펙트럼의 시간 방향의 평균화 처리(즉, 노이즈 제거)의 영향을 받지 않는다. 바꾸어 말하면, 목적 신호는 노이즈 제거의 대상이 되지 않는다.

한편, 도 4는, 노이즈의 주파수 스펙트럼에 대한, 크로스 스펙트럼의 시간 변화를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 4에서는, 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하는 것에 따라 시간이 경과하고 있다. 도 4 중에 나타내는 단위원은 복소 평면을 나타내고 있다. 도 4(A)는 노이즈(비정상 노이즈)의 시간 파형이다. 도 4(B)(1단째의 단위원)는, 각각, 일정한 시간 간격 T에 있어서의, 각 시각의 1kHz의 주파수 스펙트럼(복소수)을 화살표로 나타내고 있다. 노이즈는 위상에 일관성이 없기 때문에, 각 시각에 있어서의 주파수 스펙트럼의 위상(복소수의 편각)은 랜덤으로 된다.

도 4(C)(2단째의 단위원)는, 각 시각에 있어서의 주파수 스펙트럼과, 일정한 시간 간격 T만큼 어긋난 주파수 스펙트럼의, 2개의 주파수 스펙트럼으로부터 얻어지는 크로스 스펙트럼을 화살표로 나타내고 있다. 위상이 랜덤인 2개의 주파수 스펙트럼으로부터 크로스 스펙트럼을 얻으면, 이것도 또 랜덤으로 된다.

도 4(D)(3단째의 단위원)는, 소정의 구간 내의 복수의 크로스 스펙트럼을, 복소 평면 상에서 평균화한 파워 스펙트럼을 화살표로 나타내고 있다. 도 4(D)에 나타내는 바와 같이, 소정의 구간 내의 복수의 크로스 스펙트럼의 복소 평면에 있어서의 시간 평균은, 크로스 스펙트럼의 편각이 랜덤이기 때문에, 그 값은 0에 가까워진다. 즉, 노이즈는 최종적인 계산 결과로부터 제거된다.

따라서, 입력 신호가 노이즈인 경우, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3과, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4로부터 산출되는 크로스 스펙트럼의 배열 D5는, 그 편각은 랜덤으로 된다. 이러한 크로스 스펙트럼의 시간 방향의 평균화 처리를 행하면, 그 값은 0에 가까워진다. 따라서, 노이즈의 영향은 최종적으로 제외된다.

이상으로부터, 본 실시의 형태에 나타내는 푸리에 변환부(3), 크로스 스펙트럼부(4), 및 노이즈 제거부(5)의 각 처리를 행하는 것에 의해, 입력 신호로부터 노이즈가 제거되고, 목적 신호의 파워 스펙트럼만이 출력되게 된다.

상술한 일련의 처리에 있어서 주목해야 할 것은, 목적 신호의 정확한 주기를 알 필요가 없다는 것이다. 일반적으로, 입력 신호로부터 목적 신호의 정확한 주기를 분석하는 것은 어렵다. 본 실시의 형태에 의한 노이즈 제거 장치는, 일정한 지연량을 주파수 스펙트럼의 배열에 부여하지만, 그 지연량은, 목적 신호의 주기에 동기시킬 필요는 없다. 따라서, 주기가 불분명한 목적 신호여도, 안정된 노이즈 제거 성능을 발휘한다.

또한, 노이즈가 제거되기 위해 필요한 조건은, 주파수 스펙트럼의 위상차의 랜덤성 뿐이며, 노이즈가 갖는 음색(즉, 노이즈의 진폭과 주파수)의 시간 변화에 제약은 없다. 그 때문에, 음색이 시간 변화하는 것과 같은 비정상인 노이즈에 대해서도, 본 실시의 형태의 노이즈 제거 장치에 의한 노이즈 제거 효과는 현저하게 성공한다.

이상 설명한 노이즈 제거 처리의 유효성을, 기기의 동작음과 비정상 노이즈를 모의한 시험 신호의 일례를 이용하여 나타낸다. 목적 신호(기기의 동작음을 모의한 주기 신호)로서, 500Hz에서 7500Hz까지 500Hz의 정수배의 정현파를 중첩한 신호를 이용했다. 비정상 노이즈로서, 공장 내 소음을 이용했다. 또, 목적 신호 및 비정상 노이즈의 시간 길이는 10초이다. 이 목적 신호에 비정상 노이즈를 중첩한 것을 시험 신호(즉, 입력 신호)로 했다. 시험 신호의 샘플링 주파수는 16000Hz로 했다.

도 5~도 7에, 상기한 각 신호를 각각 도시한다. 도 5는 목적 신호인 주기 신호의 주파수 특성의 그래프이다. 도 6은 비정상 노이즈의 주파수 특성의 그래프이다. 도 7은 목적 신호에 비정상 노이즈를 중첩한 시험 신호(입력 신호)의 주파수 특성의 그래프이다. 도 5~도 7은, 보다 구체적으로는, 상기의 각 신호에 대해서, 분석 구간 길이를 1024샘플(64msec), 분석 구간 주기를 512샘플(32msec)로 한 STFT에 의해 주파수 분석하고, 파워 스펙트럼 성분의 시간 평균(프레임 평균)치를 구한 것이다. 각 도면에 있어서, 그래프의 세로축은 파워(진폭의 제곱), 가로축은 주파수(Hz)이다. 도 7에 나타내는 시험 신호를 보면, 주기 신호의 스펙트럼 성분에 부가하여, 주파수 전체에 비정상 노이즈에 의한 스펙트럼 성분이 분포하고 있다.

본 실시의 형태에 의한 노이즈 제거 장치에 의해, 시험 신호(입력 신호)로부터 노이즈 제거를 행한 결과를 도시한다. 도 8은, 노이즈 제거된 입력 신호의 주파수 특성의 그래프이다. 도 8은, 도 5~도 7에서 실시한 것과 동일한 주파수 분석을 행하고 있다. 도 8의 그래프의 세로축은 파워(진폭의 제곱), 가로축은 주파수(Hz)이다. 또, 지연량 DLY(τ)는 2프레임(64msec)으로 했다. 도 8을 보면, 비정상 노이즈의 성분이 큰폭으로 저감되고, 목적 신호의 성분이 추출되고 있는 것을 알 수 있다. 이상의 결과로부터, 본 실시의 형태 1에 의한 노이즈 제거 장치를 시험 신호에 적용하는 것에 의해, 시험 신호로부터 시간 변화하는 비정상 노이즈가 제거되고, 목적 신호인 주기 신호를 추출 가능해진다. 따라서, 단일 마이크의 구성으로, 또한 시간 변화하는 비정상 노이즈를 제거하는 것이 가능해진다.

＜흐름도＞

도 9는, 실시의 형태 1에 있어서의 노이즈 제거 처리의 순서를 나타내는 흐름도이다.

스텝 ST101에서는, STFT부(31)가, 입력 신호 D2에 대해서, 소정의 분석 구간 길이(예를 들면, 64msec)의 STFT에 의한 스펙트럼 변환 처리를 행하고, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3을 출력한다(스텝 ST101).

스텝 ST102에서는, 지연부(32)가, 스텝 ST101에서 생성된 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3에 대해, 지연량 DLY에 따른 시간 지연을 발생시키고, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4를 출력한다(스텝 ST102).

스텝 ST103에서는, 크로스 스펙트럼부(4)가, 스텝 ST102에서 생성된 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4와, 스텝 ST101에서 생성된 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3을 이용하여, 일정한 시간차(DLY)의 프레임끼리의 주파수 스펙트럼의 페어로부터 크로스 스펙트럼을 복수 생성한다. 생성된 각 프레임의 크로스 스펙트럼은, 현 프레임의 크로스 스펙트럼과 과거 프레임의 크로스 스펙트럼을 합쳐, 크로스 스펙트럼의 배열 D5로서 출력한다(스텝 ST103).

스텝 ST104에서는, 노이즈 제거부(5)가, 크로스 스펙트럼의 배열 D5를 시간 방향으로 평균화하는 것에 의해, 입력 신호의 노이즈를 제거하고, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6을 추출한다(스텝 ST104).

스텝 ST105에서는, 푸리에 변환부(3)가, 입력 신호 D2의 입력이 종료했다고 판정한 경우(스텝 ST105의 YES), 노이즈 제거 처리를 종료한다(END). 계속 입력 신호 D2의 입력이 있다고 판정한 경우(스텝 ST105의 NO), 스텝 ST101의 최초로 돌아와, 다음의 프레임의 입력 신호 D2에 대해, 스텝 ST101부터 스텝 ST104의 각 처리를 차례로 계속한다.

또, 상술한 노이즈 제거 장치의 동작 설명에서는, AD 변환부(2)로부터 입력된 입력 신호 D2에 대해서 노이즈 제거 처리를 행하고, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6을 얻고 있지만, 이 처리에 한정되지 않는다. 예를 들면, 목적 신호의 파워 스펙트럼에 대해, 단시간 역푸리에 변환을 행하여, 주파수 영역의 스펙트럼 성분으로부터 시간 영역의 신호로 되돌려도 좋다.

또, 상술한 노이즈 제거 장치의 동작 설명에서는, 마이크(1)로부터 입력된 아날로그 신호 D1을, AD 변환부(2)에서 입력 신호 D2로 변환하고, 그 입력 신호 D2에 대해서 노이즈 제거 처리를 행하고 있지만, 이 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 미리 수록된 관측 파형의 디지털 신호 데이터를, 본 발명의 노이즈 제거 장치의 입력 신호 D2로서 입력하는 것에 의해, 마이크(1) 및 AD 변환부(2)는 생략할 수 있다.

또, STFT부(31)에서는, 시간 영역의 신호로부터 주파수 영역의 스펙트럼으로 변환하기 위해, 단시간 푸리에 변환을 이용하고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, STFT부(31)는, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform) 등의 공지의 수법을 이용하여, 시간 영역의 신호로부터 주파수 영역의 스펙트럼으로 변환해도 좋다.

또한, 상술한 이외의 변형예로서, 크로스 스펙트럼 대신에, 크로스 스펙트럼으로부터 얻어지는 코히어런스를 이용해도 좋다. 예를 들면, 코히어런스를 이용하여 주파수마다의 신호대 잡음비(SN비)를 구하고, 그 SN비를 이용하여 STFT 영역에 있어서의 노이즈 제거를 행해도 좋다. 구체적으로는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3과, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4로부터 얻어지는 코히어런스의 배열을 평균화한다. 코히어런스는 크로스 스펙트럼을 그 절대치로 제산(정규화)한 것이다. 따라서, 코히어런스를 평균화한 것은, 입력 신호의 SN비로 간주할 수 있다. 그 SN비에 근거하여, 예를 들면, 위너 필터(Wiener filter)에 의해 목적 신호를 얻을 수 있다. 이 방법에서는, 단시간 역푸리에 변환을 이용하지 않고도, 노이즈를 제거한 주파수 영역의 스펙트럼을, 시간 영역의 신호로 직접 복원하는 것이 가능해진다.

＜하드웨어 구성＞

도 1에 나타나는 노이즈 제거 장치(100)의 각 구성은, 예를 들면, 프로세서를 내장하는 정보 처리 장치인 컴퓨터로 실현 가능하다. 도 10은, 실시의 형태 1에 있어서의 노이즈 제거 장치(100)가 갖는 하드웨어의 구성도이다. 도 10에 있어서, 노이즈 제거 장치(100)는, 프로세서(200), 휘발성 기억 장치(201), 비휘발성 기억 장치(202), 입출력 장치(203), 및 신호로(204)로 구성된다.

프로세서(200)를 내장하는 컴퓨터는, 예를 들면, 퍼스널 컴퓨터, 서버형 컴퓨터 등의 거치형 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿형 컴퓨터 등의 가반형 컴퓨터, 혹은, 기기 진단 시스템 등의 기기 내장 용도의 마이크로 컴퓨터, 및 SoC(System on Chip) 등이다.

프로세서(200)는, 노이즈 제거 장치(100)의 전체를 제어하고, 또한, 노이즈 제거 장치(100)의 각 구성을 실행한다. 예를 들면, 프로세서(200)는, CPU(Central Processing Unit), FPGA(Field Programmable Gate Array), DSP(Digital Signal Processor) 등이다. 프로세서(200)는 단일의 프로세서라도 멀티 프로세서라도 좋다. 또, 노이즈 제거 장치(100)는, 컴퓨터 이외에 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등의 처리 회로를 가져도 좋다. 처리 회로는 단일 회로 또는 복합 회로라도 좋다.

휘발성 기억 장치(201)는 노이즈 제거 장치(100)의 주기억 장치이다. 예를 들면, 휘발성 기억 장치(201)는 RAM(Random Access Memory)이다.

비휘발성 기억 장치(202)는 노이즈 제거 장치(100)의 보조 기억 장치이다. 예를 들면, 비휘발성 기억 장치(202)는, ROM(Read Only Memory), HDD(Hard Disk Drive), 또는 SSD(Solid State Drive)이다.

입출력 장치(203)는 노이즈 제거 장치(100)의 입출력 인터페이스이다. 예를 들면, 입출력 장치(203)는, AD 변환부(2)의 출력인 입력 신호 D2를 취득하기 위해서 이용된다. 또, 노이즈 제거 장치(100)에 의해 얻어진 노이즈 제거된 입력 신호(즉, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6)를, 외부의 계측 기기(도시하지 않음)에 출력하기 위해서 이용된다.

프로세서(200)는, 작업용 메모리로서 휘발성 기억 장치(201)(예를 들면, RAM)을 사용하고, 비휘발성 기억 장치(202)(예를 들면, ROM)로부터, 신호로(204)를 통해서 판독된 컴퓨터 프로그램(즉, 노이즈 제거 프로그램)에 따라 동작한다. 또, 노이즈 제거 프로그램은, 입출력 장치(203)를 통해, 노이즈 제거 장치(100)의 외부로부터 공급되어도 좋다. 또, 노이즈 제거 프로그램은, 컴퓨터로 판독 가능한 비휘발성 기억 매체(예를 들면, CD(Compact Disc), DVD(Digital Versatile Disc), 플래시 메모리 등)에 의해 배포되어도 좋다.

노이즈 제거된 입력 신호는, 입출력 장치(203)를 통해 접속되어 있는 계측 기기에 송출되지만, 이 계측 기기로서, 예를 들면, 기기 진단 장치, 이상음 검출 장치, 데이터 기록 장치 등의 각종 계측 장치, 혹은, 각종 계측 장치의 계측·분석 프로그램이 동작하는 컴퓨터 등이 상당한다.

또한, 노이즈 제거된 입력 신호는, 입출력 장치(203)에 접속된 유선 또는 무선 네트워크를 통해서, 원격지에 있는 계측 기기로 송출되어도 좋다. 또, 마이크(1) 및 AD 변환부(2)가 노이즈 제거 장치(100)와 다른 위치에 배치되고, 마이크(1) 및 AD 변환부(2)에 의해 취득된 입력 신호 D2가, 유선 또는 무선 네트워크를 통해서 노이즈 제거 장치(100)에 입력되어도 좋다. 유선 또는 무선 네트워크는, 예를 들면, LAN(Local Area Network), 인터넷 등이다. 또, 노이즈 제거가 행해진 신호를 시간 영역의 신호로 복원하고, 입출력 장치(203)에 접속된 증폭 장치(도시하지 않음)에 의해 증폭하고, 스피커(도시하지 않음) 등을 이용하여 음향 파형으로서 직접 출력해도 좋다. 노이즈 제거된 시간 영역의 신호를 스피커로 출력하여 사용자에게 제시하는 것에 의해, 노이즈 제거 장치(100)가 정확하게 동작하고 있는지 여부를 사용자가 판단할 수 있다.

상술한 노이즈 제거 장치(100)는, 독립하여 구성된 장치로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 노이즈 제거 장치(100)는 계측 기기(예를 들면, 기기 진단 장치 등)의 하드웨어의 일부로서 구성되어도 좋다. 즉, 노이즈 제거 장치(100)는, 상술의 다른 계측 기기가 갖는 하드웨어에 내포되어도 좋다. 또, 노이즈 제거 프로그램은, 예를 들면, 상술의 다른 계측 기기의 기능을 구성하는 소프트웨어 프로그램의 일부 모듈로서 실행되어도 좋다. 또한, 노이즈 제거 프로그램은, 네트워크로 결합된 복수의 컴퓨터에 분산해 실행되어도 좋다.

이상, 실시의 형태 1에서 상술한 노이즈 제거 장치는, 1개의 마이크로부터 얻어진 주파수 스펙트럼의 제1 배열과, 주파수 스펙트럼의 제1 배열에 대해, 소정의 프레임 단위의 지연을 발생시키는 것에 의해 얻어지는 주파수 스펙트럼의 제2 배열의 크로스 스펙트럼을 생성하고, 또한, 크로스 스펙트럼의 배열에 대해서 시간 방향의 평균화를 행하는 것에 의해, 입력 신호의 노이즈를 제거하고, 목적 신호의 파워 스펙트럼을 추출하도록 구성했다.

따라서, 한 개소에 설치된 음향 센서로, 음색이 시간적으로 변화하는 비정상인 노이즈에 대응 가능한 노이즈 제거를 행할 수 있다.

실시의 형태 2.

상술한 실시의 형태 1에서는, 지연부(32)가, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3에 대해, 소정의 지연량 DLY에 따른 지연을 발생시키고, 지연한 신호인 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4를 생성했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 지연부(32)를 AD 변환기(2)의 직후에 배치하고, 이산 시간 단위에 의한 지연 처리를 행한 후, 지연 처리를 행한 신호와, 지연 처리를 행하지 않은 신호에 대해서, 각각 STFT를 행하는 것으로 구성하는 것도 가능하다. 이 구성을 실시의 형태 1의 변형예인, 실시의 형태 2로서 설명한다.

도 11은, 실시의 형태 2에 있어서의 노이즈 제거 장치의 블록 구성도이다. 도 1과 비교하여 새로운 구성은, 이산 시간 단위 지연부(32a)와, 제1 STFT부(31a)와, 제2 STFT부(31b)이다. 그 외의 구성과 동작에 대해서는 도 1과 같으므로 설명을 생략한다.

이산 시간 단위 지연부(32a)는, AD 변환부(2)가 출력한 입력 신호 D2에 대해, 지연량 dly에 따른 시간 방향의 지연을 발생시키고, 지연한 입력 신호 D2a(x(t-dly))를 출력한다. 여기서, 실시의 형태 1에 있어서의 지연부(32)와 다른 동작으로서, 이산 시간 단위 지연부(32a)는, 프레임의 시간 구간보다 세세한 단위인, 이산 시간 단위(샘플링 시간, 즉 t)의 시간 방향의 지연 처리를 행한다. 지연 처리의 방법으로서, 예를 들면, 단순히 샘플 성분을 dly만큼 차례로 시프트하는 방법 외에, 디지털 필터에 의한 위상 제어를 이용할 수 있다. 이산 시간 단위의 시간 방향의 지연을 발생시키는 것에 의해, 목적 신호에 따른 섬세한 시간 지연을 설정할 수 있고, 노이즈 제거의 정밀도가 향상하는 효과가 있다.

또, 이산 시간 단위 지연부(32a)는, 이산 시간 단위에서의 시간 방향의 지연 처리를 행하지만, 본질적 동작인 시간 방향의 지연을 발생시킨다는 점에 있어서, 도 1의 지연부(32)와 아무런 차이가 없다. 그 관점에서 말하면, 예를 들면, 지연량 dly로 설정하는 지연 시간이 소정의 프레임과 동일한 지연 시간이면, 이산 시간 단위 지연부(32a)는 지연부(32)로 대체되어도 좋다.

또, 이산 시간 단위 지연부(32a)는, 예를 들면, 비정수 지연(fractional delay) 필터를 이용하여, 입력 신호 D2에 대해, 샘플링 시간보다 더 섬세한 단위(예를 들면, 0.25샘플 등)의 지연을 발생시켜도 좋다.

제1 STFT부(31a)는, 도 1에 나타낸 STFT부(31)와 마찬가지로, 입력 신호 D2에 대해, 소정의 시간 간격(예를 들면, 32msec)의 프레임으로 분할하고, 또한 윈도잉 처리(예를 들면, 해닝창)를 행하고, 윈도잉된 입력 신호 x＾(t)를 산출한다.

계속해서, 제1 STFT부(31a)는, 윈도잉된 입력 신호 x＾(t)에 대해, 소정의 분석 구간 길이(예를 들면, 64msec)의 STFT를 행하는 것에 의해 주파수 스펙트럼으로 변환하고, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3을 출력한다.

제2 STFT부(31b)는, 이산 시간 단위 지연부(32a)가 생성한, 지연한 입력 신호 D2a에 대해, 제1 STFT부(31a)와 동일한 소정의 시간 간격(32msec)으로 프레임 분할하고, 또한 윈도잉 처리(예를 들면, 해닝창)를 행하고, 윈도잉된 입력 신호 x＾(t-dly)를 산출한다.

계속해서, 제2 STFT부(31b)는, 윈도잉된 입력 신호 x＾(t-dly)에 대해, 제1 STFT부(31a)와 동일한 분석 구간 길이(64msec)의 STFT를 행하는 것에 의해 주파수 스펙트럼으로 변환하고, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4a를 출력한다.

크로스 스펙트럼부(4)는, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4a(이산 시간 단위로 지연을 발생시킨 신호)와, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3(지연되지 않는 신호)을 이용하여, 일정한 시간차(dly)의 프레임끼리의 주파수 스펙트럼의 페어로부터 크로스 스펙트럼을 복수 생성한다. 생성된 각 프레임의 크로스 스펙트럼은, 현 프레임의 크로스 스펙트럼과 과거 프레임의 크로스 스펙트럼을 합쳐, 크로스 스펙트럼의 배열 D5로서 출력한다.

또, 제2 STFT부(31b)는, 제1 STFT부(31a)와 동일한 윈도잉 처리, 동일한 분석 구간 길이가 바람직하지만, 이것에 한정되지 않는다. 윈도잉 처리, 혹은 분석 구간 길이의 변경에 의한 처리 지연이 변함없는 한, 다른 방법을 이용해도 좋다. 예를 들면, 윈도잉 처리는 블랙맨 윈도(Blackman window)를 이용할 수 있다. 또한, STFT의 주파수 스펙트럼의 점수도 변경해도 좋다. 이 경우, 크로스 스펙트럼부(4)에 있어서의 크로스 스펙트럼 산출 시에 있어서, 제 1 STFT부(31a)가 출력하는 주파수 스펙트럼의 점수와 일치하도록, 주파수 스펙트럼의 보간 처리 혹은 주파수 스펙트럼의 솎아냄 처리를 행하면 좋다.

이후의 처리는 실시의 형태 1에서 설명한 내용과 동일하고, 설명을 생략한다.

＜흐름도＞

도 12는, 실시의 형태 2에 있어서의 노이즈 제거 처리의 순서를 나타내는 흐름도이다.

스텝 ST201에서는, 이산 시간 단위 지연부(32a)가, 입력 신호 D2에 대해, 지연량 dly에 따른 시간 지연을 발생시키고, 지연한 입력 신호 D2a를 출력한다(스텝 ST201).

스텝 ST202A에서는, 제1 STFT부(31a)가, 입력 신호 D2에 대해서, 소정의 창함수(해닝창)에 의한 윈도잉 처리를 행한다. 또한, 제1 STFT부(31a)가, 소정의 분석 구간 길이(64msec)의 STFT에 의한 스펙트럼 변환 처리를 행하고, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3을 출력한다(스텝 ST202A).

스텝 ST202B에서는, 제2 STFT부(31b)가, 지연한 신호인 입력 신호 D2a에 대해서, 제1 STFT부(31a)와 동일한 창함수(해닝창)에 의해 윈도잉 처리를 행한다. 또한, 제2 STFT부(31b)가, 제1 STFT부(31a)와 동일한 분석 구간 길이(64msec)의 STFT에 의한 스펙트럼 변환 처리를 행하고, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4a를 출력한다(스텝 ST202B).

스텝 ST203에서는, 크로스 스펙트럼부(4)가, 스텝 ST202B에서 생성된 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4a(이산 시간 단위로 지연을 발생시킨 신호)와, 스텝 ST202A에서 생성된 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3(지연되지 않는 신호)을 이용하여, 일정한 시간차(dly)의 프레임끼리의 주파수 스펙트럼의 페어로부터 크로스 스펙트럼을 복수 생성한다. 생성된 크로스 스펙트럼은, 현 프레임의 크로스 스펙트럼과 과거 프레임의 크로스 스펙트럼을 합쳐, 크로스 스펙트럼의 배열 D5로서 출력한다(스텝 ST203).

스텝 ST204에서는, 노이즈 제거부(5)가, 크로스 스펙트럼의 배열 D5를 시간 방향으로 평균화하는 것에 의해, 입력 신호의 노이즈를 제거하고, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6을 추출한다(스텝 ST204).

스텝 ST205에서는, 푸리에 변환부(3)가, 입력 신호 D2의 입력이 종료했다고 판정한 경우(스텝 ST205의 YES), 노이즈 제거 처리를 종료한다(END). 계속 입력 신호 D2의 입력이 있다고 판정한 경우(스텝 ST205의 NO), 스텝 ST201의 최초로 돌아와, 다음 프레임의 입력 신호 D2에 대해, 스텝 ST201부터 스텝 ST204의 각 처리를 차례로 계속한다.

상술한 노이즈 제거 처리의 순서에 대해, 스텝 ST202A의 처리 후, 스텝 ST202B의 처리를 행하고 있지만, 스텝 ST202B의 처리를 먼저 실시해도 좋고, 스텝 ST202A와 스텝 ST202B의 각 처리를 동시에 병행하여 실시해도 좋다.

이상, 실시의 형태 2에서 상술한 노이즈 제거 장치는, 시간 영역의 입력 신호에 대해 프레임보다 섬세한 시간 단위의 지연 처리를 행한 후, 지연 처리를 행한 신호와, 지연 처리를 행하지 않은 신호에 대해서, 각각 STFT를 행하는 구성으로 했다.

따라서, 한 개소에 설치된 음향 센서로, 음색이 시간적으로 변화하는 비정상인 노이즈에 대응 가능한 노이즈 제거를 행할 수 있는 효과에 부가하여 프레임 단위보다 섬세한 시간 단위로 정밀하게 지연량을 설정할 수 있으므로, 노이즈 제거의 정밀도가 더 향상하는 상승 효과가 있다.

실시의 형태 3.

상술한 실시의 형태 1 및 실시의 형태 2에 있어서, 지연량 DLY(혹은, dly)를 소정의 고정치로 하고 있었지만, 이것에 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 소정의 평가 기준에 따라 양호한 노이즈 제거 성능을 얻을 수 있도록, 지연량의 복수의 후보로부터 적응적으로 지연량을 선택하는 것도 가능하다. 이 구성을 실시의 형태 3으로서 설명한다.

도 13은, 실시의 형태 3에 있어서의 노이즈 제거 장치의 블록 구성도이다. 도 13에 있어서, 도 1과 다른 구성은 지연량 선택부(6)이다. 또, 지연량 선택부(6)는 지연량 생성부(61)와 평가부(62)로 구성된다. 그 외의 구성에 대해서는 도 1과 동일하므로 설명을 생략한다.

지연량 선택부(6)는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3과, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6을 이용하여, 소정의 평가 기준(예를 들면, 노이즈 제거 성능에 관한 평가치가 가장 높아지는 경우, 노이즈 제거 성능에 관한 평가치가 임계치를 초과하는 경우, 등)에 따라 노이즈 제거 성능을 평가하고, 지연량의 복수의 후보 중에서 소정의 평가 기준을 만족시키는 지연량을 선택한다. 그리고, 선택된 지연량 DLY_cand(n_D)를 지연부(32)로 출력한다. 이후, 노이즈 제거 성능에 관한 평가치를 「평가치」라고 약칭한다.

계속해서, 지연량 선택부(6)의 내부 처리인, 지연량의 선택과 관련되는 일련의 처리에 대해 설명한다.

지연량 생성부(61)는, 지연량의 복수의 후보 중에서 1개의 지연량의 후보 DLY_cand(n)를 생성하고, 지연부(32)로 출력한다. 여기서, n는 지연량의 후보의 번호를 나타낸다. 또, 지연량 생성부(61)는, 지연량의 후보의 번호 n를 평가부(62)로 통지한다.

평가부(62)는, 지연량의 후보 DLY_cand(n)를 이용하여 생성된, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6과, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3을 이용하여, 소정의 평가 기준을 만족시키는, 예를 들면, 후술하는 평가치가 가장 높아지는 지연량 DLY_cand(n)를 선택한다. 그 때의 지연량의 번호 n을, 선택된 지연량의 번호 n_D로서 지연량 생성부(61)로 통지한다.

또, 평가부(62)에 있어서의 노이즈 제거 성능의 평가는, 평가치가 가장 높아지는 지연량이 얻어질 때까지, 지연량의 복수의 후보 모두에 대해 행해져도 좋지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 평가 작업 중에, 소정의 임계치 이상의 평가치를 만족시키는 지연량의 후보가 얻어진 경우, 평가 작업을 도중에 종료하고, 그 때의 지연량의 후보의 번호 n를, 지연량 생성부(61)로 통지해도 좋다. 또, 노이즈 제거 성능 평가의 결과, 미리 설정된 소정의 지연량보다 평가치가 낮은 경우, 소정의 지연량을 나타내는 번호 n를, 지연량 생성부(61)로 통지해도 좋다.

평가부(62)에 있어서의 평가치로서, 예를 들면, 식 (3) 및 식 (4)에 나타내는 노이즈 감쇠량 NR_LV를 이용할 수 있다. 노이즈 감쇠량 NR_LV는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3(즉, 입력 신호) 중의, 현 프레임의 파워 스펙트럼(X²(ω, k))로부터, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6(P(ω))을 감산한 신호 nr₁(ω)의 파워(dB)를 나타낸다.

단, k는 현 프레임의 번호이다.

식 (3)에 있어서, 목적 신호의 주기가 변화하지 않는 한, 본 발명의 노이즈 제거 처리의 전후에 목적 신호는 변화하지 않기 때문에, 식 (3)에 의한 파워 스펙트럼의 감산에 의해 목적 신호의 영향은 상쇄되게 된다. 즉, 식 (3)에 의해 얻어지는 신호 nr₁(ω)에는 목적 신호는 포함되지 않는다. 따라서, 노이즈 감쇠량 NR_LV는, 입력 신호 중의 노이즈 성분과 노이즈 제거 후의 잔류 노이즈 성분의 차, 즉, 노이즈 제거 전후의 노이즈만의 파워의 차를 나타내게 된다. 이것으로부터, 노이즈 감쇠량 NR_LV의 값이 클수록, 목적 신호의 파워 스펙트럼 중의 잔류 노이즈가 작은, 즉, 노이즈 제거 성능이 높은 것을 나타내고 있다.

목적 신호의 주기가 변화하는 경우는, 예를 들면, 식 (5) 및 식 (6)을 이용하여, 노이즈 감쇠량 NR_LV를 얻을 수도 있다.

단, N(ω)는, 입력 신호에 포함되는 노이즈의 평균적인 파워 스펙트럼, P_N(ω)는, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6 중에 포함되는 잔류 노이즈의 파워 스펙트럼이다.

또, N(ω)는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3으로부터 얻을 수 있다. N(ω)는, 예를 들면, 자기 상관법(autocorrelation), 캡스트럼법(cepstrum method) 등의 공지의 음성 구간 검출 방법을 이용하여, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3 중에서, 목적 신호가 포함되지 않은 구간(즉, 노이즈만의 구간)을 추측하고, 노이즈만의 구간의 주파수 스펙트럼 성분으로부터 구하면 좋다.

또, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6으로부터, 잔류 노이즈의 파워 스펙트럼 P_N(ω)를 추출하는 방법으로서, 예를 들면, 주파수 스펙트럼 성분의 최소치 트랙킹법을 이용할 수 있다. 구체적으로는, 파워 스펙트럼 P(ω)의 주파수 스펙트럼 성분의 최소치 혹은 극소치를, 주파수 방향으로 차례로 트랙킹하는 것에 의해, 잔류 노이즈 성분을 추정하는 것이 가능하다.

상기에서는, 평가치의 일례로서 노이즈 감쇠량을 이용한 경우를 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 식(7)에 나타내는 것과 같은, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6의 SN비 SN_NR에 의해 평가할 수도 있다. 이 평가치 SN_NR는, 목적 신호의 주기가 변화해도 대응 가능하다.

단, P_S(ω)는, 잔류 노이즈를 포함하지 않는 목적 신호의 파워 스펙트럼, P_N(ω)는 잔류 노이즈의 파워 스펙트럼이다. 이 SN_NR이 높을수록, 목적 신호 성분과 잔류 노이즈 성분의 차가 크고, 노이즈 제거 성능이 높은 것을 나타낸다. 또, 잔류 노이즈를 포함하지 않는 목적 신호의 파워 스펙트럼 P_S(ω)는, 예를 들면, 주파수 스펙트럼의 피크 피킹법에 의해, 목적 신호의 주파수 스펙트럼 성분만을 추정하는 것으로 산출할 수 있다.

지연량 생성부(61)는, 지연량의 복수의 후보로부터, 선택된 지연량의 번호 n_D에 대응하는 지연량 DLY_cand(n_D)를 생성하고, 다시 지연부(32)로 출력한다.

지연량 생성부(61)에 있어서, 지연량의 복수의 후보는, 예를 들면, 목적 신호의 주기 신호의 상관이 저하하지 않는 범위에서 미리 설정할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 10msec에서 200msec까지의 범위에서, 10msec마다 설정할 수 있다. 또, 이것들은 일례에 지나지 않고, 예를 들면, 목적 신호의 상태, 노이즈의 상태 등, 입력 신호의 상태에 따라 적절히 설정할 수 있다.

평가부(62)는, 선택된 지연량과 평가치를, 예를 들면, 디스플레이 등의 표시장치(도시하지 않음)를 이용하여 사용자에게 제시해도 좋다. 혹은, 선택된 지연량과 평가치에 관한 데이터를, 노이즈 제거 장치(100)에 접속된 계측 기기에 출력해도 좋다.

선택된 지연량과 평가치를 사용자에게 제시하는 것으로, 노이즈 제거 장치가 정확하게 동작하고 있는지 여부를 사용자가 판단할 수 있다. 또, 계측 기기는, 노이즈 제거 장치가 측정한 데이터를 바탕으로 파라미터의 조정을 할 수 있으므로, 측정 정밀도를 높일 수 있다.

또, 상술한 구성은, 도 11에 나타낸 실시의 형태 2의 구성에도 적용 가능하다. 이 경우, 지연량 선택부(6)는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3과, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6을 이용하여, 소정의 평가 기준(예를 들면, 평가치가 가장 높아지는 경우, 등)에 따라 노이즈 제거 성능을 평가하고, 지연량의 복수의 후보 중에서 소정의 평가 기준을 만족시키는 지연량을 선택한다. 그리고, 선택된 지연량 DLY_cand(n_D)를 이산 시간 단위 지연부(32a)로 출력하면 좋다.

이상 설명한 바와 같은 평가치를 이용하여, 평가치가 높아지도록 지연량을 선택하는 것에 의해, 노이즈 제거 성능이 높아지도록 적응적으로 지연량을 선택할 수 있으므로, 노이즈 제거 성능을 더 높일 수 있다.

＜흐름도＞

도 14는, 실시의 형태 3에 있어서의 노이즈 제거 처리의 순서를 나타내는 흐름도이다.

스텝 ST301은, STFT부(31)가, 입력 신호 D2에 대해서, 소정의 윈도잉 처리(해닝창)를 행한다. 또한, STFT부(31)가, 소정의 분석 구간 길이(64msec)의 STFT에 의한 스펙트럼 변환 처리를 행하고, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3을 출력한다(스텝 ST301).

스텝 ST302에서는, 지연량 생성부(61)가, 지연량의 복수의 후보 중에서 1개의 지연량의 후보 DLY_cand(n)를 생성하고, 지연부(32)로 출력하고, 또한, 지연량의 후보의 번호 n를 평가부(62)로 통지한다(스텝 ST302).

스텝 ST303에서는, 지연부(32)가, 스텝 ST301에서 생성된 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3에 대해, 지연량 DLY_cand(n)에 따른 시간 지연을 발생시키고, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4를 출력한다(스텝 ST303).

스텝 ST304에서는, 크로스 스펙트럼부(4)가, 스텝 ST303에서 생성된 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4와, 스텝 ST301에서 생성된 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3을 이용하여, 지연량 DLY_cand(n)에 따른 시간차의 프레임끼리의 주파수 스펙트럼의 페어로부터 크로스 스펙트럼을 복수 생성한다. 생성된 각 프레임의 크로스 스펙트럼은, 현 프레임의 크로스 스펙트럼과 과거 프레임의 크로스 스펙트럼을 합쳐, 크로스 스펙트럼의 배열 D5로서 출력한다(스텝 ST304).

스텝 ST305에서는, 노이즈 제거부(5)가, 스텝 ST304에서 생성된 크로스 스펙트럼의 배열 D5를 시간 방향으로 평균화하는 것에 의해, 입력 신호의 노이즈를 제거하고, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6을 추출한다(스텝 ST305).

스텝 ST306에서는, 평가부(62)가, 스텝 ST305에서 산출된 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6과, 스텝 ST301에서 생성된 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3을 이용하여 평가치를 산출하고, 소정의 평가 기준에 따라 노이즈 제거 성능을 평가한다(스텝 ST306).

스텝 ST307에서는, 평가부(62)가, 평가 종료 조건을 만족하는지 여부를 판정한다. 여기서 평가 종료 조건은, 예를 들면, 지연량의 후보 전부를 평가하고, 가장 평가치가 높은 지연량의 후보를 선택한 것, 혹은, 소정의 임계치 이상의 평가치를 얻은 지연량의 후보를 선택한 것 등이다. 평가 종료 조건을 만족하지 못한 경우(스텝 ST307의 NO), 다른 지연량의 후보를 평가하기 위해 스텝 ST302에 돌아온다. 평가 종료 조건을 만족하는 경우(스텝 ST307의 YES), 노이즈 제거 성능이 양호한 것으로 평가된 지연량의 번호 n_D를 지연량 생성부(61)로 통지하고, 스텝 ST308로 이행한다.

스텝 ST308에서는, 지연량 생성부(61)가, 선택된 지연량의 번호 n_D에 대응하는 지연량 DLY_cand(n_D)를 생성하고, 지연부(32)로 출력한다(스텝 ST308).

스텝 ST309에서는, 지연부(32)가, 스텝 ST301에서 산출된 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3에 대해, 선택된 지연량 DLY_cand(n_D)에 따른 시간 지연을 발생시키고, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4를 생성하여 출력한다(스텝 ST309).

스텝 ST310에서는, 크로스 스펙트럼부(4)가, 스텝 ST309에서 생성된 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4와, 스텝 ST301에서 생성된 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3을 이용하여, 지연량 DLY_cand(n_D)에 따른 시간차의 프레임끼리의 주파수 스펙트럼의 페어로부터 크로스 스펙트럼을 복수 생성한다. 생성된 각 프레임의 크로스 스펙트럼은, 현 프레임의 크로스 스펙트럼과 과거 프레임의 크로스 스펙트럼을 합쳐, 크로스 스펙트럼의 배열 D5로서 출력한다(스텝 ST310).

스텝 ST311에서는, 노이즈 제거부(5)가, 스텝 ST310에서 산출된 크로스 스펙트럼의 배열 D5를 시간 방향으로 평균화하는 것에 의해, 입력 신호의 노이즈를 제거하고, 목적 신호의 파워 스펙트럼 D6을 추출한다(스텝 ST311).

스텝 ST312에서는, 푸리에 변환부(3)가, 입력 신호 D2의 입력이 종료했다고 판정한 경우(스텝 ST312의 YES), 노이즈 제거 처리를 종료한다(END). 계속 입력 신호 D2의 입력이 있다고 판정한 경우(스텝 ST312의 NO), 스텝 ST301의 최초로 돌아와, 다음 프레임의 입력 신호 D2에 대해, 스텝 ST301로부터 스텝 ST311의 각 처리를 차례로 계속한다.

이상 설명한, 지연량 선택부(6)에 있어서의 지연량의 선택과 관련되는 일련의 처리는, 반드시 실제의 노이즈 제거 처리 중에 행하지 않아도 좋다. 예를 들면, 예비 평가에 의해 지연량을 미리 선택해도 좋다. 예비 평가에서 지연량을 선정하는 것에 의해, 실제의 노이즈 제거 시에 있어서의 지연량의 선정 처리가 불필요해지고, 처리량 및 메모리량을 삭감할 수 있다.

또, 지연량의 선택에 있어서 시간적 여유가 있는 경우(예를 들면, 입력 신호의 입력 개시부터의 지연량 선정을 위한 수습 시간에 여유가 있는 것, 목적 신호의 주기 변화가 비교적 완만한 것 등), 지연량의 후보 전부에 대해서 1개의 프레임 내에서 평가를 완료하지 않아도 좋다. 예를 들면, 지연량의 후보를 프레임마다의 단블록으로 나누어 차례로 평가해도 좋다. 구체적으로는, 지연량의 후보수 n이 20개인 경우, 짝수번째의 프레임에서는 n이 1~10인 번호의 범위의 지연량의 후보를 평가하고, 홀수번째의 프레임은 n이 11~20인 범위의 지연량의 후보를 평가한다. 그리고, 짝수 및 홀수의 2프레임분의 평가로 노이즈 제거 성능이 양호한 쪽의 지연량을 선택할 수 있다. 또, 프레임마다 지연량의 후보를 1개씩 차례로 평가해도 좋다.

지연량의 선택 처리를 복수의 프레임에 분산하는 것에 의해, 지연량의 선택과 관련되는 처리량의 피크치를 저감할 수 있다.

또, 상술한 구성은, 도 11에 나타낸 실시의 형태 2의 구성에도 적용 가능하다. 이 경우, 지연량의 후보 DLY_cand(n)와, 선택된 지연량 DLY_cand(n_D)를, 이산 시간 단위 지연부(32a)로 출력하면 좋다.

이상, 실시의 형태 3에서 상술한 노이즈 제거 장치는, 노이즈 제거 성능이 높은 경우에 값이 높아지는 평가치를 이용하고, 그 평가치가 높아지도록 지연량의 복수의 후보로부터 지연량을 적응적으로 선택하는 구성으로 했다.

따라서, 한 개소에 설치된 음향 센서로, 음색이 시간적으로 변화하는 비정상인 노이즈의 시간 변화에 대응 가능한 노이즈 제거를 행할 수 있는 효과에 부가하여, 노이즈 제거 성능이 양호해지는 지연량이 자동적으로 선택되므로, 노이즈 제거 정밀도가 더 향상한다.

또, 실시의 형태 3에서 상술한 노이즈 제거 장치는, 프레임마다 노이즈 제거 성능이 높아지도록, 지연량이 자동적으로 선택되므로, 목적 신호의 주기가 변화해도 그 변화에 추종하도록 지연량이 선택되고, 노이즈 제거 정밀도가 더 향상한다.

또한, 상술의 구성에 의해 지연량이 자동적으로 조정되기 때문에, 시행 착오에 의한 파라미터 조정의 필요가 없어져, 작업 코스트를 삭감하는 부차 효과도 얻을 수 있다.

실시의 형태 4.

상술한 실시의 형태 1 또는 실시의 형태 2에서는 지연량을 소정의 고정치로 하고 있었지만, 예를 들면, 기기로부터 생기는 동작음의 주기가 노이즈 제거 장치의 외부로부터 얻어지는 경우, 그 주기 정보를 이용하여 지연량이 산출되어도 좋다.

도 15는, 실시의 형태 4에 있어서의 노이즈 제거 장치의 블록 구성도이다. 도 1과 비교하여 다른 구성은 지연량 산출부(7)이다. 그 외의 구성에 대해서는 도 1과 같으므로 설명을 생략한다.

지연량 산출부(7)는, 기기로부터 생기는 동작음의 주기 T_P(즉, 목적 신호의 주기 정보)를 이용하여, 주기 T_P의 시간 변동에 대응한 지연량을 산출한다. 주기 T_P를 취득하는 방법으로서, 예를 들면, 측정 대상이 되는 기기가 회전부를 갖고, 기기의 제어 정보로부터 그 회전수가 얻어지는 경우, 그 회전수를 주기로서 취득해도 좋다. 혹은, 입력 신호를 음향 분석하는 것에 의해 주기 T_P를 추정해도 좋다. 음향 분석의 방법으로서, 예를 들면, 자기 상관법, 캡스트럼법 등의 공지의 방법을 이용할 수 있다.

목적 신호로부터 지연량을 산출하는 방법으로서, 예를 들면, 이하의 방침이 고려된다. 노이즈를 제거한다고 하는 관점에 있어서는, 지연량이 클수록 노이즈의 상관이 저하하기 때문에 노이즈 제거 성능은 향상한다. 한편, 목적 신호를 강조한다고 하는 관점에 있어서는, 목적 신호가 제거되지 않도록, 지연량은 목적 신호의 상관이 저하하지 않는 정도의 크기로 유지해야 할 것이다.

그래서, 주기 T_P가 매우 안정적(예를 들면, 회전수가 시간 변화하지 않는 경우 등)이면, 지연량이 커도 목적 신호의 상관은 낮아지지 않기 때문에, 보다 강력하게 노이즈를 제거할 수 있도록 지연량을 크게 한다. 한편, 주기 T_P가 불안정한 경우는, 목적 신호가 제거되지 않도록 지연량을 작게 한다.

지연량 산출부(7)는, 목적 신호의 주기 정보(주기 T_P)의 시간 변동이 작은 경우, 즉, 안정적이면 큰 지연량을 산출하고, 그 반대이면 작은 지연량을 산출하고, 지연량 DLY_T로서 출력한다. 여기서, 주기 T_P의 시간 변동을 측정하는 지표로서, 예를 들면, 주기 T_P의 시계열 데이터의 분산, 변동 계수 등 공지의 통계적 수법을 이용할 수 있다. 또, 정확한 주기 T_P를 측정할 필요는 없고, 주기 T_P는 어림값이어도 좋다.

지연량 DLY_T의 산출 방법으로서, 예를 들면, 주기 T_P의 시간 변동의 크기(불균일의 정도)에 따라, 지연량의 복수의 후보로부터 선택할 수 있다. 구체적으로는, 주기 T_P의 시간 변동이 큰 경우에는, 값이 작은 지연량 DLY_T를 선택할 수 있다. 또, 주기 T_P의 시간 변동이 작은 경우에는, 값이 큰 지연량 DLY_T를 선택할 수 있다. 또, 지연량의 후보의 개수는, 목적 신호의 시간 변동의 크기에 따라, 적절히 설정되면 좋다.

또한, 지연량 DLY_T는 연속량이어도 좋다. 예를 들면, 지연량 DLY_T는, 주기 T_P의 시간 변동에 역비례시킨 연속량을 이용할 수 있다. 이 경우, 주기 T_P의 시간 변동이 커지는 것에 따라 지연량 DLY_T의 값은 작아지고, 주기 T_P의 시간 변동이 작아지는 것에 따라 지연량 DLY_T의 값은 커진다.

또, 지연량 DLY_T의 값은, 프레임마다 변경되어도 좋고, 예를 들면, 복수의 프레임의 평균치로 변경되어도 좋다.

지연부(32)는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3에 대해, 지연량 DLY_T에 따른 시간 지연을 발생시키고, 주파수 스펙트럼의 제2 배열 D4를 생성하여 출력한다.

또, 상술한 구성은, 도 11에 나타낸 실시의 형태 2의 구성에도 적용 가능하다. 이 경우, 산출된 지연량 DLY_T를 이산 시간 단위 지연부(32a)로 출력하면 좋다.

이상, 실시의 형태 4에서 상술한 노이즈 제거 장치는, 목적 신호에 관한 주기 정보를 이용하여, 주기 정보에 대응한 지연량을 산출하는 구성으로 했다.

따라서, 기기의 동작 상태에 따라 적절한 지연량을 자동적으로 산출할 수 있으므로, 기기의 동작 상태가 시간 변화하는 경우에도 높은 노이즈 제거 정밀도가 얻어지는 효과가 있다.

또, 실시의 형태 4에서 상술한 노이즈 제거 장치는, 목적 신호의 주기 정보를 이용하여, 목적 신호의 주기 정보의 시간 변동이 작은 경우에는 큰 지연량을 산출하고, 목적 신호의 주기 정보의 시간 변동이 큰 경우에는 작은 지연량을 산출하는 구성으로 했다.

실시의 형태 5.

상기한 실시의 형태의 각각에 있어서, 지연량을 전 주파수 대역에서 1개의 값으로 설정하고 있지만, 예를 들면, 지연량은 주파수마다 다른 값을 설정하도록 해도 좋다.

예를 들면, 도 1에 나타내는 지연부(32)는, 주파수 스펙트럼의 제1 배열 D3에 대해, 예를 들면, 0≤ω＜W/2(단, W는 주파수 스펙트럼의 요소수)의 범위의 주파수에서는 DLY_L의 지연량을 설정하고, W/2≤ω＜W의 범위의 주파수에서는 DLY_H의 지연량을 설정한다. 여기서, DLY_L와 DLY_H는 상이한 소정의 수치이며, 입력 신호의 상태(예를 들면, 목적 신호의 주파수 특성, 노이즈의 주파수 특성 등)에 따라 적절히 설정하면 좋다. 또, 지연량은 DLY_L과 DLY_H의 2치에 한정되지 않는다. 예를 들면, 지연량은 주파수 스펙트럼의 주파수 빈(즉, ω)마다 설정해도 좋다.

또, 도 11에 나타낸, 실시의 형태 2에 있어서의 이산 시간 단위 지연부(32a)는, 시간 영역의 신호에 대해서 지연을 부여하고 있지만, 여기에서도 지연량은 주파수마다 다른 값을 설정할 수 있다. 예를 들면, 상이한 주파수 대역의 복수의 대역 통과 필터를 이용하여 시간 영역의 신호를 대역별로 분리하고, 대역마다 상이한 지연을 발생시킨 후, 시간 영역의 신호를 재합성한다. 상기의 처리를 행하는 것에 의해, 시간 영역의 신호에 대해서 주파수별로 상이한 지연을 발생시킬 수 있다.

또, 지연량을 주파수마다 다른 값으로 설정하는 것은, 실시의 형태 3에 있어서의 선택된 지연량 DLY_cand(n_D), 및, 실시의 형태 4에 있어서의 지연량 DLY_T에도 적용 가능한 것은 물론이다.

지연량을 주파수별로 다른 값으로 설정하는 것에 의해, 주파수 특성이 다른 복수의 노이즈원이 존재하고 있는 경우에도 고정밀의 노이즈 제거가 가능해진다.

상기한 본 실시의 형태의 각각에 있어서, 입력 신호 D2의 샘플링 주파수를 16000Hz로 하고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 샘플링 주파수를 22000Hz 등으로 변경해도, 상술한 방법과 동등한 효과를 갖는다.

본 개시에 따른 노이즈 제거 장치는, 예를 들면, 기기의 이상음 진단 장치에 이용되는 데 적합하다. 예를 들면, 본 발명의 노이즈 제거 장치를, 기기 동작음에 근거하는 이상 검출 처리의 전단(前段)에 적용하는 것으로, 한 개소에 설치된 음향 센서로 노이즈의 시간 변화에 강건한 이상 검출 정밀도를 실현할 수 있다. 따라서, 이 구성으로 하는 것에 의해, 높은 이상 검출 성능을 달성하는 이상음 진단 장치로서 이용할 수 있다.

본 개시에 따른 노이즈 제거 장치는, 복수의 음향 센서가 불필요하기 때문에 염가이다. 또한, 본 개시에 따른 노이즈 제거 장치는, 음향 센서의 배치 등의 물리적인 제약으로부터 해방된다. 종래의 노이즈 제거 장치에서는, 목적음의 종류에 따라서는 위상차를 변경할 필요가 있지만, 그 경우, 2개의 음향 센서의 간격을 변경해야 한다. 한편, 본 개시에 따른 노이즈 제거 장치는, 단일의 음향 센서로 위상차를 임의로 변경 가능하고, 음향 센서의 배치에 의존하지 않는다.

상기 이외에도, 본 개시는 그 명시된 범위 내에 있어서, 실시의 형태의 임의의 구성 요소의 변형, 혹은 실시의 형태의 임의의 구성 요소의 생략이 가능하다.

1 마이크, 2 AD 변환부, 3 푸리에 변환부, 4 크로스 스펙트럼부, 5 노이즈 제거부, 6 지연량 선택부, 7 지연량 산출부, 31 STFT부, 31a 제1 STFT부, 31b 제2 STFT부, 32 지연부, 32a 이산 시간 단위 지연부, 61 지연량 생성부, 62 평가부, 100 노이즈 제거 장치, 200 프로세서, 201 휘발성 기억 장치, 202 비휘발성 기억 장치, 203 입출력 장치, 204 신호로.

Claims

목적 신호 이외의 성분을 포함하는 단일의 음향 센서로부터 얻어지는 하나의 입력 신호를 일정한 시간으로 구획된 프레임으로 분할하여 주파수 스펙트럼으로 변환하고, 지연량을 이용하여 일정한 시간차를 갖는 상기 하나의 입력 신호에 대한 주파수 스펙트럼의 쌍을 복수 생성하는 푸리에 변환부와,
복수의 상기 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍으로부터, 크로스 스펙트럼 또는 코히어런스를 복수 생성하는 크로스 스펙트럼부와,
복수의 상기 크로스 스펙트럼 또는 복수의 상기 코히어런스를 평균화하고, 상기 목적 신호의 파워 스펙트럼을 추출하는 노이즈 제거부를 구비하는
노이즈 제거 장치.
제1항에 있어서,
상기 푸리에 변환부가, 상기 입력 신호를 프레임마다의 주파수 스펙트럼으로 변환하고, 복수의 당해 주파수 스펙트럼을 합쳐 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열을 생성하고,
상기 푸리에 변환부가 지연부를 더 구비하고,
상기 지연부가, 상기 지연량을 이용하여 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열을 지연시켜 상기 주파수 스펙트럼의 제2 배열을 생성하고,
상기 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍은, 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열의 요소와, 상기 주파수 스펙트럼의 제2 배열의 요소로 이루어지는 쌍인 것을 특징으로 하는
노이즈 제거 장치.
제1항에 있어서,
상기 푸리에 변환부가 지연부를 더 구비하고,
상기 지연부가, 상기 지연량을 이용하여 상기 입력 신호를 지연시킨 신호를 생성하고,
상기 푸리에 변환부가, 상기 입력 신호를 프레임마다의 주파수 스펙트럼으로 변환하고, 복수의 당해 주파수 스펙트럼을 합쳐 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열을 생성하고, 또한,
상기 지연시킨 신호를 프레임마다의 주파수 스펙트럼으로 변환하는 것에 의해, 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열보다 지연한 상기 주파수 스펙트럼의 제2 배열을 생성하고,
상기 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍은, 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열의 요소와, 상기 주파수 스펙트럼의 제2 배열의 요소로 이루어지는 쌍인 것을 특징으로 하는
노이즈 제거 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열과, 상기 목적 신호의 파워 스펙트럼을 이용하여, 지연량의 복수의 후보 중에서, 노이즈 제거 성능에 관한 평가치가 높아지도록 상기 지연량을 선택하는 지연량 선택부를 구비하고,
상기 푸리에 변환부가, 선택된 상기 지연량을 이용하여, 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열보다 지연한 상기 주파수 스펙트럼의 제2 배열을 생성하는 것을 특징으로 하는
노이즈 제거 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 목적 신호에 관한 주기 정보를 이용하여, 당해 주기 정보의 시간 변동에 대응한 상기 지연량을 산출하는 지연량 산출부를 구비하고,
상기 푸리에 변환부가, 산출된 상기 지연량을 이용하여, 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열보다 지연한 상기 주파수 스펙트럼의 제2 배열을 생성하는 것을 특징으로 하는
노이즈 제거 장치.
제5항에 있어서,
상기 지연량 산출부가, 상기 주기 정보의 시간 변동이 작은 경우에는 상기 지연량이 큰 값을 산출하고, 상기 주기 정보의 시간 변동이 큰 경우에는 상기 지연량이 작은 값을 산출하는 것을 특징으로 하는
노이즈 제거 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지연량이 주파수마다 다른 값인 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 장치.
푸리에 변환부가, 목적 신호 이외의 성분을 포함하는 단일의 음향 센서로부터 얻어지는 하나의 입력 신호를 일정한 시간으로 구획된 프레임으로 분할하여 주파수 스펙트럼으로 변환하고, 지연량을 이용하여 일정한 시간차를 갖는 상기 하나의 입력 신호에 대한 주파수 스펙트럼의 쌍을 복수 생성하고,
크로스 스펙트럼부가, 복수의 상기 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍으로부터, 크로스 스펙트럼 또는 코히어런스를 복수 생성하고,
노이즈 제거부가, 복수의 상기 크로스 스펙트럼 또는 복수의 상기 코히어런스를 평균화하고, 상기 목적 신호의 파워 스펙트럼을 추출하는 것을 특징으로 하는
노이즈 제거 방법.
제8항에 있어서,
상기 푸리에 변환부가, 상기 입력 신호를 프레임마다의 주파수 스펙트럼으로 변환하고, 복수의 당해 주파수 스펙트럼을 합쳐 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열을 생성하고,
상기 푸리에 변환부가 지연부를 더 구비하고,
상기 지연부가, 상기 지연량을 이용하여 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열을 지연시켜 상기 주파수 스펙트럼의 제2 배열을 생성하고,
상기 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍은, 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열의 요소와, 상기 주파수 스펙트럼의 제2 배열의 요소로 이루어지는 쌍인 것을 특징으로 하는
노이즈 제거 방법.
제8항에 있어서,
상기 푸리에 변환부가 지연부를 더 구비하고,
상기 지연부가, 상기 지연량을 이용하여, 상기 입력 신호를 지연시킨 신호를 생성하고,
상기 푸리에 변환부가, 상기 입력 신호를 프레임마다의 주파수 스펙트럼으로 변환하고, 복수의 당해 주파수 스펙트럼을 합쳐 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열을 생성하고, 또한,
상기 지연시킨 신호를 프레임마다의 주파수 스펙트럼으로 변환하는 것에 의해, 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열보다 지연한 상기 주파수 스펙트럼의 제2 배열을 생성하고,
상기 일정한 시간차를 갖는 주파수 스펙트럼의 쌍은, 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열의 요소와, 상기 주파수 스펙트럼의 제2 배열의 요소로 이루어지는 쌍인 것을 특징으로 하는
노이즈 제거 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서,
지연량 선택부가, 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열과, 상기 목적 신호의 파워 스펙트럼을 이용하여, 지연량의 복수의 후보 중에서, 노이즈 제거 성능에 관한 평가치가 높아지도록 상기 지연량을 선택하고,
상기 푸리에 변환부가, 선택된 상기 지연량을 이용하여, 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열보다 지연한 상기 주파수 스펙트럼의 제2 배열을 생성하는 것을 특징으로 하는
노이즈 제거 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서,
지연량 산출부가, 상기 목적 신호에 관한 주기 정보를 이용하여, 당해 주기 정보의 시간 변동에 대응한 상기 지연량을 산출하고,
상기 푸리에 변환부가, 산출된 상기 지연량을 이용하여, 상기 주파수 스펙트럼의 제1 배열보다 지연한 상기 주파수 스펙트럼의 제2 배열을 생성하는 것을 특징으로 하는
노이즈 제거 방법.
제12항에 있어서,
상기 지연량 산출부가, 상기 주기 정보의 시간 변동이 작은 경우에는 상기 지연량이 큰 값을 산출하고, 상기 주기 정보의 시간 변동이 큰 경우에는 상기 지연량이 작은 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 방법.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지연량이 주파수마다 다른 값인 것을 특징으로 하는 노이즈 제거 방법.