JP5114611B2 - ノイズ制御システム - Google Patents

Description

本発明はノイズキャンセルヘッドホンやイヤホン、イヤースピーカ等のように耳のごく近傍にスピーカを設置する受聴機器に使用するのに適したノイズ制御システムに関する。

近年、ポータブルオーディオの人気に伴い様々なノイズキャンセルヘッドホン（イヤホン）が普及している。ノイズキャンセルヘッドホンは、受聴点近傍に騒音源情報検知センサーあるいは制御状態評価センサーを設置し、前者であればセンサーから受聴点までの伝達特性を模したフィルタを通し、また後者であればハウリングの発生しないような帰還フィルタを構成し、音場に逆相の信号を付加することにより受聴点の騒音レベルを減衰させるものである。

現在市販されているノイズキャンセルヘッドホンの大半は、アナログ方式のノイズキャンセルヘッドホンである。これは、ヘッドホンに組み込んだマイクロホンで周囲の音（再生音に対しては騒音であるから、以下、「騒音」という）を捉え、捉えた騒音の位相を反転してプレーヤからの再生信号に加算する方式である。外部からヘッドホン内部に侵入する騒音は、位相が反転された信号で打ち消され、プレーヤからの再生信号のみが使用者の耳に入るという仕組みである。

最近では、ディジタル方式のノイズキャンセルヘッドホンも提案されているが、一般に、ノイズキャンセルヘッドホンは、センサーとスピーカの受聴点が近接した構成になっており、トランスデューサに伴う遅延時間が音波の到達時間差を上回ることが多く、Ａ／Ｄ変換及びＤ／Ａ変換に大きな遅延時間を要することから、ディジタル信号処理はほとんど用いられていないのが現状である。

アナログ方式ノイズキャンセルヘッドホンの先行技術として、例えば、特許文献１や特許文献２記載の発明などがある。また、ディジタル方式ノイズキャンセルヘッドホンの先行技術として、例えば、特許文献３記載の発明がある。
特開平１１−３０８６８５号公報 特開平１１−２３７８８９号公報 特開平０９−９３６８４号公報

しかるに、前記のような従来技術においては、次のような問題点が存在し、その解決が要望されていた。

(1) 騒音下での立体再生
既存のいわゆる立体再生を目的としたバイノーラルシステムにおいては、ある程度以上の騒音下においてはマスキング効果により音像が定位しないという問題点があった。現在広く普及しているノイズキャンセルヘッドホン・イヤホンにおいては音源への補正フィルタは低次のアナログフィルタで構成されており、減衰する帯域を強調するに留まり、詳細な位相情報の要求されるバイノーラルシステムにおいては難点があった。

(2) 快適性に着目した適応化
既存のノイズキャンセルヘッドホン・イヤホンあるいはそれに関する研究報告等のほとんどは、その制御対象となっているノイズの減衰量に着目したものである。しかしながら、現実問題としては低騒音化において過剰にノイズキャンセルを行うことは圧迫感など不快感を伴うことは良く知られており、またしばしばノイズキャンセル回路自体もマイクアンプなどに寄生するノイズが発生することから、環境騒音レベルに関わらずノイズキャンセル量を極限にとることは快適性の向上と必ずしも繋がらない。

すなわち、従来のヘッドホンやイヤホンによるアクティブノイズキャンセルシステムにおいては、騒音抑圧量に比例して、しばしば圧迫感や逆相感が感じられる。また、制御フィルタ部のフィルタ次数の制約などにより特に高域など抑圧対象帯域外のノイズレベルが上がってしまう現象も多くのノイズキャンセルヘッドホンで見られる。特に、従来の固定フィルタによるアクティブノイズキャンセルシステムでは、特に低レベル騒音状況下での圧迫感やノイズレベルの上昇などの問題がみられた。

(3) パラメータ制限による非周期音に対する適応処理
広く普及しているノイズキャンセルヘッドホン・イヤホンにおいては、それが採用しているフルアナログシステムの構成上、特性の更新は困難であった。また、学術分野やダクト等他の構成のＡＮＣ（アクティブ・ノイズキャンセル）で広く研究が進められているようなＬＭＳ(Least Mean Square)アルゴリズム等ディジタルフィルタを用いたノイズキャンセルシステムは、ヘッドホンのように極端にリファレンスマイクとスピーカ,エラーマイクの近接した構成では、Ａ／Ｄ変換及びＤ／Ａ変換に伴う遅延からハイサンプリングが要求され、サンプリング周波数の大幅な上昇は計算量を膨大にしてしまい非周期性の騒音制御には実用に即さないことが多かった。

(4) 個人差への適応
イヤホン型のノイズキャンセルシステムにおいては、本来フィードフォワード、フィードバックの両手法において最適の結果を得るには、受聴者各個人の装着状態に特有のリファレンスマイクからスピーカへの伝達関数、スピーカからエラーマイクへの伝達関数に応じた処理をしなければならない。しかし、従来技術では、予めシステム側が用意した伝達関数とそれに対応した処理のみが行われており、受聴者個人にごとに適応した処理を行うことはできなかった。

(5) デバイス差への適応
既存のノイズキャンセルヘッドホン・イヤホンシステムでは、１デバイスに１処理系の構成であったため、様々な特性をもつノイズキャンセル用のデバイスをそれぞれ用意する必要があり、例えば一機種のポータブルオーディオプレーヤに様々なノイズキャンセル用デバイスを接続し使用することが不可能であった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、ノイズキャンセル機能を保ちながら係数を変換できるという特徴を持たせることにより、更新項に対象ノイズの減衰量のみではなく低ノイズ下での不快感を評価関数に組み込み、快適性を評価基準としたノイズ制御システムを実現するものである。

本発明の他の目的は、評価関数に対し適応処理段の更新項を数段と限定し、ディジタル制御可能なアナログ素子でノイズキャンセル系を構成することにより、高速な応答性を有しながら極めて現実的な計算量でパラメータを更新できるアナログ・ディジタルの長所を生かした実用性のあるシステムを提案することにある。

特に、本発明は、耳の近傍で使用されるイヤホン、ヘッドホン、イヤースピーカなどについて、前記のような目的を達成することを、その一態様としている。その理由は、次の通りである。

すなわち、様々な騒音場に対して音場制御を行い人間にとって快適な音環境を作り出すアクティブノイズコントロールは、ＤＳＰに代表されるディジタル信号処理の発展を受けて急速に実用化を進めている技術の一つであると言える。空調等ダクトでのノイズキャンセル、ノイズキャンセルヘッドホンを筆頭に車内騒音制御や工場や高速道路など規模の大小を問わず研究が進められている。しかしながら、イヤホン・ヘッドホン・イヤースピーカにおけるノイズ制御は特殊な状況で以下の様な特徴が挙げられる。

(1) 構成するシステム規模から一般的にはリファレンスマイク−外耳道間及びリファレンスマイク−スピーカ間の距離が極端に短く、Ａ／Ｄ変換やＤ／Ａ変換に伴う遅延からディジタル信号処理による制御フィルタの構成は不利であることが多い。
(2) 制御対象点が鼓膜近傍であるので制御量によっては圧迫感を感じたり、制御により新しく発生するノイズに敏感であるなどの特徴がある。広く試みられているエラーマイクで観察されるノイズ量の実効値だけでの評価と、実際に人間が感じる快適性とは直結しないことがある。

本発明では、これら(1) (2) に対応して、
(a) ディジタル信号は制御にのみ使い、信号はあくまでアナログ経路のみとして、イヤホンなどでのノイズキャンセルに特化したディジタル・アナログの利点を生かすディジタルコントロール・アナログノイスキャンセルシステム。
(b) ノイズパワーの制御量にのみ評価基準を置くのでなく、主観評価を含めた聴者の快適性に着目した評価関数に基づく適応化。
を提案するものである。

上記の目的を達成するために、本発明のノイズ制御システムは、電子ボリュームや電子アッテネータなどの可変素子を用いて、フィードフォワード処理部やフィードバック処理部などのノイズキャンセル処理部を構成するフィルタ（周波数応答制御部）とゲインアンプ（ゲイン制御部）を外部から所定の特性に制御することで、デバイス特性差、周囲騒音レベル等の諸条件に適したノイズキャンセルシステムを構築することを特徴とする。

また、本発明は、リファレンスマイクから取得した情報と、エラーマイクから取得した情報に従って、ノイズキャンセル処理部の特性を制御することを特徴とする。すなわち、リファレンスマイクやエラーマイクで観察された信号をもとにノイズキャンセル制御部において周囲状況に応じた特性パラメータを決定し、これをノイズキャンセル処理部に与えるものである。

特に、本発明では、ノイズキャンセル処理部に、ディジタル信号で制御可能なアナログ素子を採用することにより、アナログ素子の応答特性を保ちながら、制御パラメータの決定には高い安定性と精密性を持つディジタル制御を導入したことを特徴とする。この場合、ノイズキャンセル後の音楽信号の出力手段として、イヤホン、ヘッドホンまたはイヤースピーカのように耳との距離が短いものを使用することにより、アナログ素子の素速い応答性を効果的に利用する。

例えば、ノイズキャンセル処理部の構成機器として電子アッテネータを採用し騒音制御信号のゲインや帯域制限フィルタを構築する。

更に、本発明では、１つのノイズキャンセルシステムに対して特性の異なる複数のヘッドホンやイヤホンを選択可能に接続した場合に、各ヘッドホンやイヤホンに即したパラメータを外部よりノイズキャンセル処理部に設定することで、回路構成はそのままで、各デバイスの特性に適合したノイズキャンセルを行うことを特徴とする。

本発明ではリファレンスマイクの情報を元に周囲の騒音レベルに適応した騒音制御が可能となり、高レベル騒音時には騒音抑圧量を上昇させ、低レベル騒音時には騒音抑圧畳も下げることにより圧迫感や不要ノイズを押さえることができる。また、特にイヤホンによるアクティブノイズキャンセルシステムにおいては、エラーマイクの情報も考慮することにより個人差や装着状態の違いに応じたアダプティブなノイズキャンセルシステムを構築することができる。

本発明によれば、フィードフォワード処理部やフィードバック処理部にディジタル信号で制御可能であるアナログ素子を採用することにより、アナログ素子の応答特性を保ちながら信号制御部の特性決定には高い安定性と精密性をもつディジタル制御を導入したシステムが実現できる。

また、それぞれのノイズキャンセルイヤホンに則したパラメータを外部より制御フィルタに設定することにより、これまでデバイス毎専用にチューニングされた回路で構成していたノイズキャンセルヘッドホンシステムにおいて同一のシステムでありながら様々なデバイスを扱うことが可能となる。

本発明のノイズキャンセルシステムの第１の特徴を説明するブロック図。 本発明のノイズキャンセルシステムの第２の特徴を説明するブロック図。 本発明のノイズキャンセルシステムの第３の特徴を説明するブロック図。 本発明のノイズキャンセルシステムの第４の特徴を説明するブロック図。 本発明のノイズキャンセルシステムの第１実施形態を示すブロック図。 本発明のノイズキャンセルシステムの第２実施形態を示すブロック図。 本発明のノイズキャンセルシステムの第３実施形態を示すブロック図。 本発明のノイズキャンセルシステムの第４実施形態を示すブロック図。 本発明のノイズキャンセルシステムの第５実施形態を示すブロック図。 本発明における主観評価プロットの一例と近似曲線例を示すグラフ。 本発明における制御システムの一例を示すフローチャート。

符号の説明

１…リファレンスマイク
２…マイクアンプ
３…フィードフォワード処理部
３ａ…周波数応答制御部
３ｂ…利得制御部
４…制御部
４ａ…外部ノイズ検出部
４ｂ…パラメータ取得部
４ｃ…データ出力部
５…Ａ／Ｄ変換器
６…制御テーブル
７…加算器
８…音源
９…Ｄ／Ａ変換器
１０…出力手段
１１…エラーマイク
１２…マイクアンプ
１３…フィードバック処理部
１３ａ…周波数応答部
１３ｂ…ゲイン制御部
１４…Ａ／Ｄ変換器
１５…音質補正フィルタ
１６…同定フィルタ
１７…逆フィルタ生成器
１８…Ｄ／Ａ変換器
１９…加算器
２１…パラメータ選択スイッチ

（１）用語の説明
本実施形態において使用されている用語について説明する。
(a) リファレンスマイク（騒音源情報取得センサー）
イヤホンの外側に設置するマイクで、原則的にはイヤホン出力音は含まれないので、耳に到来する騒音そのものを拾っていると考える。フィードフォワード処理部における騒音源の情報を取得するセンサとして機能するものである。

(b) エラーマイク（制御状態評価センサー）
イヤホンの内側（耳側）に設置するマイクで、「耳栓効果」も含めた実際に聞こえている音として処理する。イヤホンからの音楽情報も含むので、エラーマイクの収録音をもとにノイズキャンセル処理を行うと、結果として音楽信号もキャンセルしてしまう。フィードバック処理部における制御状態評価センサとして機能するものである。

(c) 周波数応答制御部とゲイン制御部
いずれもノイズキャンセル処理部３，１３の構成部材であり、ディジタル制御可能なアナログ素子である。ゲイン制御部は、電子ボリューム、電子アッテネータなどから構成される。周波数応答制御部は、位相の配慮をするが、基本はコンデンサＣ及び抵抗Ｒで構成される１次ないし２次程度のフィルタである。この抵抗Ｒの値をラダー抵抗やスイッチを用いて切り替えることにより、フィルタとしてのカットオフや減衰量を可変とする。この周波数応答制御部は、外部ノイズの制御周波数帯域内のみの成分を通過させ（制御周波数帯域外の周波数成分を遮断する）、外部ノイズに含まれない周波数帯域を不通過とするものである。

(d) フィードフォワード処理部
本発明のノイズキャンセル処理部の一例であって、リファレンスマイクより入力された騒音参照信号を、イヤホン出力部までの伝達関数を予想・近似したフィルタを通し逆相で出力することにより、騒音を抑圧する。実際にはリファレンスマイクでの検知から出力よりも先に音波は出力部に到達してしまうので、処理としては低域を抑圧するに留まる。

(e) フィードバック処理部
本発明のノイズキャンセル処理部の他の例であって、エラーマイクより入力された信号を逆相にして出力することにより騒音を抑圧する。この際、電気音響変換系による遅延が発生し、ハウリングが起こってしまうことから、一般にはそれら遅延が問題にならない程度に低域に限定して出力する。

(f) アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換、ディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換
前記のように、フィードフォワード、フィードバックいずれの処理においても、遅延は制御可能域を狭めてしまう。処理系の遅延特性はノイズキャンセル性能に深く関わっており、Ａ／Ｄ変換やＤ／Ａ変換に伴う遅延から処理系はアナログ回路で構成されているのが現状である。

(g) 音楽信号
音源から出力される種々な信号の総称で、音声、音楽、効果音などを含む。原音ともいう。録音されて、再生されたものに限らない。

(h) 出力手段
本発明に使用する出力手段としては、イヤホン、ヘッドホンまたはイヤースピーカのように、出力手段と耳との距離が短いものを対象とする。この場合、イヤースピーカは、リスニングチェア（両耳のすぐ後ろにスピーカがついた椅子や車の座席）など、耳のごく近傍で聞かせるスピーカをいう。

（２）主観評価による制御パラメータの決定
本発明における主観評価を考慮した制御パラメータの決定に当たっては、想定する騒音モデル信号に対し各騒音レベル時の最も快適性を感じる制御パラメータを主観評価により決定する。主観評価には以下のような要素が含まれる。
(a) ノイズ制御による抑圧効果の主観的な評価量。
(b) 制御に要する回路上の寄生ノイズや制御時に想定している伝達関数との誤差、フィードバックループにおいてゲインの上がってしまう帯域など制御によって新たに発生してしまうノイズ。
(c) 制御により感じる圧迫感や逆相感。

これら要素も含め対象となる各システムにおいて所望の騒音レベル下で最も快適性を感じる制御パラメータを決定する。(a) (b) は物理量として測定可能であるが、(c) に関しては物理量と心理量の明確な関係性が完全には明らかにされていない。また，(a) と(b) は、片方を減らせば片方が増えるトレードオフの関係であることが多いが、非常に複雑な系であることから、人間の快適性を評価基準としてとらえると、(c) と同様に最適バランスを算出するのは困難である。その様な背景から本発明では主観評価を導入する。

これらの主観評価を元に以下の様な制御を行う。
(1) 得られた各パラメータを元に制御テーブルを作成し、ノイズレベルに合わせ適切な値を設定する。
(2) 得られた各パラメータを元に近似直線、近似曲線を算出し、ノイズレベルに応じた値を逐次算出し設定する。
(3) 得られた各パラメータあるいは（個人差を考慮し幅を持たせた）近しい値を制御テーブルとして作成し、それらの中から利用者が選択し利用する。

主観評価プロットの一例と近似曲線例を図１０のプロット図に示す。このプロット図におけるフィードバック処理部の制御ゲイン（黒丸印）とフィードフォワード処理部の制御ゲイン（黒四角印）は、各環境ノイズレベルごとに制御ゲインレベルを増減し、聴取者が最も適当と判断した値を、その環境ノイズレベルの制御ゲインレベルと決定したものである。そして、各環境レベルごとに決定された制御ゲインレベルに基づいて、制御パラメータを決定する近似曲線を算出する。

また、このような主観評価を採用した制御システム例のフローチャートを図１１に示す。この図１１の制御システムでは、まず、前段階として、聴取者に装着されているノイズキャンセルイヤホンを認識した後（ステップ１）、制御テーブルより制御可能な帯域幅、伝達特性の読み出し・設定を行い（ステップ２）を行う。

次いで、そのノイズキャンセルイヤホンを装着した聴取者をノイズ環境において、制御対象であるノイズ信号の周波数分布をフィードフォワード処理部のリファレンスマイクやフィードバック処理部のエラーマイクにより観察し（ステップ３）、前記制御テーブルにより制御可能な周波数帯域内でエネルギーに偏りがあるか（ある特定の周波数帯域のノイズ成分のみが多く含まれているか）否かを検出する（ステップ４）。

エネルギーに偏りがある場合には、フィードバック処理部やフィードフォワード処理部における制御フィルタの周波数特性をノイズ信号の特性に近似するように更新し（ステップ５）、エネルギーに偏りがない場合には、各処理部の制御フィルタは制御可能な範囲全域に設定する（ステップ６）。その後、ノイズ信号の制御帯域のエネルギー量（環境ノイズレベル）に合わせて、図１０の主観評価プロット図などを利用して作製した心理評価値のテーブルを参照して、各処理部の制御フィルタのゲインを更新する（ステップ７）。

以下、ノイズキャンセルイヤホンの使用を継続するに伴い、常時、制御対象（ノイズ信号）の周波数分布の観察を続け、前記ステップ３からステップ７を繰り返すことにより、ノイズ信号の周波数分布の偏りと、制御帯域のエネルギー量に合わせた主観評価に基づく制御フィルタのゲインの更新とが行われ、主観評価を加味したノイズキャンセル処理が実行される。

この場合、リファレンスマイク１を使用したフィードフォワード処理と、エラーマイク１１を使用したフィードバック処理とを併用した場合には、前記図１１におけるステップ７の後に、下記のようなステップ８，９が実行される。

すなわち、一般に、耳栓のような働きかけのない消音装置をパッシブ・ノイズキャンセルと呼び、スピーカなどを使用し積極的に制御を行うシステムをアクティブ・ノイズキャンセルシステムと呼ぶが、ヘッドホンやイヤホンなどによるパッシブ・ノイズコントロールによりリファレンスマイクとエラーマイクでの音場に大きな差がある場合、エラーマイク１１によりノイズ特性を観察しパラメータ設定を更新する手法が、より実用性が高い可能性がある。あるいはエラーマイク１１のみでのノイズキャンセル時にはエラーマイク信号を元にパラメータ設定を更新する必要がある。

また、リファレンスマイク１及びエラーマイク１１の併用により個人差（この場合の個人差は、各個人の外耳道での伝達関数の違いのみでなく、その時のイヤホンのかけ方など一般化してパラメータ設定される情報との実際のずれを広義に含む）を補正する手法においては、騒音信号や音楽信号を用いてリファレンスマイク１からエラーマイク１１、出力手段１０からエラーマイク１１の伝達関数を同定フィルタ１６により同定し（ステップ８）、フィードフォワード処理部３においてその制御フィルタの周波数特性及びゲイン特性を前者から更新（（微）調整）し（ステップ９）、フィードバック処理部１３においてその制御フィルタの周波数特性及びゲイン特性を後者から更新することが可能になる。

（３）第１実施形態…参考例
前記のような主観評価を考慮した本発明のノイズキャンセルシステムの第１実施形態を、図５に従って説明する。この第１実施形態は、フィードフォワード処理部に設けられたリファレンスマイクのみを使用して、ノイズキャンセルを行うものである。この第１実施形態は、本発明の参考例であって、請求項に記載された発明ではない。

図１において、符号１はリファレンスマイクであって、外部ノイズをアナログ信号として入力する。このリファレンスマイクの出力は、マイクアンプ２を介して、フィードフォワード処理部３とノイズキャンセル制御部４とに出力される。

フィードフォワード処理部３は、周波数応答制御部３ａとゲイン制御部３ｂとを備えている。本実施形態において、これら周波数応答制御部３ａとゲイン制御部３ｂとは、ディジタル制御可能なアナログ素子から構成されており、ノイズキャンセル制御部４からのディジタルデータに基づいて、外部ノイズの所定の周波数帯域をカットオフしたり、減衰したりする。

マイクアンプ２からの外部ノイズは、Ａ／Ｄ変換器５によってディジタルデータ化された後、ノイズキャンセル制御部４に入力される。このノイズキャンセル制御部４は、入力された外部ノイズの大きさとどの周波数帯域のエネルギーが大きいかを観察する外部ノイズ検出部４ａと、この外部ノイズ検出部４ａの検出結果に基づいて制御テーブル６から所定のパラメータを取得するパラメータ取得部４ｂと、このパラメータ取得部４ｂが取得したパラメータに基づいて、前記周波数応答制御部３ａとゲイン制御部３ｂに制御データを出力するデータ出力部４ｃとを備えている。

前記フィードフォワード処理部３の出力側には加算器７が設けられており、この加算器７において、フィードフォワード処理部３から出力されたノイズキャンセル信号と、音源８からの音楽信号とが加算される。この場合、本実施の形態においては、音楽信号としてディジタル信号を使用しているため、音源８からの音楽信号は、Ｄ／Ａ変換器９によりアナログデータに変換された後、加算器７において同じくアナログデータであるノイズキャンセル信号に加算されてスピーカ、ヘッドホンあるいはイヤホンなどの出力手段１０から出力される。

なお、本実施形態において、パラメータ取得部４ｂによって制御テーブル６からパラメータを取得する代わりに、パラメータ演算部を設けておき、検出部４ａで検出した外部ノイズのレベルやエネルギー分布に対応して、その都度パラメータを演算することも可能である。また、制御テーブル６に基づく近似曲線の使用、あるいは制御テーブル６に基づき騒音環境状況から最適パラメータを推定するなどの手法があげられる。

このような構成を有する第１実施形態において、リファレンスマイク１で収音された外部ノイズは、フィードフォワード処理部３とノイズキャンセル制御部４に入力される。ノイズキャンセル制御部４では、その外部ノイズ検出部４ａにおいて入力されたノイズレベル及びそれらの周波数軸上のエネルギー分布を観察し、パラメータ取得部４ｂにおいて、入力された外部ノイズに適したパラメータを算出あるいはあらかじめ算出したパラメータを制御テーブル６より取得し、これをデータ出力部４ｃからフィードフォワード処理部３に出力する。

フィードフォワード処理部３においては、前記ノイズキャンセル制御部４から取得したパラメータに従い、周波数応答制御部３ａ及びゲイン制御部３ｂを制御し、リファレンスマイク１からマイクアンプ２を介して入力された外部ノイズを、出力手段１０までの伝達関数を予想・近似したフィルタを通し逆相で出力することにより、ノイズキャンセル処理を施す。

この場合、本発明においては、周波数応答制御部３ａ及びゲイン制御部３ｂを構成する機器は、アナログ信号として入力された外部ノイズをアナログデータのまま処理するアナログ素子であるが、その制御量はノイズキャンセル制御部４からのディジタル信号によって決定されるものである。従って、本実施形態によれば、周波数応答制御部３ａ及びゲイン制御部３ｂにおける外部ノイズのキャンセル処理自体には、Ａ／Ｄ変換やＤ／Ａ変換を要しないため、ノイズキャンセル処理の遅延が最小限で済む利点がある。

（４）第２実施形態
本発明の第２実施形態を図６に従って説明する。この第２実施形態は、リファレンスマイクとエラーマイクを併用したものである。なお、前記第１実施形態と同様な構成については、説明を省略する。

図６において、１１はエラーマイクであって、このエラーマイク１１は、聴取者が実際に聞き取っている音（ノイズキャンセルされた音）を採取するものであって、ヘッドホン、イヤホンなどの出力手段１０の近傍に設けられている。

このエラーマイク１１からのエラーマイク信号は、マイクアンプ１２によって増幅された後、フィードバック処理部１３と前記ノイズキャンセル制御部４に入力される。この場合、エラーマイク信号は、フィードバック処理部１３に対してはエラーマイク１１が入力したアナログ信号として入力され、前記ノイズキャンセル制御部４に対してはＡ／Ｄ変換器１４を介してディジタルデータとして入力される。

前記フィードバック処理部１３は、前記フィードフォワード処理部３と同様に、周波数応答制御部１３ａとゲイン制御部１３ｂとを備えており、これらの制御部１３ａ，１３ｂはノイズキャンセル制御部４からのディジタルデータにより制御されるアナログ素子である点も、前記フィードフォワード処理部３と同様である。

この第２実施形態では、ノイズキャンセル制御部４は、前記第１実施形態の機能に加えて、エラーマイク信号に基づいて、フィードバック処理部１３の各制御部１３ａ，１３ｂを制御するためのディジタル信号を生成する。すなわち、ノイズキャンセル制御部４は、外部ノイズ検出部４ａの検出結果に基づいて制御テーブル６から所定のパラメータを取得するパラメータ取得部４ｂと、このパラメータ取得部４ｂが取得したパラメータに基づいて、前記周波数応答制御部３ａとゲイン制御部３ｂに制御データを出力するデータ出力部４ｃとを備え、このデータ出力部４ｃからの信号により、フィードバック処理部１３の周波数応答制御部１３ａとゲイン制御部１３ｂを制御する。

ところで、第２実施形態のようなフィードバック型のノイズ制御システムにおいては、音源８とそのＤ／Ａ変換器９との間に補正フィルタ１５を配置する。すなわち、エラーマイク１１で収録したエラーマイク信号中には、キャンセルされたノイズの残留分と音源８からの音楽信号とが存在しているため、フィードバック処理部１３において、このエラーマイク信号を元に逆位相のノイズキャンセル信号を生成すると、音源からの音楽信号もキャンセルすることになる。

そこで、この補正フィルタ１５は、ノイズキャンセル制御部４からフィードバック処理部１３における音楽信号のキャンセル分に相当するデータを取得し、それに応じて、音源８からの音楽信号に対してフィルタ処理を施すことにより、フィードバック処理部１３から音楽信号に相当するノイズキャンセル信号が加えられた場合でも本来の音楽信号が損なわれないように、音源８からの音楽信号を補正する。

このように第２実施形態で採用されているフィードバック型のノイズ制御システムにおいては、パラメータの更新の都度に補正フィルタ１５を更新する必要がある。そのため、第２実施形態では、ノイズキャンセル制御部４に同定フィルタ１６と逆フィルタ生成器１７を設け、出力音源８からの音楽信号（一例として、補正フィルタ１５の後段から取得する）とエラーマイク１１からのエラーマイク信号を比較して、ノイズキャンセルシステムの音源に対するレスポンスを同定フィルタ１６（例えば、ＬＭＳなどの適応フィルタ）を用いて同定し、この同定した情報に基づき、逆フィルタ生成器１７においてその逆フィルタも近似する。このようにして得られた近似逆フィルタを用いて補正フィルタ１５を更新することにより、聴覚上ではもとの音源信号に聞こえるよう前処理することが可能になる。

以上のように、第２施形態においては、エラーマイク１１からノイズキャンセル制御部４に入力される信号はイヤホンの人体側、すなわち実際に耳に聞こえている音として処理されるため、ノイズを消そうとしているという機構としてはいわば「消しそんじ」が観察される。一方、音源８からの音楽信号に着目すると、エラーマイク１１を通じて「（ノイズキャンセル処理によって変質してしまった）実際に耳に聞こえている音楽」を観察することができる。また、ノイズキャンセル制御部４には、再生音の音楽信号情報も補正フィルタ１５の出力側から入力されているので、エラーマイク１１の音を観察すれば音楽がどのように変質してしまったかも判明する。

そして、ノイズキャンセル制御部４の振舞いとしては、原音（音楽信号）とエラーマイク信号から信号の変化量（スピーカから耳の中への系のインパルス応答）をＬＭＳ等の同定フィルタ１６で求め、この同定フィルタ１６からの出力に基づいて、逆フィルタ生成器１７において、その逆フィルタ（前述の系を通った時に伝達関数が”１”、すなわち、ちょうど前述の系をキャンセルするようなフィルタ）のインパルス応答情報を生成し、これにより補正フィルタ１５を更新する。その結果、第２実施形態によれば、音質補正フィルタ１５がノイズ制御パラメータが変わったのに追従して変更可能となる利点がある。

なお、第２実施形態において、ディジタル制御アナログ部のパラメータが限られた値である場合には、ノイズキャンセル部へのパラメータを元に制御テーブル６を参照して補正フィルタ１５を更新することも可能である。

更に、この第２実施形態では、エラーマイク１１で検出したエラーマイク信号中の外部ノイズ成分を前記ノイズキャンセル制御部４の外部ノイズ検出部４ａに入力することにより、フィードバック処理部１３における制御フィルタのパラメータを制御する。この場合、前記のようにエラーマイク１１よりマイクアンプ１２で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１４によりディジタル信号化された情報は“耳に直接聞こえている制御すべきノイズの情報＋耳に届いている音楽信号”である。

しかし、外部ノイズ情報の検出には音楽信号成分のみを取り出すことが求められる。そこで、この第２実施形態では、ディジタル音源８からの音楽信号に、音質補正フィルタの項において算出した出力手段１０からエラーマイク１１への伝達関数を同定したフィルタ１８を畳み込み、加算器１９においてＡ／Ｄ変換器１４によってディジタル信号に変換されたエラーマイク信号から減算する。その結果、エラーマイク信号中の外部ノイズ成分のみが外部ノイズ検出部４ａに入力されることになり、リファレンスマイク１からの外部ノイズと同様にして、フィードバック処理部１３を構成する周波数応答制御部１３ａおよびゲイン制御部１３ｂのパラメータを決定することができる。

（５）第３実施形態…参考例
図７は、本発明の第３実施形態を示すものであって、前記第１実施形態のリファレンスマイクによって取得した外部ノイズに基づいてパラメータを決定する代わりに、デバイスの特性や個人の耳の特性、さらにはノイズの発生環境に応じて、予め用意して置いた複数のパラメータの中から、ユーザが希望するパラメータを選択するものである。この第３実施形態は、本発明の参考例であって、請求項に記載された発明ではない。

すなわち、第３実施形態においては、ノイズキャンセル制御部４に、外部ノイズ検出部４ａに代えて、パラメータ選択スイッチ２１が設けられ、このパラメータ選択スイッチ２１によって、パラメータ取得部４ｂが制御テーブル６から取得するパラメータを選択することができるように構成されている。

そのため、第３実施形態においては、使用するヘッドホンやイヤホンなどのデバイスのタイプや特性に応じてスイッチ２１を操作したり、ユーザ個人の耳の特性、趣向、あるいは騒音状況（ノイズの特性）に合わせてスイッチ２１を操作することにより、所望のパラメータを選択して、フィードフォワード処理部３の周波数応答制御部３ａとゲイン制御部３ｂを制御し、適切なノイズキャンセル処理を行うことができる。

（６）第４実施形態
図８は、本発明の第４実施形態を示すものであって、この第４実施形態は、前記第３実施形態に示したパラメータ選択スイッチ２１によるフィードフォワード処理と、第２実施形態に示したフィードバック処理とを組み合わせたものである。

このような構成の第４実施形態においても、前記第２実施形態と同様に、エラーマイク１１からの信号をフィードバックさせると共に、デバイスや周囲の騒音状況に合わせたパラメータの決定が可能となる。

（７）第５実施形態…参考例
図９は、本発明の第５実施形態を示すものであって、この第５実施形態は、リファレンスマイク１を使用することなく、エラーマイク１１のみによって外部ノイズの検出を行うと共に、補正フィルタ１５による音質の補正を行うようにしたものである。この第５実施形態は、本発明の参考例であって、請求項に記載された発明ではない。

なお、図９では、第１実施形態と同様に、エラーマイク１１によって検出した外部ノイズに基づいてパラメータを決定しているが、前記第３実施形態や第４実施形態のように、パラメータ選択スイッチ２１によってパラメータを決定することも可能である。

このような構成の第５実施形態においても、前記各実施形態と同様に、エラーマイク１１からの信号をフィードバックさせることにより、周囲の騒音状況に合わせたパラメータの決定が可能である。

（８）各実施形態による効果
前記のような構成並びに作用を有する各実施形態の効果は次の通りである。

前記の実施形態においては、遅れのない応答性が要求されるノイズキャンセル部には（ディジタル制御）アナログ信号処理のみを用い、遅延は問題にならないが正確な補正フィルタを要する音源再生部はディジタル信号処理系のみを施している。結果として、音源再生部においてアナログフィルタでは原理上構成不可能である非因果性の要素を含むフィルタを組み込むことが可能となり、ヘッドホンでの立体再生システムと併用することにより、ノイズキャンセルを行いながらバイノーラルシステムを構築することを可能としている。

更には、補正フィルタ部をディジタルで構成し適応フィルタと組み合わせることによりバーチャルシステムを維持するには複雑な処理を必要とするノイズキャンセル部の係数更新にかかる再生音用の補正フィルタの更新を実現している。

前記の実施形態は、広く採用されているアナログ構成のノイズキャンセルヘッドホンシステムにディジタル制御を導入し、システムの特性・利得を外部から可変とすることにより、同一のシステムにおいてデバイス状況や騒音状況に適したノイズキャンセル信号を生成できることを特徴とする。特に、ディジタル制御可能なアナログ素子を採用することによりアナログの応答性を有したままディジタル制御可能なシステムが実現できる。

前記の実施形態において、ゲイン制御は１ブロック１パラメータ、周波数応答制御もアナログ素子で構成され一般に１ないし２程度の数パラメータになることから、最適化は数タップのＬＭＳや摂動法等適応処理を用いて行うことが可能である。広く研究が進められているフルディジタルの適応信号処理をもちいたノイズキャンセルと比較して遙かに少ない計算量でありながらディジタルにない応答特性を持ち実用に供されるシステムが構築できる。

Claims (5)

1. 外部ノイズ収集手段と、
   この外部ノイズ収集手段の出力側に接続され、外部ノイズをアナログ信号として入力するノイズキャンセル処理部と、
   このノイズキャンセル処理部に設けられて、ディジタル制御されるアナログ素子から構成され、外部ノイズの制御周波数帯域内のみの成分を通過させ、外部ノイズに含まれないあるいは制御帯域外の周波数帯域を不通過とするようフィルタを適応化する周波数応答制御部と、前記外部ノイズの利得を調整するゲイン制御部と、
   前記外部ノイズ収集手段の出力側に接続され外部ノイズをディジタル信号として入力するノイズキャンセル制御部と、
   このノイズキャンセル制御部に設けられて、ノイズキャンセル制御部に入力された外部ノイズの情報を検出する外部ノイズ検出部と、この外部ノイズ検出部の検出結果に基づいて制御パラメータを取得するパラメータ取得部と、このパラメータ取得部が取得したパラメータに基づいて、前記周波数応答制御部とゲイン制御部に制御データをディジタル信号として出力するデータ出力部と、
   前記ノイズキャンセル処理部の出力側に設けられ、ノイズキャンセル処理部から出力されたノイズキャンセル信号と、音源から出力されたアナログデータである音楽信号とを加算する加算器と、
   この加算器においてノイズキャンセル信号が加算された音楽信号を出力する出力手段を備えているノイズ制御システムにおいて、
   前記ノイズキャンセル処理部としてフィードフォワード処理部が設けられ、前記外部ノイズ収集手段としてリファレンスマイクが設けられ、
   このリファレンスマイクからで収集された外部ノイズがノイズキャンセル制御部の外部ノイズ検出部に入力され、前記ノイズキャンセル制御部によって決定されたパラメータによりフィードフォワード処理が実行され、
   前記ノイズキャンセル処理部としてフィードバック処理部が設けられ、前記外部ノイズ収集手段として出力手段の近傍に設けられてノイズキャンセル後の音楽信号を収集するエラーマイクが設けられ、
   このエラーマイクから出力されるエラーマイク信号が前記ノイズキャンセル処理部に入力されると共に、このエラーマイク信号中の外部ノイズ成分が前記ノイズキャンセル制御部の外部ノイズ検出部に入力され、前記ノイズキャンセル制御部によって決定されたパラメータによりフィードバック処理が実行され、
   前記ノイズキャンセル制御部には、ディジタル化されたエラーマイク信号と音楽信号とを入力してその変化量を求める同定フィルタと、この同定フィルタからの出力に基づきその逆フィルタのフィルタ係数を生成する逆フィルタ生成器と、
   前記音源の出力側に設けられて、前記逆フィルタ生成器からの出力によりそのフィルタ係数を更新する補正フィルタを備え、
   前記加算器が、前記補正フィルタを通過した音源からの音楽信号と前記ノイズキャンセル処理部からのノイズキャンセル信号を加算して、出力手段に出力するものであることを特徴とするノイズ制御システム。
2. 外部ノイズ収集手段と、
   この外部ノイズ収集手段の出力側に接続され、外部ノイズをアナログ信号として入力するノイズキャンセル処理部と、
   このノイズキャンセル処理部に設けられて、ディジタル制御されるアナログ素子から構成され、外部ノイズの制御周波数帯域内のみの成分を通過させ、外部ノイズに含まれないあるいは制御帯域外の周波数帯域を不通過とするようフィルタを適応化する周波数応答制御部と、前記外部ノイズの利得を調整するゲイン制御部と、
   前記周波数応答制御部とゲイン制御部を制御するためのパラメータ選択スイッチを備えたノイズキャンセル制御部と、
   このノイズキャンセル制御部に設けられて、ノイズキャンセル制御部に入力された外部ノイズの情報を検出する外部ノイズ検出部と、この外部ノイズ検出部の検出結果に基づいて制御パラメータを取得するパラメータ取得部と、このパラメータ取得部が取得したパラメータに基づいて、前記周波数応答制御部とゲイン制御部に制御データをディジタル信号として出力するデータ出力部と、
   前記ノイズキャンセル処理部の出力側に設けられ、ノイズキャンセル処理部から出力されたノイズキャンセル信号と、音源から出力されたアナログデータである音楽信号とを加算する加算器と、
   この加算器においてノイズキャンセル信号が加算された音楽信号を出力する出力手段を備えているノイズ制御システムにおいて、
   前記ノイズキャンセル処理部としてフィードフォワード処理部が設けられており、前記外部ノイズ収集手段としてリファレンスマイクが設けられており、
   このリファレンスマイクからで収集された外部ノイズがノイズキャンセル制御部の外部ノイズ検出部に入力され、前記ノイズキャンセル制御部によって決定されたパラメータによりフィードフォワード処理が実行され、
   前記ノイズキャンセル処理部としてフィードバック処理部が設けられており、前記外部ノイズ収集手段として出力手段の近傍に設けられてノイズキャンセル後の音楽信号を収集するエラーマイクが設けられており、
   このエラーマイクから出力されるエラーマイク信号が前記ノイズキャンセル処理部に入力されると共に、このエラーマイク信号中の外部ノイズ成分が前記ノイズキャンセル制御部の外部ノイズ検出部に入力され、前記ノイズキャンセル制御部によって決定されたパラメータによりフィードバック処理が実行され、
   前記ノイズキャンセル制御部には、ディジタル化されたエラーマイク信号と音楽信号とを入力してその変化量を求める同定フィルタと、この同定フィルタからの出力に基づきその逆フィルタのフィルタ係数を生成する逆フィルタ生成器と、
   前記音源の出力側に設けられて、前記逆フィルタ生成器からの出力によりそのフィルタ係数を更新する補正フィルタを備え、
   前記加算器が、前記補正フィルタを通過した音源からの音楽信号と前記ノイズキャンセル処理部からのノイズキャンセル信号を加算して、出力手段に出力するものであることを特徴とするノイズ制御システム。
3. 前記ノイズキャンセル制御部が予め複数のパラメータを格納した制御テーブルを備え、前記パラメータ取得部が、外部ノイズ検出部の検出結果またはパラメータ選択スイッチの選択結果に基づいて、前記制御テーブルに格納されているパラメータの中から所定のパラメータを取得するものであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のノイズ制御システム。
4. 前記パラメータ取得部が、外部ノイズ検出部の検出結果またはパラメータ選択スイッチの選択結果に基づいて、前記周波数応答制御部とゲイン制御部の制御用のパラメータを、その都度演算して求めるものであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のノイズ制御システム。
5. 前記出力手段が、イヤホン、ヘッドホンまたはイヤースピーカであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のノイズ制御システム。

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