(57)【要約】      （修正有）【課題】非適応型ＡＮＣシステムにおいて、ゲインおよび位相余裕を高めて、不安定性のリスクに対処する。【解決手段】ヘッドセットのアクティブ・ノイズ・コントロールは、外部マイクロホン２８から信号を受信するフィードフォワード帯域通過フィルター３２、内部マイクロホン３６によって送出されるエラー信号ｅを入力として受信するフィードバック帯域通過フィルター４２、および不安定性帯域、特に１ｋＨｚを中心とするウォーターベッド効果帯域におけるフィードバック・フィルターの伝達関数の位相を局所的に大きくするスタビライザー帯域通過フィルター４４を、並列に備える。加算回路４６は、これらのフィルターによって送出される信号と再生される音声信号Ｓとの重み付け一次結合を送出する。コントロールは非適応型であり、フィルター３２、４２、４４のパラメータは静的である。【選択図】図７
2013110746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッドバンド（１２）によって一緒に接続され、再現される音声信号の音を再生するための、耳を囲む緩衝材（１６）を備えるシェル（１４）で画成される音響空洞内に収納されるトランスデューサ（１８）をそれぞれ備える２つのイヤーピース（１０）を具備するオーディオ・ヘッドセットであって、前記ヘッドセットはアクティブ・ノイズ・コントロール・システムを備え、前記アクティブ・ノイズ・コントロール・システムは、
第１の帯域通過フィルター（３２）が前記ヘッドセットの環境内に存在する音響ノイズ（３０）を拾うのに適した外部マイクロホン（２８）によって送出される信号を入力として受け取る開ループ・フィードフォワードの第１の分岐と、
第２の帯域通過フィルター（４２）が前記空洞の内側の内部マイクロホン（３６）によって送出されるエラー信号（ｅ）を入力として受け取る閉ループ・フィードバックの第２の分岐と、
第３のフィルター（４４）を備える第３の分岐と、
前記第１、第２、および第３のフィルターによって送出される前記信号を、また再生される前記音声信号（Ｓ）を、入力として受け取り、増幅（５４）後に前記トランスデューサ（１８）を制御するのに適している信号を出力として送出するミキサー回路（４６）とを備え、
前記ヘッドセットは、
前記アクティブ・ノイズ・コントロールは非適応型コントロールであり、前記第１、第２、および第３のフィルター（３２、４２、４４）のパラメータは予め定められているパラメータであり、
前記第３のフィルター（４４）は、前記フィードバックの第２の分岐と並列に接続され、前記内部マイクロホンによって送出される前記信号を入力として受け取り、前記組み合わせ回路に入力として印加される信号を出力として送出するスタビライザー帯域通過フィルターであり、前記第３のフィルターは予め定められた不安定性帯域内の前記第２のフィルターの伝達関数の位相を局所的に大きくするのに適しており、
前記第１、第２、および第３の分岐は、並列に配置構成され、前記ミキシング回路は、再生される前記音声信号（Ｓ）の少なくとも一部と一緒に前記第１、第２、および第３のフィルター（３２、４２、４４）によって送出される前記信号の一次結合を、ゲイン（Ｇ５〜Ｇ８）の各重みをこれらの信号に適用して出力として送出する加算回路（４６）であることを特徴とする、オーディオ・ヘッドセット。
【請求項２】
前記所定の不安定性帯域は、１ｋＨｚの周波数を中心とするウォーターベッド効果帯域である、請求項１に記載のオーディオ・ヘッドセット。
【請求項３】
前記第２のフィルターの高カットオフ周波数は、１５０Ｈｚ未満、好ましくは１２０Ｈｚ未満である、請求項１に記載のオーディオ・ヘッドセット。
【請求項４】
前記第２のフィルターの帯域幅は、６５Ｈｚ未満、好ましくは５５Ｈｚ未満である、請求項１に記載のオーディオ・ヘッドセット。
【請求項５】
前記アクティブ・ノイズ・コントロールの前記フィードバックの分岐のゲイン余裕は、少なくとも１５ｄＢ、好ましくは少なくとも１７ｄＢである、請求項１に記載のオーディオ・ヘッドセット。
【請求項６】
前記アクティブ・ノイズ・コントロールの前記フィードバックの分岐の位相余裕は、少なくとも４５°、好ましくは少なくとも６０°である、請求項１に記載のオーディオ・ヘッドセット。
【請求項７】
再生される前記音声信号（Ｓ）は、前記第２のフィルター（４２）および前記加算回路（４６）の両方に入力として印加され、前記第２のフィルターは再生のため前記内部マイクロホン（３６）によって送出される前記エラー信号（ｅ）を前記音声信号の少なくとも一部と組み合わせること（５２）によって得られる信号を入力として受け取る、請求項１に記載のオーディオ・ヘッドセット。
【請求項８】
再生される前記音声信号（Ｓ）は、前記第３のフィルター（４４）に印加されない、請求項７に記載のオーディオ・ヘッドセット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブ・ノイズ・コントロール・システム（ａｃｔｉｖｅ  ｎｏｉｓｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｓｙｓｔｅｍ）を有するオーディオ・ヘッドセットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
このようなヘッドセットは、有線接続を介して、または実際には特にＢｌｕｅｔｏｏｔｈタイプ（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ  ＳＩＧの登録商標）のワイヤレス接続を介して接続されたＭＰ３プレーヤー、ラジオ、スマートフォンなどの電気製品に由来する音源（例えば、音楽）を聴くために使用されうる。
【０００３】
ヘッドセットの着用者の声を拾うのに適したマイクロホンセットが備えられている場合、ヘッドセットは、音源を聴くことに加えて「ハンズフリー」電話機能などの通信機能にも使用することができる。次いで、ヘッドセットのトランスデューサが、ヘッドセットの着用者と会話中である、離れた所にいる話し相手の声を再現する。
【０００４】
ヘッドセットは、ヘッドバンドによって連結されている２つのイヤーピースを有する。それぞれのイヤーピースは、音声再生トランスデューサ（本明細書ではより単純に「トランスデューサ」と称する）を収納する、使用者の耳の周りに圧し付けられ、耳を外部音響環境から絶縁するために耳を囲む緩衝材が差し挟まれるように設計されている閉じられたシェルを備える。
【０００５】
ノイズの多い環境（地下鉄、人通りの多い道、列車、飛行機など）でヘッドセットを使用する場合、着用者はノイズから一部はヘッドセットのイヤーピースで保護されるが、それは、閉じられたシェルと耳を囲む緩衝材のおかげで絶縁が実現されているからである。
【０００６】
しかしながら、その純粋に受動的な保護機能は、部分的なものでしかなく、外部の音の一部、特に周波数スペクトルの低い部分の音は、イヤーピースのシェルを透過する、または実際には着用者の頭蓋骨を通して耳に到達する可能性がある。
【０００７】
これが、ヘッドセットのイヤーピースのシェル上に配置されたマイクロホンを使って入ってくるノイズ成分を拾い、理想的にはノイズ成分の圧力波の反転されたコピーである音波を前記ノイズ成分上に時間と３次元において重ね合わせる原理に基づくいわゆるアクティブ・ノイズ・コントロール（ＡＮＣ）技術が開発された所以である。このアイデアは、ノイズ成分に対し相殺的干渉を発生させて、干渉する音波の圧力変動を低減し、理想的には相殺するというものである。
【０００８】
この原理を実装することは、多くの困難を克服することを伴い、そのため、さまざまな提案がなされており、それらの提案は２つのカテゴリにわけることができる。
【０００９】
第１のカテゴリは、適応フィルター、つまり、リアルタイムで動作して信号を解析するアルゴリズムによって動的に、かつ連続的に修正される伝達関数を有するフィルターを使用するＡＮＣ法のカテゴリである。このような処理は、特に、アルゴリズムをリアルタイムで実行するようにプログラムされる専用プロセッサを使って信号をデジタル化し、処理するための技術が発展した結果として可能になった。
【００１０】
ドイツ特許第３７３３１３２Ａ１号は、そのような適応フィルターを使用するＡＮＣ処理の典型的な例である。適用フィルターを伴うＡＮＣ法の他の例は、特に米国特許第６０４１１２６Ａ号、米国特許出願第２００３／０２２８０１９Ａ１号、および国際公開第２００５／１１２８４９Ａ２号において説明されている。
【００１１】
これらの技術は、ノイズを軽減することに関して有効でありうるが、必ずデジタルであること、および比較的大きな計算能力を必要とすること、その結果、比較的設計が複雑であり、作るのにかなり費用がかかるということが欠点となっている。
【００１２】
さらに、デジタル処理は、補償信号に無視できない遅延をもたらし、適応型という特徴は、アルゴリズムの収束時間を最短にすることを必要とする。そのすべてがシステムの反応性にとって、特に不規則なノイズに対する反応性にとって有害である。その結果、ノイズ除去は、特に、本質的に周期的で、狭帯域内にあるノイズに対して有効である。
【００１３】
ＡＮＣ法の第２のカテゴリ−本発明の技術が属す−は、使用されるさまざまなフィルターのパラメータが予め決定されている静的な、つまり、非適応型のフィルター・システムのカテゴリである。
【００１４】
そのようなＡＮＣシステムでは、閉ループではフィードバック型で、開ループではフィードフォワード型である静的フィルタリング機能を組み合わせる。フィードバック・チャネルは、イヤーピースのシェル、耳を囲む緩衝材、およびトランスデューサによって画成される音響空洞（以下では「前」空洞と称する）の内側に置かれたマイクロホンによって拾われる信号に基づく。言い換えると、このマイクロホンは、使用者の耳の近くに置かれ、主にトランスデューサによって生成される信号および前空洞内でまだ知覚可能な残留非相殺ノイズ信号を受けるということである。トランスデューサによって再生される音源からの音声信号は、このマイクロホンからの信号から差し引かれ、ＡＮＣシステムのフィードバック・ループに対するエラー信号を構成する。フィードフォワード・フィルター・チャネルは、ヘッドセットの着用者の直の環境内に存在する干渉するノイズを拾う外部マイクロホンによって拾われる信号を使用する。
【００１５】
フィードバックおよびフィードフォワード・フィルター・チャネルに加えて、再生される音源からの音声信号を処理する第３のフィルター・チャネルも備えるこのような一システムが、特に米国特許出願第２０１０／０２７２２７６Ａ１号において説明されている。これらのフィルター・チャネルからの出力信号を組み合わせて、トランスデューサに印加し、周囲のノイズを抑圧するための信号と併せて音源からの信号を再生する。
【００１６】
さまざまなフィルターのパラメータは静的であるため、静的フィルタリング技術は、適応フィルター技術に要求されるリソースに比べて少ないリソースで済む方法により、アナログ技術またはデジタル技術でも等しく実装することができる。
【００１７】
しかしながら、静的フィルタリング法には、いくつかの制限と欠点がある。
【００１８】
第１の欠点は、トランスデューサとエラー・マイクロホン、つまり、前空洞内に置かれた内部マイクロホンとの間の電気音響経路の変動に対する感度が比較的大きい点である。これら２つの要素の間の電気音響応答は、前空洞の容積および外側に関するその封止の変動の結果修正されうる。この電気音響応答を変化させるおそれのある主要な要因は、頭部に付けたヘッドセットの位置決め、使用者の耳の形状、ヘッドセットを頭部に圧し付けるきつさ、および耳を囲む緩衝材が頭部を圧迫する場所の髪の毛の存在である。他の変動は、使用される電子コンポーネント（抵抗器、コンデンサ、トランスデューサ、およびマイクロホン）が時間の経過とともに変動する可能性のある電気的特性を示すことから、これらのコンポーネントによる可能性もある。
【００１９】
音響応答のこれらの変動は、「ウォーターベッド」効果として知られている望ましくない効果を発生する可能性があるが、これは、主ノイズ抑圧周波数帯域を超えるノイズが、一般的に１キロヘルツ（ｋＨｚ）を中心とする、比較的狭い周波数帯域内において全体的に知覚可能であり、当然望ましくない形で増幅されるという効果である。この現象が大きすぎる場合、緩衝材が偶然外れたときに多くのヘッドセットにおいて観察されうる現象である、ラーセン効果すら発生する可能性がある。
【００２０】
考慮すべき別の要因は、前部容積の小ささがトランスデューサとエラー・マイクロホンとの間の電気音響応答の変動性を高める限りにおいて、前空洞の容積であるが、それは、そのような状況において、通常の聴取位置と使用者がヘッドセットを頭部に近づける遷移位置との間の容積の相対的変動が大きくなるからである。
【００２１】
そのため、前空洞に対する小さな容積は、フィードバック・ループ内で安定性が失われる追加要因となっており、上で説明されているのと同じ結果である。実際、イヤーピースは、快適さと重量の両方の理由から比較的小さな容積となるように作ることが望ましく、このことがＡＮＣシステムにおける安定性の要件に反している。
【００２２】
特に、与えられた電気音響応答に対応する性能を発揮するように、また十分な安定性を保証することを可能にするゲインおよび位相余裕ならびに最大化された性能を有するように、さまざまなフィルタリング・チャネルが調整される。この点で、閉ループ・システムは、一般的に、４５°を超える位相余裕と少なくとも１０デシベル（ｄＢ）のゲイン余裕とを備えなければならないと考えられる。しかし、実際にはアクティブ・ノイズ・コントロール機能を備えるヘッドセットの分野では電気音響応答の変動性が大きいため、これらの理論上の余裕では不十分であることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】ドイツ特許第３７３３１３２Ａ１号
【特許文献２】米国特許第６０４１１２６Ａ号
【特許文献３】米国特許出願第２００３／０２２８０１９Ａ１号
【特許文献４】国際公開第２００５／１１２８４９Ａ２号
【特許文献５】米国特許出願第２０１０／０２７２２７６Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
このような非適応型ＡＮＣシステムにおいて、本発明の課題は、頭部へのヘッドセットの位置決め、イヤーピースのきつさ、および耳を囲む緩衝材によってもたらされるよい、または劣った封止効果の変動があるにもかかわらずウォーターベッド効果もしくはラーセン効果の出現を回避することを、前空洞の容積が小さいにもかかわらず、可能にするゲインおよび位相余裕を高めて、不安定性のリスクに対処することである。
【００２５】
このような安定性の増大は、当然のことながら、ＡＮＣシステムのノイズ防止性能を低下させることなく得られなければならない、つまり、その周期性の高い低いに関係なく、またその周波数スペクトルに関係なく、干渉するノイズ成分を相殺するうえで等しく効果的であり続けなければならない。
【００２６】
当然であるが、音源（または電話アプリケーションにおける離れた場所にいる話者の声）からの音声信号は、歪んでいてはならず、またそのスペクトルは、ノイズ・キャンセリング信号および再生される音声信号が同じチャネルによって増幅され、同じトランスデューサによって再現されるとしても、ＡＮＣ処理によって低減されてはならない。
【００２７】
本発明が基づくアイデアは、スペクトルの高い部分における、つまり、不安定な周波数帯におけるフィードバック・フィルターの通過帯域を低減し、ウォーターベッド効果またはラーセン効果のリスクを低減するか、もしくはなくすというものである。以下で説明されているように、この方法で通過帯域を制限することで、少なくとも１５ｄＢ、好ましくは少なくとも１７ｄＢのゲイン余裕の増加、および少なくとも４５°、好ましくは少なくとも６０°の位相余裕の増加が引き起こされうる。
【００２８】
それと平行して、フィードフォワード・フィルターは、なくすべきノイズ・スペクトル（つまり、１ｋＨｚを中心とする）のより高い周波数における性能の喪失を補償する。
【００２９】
最後に、スタビライザー・フィルターが、フィードバック・フィルターと並列に接続される。スタビライザー・フィルターは、ウォーターベッド効果の臨界域における位相を大きくすることによってフィードバック・フィルターの位相余裕を増やす働きをする。特にトランスデューサからエラー・マイクロホンへ音が伝搬する際に通る経路の結果としての音響効果による位相の低減を補償するために、スタビライザー・フィルターによって限界共振を発生させ、位相を大きくし、それにより位相余裕を増大する。
【００３０】
これら３つのチャネル（フィードバック、フィードフォワード、およびスタビライザー）は、並列に接続され、フィルターからの出力として送出される信号は、トランスデューサによる増幅および再生のため、これらのさまざまな信号の一次結合を送出するコンバイナーを使って、互いに、および再生する音声信号と組み合わされる。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
さらに、本発明は、それ自体上述の米国特許出願第２０１０／０２７２２７６Ａ１号から知られる形で、ヘッドバンドによって一緒に接続され、再現される音声信号の音を再生するための、耳を囲む緩衝材を備えるシェルで画成される音響空洞内に収納されるトランスデューサをそれぞれ備える２つのイヤーピースを具備するアクティブ・ノイズ・コントロール・システムを有するヘッドセットを実現するものである。ヘッドセットはアクティブ・ノイズ・コントロール・システムを備え、このシステムは
第１の帯域通過フィルターがヘッドセットの環境内に存在する音響ノイズを拾うのに適した外部マイクロホンによって送出される信号を入力として受け取る開ループ・フィードフォワードの第１の分岐と、
第２の帯域通過フィルターが空洞の内側の内部マイクロホンによって送出されるエラー信号を入力として受け取る閉ループ・フィードバックの第２の分岐と、
第３のフィルターを備える第３の分岐と、
第１、第２、および第３のフィルターによって送出される信号を、また再生される音声信号を、入力として受け取り、増幅後にトランスデューサを制御するのに適している信号を出力として送出するミキサー回路とを備える。
【００３２】
本発明に特徴的な方法において
アクティブ・ノイズ・コントロールは、非適応型コントロールであり、第１、第２、および第３のフィルターのパラメータは予め定められているパラメータであり、
第３のフィルターは、フィードバックの第２の分岐と並列に接続され、内部マイクロホンによって送出される信号を入力として受け取り、組み合わせ回路に入力として印加される信号を出力として送出するスタビライザー帯域通過フィルターであり、この第３のフィルターは予め定められた不安定性帯域内の第２のフィルターの伝達関数の位相を局所的に大きくするのに適しており、
第１、第２、および第３の分岐は、並列に配置構成され、ミキシング回路は、再生される音声信号の少なくとも一部と一緒に第１、第２、および第３のフィルターによって送出される信号の一次結合を、ゲインの各重みをこれらの信号に適用して出力として送出する加算回路である。
【００３３】
注目する予め定められている不安定性帯域は、特に１ｋＨｚの周波数を中心とするウォーターベッド効果帯域である。
【００３４】
第２のフィルターの高カットオフ周波数は、好ましくは１５０Ｈｚより低く、好ましくは１２０Ｈｚより低く、その帯域幅は６５Ｈｚより低く、好ましくは５５Ｈｚより低い。
【００３５】
アクティブ・ノイズ・コントロールのフィードバックの分岐のゲイン余裕は有利には少なくとも１５ｄＢ、好ましくは少なくとも１７ｄＢであり、位相余裕は少なくとも４５°、好ましくは少なくとも６０°である。
【００３６】
再生される音声信号は、好ましくは第２のフィルターおよび加算回路の両方に入力として印加され、第２のフィルターは再生のため内部マイクロホンによって送出される前記エラー信号を音声信号の少なくとも一部と組み合わせることによって得られる信号を入力として受け取るが、音声信号は、第３のフィルターには印加されない。
【００３７】
次に、同一または機能的に類似している要素を指定するために一方の図から他方の図まで同じ参照番号が使用される添付図面を参照しつつ本発明のデバイスの実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】使用者の頭部の適所に置かれたオーディオ・ヘッドセットの概略図である。
【図２】さまざまな音響および電気信号、ならびにアクティブ・ノイズ・コントロール機能を有するオーディオ・ヘッドセットの動作に伴うさまざまな機能ブロックも示す線図である。
【図３】さまざまな機械要素およびその中の電気機械部材の構成を示す、本発明のヘッドセットのイヤーピースの１つの断面立面図である。
【図４】図３のイヤーピースの正面図である。
【図５】図３および４のイヤーピースの後面図である。
【図６】図３から５のイヤーピースの下からの図である。
【図７】本発明のヘッドセットのアクティブ・ノイズ・コントロール・システムのさまざまな要素を示すブロック図の形態の概略図である。
【図８】図７のフィードフォワード・フィルターの類似の形態の一実施形態を示す図である。
【図９】図７のフィードバック・フィルターの類似の形態の一実施形態を示す図である。
【図１０】図７のスタビライザー・フィルターの類似の形態の一実施形態を示す図である。
【図１１】イヤーピースの前空洞の内部減衰に関する、イヤーピースのシェルによって持ち込まれる減衰を示す特性図である。
【図１２】図７の回路のフィードフォワード・フィルターの伝達関数の振幅および位相を示すボード線図である。
【図１３】スタビライザー・フィルターの作用がある場合とない場合の、本発明のアクティブ・ノイズ・コントロール・システムの黒色の軌跡（Ｂｌａｃｋ  ｌｏｃｕｓ）を示す図である。
【図１４】さまざま構成に対する図７の回路のフィードバック・フィルターの伝達関数の係数を示す図である（完全な通過帯域、縮小された通過帯域、スタビライザー・フィルターがある場合とない場合）。
【図１５】さまざまな構成に対する同様の、図７の回路のフィードバック・フィルターの伝達関数の位相を示す図である。
【図１６】さまざまな構成に対する同様の、図７の回路のナイキスト・プロットである。
【図１７】さまざまな構成に対する同様の、図７の回路の閉ループ減衰特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１は、使用者の頭部に付けたオーディオ・ヘッドセットを示している。従来の方法では、ヘッドセットは、ヘッドバンド１２によって連結されている２つのイヤーピース１０および１０’を備える。イヤーピース１０のそれぞれは、使用者の耳の輪郭の周囲を圧迫する外側シェル１４を備え、このシェル１４と耳の周囲との間に耳を囲む柔軟な緩衝材１６が、耳の付近と外部音環境との間に音響の観点から満足のゆく密閉が施されるように挟装される。
【００４０】
図２は、さまざまな音響および電気信号、ならびにアクティブ・ノイズ・コントロール機能を有するオーディオ・ヘッドセットの動作に伴うさまざまな機能ブロックを示す線図である。
【００４１】
イヤーピース１０は、２つの空洞、つまり、耳のそばの前空洞２２とその反対側にある後空洞２４を画成する仕切り２０上に載せられる、以下では単に「トランスデューサ」と称される音再生トランスデューサ１８を囲んでいる。
【００４２】
前空洞２２は、内部仕切り２０、イヤーピースの壁１４、緩衝材１６、および耳の領域内の使用者の頭部の外面によって画成される。この空洞は、音の漏れが緩衝材１６の接触領域内で不可避であることを除いて、閉じられた空洞である。
【００４３】
後空洞２４は、放音口２６がイヤーピースの前空洞２２内で低周波を強める働きをすることを除いて、閉じられた空洞である。このような音響を強める働きは、電気的に増幅することに比べて有利であるが、それは、周囲ノイズの過圧効果を、飽和なしで、電気的ノイズを減らしつつ、アクティブ・コントロール・システムによって改善できるからである。
【００４４】
アクティブ・ノイズ・コントロールでは、イヤーピース１０は、イヤーピースの外側の周囲ノイズを拾うための外部マイクロホン２８を搭載し、これは波３０によって図式的に表されている。外部マイクロホン２８によって拾われた信号は、アクティブ・ノイズ・コントロール・システムのフィードフォワード・フィルター段３２に印加される。
【００４５】
それぞれのイヤーピース１０および１０’は、それ専用のアクティブ・ノイズ・コントロール・システムを有し、各外部マイクロホン２８および２８’（図１）は互いに独立している。
【００４６】
図１に示されているように、ヘッドセットは、状況によっては、例えば、ヘッドセットが「ハンズフリー」電話機能を備えている場合に、通信機能を実行するために別の外部マイクロホン３４を搭載することも可能である。
【００４７】
追加の外部マイクロホン３４は、ヘッドセットの着用者の声を拾うためのものであり、アクティブ・ノイズ・コントロールには関与せず、以下の考察は、アクティブ・ノイズ・コントロール専用である外部マイクロホン（複数可）２８のみを対象とする。
【００４８】
ヘッドセットは、内部空洞２２内に存在する、使用者が知覚する残留ノイズを拾うために外耳道にできる限り近い位置に配置された内部マイクロホン３６も備える。
【００４９】
トランスデューサによって再生される音源（または電話機アプリケーションでは、離れた所にいる話者の声）からの音声信号を無視すると、この内部マイクロホン３６によって拾われる音声信号は、
イヤーピースのシェル１４を通して伝達される周囲外部ノイズ３０に由来する残留ノイズ３０と、
相殺的干渉の原理に基づき、理想的には、ノイズ３０、つまり、聴取点での抑圧のためのノイズの反転コピーであるトランスデューサ１８によって生成される音波４０の組み合わせである。
【００５０】
音波４０を使ったノイズの相殺は決して完全ではないので、内部マイクロホン３６は、トランスデューサ１８を制御するために開ループのフィードフォワード分岐３２からの信号と４６で組み合わされる信号を送出する閉ループのフィードバック・フィルター分岐４２およびスタビライザー分岐４４（本発明に特有）に印加するためのエラー信号ｅとして使用される残留信号を拾う。
【００５１】
それに加えて、トランスデューサ１８は、音源（プレーヤー、ラジオなど）、または電話機アプリケーションにおける離れた所にいる話者の声に由来する音声信号を再生のため受信する。この信号は、信号を歪ませる閉ループの効果に曝されるので、これは、アクティブ・コントロールなしで開ループ・ゲインおよびターゲット応答によって決まるような所望の伝達関数をもたらすようにデジタル・シグナル・プロセッサ内のイコライゼーションによる上流の前処理を受ける。
【００５２】
図３から６は、イヤーピース１０の一方について（他のイヤーピース１０’も作りは同一である）、図２に図式的に示されているさまざまな機械および電気音響要素の一実施形態を示す複数の角度からの図である。
【００５３】
シェル１４の内側を前空洞２２と後空洞２４とに分割する仕切り２０が図示されており、そこでは、トランスデューサ１８および内部マイクロホン３６がこの仕切り上に取り付けられ、内部マイクロホン３６は使用者の外耳道の近くに保持するためグリッド４８で支えられている。図５および６は、アクティブ・ノイズ・コントロール専用の外部マイクロホン２８、および「ハンズフリー」通信機能用の追加のマイクロホン３４も、例えば音響抵抗性を有するプラスチック材料のグリッドによって覆われている一連の小孔で構成される放音口２６と一緒に、示している。
【００５４】
図７は、本発明のアクティブ・ノイズ・コントロール回路を、この回路の動作に関わる電気および音響伝達関数と一緒に、示すブロック図である。
【００５５】
この回路は、本質的に、並列に接続された３つの分岐、つまり、フィードフォワード・フィルター３２、フィードバック・フィルター４２、およびスタビライザー・フィルター４４を備える。
【００５６】
外部マイクロホン２８によって拾われた信号は、ゲインＧ１（例えば、Ｇ１＝＋８ｄＢ）で前置増幅され、次いで、フィードフォワード・フィルター３２に印加される。
【００５７】
内部マイクロホン３６によって拾われた信号は、スタビライザー・フィルター４４およびフィードバック・フィルター４２の両方に印加され、各ゲインＧ２（例えば、Ｇ２＝０ｄＢ）およびＧ３（例えば、Ｇ３＝＋９ｄＢ）が適用される。
【００５８】
フィルター３２、４４、および４２によって並列に送出される信号同士が、加算回路４６によって組み合わされ、各ゲインＧ５、Ｇ６、およびＧ７はそれらに適用される（例えば、フィードフォワード・フィルター３２からの信号に対してはＧ５＝−６ｄＢ、スタビライザー・フィルター４４からの信号に対してはＧ６＝＋６ｄＢ、フィードバック・フィルター４２からの信号に対してはＧ７＝０ｄＢ）。
【００５９】
音源（ＭＰ３プレーヤー、ラジオなど）または電話機回路からの音声信号Ｓ（「ラインイン」信号）は、デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）５０によるデジタル処理（復号化、イコライゼーション、立体音響などの音響効果など）を受ける。さらに、この信号は、効果を歪ませる閉ループの効果に曝されるので、これは、アクティブ・コントロールなしで開ループ・ゲインおよびターゲット応答によって決定されるような所望の伝達関数をもたらすように、適切なイコライゼーションによるＤＳＰ  ５０内の上流で前処理される。
【００６０】
ＤＳＰ  ５０からの出力の音声信号は、２つの場所でアクティブ・コントロール回路に印加され、それぞれ、
ゲインＧ４（例えば、Ｇ４＝−１４ｄＢ）がフィードバック・フィルター４２に適用され、
ゲインＧ８（例えば、Ｇ８＝−６ｄＢ）が、この信号を内部マイクロホン３６によって拾われた信号と、その信号がフィードバック・フィルター３２に入力として印加するためにゲインＧ３で前置増幅された後に組み合わせる加算回路５２に適用される。
【００６１】
再生のため音声信号Ｓを回路の２つの異なる場所に注入することで、低周波と高周波との間でバランスのとれたイコライゼーションを得ることが可能になる。一般加算回路４６の入力に注入される信号の部分は、アクティブ・コントロールの減衰を受け、これにより、高周波成分を生成するが、対照的に、加算回路５２を介してフィードバック・フィルター４２の入力に注入される信号の部分は、回路のローパス・フィルタリングを受け、低周波成分をもたらす。信号のこれら２つの部分に印加される各ゲインＧ８およびＧ４は、再生のための信号のスペクトルの低周波と高周波とのバランスをとる働きをする。
【００６２】
再生のための音声信号はフィードバック・フィルター４２の入力にのみ（加算回路５２を介して）注入されるが、スタビライザー・フィルター４４を有する分岐には注入されず、したがって、再生される音楽のイコライゼーションを妨害することなくスタビライザー・フィルタリングを調節することが可能であり、スタビライザー・フィルター４４は、したがって安定化機能に干渉しない、再生のための音声信号を除く、内部マイクロホン３６によって拾われた音のみを受け取ることがわかるであろう。
【００６３】
最後に、再生のための音声信号と併せたフィードフォワード、フィードバック、および安定化フィルタリングに対する、３つのフィルター・チャネルからの信号の一次結合である、一般加算回路４６からの出力が、パワー段５４による増幅の後トランスデューサ１８に印加される。
【００６４】
図８、９、および１０は、それぞれフィードフォワード・フィルター３２、フィードバック・フィルター４２、およびスタビライザー・フィルター４４の類似の技術における実施形態を示している。これらの図において、ＶｉおよびＶｏは、それぞれフィルターの入力および出力電圧を示し、Ｖｍｉｄは、フィルターによって使用されるオペアンプの電源のプラス端子とマイナス端子との間の中間電圧を示す。これらのさまざまなフィルターの各伝達関数は、特にスタビライザー・フィルター４４がアクティブ・ノイズ・コントロール・システムの全体的性能を向上させるためにフィードバック・フィルター４２の応答を修正することを可能にする方法と併せて図１２から１７を参照して以下でさらに詳しく説明されている。
【００６５】
図からわかるように、これら３つのフィルターは、ごく少数のコンポーネントで実装することができ、したがって、ハードウェアのコストが非常に低い。
【００６６】
さらに、図示されている例では、フィードフォワード・フィルター３２およびフィードバック・フィルター４２は、一次のローパス・フィルターの形態で作られるが、抵抗器およびコンデンサを変更することによって二次の帯域通過フィルターを作ることも難なく可能である。
【００６７】
以下では、一般的なアーキテクチャが上で説明されている、本発明のアクティブ・ノイズ・コントロール・システムの一般的動作を説明する。
【００６８】
以下の記法を使用する。
Ｈｃ：外部マイクロホン２８によって受信される信号とヘッドセットのイヤーピースのシェルを通過する外部ノイズの一部を表す、内部マイクロホン３６が受け取る信号との間の伝達関数、
Ｈｏ：トランスデューサ１８によって再生される信号とイヤーピースのシェルを通して外部マイクロホンに伝達される音声信号の一部を表す、外部マイクロホン２８が受け取る信号との間の伝達関数、
Ｈａ：トランスデューサ１８によって生成される信号と内部マイクロホン３６が受け取る信号との間の伝達関数、
ｄ：周囲のノイズ信号（アクティブ・コントロールによって減衰されるべき、理想的には相殺されるべきノイズ信号）、
ｅ：内部マイクロホン３６によって送出されるエラー信号（最小化されるべき信号）、
ＨＦＦ：フィードフォワード・フィルター３２の伝達関数（静的関数である、つまり、適応型でない）、
ＨＦＢ：場合によってはスタビライザー・フィルター４４の動作によって修正される、フィードバック・フィルター４２の伝達関数（同様に静的関数である）、
【００６９】
エラー信号ｅをノイズ信号ｄの関数として表すことが望ましい場合、外部マイクロホン２８から内部マイクロホン３８（このマイクロホンは、使用者の外耳道にできる限り近い位置に置かれ、聴取点で知覚される信号を示す）までの伝達関数
【００７０】
【数１】
2013110746.tif 000003
を求める。
【００７１】
項εは、２以上の次数のフィードバックのすべてを表し、特に、この項は、分子の他の項と比較して無視可能であり、無視される。さらに、｜Ｈｏ｜＜＜｜Ｈａ｜であるが、それは、Ｈｏがイヤーピースのシェルによる追加の減衰を含むからである。
【００７２】
図１１は、周波数の関数としてのＨｏ／Ｈａの係数の実験的プロットであり、空洞の内部減衰に関するイヤーピースのシェルの減衰を表す。
【００７３】
そこで、近似｜Ｈｏ｜＜＜｜Ｈａ｜を行うことによって、ノイズの伝達関数を
【００７４】
【数２】
2013110746.tif 000004
のように簡略化することができる。
【００７５】
内部マイクロホンによって拾われるノイズを低くするために、つまり、エラー信号を最小化するために、
【００７６】
【数３】
2013110746.tif 000005
とする必要がある。
【００７７】
安定性の観点から、フィードフォワードＨＦＦの安定性は、フィードバックＨＦＢの安定性よりよいが、それは、フィードバック・ループがないからである（フィードフォワード・フィルターは開ループ・フィルターである）。
【００７８】
対照的に、導入部で説明されているように、フィードフォワードおよびフィードバックは、ノイズ抑圧帯域を超える狭い周波数帯域内、および一般的に１ｋＨｚを中心とするノイズを増幅する望ましくない効果（「ウォーターベッド効果」）を発生する傾向を有する。それに加えて、フィードバック・フィルターのフィードバックにより、この効果は素早く進行し、ラーセン効果に変わってしまう。
【００７９】
残念なことに、フィードフォワードはより安定しているけれども、これが自然にもたらすノイズ抑圧は効果が弱いため、フィードバックなしでは使用できない。完全な抑圧をもたらすために、ＨＦＦ＝Ｈｃ／Ｈａである必要があるが、これは、ＨｃおよびＨａが、前の容積が変化し小さいこと、ヘッドセットの位置およびきつさなど、上で述べた理由から大きく変化するため達成が困難である。実際には、フィードフォワード・フィルター単独によるノイズ抑圧は、典型的には、１０ｄＢに近いが、フィードバック・フィルターでは、２０ｄＢを達成することが可能である。
【００８０】
本発明は、特に上で説明されている欠点を軽減するのに役立つ。本質的に、本発明では、
１）特に制御されない不安定性のリスクがある周波数範囲内においてゲインおよび位相余裕（典型的には、少なくとも１５ｄＢおよび６０°まで）を増やすためにフィードバック・フィルターの周波数帯域を縮小すること、
２）より高い周波数（１ｋＨｚまで）での性能の対応する喪失を補償するためにフィードフォワード・フィルターを使用すること、
３）フィードバック・フィルターに関連するスタビライザー・フィルターによってウォーターベッド効果を低減し、それにより、ラーセン効果のリスクを低減するか、またはなくすことすら可能にすることを提案している。
【００８１】
通過帯域を縮小することによってゲインおよび位相余裕を高めることは、開ループ・ゲインを低減することに優先して選択されており（これらの余裕を高めるのにも役立っている）、開ループ・ゲインのこのような低減は、通過帯域を縮小することとは対照的に、それがノイズ・コントロール回路の減衰周波数帯域のみを縮小するのでアクティブ・ノイズ・コントロールの最高性能を引き下げるという欠点があることがわかるであろう。したがって、フィードバック・フィルターの開ループ・ゲインを低減することに優先して通過帯域の縮小が選択されるのは、最大ノイズ減衰を低減することを回避するためである。
【００８２】
フィードフォワード・フィルターは、開ループ内で動作するのでより安定している。したがって、これは、フィードバック・フィルターにおける通過帯域の喪失を補償するためにより高い周波数（１ｋＨｚまで）で使用されうる。フィードフォワード・フィルターは、低ゲインをもたらし、フィードバック・フィルターのＱファクタと比べて小さいＱファクタ（クオリティ・ファクタ）を有し、その性能は、広範な周波数帯域をカバーするように調節される。
【００８３】
図１２は、フィードフォワード・フィルター３２の振幅および位相を周波数の関数として示す、フィードフォワード・フィルター３２のボード線図である。
【００８４】
フィードバック・フィルター４２と並列に接続されていることによって、スタビライザー・フィルター４４は、特にウォーターベッド効果の臨界域において、フィードバック・フィルターの位相余裕を増やす働きをする。音響効果による、特にトランスデューサからエラー・マイクロホンへ音が伝搬する際に経由する音響経路（伝達関数Ｈａ）による、位相の低減を補償するために、スタビライザー・フィルターは、位相を大きくして位相余裕を増大する働きをするこの帯域内の局部共振を発生する。
【００８５】
これらのさまざまな態様は、図１３から１７の例示的な図に特に示されている。
【００８６】
図１３は、周波数が０Ｈｚから無限大まで変化する、システムの黒色の軌跡、つまり、位相の関数としての開ループ（ＨａＨＦＢ）の係数の直交座標プロットを示している。この黒色の軌跡をトレースすることによって、軌跡が０ｄＢおよび０°に位置する不安定点Ｏを通過する２本の軸と交差する点によって与えられるゲインおよび位相余裕を容易に読み取ることができる。
【００８７】
図１３において、破線は、通過帯域を縮小する前に単独でフィードバック・フィルタリングを行う黒色の軌跡であり、実線は、同じフィルターに適用されるが、その通過帯域は縮小されている（が、スタビライザーはない）。最初に、ゲインおよび位相余裕ΔＭおよびΔφは、それぞれ、−１２ｄＢおよび２５°であり、通過帯域を縮小することで、これらの値をそれぞれ−１８ｄＢの値および６０°を超える値に増大することができる。
【００８８】
図７の回路について、図１４から１７は以下を示す。
図１４：フィードバック・フィルターの伝達関数の係数、
図１５：フィードバック・フィルターの伝達関数の位相、
図１６：ナイキスト・プロット、および
図１７：閉ループ減衰特性。
【００８９】
これらの図において、
Ａは、通過帯域を縮小する前の、前置増幅機能Ｇ３を有する元のフィードバック・フィルターに対応する特性を表す。
Ｂは、Ａと同じ特性を表すが、ただし通過帯域を縮小した後である。
Ｃは、最終特性、つまり、その前置増幅機能Ｇ２を有するスタビライザー・フィルター４４を追加した後の特性Ｂを表す。
【００９０】
図１４の特性ＡとＢ（またはＣ）を比較するとわかるように、８０Ｈｚ（特性Ａ）の帯域幅を与える、８０Ｈｚ〜１６０Ｈｚであったフィルターの元の通過帯域は、６５Ｈｚ〜１１５Ｈｚに縮小される、つまり、５０Ｈｚ（特性ＢまたはＣ）のより狭い帯域幅にされる。
【００９１】
通過帯域をこのように縮小すると、図１３を参照して説明されているように、ゲインおよび位相余裕を著しく高めることが可能であり、システムの安定性向上に寄与する。
【００９２】
図１５を調べると、スタビライザー・フィルター４４を使用すると、約３０°から３５°までの範囲で、１ｋＨｚを中心とするウォーターベッド効果の不安定な帯域内の位相が著しく高められることがわかる。
【００９３】
図１６において、位相をこのように高めると、開ループが不安定性の帯域から著しく遠ざかることがわかる。この図は、破線がノイズ増幅帯域Ｎを示しているナイキスト・プロットである。図を見るとわかるように、これら３つの構成Ａ、Ｂ、またはＣのどれにおいても、システムは不安定点Ｏを囲まず、理論上は、システムのすべてが安定している。しかしながら、フィードバック・フィルターの通過帯域を縮小すること（ＡからＢに進む）と、それをスタビライザー・フィルターに関連付けること（ＢからＣに進む）とにより、このプロットは毎回、不安定点からさらに遠ざかり、したがって、システムの全体的安定性の向上に寄与する。
【００９４】
図１７の理論的減衰曲線は、１ｋＨｚのウォーターベッド効果帯域が縮小されることを示している。６ｋＨｚのウォーターベッド効果帯域は低減されるが、１ｋＨｚの帯域のように、４ｄＢ以下であることがわかる。この図は、閉ループのシミュレートされた減衰を示し、そこでは、システムＡの１ｋＨｚ帯域内のウォーターベッド効果の深さは、システムＢに進むときに（４ｄＢの改善）、またシステムＢからシステムＣに進むときに（＋３ｄＢの改善）低減される。システムＡからシステムＢまたはＣに進むときの１００Ｈｚ〜８００Ｈｚ帯において観察される約−５ｄＢの減衰の損失は、静的フィードフォワード・フィルター３２によって行われるアクティブ・コントロールによって補償される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【外国語明細書】
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