有源降噪装置和利用其的设备、以及有源型降噪方法

文档序号:9240121阅读:562来源:国知局
有源降噪装置和利用其的设备、以及有源型降噪方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及通过使消除音(cancelsound)与噪音发生干扰来降低噪音的有源降 噪装置和使用其的设备、W及有源降噪方法。
【背景技术】
[0002] 近年来,在车室内将汽车等的设备的动作(行驶)中所产生的噪音消除,降低驾驶 者、乘坐者所能听到的噪音的有源降噪装置正在被实用化。图22是降低在汽车的车室等的 空间Sl中能听到的噪音NO的现有的有源降噪系统901的框图。现有的有源降噪系统901 具备参考信号源1、消除音源2、误差信号源3、和有源降噪装置904。
[0003] 参考信号源1输出与噪音NO存在相关的参考信号X(i)。有源降噪装置904输入 参考信号X(i),并输出消除信号y(i)。消除音源2将与消除信号y(i)对应的消除音Nl向 车室等的空间S1输出。误差信号源3输出空间S1中的噪音NO与消除音Nl发生干扰后的 残留音所对应的误差信号e(i)。
[0004] 有源降噪装置904具有自适应滤波器部(W下,称为ADF部)905、模拟声音传递特 性数据滤波器部(W下,称为化at部)6、和最小均方运算部(W下,称为LMS运算部)907, 在取样周期L的离散时间执行动作。
[0005] ADF部905由按照每个取样周期L而被更新值的N个滤波器系数W化)(在此,k= 〇,1,. . ?,N-1)所构成的有限脉冲响应(W下,称为FIR)型的自适应滤波器构成。当前 时间点的滤波器系数w(k,n)通过滤波X-LMS((filteredX-LM巧W下,称为FxLM巧算法而 被更新。ADF部905利用滤波器系数w(k,n)和参考信号xa)来输出当前时间点的消除信 号y(n)。目P,ADF部905通过如(数学式1)所示那样进行滤波运算即卷积运算来求出消除 信号y(n)。另外,在本说明中,当前时间点是第n步。因此,下次(或者下一个时间点)是 第(n+1)步,上次是第(n-1)步。
[0006] 【数学式1】 N-I
[0007] y (n) =^w (k, n) x (n - k) k=()
[000引化at部6具有对消除信号y(i)的信号传递路径的声音传递特性C(i)进行了模 拟的时不变的滤波器系数(W后,称为模拟声音传递特性数据)所构成的FIR型的滤波 器。另外信号传递路径是消除信号y(i)被输出之后,直到作为误差信号e(i)而到达LMS 运算部907为止的传递路径。而且,化at部6输出对模拟声音传递特性数据和参考信 号X(i)进行滤波运算而得到的滤波参考信号r(i)。
[0009]LMS运算部907利用当前时间点的滤波参考信号R(n)、误差信号e(n)、和步长参数 y,对ADF部905的当前时间点的滤波器系数W(n)进行更新,如(数学式2)所示那样,求 出下一个时间点的步的滤波器系数W(n+1)。
[0010] 【数学式2】
[00"] W(n+1) =w(n)-y?e(n) ?R(n)
[001引在此,ADF部905的滤波器系数W(n),如(数学式3)所表示的那样,是N行I列的 向量,由当前时间点的N个滤波器系数W化,n)构成。
[001引【数学式3】
[0014] W(n) = [w(0,n),¥(1,n),…,w(N-l,n)]T
[0015] 此外,滤波参考信号R(n)也是N行I列的向量,由从当前时间点向过去追溯(N-I) 步的N个滤波参考信号r(i)构成。
[0016] 有源降噪系统901,如(数学式2)所示,按照每个取样周期L对ADF部905的滤 波器系数W(i)进行更新。其结果,有源降噪系统901输出用于在误差信号源3的位置抵消 噪音NO的消除信号y(i)。
[0017] 另外,在专利文献1中记载了与有源降噪系统901类似的现有的有源降噪系统。 [001引在现有的有源降噪装置904中,在噪音NO的等级向减小的方向变化的情况下,从 消除音源2输出的消除音Nl比噪音NO大,有时消除音Nl会成为异音。
[0019] 在先技术文献
[0020] 专利文献
[0021] 专利文献1 ;JP特开平7-28474号公报

【发明内容】

[0022] 有源降噪装置包含消除信号生成模块、模拟声音传递特性数据滤波器部、最小均 方运算部、等级检测部和控制模块。等级检测部输入参考信号,对参考信号的等级进行探 ,并将探测出的参考信号的信号等级输出到控制模块。对控制模块输入参考信号的信号 等级,并对信号等级的大小进行判定。控制模块在判定为参考信号的等级小的情况下,使消 除信号的等级向减小的方向变化。
[0023] 该有源降噪装置能够抑制异音的产生,并良好地降低噪音。
【附图说明】
[0024] 图1是利用了本发明的实施方式1中的第1例的有源降噪装置的有源降噪系统的 框图。
[0025] 图2是利用了实施方式1中的第2~第8例的有源降噪装置的有源降噪系统的框 图。
[0026] 图3是利用了实施方式1中的有源降噪装置的移动体设备的示意图。
[0027] 图4是实施方式1中的第2、第4例的有源降噪装置的动作的流程图。
[002引图5是实施方式1中的第2例的有源降噪装置的动作的流程图。
[0029] 图6是实施方式1中的第2例的有源降噪装置的动作的流程图。
[0030] 图7A是实施方式1中的第2例的有源降噪装置的动作的流程图。
[0031] 图7B是实施方式1中的第2例的有源降噪装置的其他动作的流程图。
[0032] 图8是实施方式1的第3例的等级检测部的框图。
[0033] 图9A是表示实施方式1中的第3例的有源降噪装置的参考信号的频率特性的图。
[0034] 图9B是表示实施方式1中的第3例的有源降噪装置的参考信号的频率特性的图。
[0035] 图IOA是实施方式I中的第5例的有源降噪装置的消除信号生成模块的流程图。
[0036] 图IOB是实施方式1中的第5例的有源降噪装置的消除信号生成模块的其他流程 图。
[0037] 图11是本发明的实施方式1中的第6例的有源降噪装置的消除信号生成模块的 框图。
[003引图12是本发明的实施方式1中的第7例的有源降噪装置的消除信号生成模块的 框图。
[0039] 图13是本发明的实施方式1中的第7例的有源降噪装置的动作的流程图。
[0040] 图14是本发明的实施方式1中的第8例的有源降噪装置的消除信号生成模块的 框图。
[0041] 图15是利用了本发明的实施方式2中的有源降噪装置的有源降噪系统的框图。
[0042] 图16是利用了实施方式2中的有源降噪装置的移动体设备的示意图。
[0043] 图17是表示实施方式2中的有源降噪装置中保存的对应表的图。
[0044] 图18是实施方式2中的第2例的有源降噪装置消除信号生成模块的框图。
[0045] 图19是实施方式2中的第3例的有源降噪装置的消除信号生成模块的框图。
[0046] 图20是利用了本发明的实施方式3中的有源降噪装置的有源降噪系统的框图。
[0047] 图21是利用了实施方式3中的有源降噪装置的移动体设备的示意图。
[0048] 图22是现有的有源降噪系统的框图。
【具体实施方式】
[0049] (实施方式1)
[0050] 图1是利用了本发明的实施方式1中的第1例的有源降噪装置4的有源降噪系统 101的框图。
[0化1] 本实施方式中的有源降噪系统101构成为包含参考信号源1、消除音源2、误差信 号源3、和有源降噪装置4。有源降噪装置4构成为包含;参考信号输入端子41、输出端子 42、和误差信号输入端子43 ;消除信号生成模块105、模拟声音传递特性数据滤波器部(W 后,称为化at部)6、和最小均方运算部(W后,称为LMS运算部)7 ;W及控制模块8、等级 检测部10、和存储部11。
[0052] 参考信号源1输出与噪音NO存在相关的参考信号X(i)。有源降噪装置4输入参 考信号X(i),并输出消除信号y(i)。消除音源2将与消除信号y(i)对应的消除音Nl向车 室等的空间Sl输出。误差信号源3输出空间Sl中的噪音NO与消除音Nl发生干扰后的残 留音所对应的误差信号e(i)。
[0化3] 对参考信号输入端子41输入从参考信号源1输出的与噪音NO存在相关的参考信 号x(i)。
[0化4] 消除信号生成模块105包含自适应滤波器部(W后,称为ADF部)5,输出基于参考 信号x(i)的消除信号y(i)。
[0化5] 然后输出端子42将从消除信号生成模块105输出的消除信号y(i)向消除音源2 输出。从输出端子42输出的消除信号y(i)通过消除音源2变换为与消除信号y(i)对应 的消除音Nl并被放出到空间Sl。对误差信号输入端子43输入从消除音源2输出的消除音 NI与噪音NO的干扰所引起的残留音即误差信号e(i)。
[0化6] 化at部6通过模拟声音传递特性数据来校正参考信号X(i),并将滤波参考信 号r(i)向LMS运算部7输出。另外,模拟声音传递特性数据是对消除信号y(i)从消除 信号生成模块105被输出之后,直到作为误差信号e(i)而到达LMS运算部7为止之间的信 号传递路径的声音传递特性C进行了模拟的数据。
[0化7]LMS运算部7利用当前时间点的误差信号e(i)、滤波参考信号R(i)和步长参数y,对ADF部5所使用的滤波器系数Wa)进行更新。
[005引等级检测部10对参考信号x(i)的信号等级L,(i)进行检测,并向控制模块8输 出。控制模块8对由等级检测部10检测出的信号等级Ly(i)进行判定。然后,控制模块8 在判定为信号等级L,(i)小的情况下,对消除信号y(i)的等级(振幅)进行调整使其变小。 其结果,消除信号y(i)向等级(振幅)变小的方向被调整。
[0059] 另外,控制模块8可W由控制模块8直接调整消除信号y(i)。或者控制模块8也 可W经由其他模块等,间接调整消除信号y(i)。
[0060] 在此,在参考信号x(i)中包含起因于噪音NO的信号即噪音分量信号Xw(i)、和作 为噪声分量的参考信号噪声X,(i)。参考信号噪声x,(i)包含参考信号源1自身所产生的 噪声、由参考信号输入端子41取得从参考信号源1输出的参考信号x(i)的过程中所产生 的噪声等。
[0061] 噪音分量信号%(i)与噪音NO相关性高。但是,参考信号噪声x,(i)与噪音NO没 有相关性。在噪音NO小,因此噪音分量信号Xw(i)的等级小的情况下,有时在参考信号X(i) 的至少某一部分的频率中,噪音分量信号%(i)的信号等级Lw(i)小于参考信号噪声x,(i) 的信号等级L,(i)。在此情况下,从消除音源2输出包含与参考信号噪声x,(i)对应的噪声 声音(noisesound)的消除音N1。因此,起因于参考信号噪声x,(i)的噪声声音称为异音 的原因。
[0062] 因此,通过采用W上该种构成,控制模块8在判断为参考信号x(i)的信号等级 Ly(i)小的情况下,减小从消除信号生成模块105输出的消除信号y(i)的等级。其结果,能 够减小从消除音源2输出的与参考信号噪声x,(i)对应的消除音Nl的声音。因此,能够提 供一种即使在噪音NO小的情况下,也能够抑制参考信号噪声x,(i)所引起的异音的产生, 能够良好地降低噪音NO的有源降噪装置4。
[0063] 接着,对本实施方式中的有源降噪装置4的构成进行详细说明。图2是利用了本 发明的实施方式1中的第2例的有源降噪装置4的有源降噪系统101的框图。图3是利用 了实施方式1中的有源降噪装置4的移动体设备的示意图。另外在图2、图3中,对与图1 相同的部分标注相同的标号。
[0064] 本实施方式的有源降噪装置4搭载于设备来使用。设备包含设备主体、空间S1、和 有源降噪系统101。而且,有源降噪系统101包含参考信号源1、消除音源2、误差信号源3、 和有源降噪装置4。另外,空间Sl是在设备主体内设置的房间等,人进入该房间。
[00化]W下,作为设备的一例利用汽车102来进行说明。本例的空间Sl是设置在汽车 102的车身103 (设备主体)内,供人搭乘的车室。而且,搭乘于车室的人包含驾驶者和搭乘 者。另外,驾驶者作为操作设备的操作者的一例来使用。此外,搭乘者作为使用设备的使用 者的一例来使用。另外,操作者和使用者也可W相同。
[0066]在图2和图3中,参考信号源I是转换器(trans化cer),与有源降噪装置4的参考 信号输入端子41连接。参考信号源1为了输出与噪音NO存在相关的参考信号x(i),而固定 于汽车102的底盘等。或者,参考信号源1也可W设置于噪音NO的噪音源或者噪音传递路 径。例如,参考信号源1也可W设置于发动机、车轴、车身、轮胎、轮胎罩、转向节(knuckle)、 臂(arm)、副车架、外装部、内装部等。另外参考信号源1可W采用检测振动或声音的加速度 传感器或麦克风等。此外,参考信号源1也可W检测如针对发动机的测速脉冲等那样与噪 音源的动作相关联的信号。
[0067] 消除音源2是转换器,产生与消除信号y(i)对应的消除音Nl。消除音源2可W使用例如扬声器。此外,消除音源2设置于车身103内,使得能够向空间Sl内放出消除音 N1。另外消除音源2也可W挪用车载音响的扬声器、放大器等。在此情况下,无需另外专口 使用消除音源2。此外消除音源2也可W利用致动器等。在此情况下,消除音源2设置于例 如汽车102的顶盖等的构造物。而且,致动器的输出对构造物施加振动,由此从构造物放出 消除音Nl。
[0068] 此外消除音源2 -般具有对消除信号y(i)进行放大的功率放大部。另外消除音 源2也可W由通过设置于外部的功率放大器进行了放大的消除信号y(i)来驱动。实施方 式1中的功率放大部包含在消除音源2中,但该并非对实施方式进行限制。进而,消除音源 2也可W包含低通滤波器等的滤波器部、对消除信号y(i)的信号的振幅、相位进行调整的 信号调整器等。另外,也可W将该些之中的至少任意一个设置于消除信号生成模块115侧。
[0069] 误差信号源3对空间Sl中的残留音即噪音NO与消除音Nl发生干扰后的残留音 进行检测,输出与残留音对应的误差信号e(i)。误差信号源3是转换器,可W使用麦克风 等。另外误差信号源3被设置为能够在车身103内对空间Sl的残留音进行集音。因此误 差信号源3期望设置在要降低噪音NO的空间Sl内。例如,误差信号源3设置于座席的头 枕、搭乘者所坐的座席的头顶上附近的顶盖等的位置。目P,通过在接近搭乘者的耳朵的位置 设置误差信号源3,能够探测与搭乘者所听到的噪音NO相关性高的误差信号e(i)。
[0070] 有源降噪装置4在信号处理装置(微型计算机、DS巧内构成,消除信号生成模块 115、化at部6、LMS运算部7W取样周期L的离散时间的间隔而执行动作。另外,在本实施 方式中,消除信号生成模块115、化at部6、LMS运算部7的处理通过软件来进行,但不限于 此,也可W分别由专用的电路来进行。此外有源降噪装置4也可W设置根据参考信号X(i) W外的信息来生成参考信号X(i),并输出到参考信号输入端子41的模块。
[0071] 通过W上的构成,有源降噪装置4从输出端子42输出与参考信号X(i)和误差信 号e(i)相应的消除信号y(i)。其结果,消除音源2在空间Sl内产生与消除信号y(i)对应 的消除音N1。因此,消除音Nl与空间Sl内的噪音NO发生干扰,能够降低空间Sl的噪音 NOo
[0072] 一般,在汽车102的行驶中产生的噪音,包含各种原因所引起的噪音。例如有发动 机旋转所引起的低沉音、轮胎所引起的噪音、W及车轴、轮胎罩、转向节、臂、副车架、车身等 的振动所产生的噪音等。尤其是本例该样的汽车102在行驶时产生的噪音NO的产生原因 非常多。因此,产生的噪音的频带宽。
[007引因此,为了降低该种宽频率的噪音NO,消除信号生成模块115包含ADF部5。ADF部5由N个滤波器系数W化),化=0,1,. ..,N-1)所构成的有限脉冲响应(W下,称为FIR) 滤波器构成。另外,滤波器系数W(k)的值通过滤波X-LMS(W下,称为FxLM巧算法,按照每 个取样周期L而被更新。
[0074] 而且ADF部5利用当前时间点的滤波器系数w(k,n)和参考信号xa)来求出消除 信号y(n)。即当前时间点的消除信号y(n)如(数学式4)所示那样通过对滤波器系数W化, n)和参考信号X(i)进行滤波运算(卷积运算)来求出。
[007引【数学式4】 N-I
[0076] y(n) = ^w(k,n) ?x(n-k) = (n)x(n) k=0
[0077] 化at部6中存储有对消除信号y(i)的信号传递路径的声音传递特性C进行了模 拟的模拟声音传递特性数据。另外信号传递路径是从消除信号生成模块115到LMS运 算部7之间的信号路径。本实施方式中的信号传递路径是消除信号y(i)从消除信号生成 模块115被输出之后,直到作为误差信号e(i)而到达LMS运算部7为止之间的路径。而且 声音传递特性C是信号传递路径中的消除信号y(i)的延迟时间(相位变化量)、增益变化 量等的特性。
[007引信号传递路径除了包含消除音源2、误差信号源3、空间Sl之外,也可包含滤波器、 数字模拟(W下,称为D/A)变换器、模拟数字(W下,称为A/D)变换器等。另外,本例的输 出端子42包含D/A变换器,消除音源2包含滤波器。另一方面,误差信号源3包含滤波器, 误差信号输入端子43包含A/D变换器。即声音传递特性C除了包含从消除信号生成模块 105到LMS运算部7之间的消除音源2的特性、空间Sl的声音特性之外,也可W包含在信号 传递路径中包含的滤波器的特性、D/A变换W及A/D变换所引起的信号的延迟等。
[0079] 本实施方式的模拟声音传递特性数据C\如(数学式5)所示,表现为N。行1列的 向量。目P,模拟声音传递特性数据由N。个时不变的FIR滤波器系数即模拟声音传递特性 数据cA化。),化。=0,l,...,N。-l)构成。另外,模拟声音传递特性数据cA也可W进行更 新或者校正来使用。此外,模拟声音传递特性数据也可W是根据时间而变化的时变的滤 波器系数即模拟声音传递特性数据化。,i)。
[0080] 【数学式5】
[00川 C^= [C^ (0),(1),…,(Nc-I)]T
[00間化at部6对(数学式5)所示的模拟声音传递特性数据和参考信号X(n)进行 (数学式6)所示的滤波运算即卷积运算,制作当前时间点的滤波参考信号r(n)。
[008引【数学式6】
[0084] r(n) = (1<。)?x(n-1<。) =C^Tx(n)
[0085] 在此参考信号X(n)如(数学式7)所示,由从当前时间点的第n步向过去追溯 化-1)步为止的N。个参考信号x(i)构成。
[0086] 【数学式7】
[0087] X(n) = [x(n),x(n-l),…,x(n-(Nc_l))]T
[008引对LMS运算部7输入(数学式6)所示的当前时间点的滤波参考信号r(n),生成滤 波参考信号R(n)。为此在存储部11中存储有从上次即第(n-1)步,到从当前向过去追溯 (N-I)步为止的(N-I)个滤波参考信号r(n-l),?? ',r(n-(N-I))。然后LMS运算部7如 (数学式8)所示利用该N个滤波参考信号r(i),来准备作为N行1列的向量的滤波参考信 号R(n)。
[0089] 【数学式8】
[0090] R(n) =[r(n),r(n_l),…,r(n-(N-I))]T
[0091] 当前时间点的滤波器系数W(n),如(数学式9)所示,分别表示为N个滤波器系数 W化,n),化=0,1,. . .,N-1)所构成的N行1列的向量矩阵。
[009引【数学式9】
[009引 W(n) = [w(0,n),w(l,n),…,w(N-l,n)]T
[0094]LMS运算部7,如(数学式10)所示,利用当前时间点的误差信号e(n)、滤波参考信 号R(n)、步长参数y、化及当前时间点的滤波器系数W(n),算出在ADF部5中下次使用的滤 波器系数W(n+1)。
[00巧]【数学式10】
[0096] W(n+1) =W(n) -U?e(n) ?R(n)
[0097] 因此,下次的滤波器系数W(n+1)基于由LMS运算部7上次算出的滤波器系数W(n) 而生成。其结果,下次ADF部5通过滤波器系数W(n+1)来继续自适应控制。
[009引等级检测部10输入参考信号X(i)。然后等级检测部10对参考信号X(i)的信号 等级L>)进行探测,并将探测出的信号等级L>)向控制模块8输出。另外本实施方式 的等级检测部10形成在信号处理装置内。但是等级检测部10也可W设置在信号处理装置 夕K或者,等级检测部10也可W设置在有源降噪装置4外。不过在此情况下,有源降噪装 置4与参考信号输入端子41分别地具有用于将等级检测部10的输出供给至控制模块8的 端子。而且等级检测部10设置在该端子与参考信号源1之间。
[0099] 控制模块8输入由等级检测部10检测出的参考信号x(i)的信号等级Ly(i)。控 制模块8判定所输入的当前时间点的信号等级L,(n)是否为预先决定的值W下。控制模块 8在信号等级L,(n)的值为预先决定的值W下的情况下,判定为参考信号x(n)的等级小。
[0100] 其结果,控制模块8在判定为信号等级L>)小的情况下,输出用于调整消除信号 y(n)的等级的控制信号。
[0101]消除信号生成模块115还具备输入从控制模块8输出的控制信号的调整部9。调 整部9基于该控制信号,来调整消除信号y(n)的等级。调整部9在控制模块8将信号等级 Lx(n)判定为小的情况下,使消除信号y(n)的等级向减小的方向变化。即,控制模块8经由 调整部9来调整消除信号
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