JP6875164B2

JP6875164B2 - 信号処理装置およびアクティブノイズキャンセルシステム

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Publication number: JP6875164B2
Application number: JP2017061137A
Authority: JP
Inventors: 中川　真一; 真一中川
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2021-05-19
Anticipated expiration: 2037-03-27
Also published as: JP2018163304A

Description

本発明は、信号処理装置およびアクティブノイズキャンセルシステムに関する。

ＡＮＣ（アクティブ・ノイズ・キャンセル）は、従来からイヤホンやヘッドホンで実現されている技術である。例えば、イヤホンに組み込んだマイクロフォンで周囲の音を環境音（環境ノイズ）として取り込み、取り込んだ音の位相を反転してスピーカーからの再生信号に加算する。外部からイヤホン内部に侵入するノイズは、位相が反転された信号で打ち消され、ユーザは、スピーカーからの再生信号のみを聞くことができる。

従来のＡＮＣにおいて、マイクロフォンに強い風が当たり、風切音が生じた場合、再生信号とともに大きなノイズとしてスピーカーから出力され、ユーザに不快感を与えることがあった。風切音は外部からイヤホン内部に侵入するノイズではないため、キャンセルノイズ信号が適切ではなく、風切音に関する成分が余分に出力されてしまう（特許文献１，２参照）。
特許文献１特開２００８−６０７５９号公報
特許文献２米国特許９０２０１５７号明細書

ノイズキャンセル処理において、環境ノイズの中から風切音等の異音を検知して、ユーザに不快感を与えないようにノイズキャンセル信号を生成することが望まれる。

本発明の第１の態様においては、音を出力する異なるチャネルの第１出力部と第２出力部とにそれぞれ配置され、環境ノイズを検出する２以上の入力部と、２以上の入力部が検出した環境ノイズから、キャンセルノイズ信号を生成するキャンセルノイズ信号生成部と、２つ以上の入力部が検出した環境ノイズから異音を検知する異音検知部と、異音検知部の検知結果に応じて、キャンセルノイズ信号生成部から出力されるキャンセルノイズ信号のレベルを調整する調整部と、キャンセルノイズ信号と再生信号とを混合する第１混合器とを備える信号処理装置を提供する。

本発明の第２の態様においては、第１の態様の信号処理装置と、再生信号を出力する信号源と、を備えるアクティブノイズキャンセルシステムを提供する。

上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。

本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステムの構成を示す。本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステムの第１構成例のブロック図を示す。異音検知部のブロック図を示す。本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステムのノイズキャンセル動作のフロー図を示す。本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステムの第２構成例のブロック図を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステム１００の構成を示す。アクティブノイズキャンセルシステム１００は、信号源１１０から供給される再生信号に対して、信号処理装置１２０において入力部２１０および２１５で検出した環境ノイズを用いてノイズキャンセル処理を行い、ノイズキャンセル処理された再生信号を第１出力部２００と第２出力部２０５から出力する。

図２は、本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステム１００の第１の構成例のブロック図を示す。アクティブノイズキャンセルシステム１００は、信号源１１０と、信号処理装置１２０とを備える。

信号源１１０は、音楽信号等の再生信号を供給する。信号源１１０は、ＣＤ、ＤＶＤ，ハードディスクドライブ、またはフラッシュメモリ等の記憶装置に記憶されたデジタルデータから再生信号を生成して供給してよい。また、信号源１１０は、特定のウェブサイトまたはクラウドサービス等から無線でデータを受信し、再生信号を生成してもよい。

信号処理装置１２０は、信号源１１０から供給された再生信号に対してノイズキャンセル信号を混合して出力する。信号処理装置１２０は、一例として、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）であってよい。信号処理装置１２０は、第１出力部２００と、第２出力部２０５と、２以上の入力部２１０および２１５と、異音検知部２２０と、調整部２３０と、キャンセルノイズ信号生成部２４０と、第１混合器２５０とを備える。

第１出力部２００および第２出力部２０５は、信号処理された再生信号を受信し、音響信号に変換して音楽等の音を出力する。第１出力部２００および第２出力部２０５は、受信した信号がデジタル信号の場合は、当該信号をデジタルアナログ変換してアナログ信号を生成し、当該アナログ信号を増幅して音として出力してよい。第１出力部２００および第２出力部２０５は、互いにチャネルが異なり、例えば第１出力部２００は右チャネルで、第２出力部２０５は左チャネルであり、互いに別個の筐体に設けられてよい。第１出力部２００および第２出力部２０５は、一例として、イヤホンまたはヘッドホン等を有してよい。

２以上の入力部２１０、２１５は、第１出力部２００と第２出力部２０５とにそれぞれ配置され、周囲の環境ノイズを検出する。２以上の入力部２１０および２１５は、入力された環境ノイズを電気信号に変換して、当該電気信号をデジタル信号に変換して出力してよい。２つの入力部２１０および２１５は、第１出力部２００が設けられた筐体と第２出力部２０５が設けられた筐体とにそれぞれ１つずつ組み込まれることで、信号処理装置１２０の使用時には、入力部２１０および２１５が所定の間隔で互いに離れて配置される。２以上の入力部２１０および２１５は、第１出力部２００と第２出力部２０５との少なくとも一方に複数設けられてもよい。２つの入力部２１０および２１５は、互いに異なるチャネルであってよく、一例として右チャネルのマイクロフォンと左チャネルのマイクロフォンであってよい。

異音検知部２２０は、２以上の入力部２１０および２１５の出力に接続され、２以上の入力部２１０および２１５が検出した環境ノイズから異音を検知して検知結果を出力する。異音検知部２２０は、検知結果として、例えば調整部２３０で用いられるゲイン設定値を出力してよい。異音検知部２２０は、第１出力部２００および第２出力部２０５の内部に侵入しにくく、ユーザの耳には届きにくいノイズを異音として検知してよい。一例として異音検知部２２０は、異音として風切音を検知してよい。風切音は、例えば第１出力部２００または第２出力部２０５等に強い風が当たって生じるノイズである。

調整部２３０は、入力部２１０および２１５と異音検知部２２０とに接続され、異音検知部２２０の検知結果に応じて、キャンセルノイズ信号生成部２４０から出力されるキャンセルノイズ信号のレベルを調整する。調整部２３０は、異音検知部２２０が異音を検知した場合（例えば、異音レベルが閾値を超える場合）、キャンセルノイズ信号生成部２４０に入力される環境ノイズのデジタル信号のレベルを下げて出力してよい。これにより、調整部２３０は、キャンセルノイズ信号生成部２４０から出力されるキャンセルノイズ信号のレベルを調整することができる。調整部２３０は、２つの入力部２１０および２１５のうちの一方または両方から受信したデジタル信号についてレベル調整して出力してよい。なお、調整部２３０は、入力部２１０および２１５から第１混合器までの間のいずれの位置に設けられてもよい。ここで、調整等される信号または環境ノイズのレベルは、例えば、音量、音圧レベル、または振幅等を示すものであり、以下同様である。

キャンセルノイズ信号生成部２４０は、２以上の入力部２１０および２１５が検出した環境ノイズのデジタル信号から、キャンセルノイズ信号を生成して出力する。キャンセルノイズ信号生成部２４０は、調整部２３０に接続され、調整部２３０が出力したデジタル信号の位相を反転させて、当該デジタル信号に対して逆位相であるキャンセルノイズ信号を生成してよい。キャンセルノイズ信号生成部２４０は、調整部２３０により既にレベル調整されたデジタル信号からキャンセルノイズ信号を生成するため、異音の検知結果に応じたレベルのキャンセルノイズ信号を出力できる。キャンセルノイズ信号生成部２４０は、チャネルの異なる入力部２１０および２１５が検出した環境ノイズから、右チャネルのキャンセルノイズ信号と、左チャネルのキャンセルノイズ信号とをそれぞれ生成してもよい。また、キャンセルノイズ信号生成部２４０は、入力部２１０および２１５の一方が検出した環境ノイズから、右チャネルと左チャネル共通のキャンセルノイズ信号を生成してもよい。

第１混合器２５０は、キャンセルノイズ信号生成部２４０の出力と信号源１１０の出力とに接続され、キャンセルノイズ信号生成部２４０からのキャンセルノイズ信号と信号源１１０からの再生信号とを混合（例えば加算）して、混合信号を第１出力部２００および第２出力部２０５に出力する。このようにキャンセルノイズ信号が混合された混合信号は、第１出力部２００および第２出力部２０５から出力されると、周囲の環境ノイズがキャンセルノイズ信号の成分と合成されて打ち消される。その結果、ユーザは、再生信号の音のみが聞こえることとなる。

次に、異音検知部２２０について詳細に説明する。図３は、異音検知部２２０のブロック図を示す。異音検知部２２０は、第２混合器３００と、第３混合器３１０と、比較部３２０と、ゲイン計算部３３０とを有する。

第２混合器３００は、２以上の入力部２１０および２１５が検出した環境ノイズの同位相成分を生成する。第２混合器３００は、２つの入力部２１０および２１５の出力に接続され、入力部２１０および２１５からの環境ノイズに応じたデジタル信号を混合することで、同位相成分を生成する。例えば、第２混合器３００は、２つの入力部２１０および２１５からのデジタル信号を反転することなく互いに加算することにより、当該２つのデジタル信号の互いに対する逆位相成分は実質的に打ち消され、同位相成分の信号を生成することができる。ここで、第１出力部２００および第２出力部２０５内に侵入する、ノイズキャンセル対象の環境ノイズは、一定距離離れた位置から発せられるノイズであるため、入力部２１０および２１５により検出される時点でほぼ同じ位相の音である。従って、第２混合器３００により生成された同位相成分は、ノイズキャンセル対象の環境ノイズに応じたものとなる。

第３混合器３１０は、２以上の入力部２１０および２１５が検出した環境ノイズの逆位相成分を生成する。第３混合器３１０は、２つの入力部２１０および２１５の出力に接続され、２つの入力部２１０および２１５からのデジタル信号を混合することで、逆位相成分を生成する。例えば、第３混合器３１０は、２つの入力部２１０および２１５からのデジタル信号の一方のみの位相を反転させ、２つのデジタル信号を互いに加算する。これにより、第３混合器３１０は、入力部２１０および２１５からのデジタル信号の互いに対する同位相成分は実質的に打ち消され、逆位相成分の信号を生成することができる。ここで、第１出力部２００および第２出力部２０５内に侵入しにくい異音（例えば風切音）は、入力部２１０および２１５の近くで発せられるノイズであり、当該ノイズは、一定距離離れた２つの入力部２１０および２１５により検出される時点で互いに異なる位相の音となる。従って、第３混合器３１０により生成された逆位相成分は、異音に応じたものとなる。

比較部３２０は、環境ノイズの同位相成分と逆位相成分とを比較する。比較部３２０は、第２混合器３００と第３混合器３１０とに接続され、第２混合器３００からの同位相成分と第３混合器３１０からの逆位相成分とを比較して比較結果を出力してよい。例えば、比較部３２０は、異音の有無および異音のレベルの少なくとも１つを検知してよい。

ゲイン計算部３３０は、比較部３２０と調整部２３０とに接続され、調整部２３０においてレベル調整に用いられるゲイン設定値を、比較部３２０の比較結果に応じて生成する。ゲイン計算部３３０は、比較結果が異音のレベルが閾値（例えば０以上の値）を超えることを示す場合には、ゲイン設定値を減少させ、比較結果の異音のレベルが閾値以下であることを示す場合には、ゲイン設定値を増加または維持してよい。ゲイン設定値は、一例として０以上１以下の範囲で設定されてよい。

次に、本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステム１００のノイズキャンセル動作について説明する。図４は、本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステム１００のノイズキャンセル動作のフロー図を示す。

まず、信号処理装置１２０の電源がオンされる、または信号処理装置１２０が環境ノイズを検出することに応じてノイズキャンセル動作が開始する。

Ｓ４１０では、入力部２１０および２１５は環境ノイズを検出する。入力部２１０および２１５は、環境ノイズに応じたデジタル信号を生成して出力する。

Ｓ４２０では、異音検知部２２０において異音の検知を行う。異音検知部２２０は、第２混合器３００からの同位相成分と第３混合器３１０からの逆位相成分とを比較して、比較結果に応じたゲイン設定値を出力する。異音検知部２２０は、異音を検知したまたは異音のレベルが閾値を超える場合には１未満のゲイン設定値を出力し、異音を検知しないまたは異音のレベルが閾値以下である場合には、１のゲイン設定値を出力してよい。

異音検知部２２０は、環境ノイズの逆位相成分の信号のレベルがより大きいほどゲイン設定値をより小さく設定してよい。例えば、比較部３２０は、同位相成分の信号のレベルに対する逆位相成分の信号のレベルの比（逆位相成分の信号のレベル／同位相成分の信号のレベル）または差（逆位相成分の信号のレベル−同位相成分の信号のレベル）を算出する。ゲイン計算部３３０は、当該比または差がより大きいほどゲイン設定値をより小さく設定してよい。また、比較部３２０は、環境ノイズの逆位相成分のレベルを予め定められた閾値（例えば０以上の値）と比較し、逆位相成分のレベルが閾値より大きい場合には異音を検知したとして予め定められたゲイン設定値（例えば、１未満の値）を設定してもよい。

Ｓ４３０では、調整部２３０は、異音検知部２２０が検知した異音の有無または異音のレベルに応じて、環境ノイズのレベルを調整する。調整部２３０は、異音検知部２２０からのゲイン設定値に応じて環境ノイズのレベルを調整して出力してよい。例えば、調整部２３０は、入力部２１０および２１５からの環境ノイズのデジタル信号のレベルをゲイン設定値倍してレベル調整してよい。この際ゲイン設定値＝１の場合は（異音検知部２２０が異音を検知しない場合または異音レベルが閾値以下である場合）、調整部２３０は、環境ノイズのデジタル信号を、入力部２１０および２１５が出力した元のレベルのままで出力することになる。

また、調整部２３０は、異音検知部２２０が検知した異音が閾値を超える場合、環境ノイズのレベルを徐々に下げてよい。例えば調整部２３０は、予め定められた期間で、ゲイン設定値により規定されたレベルまで段階的にレベルを下げてよい。また、調整部２３０は、予め定められた変化速度で環境ノイズのレベルをゲイン設定値により規定されたレベルまで下げてよい。

また、調整部２３０は、環境ノイズのレベルを下げた後に異音検知部２２０が検知する異音のレベルが閾値以下になると、環境ノイズのレベルを上げてよく、好ましくは環境ノイズのレベルを徐々に上げる。例えば調整部２３０は、異音検知部２２０が異音を検知しなくなると、環境ノイズのデジタル信号のレベルを、予め定められた期間または変化速度で、入力部２１０および２１５が出力した元のレベルにまで上げる。具体的には、調整部２３０は、ゲイン設定値＝０．３を受信して環境ノイズのレベルを下げた後に、ゲイン設定値＝１を受信すると、用いるゲイン設定値を０．３から１まで段階的に、予め定められた期間または変化速度で、上げてよい。このようにレベルの調整を徐々に行うことで、ユーザに不快感をより与えないように自然にレベル調整を行うことができる。

Ｓ４４０では、キャンセルノイズ信号生成部２４０は、調整部２３０からの環境ノイズのデジタル信号からノイズキャンセル信号を生成して出力し、第１混合器２５０は、再生信号とキャンセルノイズ信号とを混合する。このように混合された信号を、第１出力部２００および第２出力部２０５から出力することで、異音による影響を抑制して、環境ノイズを打ち消すことができる。なお、第１混合器２５０は、右チャネルからの環境ノイズにより生成されたノイズキャンセル信号は右チャネルの再生信号と混合し、左チャネルからの環境ノイズにより生成されたノイズキャンセル信号は左チャネルの再生信号と混合してよい。

Ｓ４５０では、信号処理装置１２０がオフされる、または信号処理装置１２０が環境ノイズを検出しなくなることに応じてノイズキャンセル動作が終了する。また、信号処理装置１２０がオフされずに、さらに環境ノイズを検出すると、動作はＳ４１０に戻る。

本実施形態のアクティブノイズキャンセルシステム１００は、ＡＮＣ動作中に、異音が検出されるとノイズキャンセル信号のレベルを下げ、ユーザに不快感を与えることを抑制できる。

次に、本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステム１００の第２の構成例について説明する。図５は、本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステム１００の第２の構成例のブロック図を示す。図２に示された第１の構成例のアクティブノイズキャンセルシステム１００の構成と略同一の構成については説明を省略する。第２の構成例のアクティブノイズキャンセルシステム１００は、構成および動作は第１の構成例のアクティブノイズキャンセルシステム１００と同様である。ただし、調整部２３０は、キャンセルノイズ信号生成部２４０の出力と、第１混合器２５０の入力との間に配置される。

調整部２３０は、キャンセルノイズ信号生成部２４０から出力されるキャンセルノイズ信号を受信し、異音検知部２２０が検知した異音の有無または異音のレベルに応じて、当該キャンセルノイズ信号のレベルを調整して出力してよい。調整部２３０は、異音検知部２２０が検知する異音のレベルが閾値を超えると、キャンセルノイズ信号のレベルを下げてよく、好ましくは徐々に下げてよい。また、調整部２３０は、キャンセルノイズ信号のレベルを下げた後に異音検知部２２０が検知する異音のレベルが閾値以下になると、キャンセルノイズ信号のレベルを徐々に上げてよい。ここで、調整部２３０は、キャンセルノイズ信号のレベル調整を、第１の構成例のアクティブノイズキャンセルシステム１００の調整部２３０による環境ノイズのレベル調整と同様に行ってよい。

なお、本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステム１００の信号処理装置１２０において、キャンセルノイズ信号生成部２４０と、異音検知部２２０と、調整部２３０と、第１混合器２５０とは、デジタル信号処理を行うものである。信号処理装置１２０は、デジタル構成のノイズキャンセル処理によって、より効果的にノイズを打ち消すことができる。ただし、本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステム１００の信号処理装置１２０は、入力部２１０および２１５からの環境ノイズに対応するアナログ信号に対して、アナログ処理を行ってノイズキャンセル処理を行ってもよい。

また、本実施形態に係るアクティブノイズキャンセルシステム１００の信号処理装置１２０は、第１出力部２００および第２出力部２０５を含まなくてもよく、第１出力部２００および第２出力部２０５は、信号処理装置１２０に有線または無線で外部接続されたものであってよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００アクティブノイズキャンセルシステム、１１０信号源、１２０信号処理装置、２００第１出力部、２０５第２出力部、２１０入力部、２１５入力部、２２０異音検知部、２３０調整部、２４０キャンセルノイズ信号生成部、２５０第１混合器、３００第２混合器、３１０第３混合器、３２０比較部、３３０ゲイン計算部

Claims

音を出力する互いに異なるチャネルの第１出力部と第２出力部とにそれぞれ配置され、環境ノイズを検出する２以上の入力部と、
前記２以上の入力部が検出した前記環境ノイズから、キャンセルノイズ信号を生成するキャンセルノイズ信号生成部と、
前記２以上の入力部が検出した前記環境ノイズから異音を検知する異音検知部と、
前記異音検知部の検知結果に応じて、前記キャンセルノイズ信号生成部から出力されるキャンセルノイズ信号のレベルを調整する調整部と、
前記キャンセルノイズ信号と再生信号とを混合する第１混合器と
を備え、
前記調整部は、前記異音検知部が異音を検知した場合、前記キャンセルノイズ信号生成部に入力される前記環境ノイズのレベルまたは前記キャンセルノイズ信号生成部から出力される前記キャンセルノイズ信号のレベルを下げる
信号処理装置。
前記異音検知部は、
前記２以上の入力部が検出した前記環境ノイズの同位相成分を生成する第２混合器と、
前記２以上の入力部が検出した前記環境ノイズの逆位相成分を生成する第３混合器と、
を有する
請求項１に記載の信号処理装置。
前記異音検知部は、前記環境ノイズの同位相成分と逆位相成分とを比較する比較部を有する
請求項２に記載の信号処理装置。
前記異音検知部は、前記異音として風切音を検知する
請求項１から３のいずれか１項に記載の信号処理装置。
前記調整部は、前記異音検知部が検知した異音のレベルに応じて、前記キャンセルノイズ信号生成部に入力される前記環境ノイズのレベルまたは前記キャンセルノイズ信号のレベルを下げる
請求項１から４のいずれか一項に記載の信号処理装置。
前記調整部は、前記キャンセルノイズ信号生成部に入力される前記環境ノイズのレベルまたは前記キャンセルノイズ信号のレベルを徐々に下げる
請求項１から５のいずれか一項に記載の信号処理装置。
前記調整部は、前記キャンセルノイズ信号生成部に入力される前記環境ノイズのレベルまたは前記キャンセルノイズ信号のレベルを下げた後に前記異音検知部が検知する異音のレベルが閾値以下になると、前記キャンセルノイズ信号生成部に入力される前記環境ノイズのレベルまたは前記キャンセルノイズ信号のレベルを徐々に上げる
請求項１から６のいずれか１項に記載の信号処理装置。
前記２以上の入力部は、入力された環境ノイズをデジタル信号に変換し、
前記キャンセルノイズ信号生成部と、前記異音検知部と、前記調整部と、前記第１混合器とは、前記デジタル信号に対してデジタル信号処理を行う
請求項１から７のいずれか１項に記載の信号処理装置。
前記第１出力部と前記第２出力部とを備える
請求項１から８のいずれか１項に記載の信号処理装置。
請求項１から９のいずれか１項に記載の信号処理装置と、
再生信号を供給する信号源と、
を備えるアクティブノイズキャンセルシステム。