(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耳カバー、着用者の耳の付近の雑音レベルを検出するための検出手段（１）、耳カバー内で雑音低下信号を発生させるための出力手段（４）、および前記検出手段の出力から導かれるフィードバック信号を発生させ、かつ前記フィードバック信号を出力手段の入力に加えるためのデジタル・フィードバック制御信号（Ｗ）を含むイヤ・ディフェンダにおいて、耳カバー伝達関数の評価を行う評価手段（Ｆ’）を備え、前記フィードバック信号は前記評価手段（Ｆ’）にも供給され、前記評価手段（Ｆ’）は前記デジタル・フィードバック制御装置（Ｗ）への入力からシステムの評価された電気音響伝達関数を表す信号を引くように構成されており、更に能動雑音制御を行うための第２のフィードバック制御装置（Ｗ’）を備え、該第２のフィードバック制御装置が、前記検出手段の出力と前記出力手段の入力の間に接続されたフィルタからなり、該フィルタの位相および振幅における特性が、システムの平均的な要求の近似であることを特徴とするイヤ・ディフェンダ。
【請求項２】
システムのパワー・アップ時またはターン・オン時に、評価手段（Ｆ’）の所要の特性を決定することを特徴とする、請求項１に記載のイヤ・ディフェンダ。
【請求項３】
アナログ手段によって動作することを特徴とする第２のフィードバック制御装置（Ｗ’）を含んでいることを特徴とする、請求項１または２に記載のイヤ・ディフェンダ。
【請求項４】
耳カバーの電気音響伝達関数の変動を反映するために、デジタル・フィードバック制御装置（Ｗ）の動作を修正するための手段を含んでいることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のイヤ・ディフェンダ。
【請求項５】
デジタル・フィードバック制御装置（Ｗ）の動作を修正するための手段が、検出手段の出力と、電気音響伝達関数のモデルおよびデジタル・フィードバック制御装置の入力の合計からなる、追加の制御装置（Ｆ”）の出力との間の偏差に基づいて動作する計算回路を含んでいることを特徴とする、請求項４に記載のイヤ・ディフェンダ。
【請求項６】
計算回路が、ＬＭＳアルゴリズムにより前記偏差に基づいて動作することを特徴とする、請求項５に記載のイヤ・ディフェンダ。
【請求項７】
検出手段が１つまたは複数のマイクロホンを含んでいることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のイヤ・ディフェンダ。
【請求項８】
雑音低下信号を発生させるための出力手段が１つまたは複数のラウドスピーカを含んでいることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のイヤ・ディフェンダ。
【請求項９】
雑音低下信号を発生させるための出力手段の入力に印加される、聴覚情報を着用者に伝達するための手段を含んでいることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のイヤ・ディフェンダ。
【発明の詳細な説明】
本発明は雑音低下技法、詳細にはイヤ・ディフェンダ(eardefender)における能動雑音低下（ＡＮＲ）の適用に関する。
本願は、着用者が仕事により集中できるように周囲の雑音レベルを下げるために、または過度の騒音環境に起因する物理的なまたは心理的な損害を少なくするまたは避けるためにのみ必要とされる種類のイヤ・ディフェンダ、ならびに可聴データ（話声信号または警報信号など）を着用者に伝達するための手段を内蔵しているイヤ・ディフェンダに適用される。後者の場合、本発明は、データ信号に影響を与えずに周囲雑音を減衰させるための手段を提供することを目的としている。
現在航空機の乗組員のヘルメットに内蔵されている種類の従来のイヤ・ディフェンダは、着用者に対してある程度の雑音保護を施すことしかできない。これらの従来の受動的な手段によって施される保護の程度は、主としてヒアリング・ディフェンダ(hearing defender)の重さ、体積およびシールのスチフネス、および雑音場のスペクトル特性によって決定される。（ヘルメットの重さをほとんどまたは全く増加せずに）より大きいヒアリング保護を施す要求があり、これらの要求は、雑音場に対する要求がより厳しい新型の航空機が使用されるにつれて増大するであろうし、またディフェンダの雑音低下作用を、着用者の頭上でディフェンダが移動することまたは高い「Ｇ」の力に起因するキャビティ構成の変化に適合させるための手段を備えることがさらに望まれるであろう。
ＡＮＲは過去に首尾よく例証されており、基本的なアナログ技法は英国特許願第２１８８２１０Ａ号に記載されている。この技法は、従来の耳の周辺に取り付けるイヤ・ディフェンダに基づいており、小型マイクロホンを用いて着用者の耳における雑音場を感知するための手段が備えられている。この場合、マイクロホンからの情報は処理されて、イヤ・ディフェンダ内のスピーカにより着用者の耳における雑音に対して逆位相の音場を発生させるのに使用される。その効果は、着用者の耳に到達する雑音のいくらかを音響学的に打ち消すことにより、受動的なディフェンダによって行われる雑音低下に追加される雑音低下が可能になることである。
現在、従来のＡＮＲシステムはアナログ制御方法を用いて実施されている。第１図は、システム全体を示す。第１図において、着用者の耳２の近くにある小型のマイクロホン１からの出力がフィードバック制御装置３に加えられる。フィードバック制御装置の出力は、システムの安定性を増大させ、またある周波数帯における雑音の増大を減らすために、スピーカ４への入力信号（存在している場合）に加えられる。制御装置３はアナログ・フィルタを使用しているので、該フィルタは固定され、したがって長時間にわたって同じ特性を保持する。すべての実施形態において同じフィルタが使用されているので、振幅と位相の両方におけるフィルタの特性は平均的な要求の近似となるように構成されている。
図においては、マイクロホンおよびスピーカが１つの構成部品のように記述されている。実際には、いくつかの別々のマイクロホンまたはスピーカが耳カバー内に配列され、所要の方法で加重、分配される。
第２図は簡単なイヤ・ディフェンダに適用されたシステムをブロック図に書き直したものを示す。
第２図を参照すると、Ｖｍはセンサ・マイクロホンの出力端子における電圧であり、加算点への２つの入力はマイクロホンの振動板における雑音およびマイクロホンの振動板に到達するＡＮＲ信号である。Ｆブロックは、スピーカ４への入力をマイクロホン１の出力の対応する出力に関連させる演算子を表し、スピーカおよびマイクロホンの電気伝達関数、および耳カバー自体の音響伝達関数によって制御される。この演算子を以下システムの電気音響伝達関数と呼ぶ。
ブロックＷは電子制御装置を表す。電子制御装置のタスクは、マイクロホン電圧に作用し、前述の電気音響伝達関数によって動作させた場合に、マイクロホンにおける音響雑音を低下させる信号をつくり出すことである。
Ｖｍ＝Ｎｏｉｓｅ＋Ｖｍ．Ｗ．Ｆ
したがって
Ｖｍ／Ｎｏｉｓｅ＝１／（１−Ｗ．Ｆ）
となることに留意されたい。
変数の性質のために、Ｗ．Ｆ．はある値に対して１に等しく、したがってシステムはある条件下でＶｍ／Ｎｏｉｓｅが無限大となるので不安定になる場合がある。
本発明は、耳カバー、着用者の耳の付近の雑音レベルを検出するための検出器手段、耳カバー内の雑音低下信号を発生させるための出力手段、前記検出器手段の出力から得られるフィードバック信号を発生させ、前記フィードバック信号を出力手段の入力に加えるためのデジタル・フィードバック制御装置を含むイヤ・ディフェンダから構成されており、耳カバーの伝達関数の評価を行い、フィードバック制御装置への入力からシステムの評価された電気音響伝達関数を表す信号を引くための評価手段、およびシステムについての平均的な構成に基づいて能動雑音制御を行うための第２のフィードバック制御装置を特徴としている。
例として、図面の第３図ないし第７図に示す概略的な回路図を参照して、本発明のいくつかの実施例を説明する。
第３図は、前述の従来の配置の不安定性を解決することを目的とするデジタル制御装置および「フィードフォワード」ループを有する第２図に示すシステムと類似したシステムである。
第４図は、話声などのデータについての入力を有している類似のシステムである。
第５図は、デジタル制御装置への計算の要求を減らすための追加の、アナログ制御装置を含んでいる類似のシステムである。
第６図は、デジタル制御装置が変数制御であり、頭部カバー電流電気音響特性から得られる情報によって制御される第３図に示すシステムと類似したシステムである。
第７図は、第６図に示す特定設計特徴を第５図に示すハイブリッド・システムに応用した例を示す。
第１図および第２図を参照して説明した前述のフィードバック・システムは、動作がアナログ・システムと類似したデジタル形態で実現される。このことは、センサ・マイクロホンにおける電圧と雑音入力の間の伝達関数には極があり、したがって、アナログ・システムのように、デジタル・システムはある条件下で不安定になることを意味する。
第３図に示すシステムの目的は、ヒアリング・ディフェンダ、マイクロホンおよびスピーカの組合せのフィードバック・ループからフォワード電気音響伝達関数の影響を取り除くことによりシステムを音響学的に安定化することである。これは、関数のモデルを使用して、その出力をマイクロホンの出力Ｓから引くことにより達成される。
このシステムは、第２図に示すシステムと同一であるが、Ｆ’の印が付けられた構成部品が伝達関数Ｆ（本質的には第１図のスピーカ４への入力線）とフィードバック線における加算点Ｓ’への入力、すなわちデジタル制御装置Ｗへの入力線との間に追加されている点が異なる。構成部品Ｆ’は、電気音響伝達関数Ｆの評価値または近似値を発生し、その目的は、加算点Ｓ’に対して、（雑音のない）電気音響伝達の出力からフィードバックされる信号と同一である信号を与えることである。
次いでこの信号は実際のフィードバック信号から引かれ、したがってフィードバック・システムの再生効果が除去される。この結果、システム全体の伝達関数には極がなくなり、本質的に安定する。Ｆ’の所要の特性は、「パワー・アップ」または「ターン・オン」時において電気音響伝達関数を自動的に測定することによって決定することができる。
第３図から、
Ｖｍ＝Ｎｏｉｓｅ＋Ｎｏｉｓｅ．Ｗ．Ｆ
または
Ｖｍ／Ｎｏｉｓｅ＝１＋Ｗ．Ｆ
であることに留意されたい。
したがって、Ｗ．Ｆの任意の値に対してＶｍ／Ｎｏｉｓｅの値は常に有限である。したがって、不安定性が生じることはない（伝達関数はちょうどゼロであり、極がないので）。
第４図は、実用的な通信ヘッドホンに必要とされるような、データ入力が追加された類似のシステムを示す。データは、モデルの入力が得られる点（すなわち、スピーカへの入力点）の前に加えられ、伝達関数は不変であるので、アナログＡＮＲシステムの現在の実施形態に必要とされるような、データ信号を予め補償する必要はない。
第５図に示す実施例では、第３図または第４図に示すシステムと類似したシステムが、アナログＡＮＲ制御装置から構成される追加の構成部品Ｗ’の導入により変更されている。システム動作の他のすべての態様は前述のパラグラフに記述されているようなものであるが、明らかに異なる点は、デジタル制御装置Ｗによって制御するシステムがその「内部に」アナログ制御装置を有している点である。
アナログ制御装置Ｗ’は、（アナログのみの場合のように）着用や雑音などのすべての場合にわたって能動雑音低下を達成するのに必要な平均的な制御装置を近似したものである。フィードフォワード・デジタル制御装置Ｗはデジタル・フィードバック打消し制御装置であり、その伝達関数はそれが制御しようとしているシステム内でのアナログ制御装置Ｗ’の存在を反映するものでなければならない。アナログ・システムを内臓する効果は、電気音響伝達関数のインパルス応答を短縮することによってシステムの動力学を変更し、デジタル制御装置がシステムをよりよく制御できるようにすることである。
アナログ・フィードバック・ループを耳カバーのまわりに備える効果は、電気音響システムのインパルス応答の（時間における）長さを減らすことである。これによりフォワード伝達関数のモデルがシステム内のフィードフォワード素子における測定および実施がより簡単になる。このシステムは、単に各技法の利点を合せたものを得るために２つの技法を組み合わせただけのものではないことに留意する必要がある。制御するシステムの動特性を変更して、デジタル・フィードフォワード制御装置のタスクの実行をより簡単にし、したがってより安くするために、アナログ・フィードバック・システムが使用されていることである程度の共同作用がある。
いま説明したハイブリッド・システムは、システムにフィードバック制御装置を組み込んでいるため、伝達関数に極がある。しかしながら、フィードバックＡＮＲは高レベルの能動雑音低下を実現するのには使用されないので、高安定性マージン（低制御装置利得）を利用することができ、したがって安定性が確保される。高性能ＡＮＲは、本質的に安定であるシステムのフィードフォワード部分を使用することにより実現される。
実際には、耳カバーの電気音響伝達関数は連続的に変化し、最適なＡＮＲ状態を維持するためには、制御装置がこれらの変化を反映する必要がある。これは、第６図に示す本発明の実施例において達成されている。第６図では、これまで概説したフィードフォワード・システム内の固定された制御装置と異なり、デジタル・フィードフォワード制御装置が適応制御となっている。
この特徴を有する実施例は、高速ジェット機のパイロットなど、着用者が高速運動または高い「Ｇ」の力を受けやすいヒアリング・ディフェンダに特に適用される。耳カバー・アセンブリの電気音響フォワード伝達関数は着用および航空機の動作などのために変化するので、これらの変化に適用させるために即時に適合する制御装置は明確な性能上の利益を提供することができる。
第６図に示す実施例と第３図の実施例とを比較してみると、制御装置Ｗが可変（または適応型）であり、計算回路Ｃによって修正され、その計算回路の出力は、電気音響システムの出力と追加のコントローラＦ”によって修正された制御装置Ｗの入力との間の差による周知のＬＭＳアルゴリズムの動作である。
制御装置Ｆ”はフォワード電気音響伝達関数の評価を具現化するものであり、電気音響システムが実際に適応システムの制御ループ内にあることを補償するために採用されいる。回路Ｃは適応制御装置Ｗを実現するのに必要な係数の値を計算するように配置されている。
第４図および第５図に示すシステムのように、フィードバック・ループをアナログ制御装置Ｗ’を用いて変更することにより制御装置Ｗに対する要求を少なくすることができる。そのようなシステムを第７図に示す。
第７図に示すシステムは、アナログ制御装置Ｗ’が電気音響アセンブリに組み込まれていること以外は第６図に示すシステムと類似したシステムである。これにより、第４図を参照して説明したものと同種の性能上の利得が得られる。すなわち、アナログＡＮＲシステムが電気音響システムのインパルス応答を効率的に短縮する。これは、デジタル・フィードフォワード・システムのタスク、したがって論理が簡単化されることを意味する。逆に言えば、アナログＡＮＲシステムを内蔵することが、（デジタル・フィードフォワード制御装置の所与の計算能力により）より複雑な電気音響システムを制御できることを意味すると言える。
第３図ないし第７図に示すシステムにデジタル技法を使用した場合、複数のセンサ・マイクロホン、および複数のスピーカ構成部品を使用することが比較的簡単になる。実際には、これらからの信号または出力を所要の方法で「インテリジェントに」加重しなければならず、実用目的には、そのような加重はデジタル技法の使用によってのみ可能である。
上述のデジタルＡＮＲシステムを参照して、２つの一般的な要点を挙げる必要がある。第１に、説明したシステムはすべて広帯域雑音を処理することが可能である。第２に、上述の適応システムは、その雑音の高度の低下を実現するために、（雑音に関係する外部音源からの）トリガ信号を利用することが可能である。適応システムのこの特性により、該システムは周期的な雑音が優勢である状況に特に有効であるが、周期的な雑音状況への用途に制限されるものではない。
【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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