ノイズ除去音声再生
【課題】ノイズ除去音声再生システムを提供する。
【解決手段】スピーカ入力経路に連結されているスピーカ３と、二次経路２を介して前記スピーカに音響結合されておりかつマイクロフォン出力経路に連結されているマイクロフォン４と、前記マイクロフォン出力経路と第１の有用信号経路の下流に連結されている第１の減算器８と、前記第１の減算器の下流に連結されているアクティブノイズ除去フィルタ５と、前記アクティブノイズ除去フィルタと前記スピーカ入力経路との間で連結されておりかつ第２の有用信号経路に連結されている第２の減算器９と、を含み、再生される有用信号ｘ［ｎ］が前記２つの有用信号経路に送信され、前記２つの有用信号経路の少なくとも１つが１つ以上のスペクトル整形フィルタ１０を含む。
【解決手段】スピーカ入力経路に連結されているスピーカ３と、二次経路２を介して前記スピーカに音響結合されておりかつマイクロフォン出力経路に連結されているマイクロフォン４と、前記マイクロフォン出力経路と第１の有用信号経路の下流に連結されている第１の減算器８と、前記第１の減算器の下流に連結されているアクティブノイズ除去フィルタ５と、前記アクティブノイズ除去フィルタと前記スピーカ入力経路との間で連結されておりかつ第２の有用信号経路に連結されている第２の減算器９と、を含み、再生される有用信号ｘ［ｎ］が前記２つの有用信号経路に送信され、前記２つの有用信号経路の少なくとも１つが１つ以上のスペクトル整形フィルタ１０を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノイズ除去音声再生システムに係り、より詳細には、周辺ノイズを除去することにより、ユーザが、例えば、再生した音楽などを楽しむことを可能にするイヤホンを含むノイズ除去システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
アクティブノイズキャンセル／コントロール（ＡＮＣ）システムとしても知られるアクティブノイズ除去システムにおいて、同じスピーカ、具体的には、ヘッドフォンの２つのイヤホンの内部に配置されたスピーカはしばしば、ノイズ除去と音楽やスピーチなどの聴きたい音声の再生の両方に使用される。しかしながら、共通するノイズ除去システムは望ましい音声までも少なからず低減するという事実によってアクティブノイズ除去システムを用いた場合と用いなかった場合では音声の印象に大きな差が生じる。このため、このような影響を補償するためには、高度な電気的な信号処理が要求されるか、またはノイズ除去をオンまたはオフにすることに影響を受けて差異が生じる音声の印象を聴き手が受け入れる必要があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、上記欠点を克服すべく改良されたノイズ除去システムが一般的に必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様は、スピーカ入力経路に連結されているスピーカと、二次経路を介してスピーカに音響結合されておりかつマイクロフォン出力経路に連結されているマイクロフォンと、マイクロフォン出力経路と第１の有用信号経路の下流に連結されている第１の減算器と、第１の減算器の下流に連結されているアクティブノイズ除去フィルタと、アクティブノイズ除去フィルタとスピーカ入力経路との間で連結されておりかつ第２の有用信号経路に連結されている第２の減算器と、を含み、再生される有用信号が両方の有用信号経路に送信され、有用信号経路の少なくとも１つは１つ以上のスペクトル整形フィルタを含むことよりなる、ノイズ除去音声再生システムである。
【０００５】
本発明の第２の態様は、スピーカにより音響放射される入力信号をスピーカへ送信し、二次経路を介してスピーカと音響結合しかつマイクロフォン出力信号を送信するマイクロフォンがスピーカによって放射された信号を受信し、有用信号をマイクロフォン出力信号から減算してフィルタ入力信号を生成し、フィルタ入力信号をアクティブノイズ除去フィルタにてフィルタリングしてエラー信号を生成し、エラー信号から有用信号を減算してスピーカ入力信号を生成し、マイクロフォン出力信号またはスピーカ入力信号または両信号から有用信号を減算する前にこの有用信号を１つ以上のスペクトル整形フィルタによってフィルタリングすること、を含むノイズ除去音声再生方法である。
【０００６】
図面に例示されている実施形態に基づいて様々な具体的な実施形態を以下に詳細に説明する。特に明記されていないかぎり、すべての図面を通して同様または同一の構成要素には同様の参照番号が付されている。
【０００７】
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
ノイズ除去音声再生システムであって、
スピーカ入力経路に連結されているスピーカと、
二次経路を介して前記スピーカに音響結合されておりかつマイクロフォン出力経路に連結されているマイクロフォンと、
前記マイクロフォン出力経路と第１の有用信号経路の下流に連結されている第１の減算器と、
前記第１の減算器の下流に連結されているアクティブノイズ除去フィルタと、
前記アクティブノイズ除去フィルタと前記スピーカ入力経路との間で連結されておりかつ第２の有用信号経路に連結されている第２の減算器と、
を含み、
再生される有用信号が前記２つの有用信号経路に送信され、
前記２つの有用信号経路の少なくとも１つが１つ以上のスペクトル整形フィルタを含む、
ノイズ除去音声再生システム。
（項目２）
前記二次経路が二次経路の伝達特性を有し、前記スペクトル整形フィルタの少なくとも１つが、前記二次経路伝達特性をモデリングするか又は前記有用信号に関して前記マイクロフォン出力経路上でマイクロフォン信号を線形化する伝達特性を有している、上記項目に記載のシステム。
（項目３）
前記第１の有用信号経路が、前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性を有する第１のスペクトル整形フィルタを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目４）
前記第１のスペクトル整形フィルタが、少なくとも２つのサブフィルタを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目５）
前記第１のスペクトル整形フィルタまたは前記第１のスペクトル整形フィルタの前記サブフィルタの少なくとも１つが等価フィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目６）
前記等価フィルタがトレブルカット等価フィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目７）
前記第１のスペクトル整形フィルタまたは前記第１のスペクトル整形フィルタの前記サブフィルタの１つがシェルビングフィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目８）
前記シェルビングフィルタがトレブルカットシェルビングフィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目９）
前記第２の有用信号経路が逆の前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性を有している第２のスペクトル整形フィルタを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１０）
前記アクティブノイズ除去フィルタ、第１のスペクトル整形フィルタ、および第２のスペクトル整形フィルタの少なくとも１つが適応フィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１１）
ノイズ除去音声再生方法であって、
スピーカにより音響放射される入力信号をスピーカへ送信するステップと、
前記スピーカによって放射された前記信号を、二次経路を介して前記スピーカと音響結合しかつマイクロフォン出力信号を送信するマイクロフォンによって、受信するステップと、
有用信号から前記マイクロフォン出力信号を減算してフィルタ入力信号を生成するステップと、
前記フィルタ入力信号をアクティブノイズ除去フィルタにてフィルタリングしてエラー信号を生成するステップと、
前記エラー信号から前記有用信号を減算して前記スピーカ入力信号を生成するステップと、
前記マイクロフォン出力信号または前記スピーカ入力信号または該両信号から前記有用信号を減算する前に、前記有用信号を１つ以上のスペクトル整形フィルタによってフィルタリングするステップと、
を含む方法。
（項目１２）
前記二次経路が二次経路の伝達特性を有しておりかつ全てのスペクトル整形フィルタが全体として前記二次経路の伝達特性をモデリングする、上記項目に記載の方法。
（項目１３）
前記有用信号を前記マイクロフォン出力信号から減算する前に、前記有用信号を前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性によってフィルタリングする、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１４）
前記有用信号のフィルタリングが等価および／またはシェルビングフィルタリングを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１５）
前記有用信号を前記スピーカ入力信号から減算する前に、前記有用信号を前記逆の二次経路の伝達特性に一致する伝達特性によってフィルタリングする、上記項目のいずれかに記載の方法。
【０００８】
（摘要）
本発明は、スピーカにより音響放射される入力信号をスピーカへ送信し、二次経路を介してスピーカと音響結合しかつマイクロフォン出力信号を送信するマイクロフォンがスピーカによって放射された信号を受信し、有用信号をマイクロフォン出力信号から減算してフィルタ入力信号を生成し、フィルタ入力信号をアクティブノイズ除去フィルタにてフィルタリングしてエラー信号を生成し、エラー信号から有用信号を減算してスピーカ入力信号を生成し、有用信号をマイクロフォン出力信号またはスピーカ入力信号またはこれらの両信号から減算する前にこの有用信号を１つ以上のスペクトル整形フィルタによってフィルタリングすることを含む、ノイズ除去音声再生システムおよび方法を開示している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】有用信号がスピーカの信号経路へ送信される一般的なフィードバック型のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【図２】有用信号がマイクロフォン信号経路へ送信される一般的なフィードバック型のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【図３】有用信号がスピーカとマイクロフォンの信号経路に送信される一般的なフィードバック型のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【図４】有用信号がスペクトル整形フィルタを経由してスピーカ経路へ送信される、図３のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【図５】有用信号がスペクトル整形フィルタを経由してマイクロフォン経路へ送信される、図３のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【図６】図３〜図６のアクティブノイズ除去システムとの連結に適用することができるイヤホンを概略的に示す図である。
【図７】有用信号が２つのスペクトル整形フィルタを経由してマイクロフォン経路へ送信される、図５のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【図８】図７のシステムにおいて適用可能なシェルビングフィルタの伝達特性を示す振幅周波数応答図である。
【図９】図７のシステムにおいて適用可能な等価フィルタの伝達特性を示す振幅周波数応答図である。
【図１０】有用信号はスペクトル整形フィルタを経由してマイクロフォンとスピーカの両経路へ送信される、図５のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
フィードバックＡＮＣシステムは、経時的には理想的には同一振幅であるがノイズ信号に比較して逆位相を有するノイズ除去信号をリスニングサイトにて提供することによってノイズなどの妨害信号を除去もしくはキャンセルするために提供されている。ノイズ信号とノイズ除去信号を重畳させることによって得られる信号（「エラー信号」としても知られる）は、理想的には、ゼロに向かう傾向がある。ノイズ除去の品質は、所謂、二次経路、即ち、スピーカと聴き手の耳の代わりのマイクロフォンとの間の音響経路の品質に影響される。ノイズ除去の品質はいわゆるＡＮＣフィルタの品質にさらに影響される。このＡＮＣフィルタは、マイクロフォンとスピーカとの間に連結されておりかつマイクロフォンによって提供されるエラー信号をフィルタリングするように作用する。また、このＡＮＣフィルタは、フィルタリングされたエラー信号がスピーカによって再生された場合、エラー信号をさらに除去するように作用する。しかしながら、特に、同様にフィルタリングされたエラー信号を再生するスピーカによってリスニングサイトで音楽やスピーチなどの有用信号が、追加的に、フィルタリングされたエラー信号へ与えられる時点で、問題が生じる。このため、この有用信号は上述したシステムによって低下する可能性がある。
【００１１】
簡略化のため、本明細書において電気信号と音響信号の区別は行わない。しかしながら、スピーカによって送信されマイクロフォンによって受信された全ての信号は実際に音響的な性質を含む。全ての他の信号は電気的な性質を含む。スピーカとマイクロフォンはスピーカ３によって形成された入力段とマイクロフォンによって形成された出力段とを有する音響サブシステム（例えば、スピーカ・ルーム・マイクロフォン・システム）の一部であって、このサブシステムに電気入力信号が送信されこのサブシステムは電気出力信号を送信する。この点において、「経路」は、例えば、信号伝導手段、増幅器、フィルタなどのさらなる要素を含み得る電気的または音響的な連結のことである。スペクトル整形フィルタは入力信号と出力信号のスペクトルが周波数に応じて異なるフィルタである。
【００１２】
ここで、一般的なフィードバック型のアクティブノイズ除去（ＡＮＣ）システムを示すブロック図である図１を参照されたい。このフィードバック型のアクティブノイズ除去システムにおいて、妨害信号ｄ［ｎ］（ノイズ信号とも呼ばれる）は一次経路１を経由してリスニングサイト、例えば、聴き手の耳へ伝達（放射）される。一次経路１はＰ（ｚ）の伝達特性を有している。さらに、入力信号ｖ［ｎ］はスピーカ３から二次経路２を介してリスニングサイトへ伝達（放射）される。二次経路２は伝達特性Ｓ（ｚ）を有している。
【００１３】
リスニングサイトに配置されたマイクロフォン４は、妨害信号ｄ［ｎ］と一緒にスピーカ３から生じる信号を受信する。マイクロフォン４はこれらの受信した信号の和を表すマイクロフォン出力信号ｙ［ｎ］を提供する。マイクロフォン出力信号ｙ［ｎ］はフィルタ入力信号ｕ［ｎ］としてＡＮＣフィルタ５へ送信され、ＡＮＣフィルタ５は加算器６へエラー信号ｅ［ｎ］を出力する。このＡＮＣフィルタ５は、適応フィルタであってもよく、伝達特性Ｗ（ｚ）を有している。加算器６はまた、例えば、スペクトル整形フィルタ（図示しない）によって必要に応じてプリフィルタ処理された音楽や音声などの有用信号ｘ［ｎ］を受信しスピーカ３に入力信号ｖ［ｎ］を送信する。
【００１４】
信号ｘ［ｎ］、ｙ［ｎ］、ｅ［ｎ］、ｕ［ｎ］およびｖ［ｎ］は離散時間領域内にある。以下の考慮事項には、これらのスペクトル表現、Ｘ（ｚ）、Ｙ（ｚ）、Ｅ（ｚ）、Ｕ（ｚ）およびＶ（ｚ）が使用される。図１に示したシステムを記述する微分方程式は以下の通りである。
【００１５】
【化１】
図１のシステムにおいて、有用信号の伝達特性 Ｍ（ｚ）＝Ｙ（ｚ）／Ｘ（ｚ）はしたがって、
【００１６】
【化２】
である。
【００１７】
方程式（４）〜（７）から分かるように、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）はＡＮＣフィルタ５の伝達特性Ｗ（ｚ）が増加するにつれてゼロ（０）へ近づくが、二次経路の伝達関数Ｓ（ｚ）はニュートラルなレベル１付近、即ち、０［ｄＢ］状態を保つ。このため、ＡＮＣのオンまたはオフ時に、聴き手がまったく同じに有用信号ｘ［ｎ］を確実に捕えることができるように有用信号ｘ［ｎ］を適宜に適応させる必要がある。また、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）も二次経路２の伝達特性Ｓ（ｚ）に影響されかつ有用信号ｘ［ｎ］の適応も伝達特性Ｓ（ｚ）とその経時、温度、聴き手の変化などに因る変動とに影響されることから、「オン」と「オフ」との間の一定の差異が明確になる。
【００１８】
図１のシステムにおいて、有用信号ｘ［ｎ］はスピーカ３の上流に連結された加算器６の音響サブシステム（スピーカ、部屋、マイクロフォン）へ送信されるが、図２のシステムにおいて、有用信号ｘ［ｎ］はマイクロフォン４へ送信される。これによって、図２のシステムにおいて、加算器６は省略され、加算器７がマイクロフォン４の下流に配置されて、例えば、プリフィルタ処理された有用信号ｘ［ｎ］とマイクロフォン出力信号ｙ［ｎ］との和を求める。したがって、スピーカ入力信号ｖ［ｎ］はエラー信号［ｅ］に等しい、すなわち、ｖ［ｎ］＝［ｅ］であり、フィルタ入力信号ｕ［ｎ］は有用信号ｘ［ｎ］とマイクロフォン出力信号ｙ［ｎ］との和、すなわち、ｕ［ｎ］＝ｘ［ｎ］＋ｙ［ｎ］である。
【００１９】
図２に示したシステムを記述する微分方程式は以下の通りである：
【００２０】
【化３】
図２のシステムにおいて、妨害信号ｄ［ｎ］を考慮しなかった場合の有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は以下の通りである：
【００２１】
【化５】
式（１１）〜（１３）から分かるように、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は、開ループ伝達特性（Ｗ（ｚ）・Ｓ（ｚ））が増加または減少すると、１に近づき、開ループ伝達特性（Ｗ（ｚ）・Ｓ（ｚ））が０（ゼロ）に近づくと、０（ゼロ）に近づく。このため、有用信号ｘ［ｎ］は、ＡＮＣのオンまたはオフ時に聴き手が有用信号ｘ［ｎ］をまったく同じに確実に捕えることができるように更に高いスペクトル範囲に適応する必要がある。しかしながら、高いスペクトル範囲の補償はきわめて困難であるため、オンとオフの間である一定の差異が明確になる。一方、有用な伝達特性Ｍ（ｚ）は、二次経路２の伝達特性Ｓ（ｚ）とその経時、温度、聴き手の変化などによる変動とに影響されない。
【００２２】
図３は、有用信号がスピーカとマイクロフォンの両経路に送信される一般的なフィードバック型のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。簡略化するために、一次経路１は、ノイズ（妨害信号ｄ［ｎ］）は依然として存在しているが、以下では省略されている。具体的には、図３のシステムは、有用信号ｘ［ｎ］をマイクロフォン出力信号ｙ［ｎ］から減算してＡＮＣフィルタ入力信号ｕ［ｎ］を形成する減算器８をさらに設け、加算器６に代えてエラー信号ｅ［ｎ］から有用信号ｘ［ｎ］を減算する減算器９を設けたこと以外は、図１のシステムと同様である。
【００２３】
図３に示したシステムを説明する微分方程式は以下のように表される。
【００２４】
【化５】
図３のシステムにおける有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は以下のように表される。
【００２５】
【化６】
式（１７）〜（１９）から、図３のシステムの振る舞いは図２のシステムと同様であることが判断できる。唯一の違う点は、開ループ伝達特性（Ｗ（ｘ）・Ｓ（ｚ））がゼロ（０）に近づくと、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）がＳ（ｚ）に近づくことである。図１のシステムと同様に、図３のシステムは、二次経路２の伝達特性Ｓ（ｚ）とその経時、温度、聴き手の変化などに因る変動とに影響される。
【００２６】
図４において、図３のシステムに基づくとともに逆の二次経路の伝達関数１／Ｓ（ｚ）によって有用信号ｘ［ｎ］をフィルタリングするために減算器９の上流に連結された等価フィルタ１０をさらに含むシステムが示されている。図４に示したシステムを説明する微分方程式を以下に示す。
【００２７】
【化７】
図４のシステムにおける有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は従って、
【００２８】
【化８】
となる。
【００２９】
式（２２）から分かるように、マイクロフォン出力信号ｙ［ｎ］は有用信号ｘ［ｎ］と同一である。つまり、等価フィルタが二次経路伝達特性Ｓ（ｚ）の真の逆数であれば、信号ｘ［ｎ］はシステムによって変更されないということである。この等価フィルタ１０は、最適な結果、すなわち、理想的には最小の位相、第２経路の伝達特性Ｓ（ｚ）の逆数へ向かうその実際の伝達特性の最適な近似に対する最小位相フィルタとなり、従って、ｙ［ｎ］＝ｘ［ｎ］となる。この構成は理想的なリニアライザとして作用する。すなわち、この構成はスピーカ３から聴き手の耳となるマイクロフォン４までの伝達によって生じる有用信号の劣化を補償する。よって、この構成は、二次経路Ｓ（ｚ）の有用信号ｘ［ｎ］に対する妨害影響を補償または線形化し、これによってヘッドフォンの音響特性に因る負の影響を生じることなく、音源が提供する通りの有用信号が聴き手に到着する。すなわち、ｙ［ｚ］＝ｘ［ｚ］である。このように、このような線形フィルタに助けられて、設計不良のヘッドホンであっても、音響的に完全に調整された音声、即ち、線形音声を発生させることができる。
【００３０】
図５において、図３のシステムに基づくとともに二次経路の伝達関数Ｓ（ｚ）によって有用信号ｘ［ｎ］をフィルタリングするために減算器８の上流に連結された等価フィルタ１０をさらに含むシステムが示されている。図５に示したシステムを説明する微分方程式を以下に示す。
【００３１】
【化９】
となる。
【００３２】
式（２５）から判断して、ＡＮＣシステムがアクティブなとき、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は二次経路伝達特性Ｓ（ｚ）に一致していることが分かる。ＡＮＣシステムがアクティブでないときも、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は二次経路伝達特性Ｓ（ｚ）に一致している。このように、マイクロフォン４に近い場所での聴き手に対する有用信号が耳に届いた時の聴覚印象はノイズ除去がアクティブであるか否かにかかわらず同じである。
【００３３】
ＡＮＣフィルタ５および等価フィルタ１０と１１は各々、一定の伝達特性を有する固定フィルタまたは調整可能な伝達特性を有する適応フィルタである。図面においてそれ自体のフィルタの適応構造を各ブロックの下に矢印によって示し、適応構造の選択性を破線で示す。
【００３４】
図５に示したシステムは、ノイズに関して、例えば、音楽や音声などの有用信号が異なる条件下で再生されるヘッドホンに適用可能であり、特に、ノイズが存在しない場合、聴き手は、ＡＮＣシステムのアクティブな状態と非アクティブな状態の音の違いを経験せずに、ＡＮＣシステムのスイッチをオフにすることが可能であることを評価するであろう。しかしながら、本明細書に提示されているシステムはヘッドホンのみならず、偶発的なノイズ除去が望まれる全ての他の分野にも適用可能である。
【００３５】
図６は、本発明のアクティブノイズ除去システムが使用される可能性のあるイヤホンを例示している。イヤホンは、別の同様のイヤホンと一緒に、ヘッドホン（図示しない）の一部を成し、聴き手の耳１２に音響結合される。本発明の実施例において、耳１２は、一次経路１を介して、妨害信号ｄ［ｎ］、例えば、周囲ノイズへ露出される。イヤホンは、透音性カバー、例えば、グリル、格子または任意の他の透音性の構造または材料により被覆される穴１５を有するカップ状のハウジング１４を含む。スピーカ３は、音声を耳１２へ放射するように作用しかつハウジング１４の穴１５に配置され、共にイヤホンキャビティ１３を形成する。キャビティ１３は、例えば、出入口、通気口、開口などの任意の手段によって気密化され又は通気される。マイクロフォン４はスピーカ３の正面に配置される。音響経路１７は、スピーカ３から耳１２まで延在し、スピーカ３からマイクロフォン４まで延在する二次経路２の伝達特性によってノイズ抑制目的のために近似される伝達特性を有している。
【００３６】
ヘッドフォンなどの携帯機器に於いて、ＡＮＣシステムが使用可能なスペースおよびエネルギはきわめて限定されている。デジタル回路がスペースとエネルギを消費しすぎるため、携帯機器においてアナログ回路がＡＮＣシステムの設計に於いてしばしば好ましいとされる。しかしながら、アナログ回路だけではＡＮＣシステムの複雑性の可能性を限定することから、アナログ手段だけで二次経路を正確にモデリングすることは困難である。具体的にいえば、ＡＮＣシステムに於いて使用されるアナログフィルタは、組立てが簡単、エネルギ消費量が少ない、省スペースであるという理由から、固定フィルタであるかまたは非常に単純な適応フィルタであることが多い。図４、図５および図７を参照して上記に説明したシステムでも、アナログ回路を用いた場合は、二次経路の振舞いに影響されることはほとんどない（図４）または全くない（図５および図７）ので、良好な結果を示した。さらに、図５と図７のシステムは、原則としてほんのわずかな変動にすぎないが、共に開ループ伝達特性Ｗ（ｚ）・Ｓ（ｚ）を形成する、ＡＮＣフィルタの伝達特性Ｗ（ｚ）と二次経路のフィルタ特性Ｓ（ｚ）に基づいて、および聴き手の頭部に取り付けた時のヘッドホンの音響特性の評価に基づいて、等価フィルタに必要とされる伝達特性の良好な推定を可能とする。
【００３７】
ＡＮＣフィルタ５は、通常、周波数に対して最大ゲインまで増加しその後周波数に対してゲインは減少して低下を続けてループゲインに至るような低周波数で低ゲインを有する傾向にある伝達特性を有する。ＡＮＣフィルタ５が高ゲインである場合、ＡＮＣシステムに固有のループは、例えば、１ｋＨｚ未満の周波数範囲でシステムを線形に保つことからこの周波数範囲においてどの等価も冗長にする。３ｋＨｚ超の周波数範囲において、このＡＮＣフィルタ５は、ブーストもカットもないから従って線形の効果もない。この周波数範囲内のＡＮＣフィルタゲインは略ループゲインであるため、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は、各々のフィルタ、例えば、等価フィルタに追加されるシェルビングフィルタによって補償する必要がある高周波数においてブーストを経験する。１ｋＨｚ〜３ｋＨｚの周波数範囲では、ブーストとカットの両方が発生することがある。聴覚印象に関しては、ブーストがカットより妨害性が高いことから、同様に設計されたカットフィルタによって伝達特性のブーストを補償するだけで十分である。ＡＮＣフィルタのゲインが３ｋＨｚ超にて０ｄＢであれば、線形化の影響はなく、したがって、第１の等価フィルタに加えかつシェルビングフィルタの代わりに、第２の等価フィルタを使用することができる。
【００３８】
上記の考察からわかるように、補償には少なくとも２つのフィルタが使用される。図７は、図５のシステムにおける単一フィルタ１１ではなく、（少なくとも）２つのフィルタ１８および１９を用いる例示的なＡＮＣシステムを示している。例えば、フィルタ伝達特性Ｓ１（ｚ）を有するトレブルカットシェルビングフィルタ（例えば、フィルタ１８）と伝達特性Ｓ２（ｚ）を有するトレブルカット等価フィルタ（例えば、フィルタ１９）において、Ｓ（ｚ）＝Ｓ１（ｚ）・Ｓ２（ｚ）である。或いは、トレブルブースト等価フィルタが、例えば、フィルタ１８として実施され、トレブルカット等価フィルタが、例えば、フィルタ１９として実施され得る。有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）がさらにもっと複雑な構造を展開する場合、例えば、トレブルカットシェルビングフィルタが１つとトレブルブースト／カットの等価フィルタが２つの三つのフィルタを用いることができる。使用するフィルタの数は、コスト、フィルタのノイズの振舞い、ヘッドホンの音響特性、システムの遅延時間、このシステムを実施するために使用可能なスペースなどの多くの他の状況に影響される。
【００３９】
図８は、図７のシステムに適用可能なシェルビングフィルタの伝達特性ａ、ｂを概略的に示す図である。特に、一次のトレブルブースト（＋９ｄＢ）シェルビングフィルタ（ａ）とバスカット（−３ｄＢ）シェルビングフィルタ（ｂ）を示す。図９は、図７のシステムに適用可能な等価フィルタの伝達特性ｃ、ｄを概略的に示す図である。等価フィルタの１つ（ｃ）は１ｋＨｚで９ｄＢのブーストを提供し、他のフィルタ（ｄ）はより高いＱを有する１００Ｈｚで６ｄＢの遮断を提供するので、より鮮明な帯域幅が提供される。
【００４０】
スペクトル整形関数の範囲は線形フィルタの理論によって支配されるが、これらの関数の調整やこれらが調整されるフレキシビリティは回路のトポロジおよび遂行する必要がある要件に応じて変化する。シェルビングフィルタは通常、コーナーの周波数よりはるかに高いかつはるかに低い周波数の間の相対的なゲインを変更する単純な第一次のフィルタである。低い即ち低音のシェルフは低い周波数のゲインに影響を与えるために調整されるが、そのコーナー周波数を超えてはあまり影響を与えない。高い即ちトレブルのシェルフは高い周波数のみのゲインを調整する。他方で、単一の等価フィルタは、二次のフィルタ関数を実施する。これは三つの調整、即ち、中心周波数の選択、帯域幅のシャープネスを決定する品質（Ｑ）係数の調整、および選択された中心周波数が中心周波数の（はるかに）上下において周波数に対してどの程度ブーストされまたはカットされるかを判断するレベルやゲイン、を伴う。
【００４１】
図１０は、有用信号ｘ［ｎ］が、各々が伝達特性Ｓ５（ｚ）を有するフィルタ２０を介して、または伝達特性Ｓ６（ｚ）を有するフィルタ２１を介して、マイクロフォンとスピーカ経路の両方へ送信される（ここで、例えば、Ｓ（ｚ）＝Ｓ５（ｚ）・Ｓ６（ｚ））、図４および図５に示したシステムの組み合わせを示す。
【００４２】
本発明を実施する様々な実施例を開示してきたが、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいて本発明の利点を達成する様々な変更や変形を行ってよいことは当業者にとって明らかであろう。また、同様の機能を果たす他の構成要素によって適切に置き換えてよいことも当業者にとって明らかであろう。本発明の概念についてのこのような変形は添付の特許請求の範囲によって網羅されている。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノイズ除去音声再生システムに係り、より詳細には、周辺ノイズを除去することにより、ユーザが、例えば、再生した音楽などを楽しむことを可能にするイヤホンを含むノイズ除去システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
アクティブノイズキャンセル／コントロール（ＡＮＣ）システムとしても知られるアクティブノイズ除去システムにおいて、同じスピーカ、具体的には、ヘッドフォンの２つのイヤホンの内部に配置されたスピーカはしばしば、ノイズ除去と音楽やスピーチなどの聴きたい音声の再生の両方に使用される。しかしながら、共通するノイズ除去システムは望ましい音声までも少なからず低減するという事実によってアクティブノイズ除去システムを用いた場合と用いなかった場合では音声の印象に大きな差が生じる。このため、このような影響を補償するためには、高度な電気的な信号処理が要求されるか、またはノイズ除去をオンまたはオフにすることに影響を受けて差異が生じる音声の印象を聴き手が受け入れる必要があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、上記欠点を克服すべく改良されたノイズ除去システムが一般的に必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様は、スピーカ入力経路に連結されているスピーカと、二次経路を介してスピーカに音響結合されておりかつマイクロフォン出力経路に連結されているマイクロフォンと、マイクロフォン出力経路と第１の有用信号経路の下流に連結されている第１の減算器と、第１の減算器の下流に連結されているアクティブノイズ除去フィルタと、アクティブノイズ除去フィルタとスピーカ入力経路との間で連結されておりかつ第２の有用信号経路に連結されている第２の減算器と、を含み、再生される有用信号が両方の有用信号経路に送信され、有用信号経路の少なくとも１つは１つ以上のスペクトル整形フィルタを含むことよりなる、ノイズ除去音声再生システムである。
【０００５】
本発明の第２の態様は、スピーカにより音響放射される入力信号をスピーカへ送信し、二次経路を介してスピーカと音響結合しかつマイクロフォン出力信号を送信するマイクロフォンがスピーカによって放射された信号を受信し、有用信号をマイクロフォン出力信号から減算してフィルタ入力信号を生成し、フィルタ入力信号をアクティブノイズ除去フィルタにてフィルタリングしてエラー信号を生成し、エラー信号から有用信号を減算してスピーカ入力信号を生成し、マイクロフォン出力信号またはスピーカ入力信号または両信号から有用信号を減算する前にこの有用信号を１つ以上のスペクトル整形フィルタによってフィルタリングすること、を含むノイズ除去音声再生方法である。
【０００６】
図面に例示されている実施形態に基づいて様々な具体的な実施形態を以下に詳細に説明する。特に明記されていないかぎり、すべての図面を通して同様または同一の構成要素には同様の参照番号が付されている。
【０００７】
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
ノイズ除去音声再生システムであって、
スピーカ入力経路に連結されているスピーカと、
二次経路を介して前記スピーカに音響結合されておりかつマイクロフォン出力経路に連結されているマイクロフォンと、
前記マイクロフォン出力経路と第１の有用信号経路の下流に連結されている第１の減算器と、
前記第１の減算器の下流に連結されているアクティブノイズ除去フィルタと、
前記アクティブノイズ除去フィルタと前記スピーカ入力経路との間で連結されておりかつ第２の有用信号経路に連結されている第２の減算器と、
を含み、
再生される有用信号が前記２つの有用信号経路に送信され、
前記２つの有用信号経路の少なくとも１つが１つ以上のスペクトル整形フィルタを含む、
ノイズ除去音声再生システム。
（項目２）
前記二次経路が二次経路の伝達特性を有し、前記スペクトル整形フィルタの少なくとも１つが、前記二次経路伝達特性をモデリングするか又は前記有用信号に関して前記マイクロフォン出力経路上でマイクロフォン信号を線形化する伝達特性を有している、上記項目に記載のシステム。
（項目３）
前記第１の有用信号経路が、前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性を有する第１のスペクトル整形フィルタを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目４）
前記第１のスペクトル整形フィルタが、少なくとも２つのサブフィルタを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目５）
前記第１のスペクトル整形フィルタまたは前記第１のスペクトル整形フィルタの前記サブフィルタの少なくとも１つが等価フィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目６）
前記等価フィルタがトレブルカット等価フィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目７）
前記第１のスペクトル整形フィルタまたは前記第１のスペクトル整形フィルタの前記サブフィルタの１つがシェルビングフィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目８）
前記シェルビングフィルタがトレブルカットシェルビングフィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目９）
前記第２の有用信号経路が逆の前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性を有している第２のスペクトル整形フィルタを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１０）
前記アクティブノイズ除去フィルタ、第１のスペクトル整形フィルタ、および第２のスペクトル整形フィルタの少なくとも１つが適応フィルタである、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１１）
ノイズ除去音声再生方法であって、
スピーカにより音響放射される入力信号をスピーカへ送信するステップと、
前記スピーカによって放射された前記信号を、二次経路を介して前記スピーカと音響結合しかつマイクロフォン出力信号を送信するマイクロフォンによって、受信するステップと、
有用信号から前記マイクロフォン出力信号を減算してフィルタ入力信号を生成するステップと、
前記フィルタ入力信号をアクティブノイズ除去フィルタにてフィルタリングしてエラー信号を生成するステップと、
前記エラー信号から前記有用信号を減算して前記スピーカ入力信号を生成するステップと、
前記マイクロフォン出力信号または前記スピーカ入力信号または該両信号から前記有用信号を減算する前に、前記有用信号を１つ以上のスペクトル整形フィルタによってフィルタリングするステップと、
を含む方法。
（項目１２）
前記二次経路が二次経路の伝達特性を有しておりかつ全てのスペクトル整形フィルタが全体として前記二次経路の伝達特性をモデリングする、上記項目に記載の方法。
（項目１３）
前記有用信号を前記マイクロフォン出力信号から減算する前に、前記有用信号を前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性によってフィルタリングする、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１４）
前記有用信号のフィルタリングが等価および／またはシェルビングフィルタリングを含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１５）
前記有用信号を前記スピーカ入力信号から減算する前に、前記有用信号を前記逆の二次経路の伝達特性に一致する伝達特性によってフィルタリングする、上記項目のいずれかに記載の方法。
【０００８】
（摘要）
本発明は、スピーカにより音響放射される入力信号をスピーカへ送信し、二次経路を介してスピーカと音響結合しかつマイクロフォン出力信号を送信するマイクロフォンがスピーカによって放射された信号を受信し、有用信号をマイクロフォン出力信号から減算してフィルタ入力信号を生成し、フィルタ入力信号をアクティブノイズ除去フィルタにてフィルタリングしてエラー信号を生成し、エラー信号から有用信号を減算してスピーカ入力信号を生成し、有用信号をマイクロフォン出力信号またはスピーカ入力信号またはこれらの両信号から減算する前にこの有用信号を１つ以上のスペクトル整形フィルタによってフィルタリングすることを含む、ノイズ除去音声再生システムおよび方法を開示している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】有用信号がスピーカの信号経路へ送信される一般的なフィードバック型のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【図２】有用信号がマイクロフォン信号経路へ送信される一般的なフィードバック型のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【図３】有用信号がスピーカとマイクロフォンの信号経路に送信される一般的なフィードバック型のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【図４】有用信号がスペクトル整形フィルタを経由してスピーカ経路へ送信される、図３のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【図５】有用信号がスペクトル整形フィルタを経由してマイクロフォン経路へ送信される、図３のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【図６】図３〜図６のアクティブノイズ除去システムとの連結に適用することができるイヤホンを概略的に示す図である。
【図７】有用信号が２つのスペクトル整形フィルタを経由してマイクロフォン経路へ送信される、図５のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【図８】図７のシステムにおいて適用可能なシェルビングフィルタの伝達特性を示す振幅周波数応答図である。
【図９】図７のシステムにおいて適用可能な等価フィルタの伝達特性を示す振幅周波数応答図である。
【図１０】有用信号はスペクトル整形フィルタを経由してマイクロフォンとスピーカの両経路へ送信される、図５のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
フィードバックＡＮＣシステムは、経時的には理想的には同一振幅であるがノイズ信号に比較して逆位相を有するノイズ除去信号をリスニングサイトにて提供することによってノイズなどの妨害信号を除去もしくはキャンセルするために提供されている。ノイズ信号とノイズ除去信号を重畳させることによって得られる信号（「エラー信号」としても知られる）は、理想的には、ゼロに向かう傾向がある。ノイズ除去の品質は、所謂、二次経路、即ち、スピーカと聴き手の耳の代わりのマイクロフォンとの間の音響経路の品質に影響される。ノイズ除去の品質はいわゆるＡＮＣフィルタの品質にさらに影響される。このＡＮＣフィルタは、マイクロフォンとスピーカとの間に連結されておりかつマイクロフォンによって提供されるエラー信号をフィルタリングするように作用する。また、このＡＮＣフィルタは、フィルタリングされたエラー信号がスピーカによって再生された場合、エラー信号をさらに除去するように作用する。しかしながら、特に、同様にフィルタリングされたエラー信号を再生するスピーカによってリスニングサイトで音楽やスピーチなどの有用信号が、追加的に、フィルタリングされたエラー信号へ与えられる時点で、問題が生じる。このため、この有用信号は上述したシステムによって低下する可能性がある。
【００１１】
簡略化のため、本明細書において電気信号と音響信号の区別は行わない。しかしながら、スピーカによって送信されマイクロフォンによって受信された全ての信号は実際に音響的な性質を含む。全ての他の信号は電気的な性質を含む。スピーカとマイクロフォンはスピーカ３によって形成された入力段とマイクロフォンによって形成された出力段とを有する音響サブシステム（例えば、スピーカ・ルーム・マイクロフォン・システム）の一部であって、このサブシステムに電気入力信号が送信されこのサブシステムは電気出力信号を送信する。この点において、「経路」は、例えば、信号伝導手段、増幅器、フィルタなどのさらなる要素を含み得る電気的または音響的な連結のことである。スペクトル整形フィルタは入力信号と出力信号のスペクトルが周波数に応じて異なるフィルタである。
【００１２】
ここで、一般的なフィードバック型のアクティブノイズ除去（ＡＮＣ）システムを示すブロック図である図１を参照されたい。このフィードバック型のアクティブノイズ除去システムにおいて、妨害信号ｄ［ｎ］（ノイズ信号とも呼ばれる）は一次経路１を経由してリスニングサイト、例えば、聴き手の耳へ伝達（放射）される。一次経路１はＰ（ｚ）の伝達特性を有している。さらに、入力信号ｖ［ｎ］はスピーカ３から二次経路２を介してリスニングサイトへ伝達（放射）される。二次経路２は伝達特性Ｓ（ｚ）を有している。
【００１３】
リスニングサイトに配置されたマイクロフォン４は、妨害信号ｄ［ｎ］と一緒にスピーカ３から生じる信号を受信する。マイクロフォン４はこれらの受信した信号の和を表すマイクロフォン出力信号ｙ［ｎ］を提供する。マイクロフォン出力信号ｙ［ｎ］はフィルタ入力信号ｕ［ｎ］としてＡＮＣフィルタ５へ送信され、ＡＮＣフィルタ５は加算器６へエラー信号ｅ［ｎ］を出力する。このＡＮＣフィルタ５は、適応フィルタであってもよく、伝達特性Ｗ（ｚ）を有している。加算器６はまた、例えば、スペクトル整形フィルタ（図示しない）によって必要に応じてプリフィルタ処理された音楽や音声などの有用信号ｘ［ｎ］を受信しスピーカ３に入力信号ｖ［ｎ］を送信する。
【００１４】
信号ｘ［ｎ］、ｙ［ｎ］、ｅ［ｎ］、ｕ［ｎ］およびｖ［ｎ］は離散時間領域内にある。以下の考慮事項には、これらのスペクトル表現、Ｘ（ｚ）、Ｙ（ｚ）、Ｅ（ｚ）、Ｕ（ｚ）およびＶ（ｚ）が使用される。図１に示したシステムを記述する微分方程式は以下の通りである。
【００１５】
【化１】
図１のシステムにおいて、有用信号の伝達特性 Ｍ（ｚ）＝Ｙ（ｚ）／Ｘ（ｚ）はしたがって、
【００１６】
【化２】
である。
【００１７】
方程式（４）〜（７）から分かるように、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）はＡＮＣフィルタ５の伝達特性Ｗ（ｚ）が増加するにつれてゼロ（０）へ近づくが、二次経路の伝達関数Ｓ（ｚ）はニュートラルなレベル１付近、即ち、０［ｄＢ］状態を保つ。このため、ＡＮＣのオンまたはオフ時に、聴き手がまったく同じに有用信号ｘ［ｎ］を確実に捕えることができるように有用信号ｘ［ｎ］を適宜に適応させる必要がある。また、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）も二次経路２の伝達特性Ｓ（ｚ）に影響されかつ有用信号ｘ［ｎ］の適応も伝達特性Ｓ（ｚ）とその経時、温度、聴き手の変化などに因る変動とに影響されることから、「オン」と「オフ」との間の一定の差異が明確になる。
【００１８】
図１のシステムにおいて、有用信号ｘ［ｎ］はスピーカ３の上流に連結された加算器６の音響サブシステム（スピーカ、部屋、マイクロフォン）へ送信されるが、図２のシステムにおいて、有用信号ｘ［ｎ］はマイクロフォン４へ送信される。これによって、図２のシステムにおいて、加算器６は省略され、加算器７がマイクロフォン４の下流に配置されて、例えば、プリフィルタ処理された有用信号ｘ［ｎ］とマイクロフォン出力信号ｙ［ｎ］との和を求める。したがって、スピーカ入力信号ｖ［ｎ］はエラー信号［ｅ］に等しい、すなわち、ｖ［ｎ］＝［ｅ］であり、フィルタ入力信号ｕ［ｎ］は有用信号ｘ［ｎ］とマイクロフォン出力信号ｙ［ｎ］との和、すなわち、ｕ［ｎ］＝ｘ［ｎ］＋ｙ［ｎ］である。
【００１９】
図２に示したシステムを記述する微分方程式は以下の通りである：
【００２０】
【化３】
図２のシステムにおいて、妨害信号ｄ［ｎ］を考慮しなかった場合の有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は以下の通りである：
【００２１】
【化５】
式（１１）〜（１３）から分かるように、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は、開ループ伝達特性（Ｗ（ｚ）・Ｓ（ｚ））が増加または減少すると、１に近づき、開ループ伝達特性（Ｗ（ｚ）・Ｓ（ｚ））が０（ゼロ）に近づくと、０（ゼロ）に近づく。このため、有用信号ｘ［ｎ］は、ＡＮＣのオンまたはオフ時に聴き手が有用信号ｘ［ｎ］をまったく同じに確実に捕えることができるように更に高いスペクトル範囲に適応する必要がある。しかしながら、高いスペクトル範囲の補償はきわめて困難であるため、オンとオフの間である一定の差異が明確になる。一方、有用な伝達特性Ｍ（ｚ）は、二次経路２の伝達特性Ｓ（ｚ）とその経時、温度、聴き手の変化などによる変動とに影響されない。
【００２２】
図３は、有用信号がスピーカとマイクロフォンの両経路に送信される一般的なフィードバック型のアクティブノイズ除去システムを示すブロック図である。簡略化するために、一次経路１は、ノイズ（妨害信号ｄ［ｎ］）は依然として存在しているが、以下では省略されている。具体的には、図３のシステムは、有用信号ｘ［ｎ］をマイクロフォン出力信号ｙ［ｎ］から減算してＡＮＣフィルタ入力信号ｕ［ｎ］を形成する減算器８をさらに設け、加算器６に代えてエラー信号ｅ［ｎ］から有用信号ｘ［ｎ］を減算する減算器９を設けたこと以外は、図１のシステムと同様である。
【００２３】
図３に示したシステムを説明する微分方程式は以下のように表される。
【００２４】
【化５】
図３のシステムにおける有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は以下のように表される。
【００２５】
【化６】
式（１７）〜（１９）から、図３のシステムの振る舞いは図２のシステムと同様であることが判断できる。唯一の違う点は、開ループ伝達特性（Ｗ（ｘ）・Ｓ（ｚ））がゼロ（０）に近づくと、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）がＳ（ｚ）に近づくことである。図１のシステムと同様に、図３のシステムは、二次経路２の伝達特性Ｓ（ｚ）とその経時、温度、聴き手の変化などに因る変動とに影響される。
【００２６】
図４において、図３のシステムに基づくとともに逆の二次経路の伝達関数１／Ｓ（ｚ）によって有用信号ｘ［ｎ］をフィルタリングするために減算器９の上流に連結された等価フィルタ１０をさらに含むシステムが示されている。図４に示したシステムを説明する微分方程式を以下に示す。
【００２７】
【化７】
図４のシステムにおける有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は従って、
【００２８】
【化８】
となる。
【００２９】
式（２２）から分かるように、マイクロフォン出力信号ｙ［ｎ］は有用信号ｘ［ｎ］と同一である。つまり、等価フィルタが二次経路伝達特性Ｓ（ｚ）の真の逆数であれば、信号ｘ［ｎ］はシステムによって変更されないということである。この等価フィルタ１０は、最適な結果、すなわち、理想的には最小の位相、第２経路の伝達特性Ｓ（ｚ）の逆数へ向かうその実際の伝達特性の最適な近似に対する最小位相フィルタとなり、従って、ｙ［ｎ］＝ｘ［ｎ］となる。この構成は理想的なリニアライザとして作用する。すなわち、この構成はスピーカ３から聴き手の耳となるマイクロフォン４までの伝達によって生じる有用信号の劣化を補償する。よって、この構成は、二次経路Ｓ（ｚ）の有用信号ｘ［ｎ］に対する妨害影響を補償または線形化し、これによってヘッドフォンの音響特性に因る負の影響を生じることなく、音源が提供する通りの有用信号が聴き手に到着する。すなわち、ｙ［ｚ］＝ｘ［ｚ］である。このように、このような線形フィルタに助けられて、設計不良のヘッドホンであっても、音響的に完全に調整された音声、即ち、線形音声を発生させることができる。
【００３０】
図５において、図３のシステムに基づくとともに二次経路の伝達関数Ｓ（ｚ）によって有用信号ｘ［ｎ］をフィルタリングするために減算器８の上流に連結された等価フィルタ１０をさらに含むシステムが示されている。図５に示したシステムを説明する微分方程式を以下に示す。
【００３１】
【化９】
となる。
【００３２】
式（２５）から判断して、ＡＮＣシステムがアクティブなとき、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は二次経路伝達特性Ｓ（ｚ）に一致していることが分かる。ＡＮＣシステムがアクティブでないときも、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は二次経路伝達特性Ｓ（ｚ）に一致している。このように、マイクロフォン４に近い場所での聴き手に対する有用信号が耳に届いた時の聴覚印象はノイズ除去がアクティブであるか否かにかかわらず同じである。
【００３３】
ＡＮＣフィルタ５および等価フィルタ１０と１１は各々、一定の伝達特性を有する固定フィルタまたは調整可能な伝達特性を有する適応フィルタである。図面においてそれ自体のフィルタの適応構造を各ブロックの下に矢印によって示し、適応構造の選択性を破線で示す。
【００３４】
図５に示したシステムは、ノイズに関して、例えば、音楽や音声などの有用信号が異なる条件下で再生されるヘッドホンに適用可能であり、特に、ノイズが存在しない場合、聴き手は、ＡＮＣシステムのアクティブな状態と非アクティブな状態の音の違いを経験せずに、ＡＮＣシステムのスイッチをオフにすることが可能であることを評価するであろう。しかしながら、本明細書に提示されているシステムはヘッドホンのみならず、偶発的なノイズ除去が望まれる全ての他の分野にも適用可能である。
【００３５】
図６は、本発明のアクティブノイズ除去システムが使用される可能性のあるイヤホンを例示している。イヤホンは、別の同様のイヤホンと一緒に、ヘッドホン（図示しない）の一部を成し、聴き手の耳１２に音響結合される。本発明の実施例において、耳１２は、一次経路１を介して、妨害信号ｄ［ｎ］、例えば、周囲ノイズへ露出される。イヤホンは、透音性カバー、例えば、グリル、格子または任意の他の透音性の構造または材料により被覆される穴１５を有するカップ状のハウジング１４を含む。スピーカ３は、音声を耳１２へ放射するように作用しかつハウジング１４の穴１５に配置され、共にイヤホンキャビティ１３を形成する。キャビティ１３は、例えば、出入口、通気口、開口などの任意の手段によって気密化され又は通気される。マイクロフォン４はスピーカ３の正面に配置される。音響経路１７は、スピーカ３から耳１２まで延在し、スピーカ３からマイクロフォン４まで延在する二次経路２の伝達特性によってノイズ抑制目的のために近似される伝達特性を有している。
【００３６】
ヘッドフォンなどの携帯機器に於いて、ＡＮＣシステムが使用可能なスペースおよびエネルギはきわめて限定されている。デジタル回路がスペースとエネルギを消費しすぎるため、携帯機器においてアナログ回路がＡＮＣシステムの設計に於いてしばしば好ましいとされる。しかしながら、アナログ回路だけではＡＮＣシステムの複雑性の可能性を限定することから、アナログ手段だけで二次経路を正確にモデリングすることは困難である。具体的にいえば、ＡＮＣシステムに於いて使用されるアナログフィルタは、組立てが簡単、エネルギ消費量が少ない、省スペースであるという理由から、固定フィルタであるかまたは非常に単純な適応フィルタであることが多い。図４、図５および図７を参照して上記に説明したシステムでも、アナログ回路を用いた場合は、二次経路の振舞いに影響されることはほとんどない（図４）または全くない（図５および図７）ので、良好な結果を示した。さらに、図５と図７のシステムは、原則としてほんのわずかな変動にすぎないが、共に開ループ伝達特性Ｗ（ｚ）・Ｓ（ｚ）を形成する、ＡＮＣフィルタの伝達特性Ｗ（ｚ）と二次経路のフィルタ特性Ｓ（ｚ）に基づいて、および聴き手の頭部に取り付けた時のヘッドホンの音響特性の評価に基づいて、等価フィルタに必要とされる伝達特性の良好な推定を可能とする。
【００３７】
ＡＮＣフィルタ５は、通常、周波数に対して最大ゲインまで増加しその後周波数に対してゲインは減少して低下を続けてループゲインに至るような低周波数で低ゲインを有する傾向にある伝達特性を有する。ＡＮＣフィルタ５が高ゲインである場合、ＡＮＣシステムに固有のループは、例えば、１ｋＨｚ未満の周波数範囲でシステムを線形に保つことからこの周波数範囲においてどの等価も冗長にする。３ｋＨｚ超の周波数範囲において、このＡＮＣフィルタ５は、ブーストもカットもないから従って線形の効果もない。この周波数範囲内のＡＮＣフィルタゲインは略ループゲインであるため、有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）は、各々のフィルタ、例えば、等価フィルタに追加されるシェルビングフィルタによって補償する必要がある高周波数においてブーストを経験する。１ｋＨｚ〜３ｋＨｚの周波数範囲では、ブーストとカットの両方が発生することがある。聴覚印象に関しては、ブーストがカットより妨害性が高いことから、同様に設計されたカットフィルタによって伝達特性のブーストを補償するだけで十分である。ＡＮＣフィルタのゲインが３ｋＨｚ超にて０ｄＢであれば、線形化の影響はなく、したがって、第１の等価フィルタに加えかつシェルビングフィルタの代わりに、第２の等価フィルタを使用することができる。
【００３８】
上記の考察からわかるように、補償には少なくとも２つのフィルタが使用される。図７は、図５のシステムにおける単一フィルタ１１ではなく、（少なくとも）２つのフィルタ１８および１９を用いる例示的なＡＮＣシステムを示している。例えば、フィルタ伝達特性Ｓ１（ｚ）を有するトレブルカットシェルビングフィルタ（例えば、フィルタ１８）と伝達特性Ｓ２（ｚ）を有するトレブルカット等価フィルタ（例えば、フィルタ１９）において、Ｓ（ｚ）＝Ｓ１（ｚ）・Ｓ２（ｚ）である。或いは、トレブルブースト等価フィルタが、例えば、フィルタ１８として実施され、トレブルカット等価フィルタが、例えば、フィルタ１９として実施され得る。有用信号の伝達特性Ｍ（ｚ）がさらにもっと複雑な構造を展開する場合、例えば、トレブルカットシェルビングフィルタが１つとトレブルブースト／カットの等価フィルタが２つの三つのフィルタを用いることができる。使用するフィルタの数は、コスト、フィルタのノイズの振舞い、ヘッドホンの音響特性、システムの遅延時間、このシステムを実施するために使用可能なスペースなどの多くの他の状況に影響される。
【００３９】
図８は、図７のシステムに適用可能なシェルビングフィルタの伝達特性ａ、ｂを概略的に示す図である。特に、一次のトレブルブースト（＋９ｄＢ）シェルビングフィルタ（ａ）とバスカット（−３ｄＢ）シェルビングフィルタ（ｂ）を示す。図９は、図７のシステムに適用可能な等価フィルタの伝達特性ｃ、ｄを概略的に示す図である。等価フィルタの１つ（ｃ）は１ｋＨｚで９ｄＢのブーストを提供し、他のフィルタ（ｄ）はより高いＱを有する１００Ｈｚで６ｄＢの遮断を提供するので、より鮮明な帯域幅が提供される。
【００４０】
スペクトル整形関数の範囲は線形フィルタの理論によって支配されるが、これらの関数の調整やこれらが調整されるフレキシビリティは回路のトポロジおよび遂行する必要がある要件に応じて変化する。シェルビングフィルタは通常、コーナーの周波数よりはるかに高いかつはるかに低い周波数の間の相対的なゲインを変更する単純な第一次のフィルタである。低い即ち低音のシェルフは低い周波数のゲインに影響を与えるために調整されるが、そのコーナー周波数を超えてはあまり影響を与えない。高い即ちトレブルのシェルフは高い周波数のみのゲインを調整する。他方で、単一の等価フィルタは、二次のフィルタ関数を実施する。これは三つの調整、即ち、中心周波数の選択、帯域幅のシャープネスを決定する品質（Ｑ）係数の調整、および選択された中心周波数が中心周波数の（はるかに）上下において周波数に対してどの程度ブーストされまたはカットされるかを判断するレベルやゲイン、を伴う。
【００４１】
図１０は、有用信号ｘ［ｎ］が、各々が伝達特性Ｓ５（ｚ）を有するフィルタ２０を介して、または伝達特性Ｓ６（ｚ）を有するフィルタ２１を介して、マイクロフォンとスピーカ経路の両方へ送信される（ここで、例えば、Ｓ（ｚ）＝Ｓ５（ｚ）・Ｓ６（ｚ））、図４および図５に示したシステムの組み合わせを示す。
【００４２】
本発明を実施する様々な実施例を開示してきたが、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいて本発明の利点を達成する様々な変更や変形を行ってよいことは当業者にとって明らかであろう。また、同様の機能を果たす他の構成要素によって適切に置き換えてよいことも当業者にとって明らかであろう。本発明の概念についてのこのような変形は添付の特許請求の範囲によって網羅されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノイズ除去音声再生システムであって、
スピーカ入力経路に連結されているスピーカと、
二次経路を介して前記スピーカに音響結合されておりかつマイクロフォン出力経路に連結されているマイクロフォンと、
前記マイクロフォン出力経路と第１の有用信号経路の下流に連結されている第１の減算器と、
前記第１の減算器の下流に連結されているアクティブノイズ除去フィルタと、
前記アクティブノイズ除去フィルタと前記スピーカ入力経路との間で連結されておりかつ第２の有用信号経路に連結されている第２の減算器と、
を含み、
再生される有用信号が前記２つの有用信号経路に送信され、
前記２つの有用信号経路の少なくとも１つが１つ以上のスペクトル整形フィルタを含む、
ノイズ除去音声再生システム。
【請求項２】
前記二次経路が二次経路の伝達特性を有し、前記スペクトル整形フィルタの少なくとも１つが、前記二次経路伝達特性をモデリングするか又は前記有用信号に関して前記マイクロフォン出力経路上でマイクロフォン信号を線形化する伝達特性を有している、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の有用信号経路が、前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性を有する第１のスペクトル整形フィルタを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１のスペクトル整形フィルタが、少なくとも２つのサブフィルタを含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１のスペクトル整形フィルタまたは前記第１のスペクトル整形フィルタの前記サブフィルタの少なくとも１つが等価フィルタである、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記等価フィルタがトレブルカット等価フィルタである、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１のスペクトル整形フィルタまたは前記第１のスペクトル整形フィルタの前記サブフィルタの１つがシェルビングフィルタである、請求項４または５に記載のシステム。
【請求項８】
前記シェルビングフィルタがトレブルカットシェルビングフィルタである、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記第２の有用信号経路が逆の前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性を有している第２のスペクトル整形フィルタを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項１０】
前記アクティブノイズ除去フィルタ、第１のスペクトル整形フィルタ、および第２のスペクトル整形フィルタの少なくとも１つが適応フィルタである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
ノイズ除去音声再生方法であって、
スピーカにより音響放射される入力信号をスピーカへ送信するステップと、
前記スピーカによって放射された前記信号を、二次経路を介して前記スピーカと音響結合しかつマイクロフォン出力信号を送信するマイクロフォンによって、受信するステップと、
有用信号から前記マイクロフォン出力信号を減算してフィルタ入力信号を生成するステップと、
前記フィルタ入力信号をアクティブノイズ除去フィルタにてフィルタリングしてエラー信号を生成するステップと、
前記エラー信号から前記有用信号を減算して前記スピーカ入力信号を生成するステップと、
前記マイクロフォン出力信号または前記スピーカ入力信号または該両信号から前記有用信号を減算する前に、前記有用信号を１つ以上のスペクトル整形フィルタによってフィルタリングするステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
前記二次経路が二次経路の伝達特性を有しておりかつ全てのスペクトル整形フィルタが全体として前記二次経路の伝達特性をモデリングする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記有用信号を前記マイクロフォン出力信号から減算する前に、前記有用信号を前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性によってフィルタリングする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記有用信号のフィルタリングが等価および／またはシェルビングフィルタリングを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記有用信号を前記スピーカ入力信号から減算する前に、前記有用信号を前記逆の二次経路の伝達特性に一致する伝達特性によってフィルタリングする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１】
ノイズ除去音声再生システムであって、
スピーカ入力経路に連結されているスピーカと、
二次経路を介して前記スピーカに音響結合されておりかつマイクロフォン出力経路に連結されているマイクロフォンと、
前記マイクロフォン出力経路と第１の有用信号経路の下流に連結されている第１の減算器と、
前記第１の減算器の下流に連結されているアクティブノイズ除去フィルタと、
前記アクティブノイズ除去フィルタと前記スピーカ入力経路との間で連結されておりかつ第２の有用信号経路に連結されている第２の減算器と、
を含み、
再生される有用信号が前記２つの有用信号経路に送信され、
前記２つの有用信号経路の少なくとも１つが１つ以上のスペクトル整形フィルタを含む、
ノイズ除去音声再生システム。
【請求項２】
前記二次経路が二次経路の伝達特性を有し、前記スペクトル整形フィルタの少なくとも１つが、前記二次経路伝達特性をモデリングするか又は前記有用信号に関して前記マイクロフォン出力経路上でマイクロフォン信号を線形化する伝達特性を有している、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の有用信号経路が、前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性を有する第１のスペクトル整形フィルタを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１のスペクトル整形フィルタが、少なくとも２つのサブフィルタを含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１のスペクトル整形フィルタまたは前記第１のスペクトル整形フィルタの前記サブフィルタの少なくとも１つが等価フィルタである、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記等価フィルタがトレブルカット等価フィルタである、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１のスペクトル整形フィルタまたは前記第１のスペクトル整形フィルタの前記サブフィルタの１つがシェルビングフィルタである、請求項４または５に記載のシステム。
【請求項８】
前記シェルビングフィルタがトレブルカットシェルビングフィルタである、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記第２の有用信号経路が逆の前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性を有している第２のスペクトル整形フィルタを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項１０】
前記アクティブノイズ除去フィルタ、第１のスペクトル整形フィルタ、および第２のスペクトル整形フィルタの少なくとも１つが適応フィルタである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
ノイズ除去音声再生方法であって、
スピーカにより音響放射される入力信号をスピーカへ送信するステップと、
前記スピーカによって放射された前記信号を、二次経路を介して前記スピーカと音響結合しかつマイクロフォン出力信号を送信するマイクロフォンによって、受信するステップと、
有用信号から前記マイクロフォン出力信号を減算してフィルタ入力信号を生成するステップと、
前記フィルタ入力信号をアクティブノイズ除去フィルタにてフィルタリングしてエラー信号を生成するステップと、
前記エラー信号から前記有用信号を減算して前記スピーカ入力信号を生成するステップと、
前記マイクロフォン出力信号または前記スピーカ入力信号または該両信号から前記有用信号を減算する前に、前記有用信号を１つ以上のスペクトル整形フィルタによってフィルタリングするステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
前記二次経路が二次経路の伝達特性を有しておりかつ全てのスペクトル整形フィルタが全体として前記二次経路の伝達特性をモデリングする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記有用信号を前記マイクロフォン出力信号から減算する前に、前記有用信号を前記二次経路の伝達特性に一致する伝達特性によってフィルタリングする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記有用信号のフィルタリングが等価および／またはシェルビングフィルタリングを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記有用信号を前記スピーカ入力信号から減算する前に、前記有用信号を前記逆の二次経路の伝達特性に一致する伝達特性によってフィルタリングする、請求項１２に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２９８３４（Ｐ２０１３−２９８３４Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１６３８５７（Ｐ２０１２−１６３８５７）
【出願日】平成２４年７月２４日（２０１２．７．２４）
【出願人】（５０４１４７９３３）ハーマン ベッカー オートモーティブ システムズ ゲーエムベーハー (165)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月２４日（２０１２．７．２４）
【出願人】（５０４１４７９３３）ハーマン ベッカー オートモーティブ システムズ ゲーエムベーハー (165)
【Ｆターム（参考）】
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