消噪系統的製作方法

2023-09-14 19:13:35

專利名稱：消噪系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及可消除周圍噪聲的消噪系統，該消噪系統能校正由 特性引起的相位位移，並能輸出精度更高的抵消信號。
背景技術：
能利用抵消音來消除周圍噪聲的消噪系統為由於在耳機 (headphone)等中使用，所以能用作在消除噪聲的同時聽到被再現 音樂的消噪耳機。消噪耳機被構成為將被安裝在耳機外殼等上的 麥克風單元(microphone unit)集音的周圍噪聲轉換為作為電信號的 噪聲信號，並使用該噪聲信號來生成用於消除人耳通過耳機外殼能 聽見的的噪聲的信號(抵消信號)，藉助於與要再現的音樂一起從 耳機揚聲器單元中輸出的抵消音，使用者能夠在周圍噪聲被消除的 狀態下聽音樂。
最理想的是能夠利用抵消音來完全消除人耳能聽見的的噪聲。 但是，構成消噪系統的麥克風單元和揚聲器單元具有相位因頻率而 發生位移的特性(相位特性)。該相位特性為越是低頻率，相位 越相對超前，增益衰減，越是高頻率，相位越相對滯後。由於從消 噪系統的揚聲器單元輸出的抵消信號受到該相位特性的影響，所以 很難生成可完全消除人耳能聽見的的噪聲的抵消信號。當受到這種 相位特性的影響而從揚聲器單元輸出噪聲和產生了相對的相位位移 的抵消音時，不僅原本應實現的消除噪聲的效果(抵消效果)降低， 而且由於抵消信號增強了噪聲所包含的特定頻率，反而會聽到很大 的噪聲。
另外，抵消音的相位發生位移還存在其他原因。由於要消除的 周圍噪聲中包含多種聲音，所以針對該噪聲所包含的所有頻率生成抵消信號是很困難的。因此，消噪系統使用濾波器電路在某種程度 上縮小了生成抵消信號的頻帶。
在用於音頻信號的濾波器電路中，有遮斷預定頻率以上的信號 的低通濾波器、遮斷預定頻率以下的信號的高通濾波器、遮斷預定 頻帶以外的信號的帶通濾波器、遮斷預定頻帶的信號的陷波濾波器。
消噪耳機構成為通過組合這些濾波器電路來使用，確定實現抵消
效果的頻帶並生成預定的抵消信號。換句話說，利用濾波器電路從 噪聲信號中抽取用於生成抵消信號的信號，從而限制了頻帶。根據
這種結構，在特定的頻帶實現抵消效果，但在其以外的頻帶不能實 現抵消效果。因此，為了能夠消除更多種類的噪聲，安裝多個濾波 器電路，利用開關等選擇性地切換濾波器電路，從而能夠增加可消 除的噪聲的種類的消噪系統已眾所周知(例如，參照"專利文獻1")。 專利文獻l:日本特開平4- 8099號公報
濾波器電路有使用了無源元件的無源型、使用了運算放大器等 的有源型等，但無論哪種濾波器電路都具有以下特性所輸入的原 信號頻率成分越低，相對地相位越超前而發生位移，頻率成分越高， 相對地相位越滯後而發生位移。
這樣，消噪系統由於其結構產生的相位特性和濾波器電路具有 的相位特性，導致人耳能聽見的的噪聲與抵消音之間的相位相對地 發生位移。因此，為了輸出更高精度的抵消信號來提高消噪效果， 需要能夠生成並輸出校正了上述相位特性的抵消信號的消噪系統。 對於相位特性的校正，只要實現具有噪聲信號所包含的低頻率的相 位相對滯後、高頻率的相位相對超前這樣的特性的電路即可。為了 用濾波器電路實現這種相位特性，需要在濾波器電路的構成元件中 使用在高頻阻抗變低相位超前的元件、或者在低頻阻抗變高相位滯 後的元件。但是，在電子電路中沒有這種構成元件，所以不可能實 現
發明內容
抵消信號受到的相位特性的 影響，設法適當地組合各種濾波器使相位一致而不發生位移。由此， 很難出現由相位特性的影響產生的缺點。但是，哪種濾波器電路的 相位特性都是相對而言頻率越低相位越超前、頻率越高相位越滯後， 所以很難在成為多個濾波器電路的連接點的頻率校正相位特性，在 該連接點的頻率抵消效果極差，為了進一步防止該問題，需要抑制 整體的抵消量來取得平衡。因此，變成抵消效果不充分且進行在聽 覺上不自然的輸出的消噪系統。
本發明鑑於上述問題而完成，其目的在於提供一種可消除周圍 噪聲的消噪系統，該消噪系統具有濾波器電路，該濾波器電路具備
能校正以往的相位特性的相位特性，該消噪系統能夠輸出校正了相 位位移的抵消信號。
本發明提供一種消噪系統，其包括將周圍噪聲集音並輸出噪 聲信號的麥克風單元；生成並輸出用於消除上述噪聲的抵消信號的 抵消信號生成裝置；以及輸出音頻信號和上述抵消信號的揚聲器單 元，上述消噪系統的特徵在於，上述抵消信號生成裝置包括輸出上 述噪聲信號所包含的預定的頻率區域的信號的濾波器電路；將上述
濾波器電路的輸出信號反相併放大的放大率大於0且小於1的反相 放大電路；以及輸出將上述反相放大電路的輸出信號與上述噪聲信 號相加後的抵消信號的加法電路。
另外，本發明提供一種消噪系統，其包括將周圍噪聲集音並 輸出噪聲信號的麥克風單元；生成並輸出用於消除上述噪聲的抵消 信號的抵消信號生成裝置；以及輸出音頻信號和上述抵消信號的揚 聲器單元，上述消噪系統的特徵在於，上述抵消信號生成裝置包括 輸出上述噪聲信號所包含的預定的頻率區域的信號的濾波器電路； 將上述濾波器電路的輸出信號放大的放大率大於0且小於1的放大 電路；以及輸出從上述噪聲信號中減去上述放大電路的輸出信號後 的抵消信號的減法電路。
另外，本發明的特徵在於，在上述消噪系統中，上述濾波器電路是低通濾波器，或者，上述濾波器電路是高通濾波器，或者，上 述濾波器電路是帶通濾波器，或者，上述濾波器電路是陷波濾波器。 另外，本發明提供一種使用了消噪系統的消噪方法，其中消噪
系統包括將周圍噪聲集音並輸出噪聲信號的麥克風單元；生成並 輸出用於消除上述噪聲的抵消信號的抵消信號生成裝置；以及輸出 音樂等音頻信號和上述抵消信號的揚聲器單元，上述抵消信號生成 裝置包括輸出上述噪聲信號所包含的預定的頻率區域的信號的濾波 器電路；將上述濾波器電路的輸出信號反相併放大的放大率大於0 且小於1的反相放大電路；以及輸出將上述反相放大電路的輸出信 號與上述噪聲信號相加後的抵消信號的加法電路，上述消噪方法的 特徵在於，上述濾波器電路從上述噪聲信號中抽取預定頻帶的信號 的步驟；將上述抽取出的信號反相併用大於0且小於1的放大率進 行放大的步驟；以及將上述反相放大後的信號與上述噪聲信號相加 後輸出的步驟，通過將上述相加後輸出的信號從上述揚聲器單元輸 出，能夠消除上述噪聲。
另外，本發明的特徵在於，在上述消噪方法中，上述濾波器電 路是低通濾波器，或者，上述濾波器電路是高通濾波器，或者，上 述濾波器電路是帶通濾波器，或者，上述濾波器電路是陷波濾波器。
按照本發明，能夠獲得一種消噪系統以及消噪方法，其能夠在 寬頻帶範圍內合理地消除噪聲，能夠實現使用者不會感到不舒服的、 自然的消噪效果。


圖1是示意地表示作為本發明的消噪系統的一例的消噪耳機的 實施方式的剖視圖。
圖2是表示上述消噪系統具有的消噪單元的信號處理系統的例 子的框圖。
圖3是表示上述消噪單元具有的高通濾波器電路的相位特性的 例子的曲線圖。圖4是表示上述消噪單元具有的反相濾波器電路的相位特性的 例子的曲線圖。
圖5是表示上述反相濾波器電路的增益特性的例子的曲線圖。 圖6是表示上述消噪系統具有的消噪單元的另一信號處理系統 的例子的框圖。
具體實施例方式
說明本發明的消噪系統的實施方式的例子。在此，設為用於作 為消噪系統的一例的消噪耳機的例子。圖l是僅示出了由左右一對 構成的消噪耳機的一側外殼的概要圖。圖1中，在耳機外殼1的內 部，構成該消噪系統的核心的消噪單元100(以下，稱為"NC單元 100")和對該消噪耳機的周圍噪聲即N進行集音並將其轉換為電信 號後輸出的麥克風單元60被組裝成朝向耳機外殼1的外側。在耳機 外殼1的外壁的一部分上設置有用於麥克風單元60容易將噪聲N集 音的通孔201。 NC單元100中具有揚聲器單元，該揚聲器單元向耳 朵200輸出與可攜式音樂播放器等聲源300連接而被輸入的音樂信 號、和用於消除耳朵200通過耳機外殼1聽得見的噪聲N，的抵消音。 另外，在耳機外殼1中容納有作為NC單元100的驅動電源的未圖 示的電池。
作為本發明的消噪系統的 一 例的消噪耳機，通過用例如頭帶 (headband)將左右一對耳機外殼1相結合來實現。左右耳機外殼1 的結構都具有如圖1所示那樣的結構，也可以在各外殼1上連接有 用於從聲源300輸入音樂信號的塞繩(cord)的結構，在左右耳機外 殼1是用頭帶結合的形式的耳機的情況下，還可以將從一側耳機外 殼1向另一側耳機外殼1傳遞音樂信號的布線嵌入到上述頭帶中。 另外，用於驅動的上述電池僅安裝在一側的耳機外殼1中即可。
接著，使用圖2的框圖說明上述NC單元100的詳細情況。在圖 2中，NC單元100包括將由麥克風單元60集音並轉換為電信號 的噪聲信號調整為預定的電平後輸出的麥克風放大器20;由濾波器電路11、反相放大電路12、加法電路13構成的反相濾波器電路10， 該濾波器電路11用於抽取並輸出從麥克風放大器20輸出的噪聲信 號所包含的預定頻帶，該反相放大電路12用於將濾波器電路11的 輸出信號反相併放大M倍後輸出，該加法電路13用於將從麥克風 放大器20輸出的噪聲信號與反相放大電路12的輸出信號相加而輸 出抵消信號；放大從反相濾波器電路10輸出的抵消信號的放大器 30;用於利用放大器30的輸出信號驅動揚聲器單元50的耳機放大 器40;以及用耳機放大器40驅動的揚聲器單元50。向上述耳機放 大器40輸入上述放大器30的輸出信號即抵消信號，並且從上述聲 源300輸入音樂信號。該音樂信號也可以通過在上述放大器30與上 述耳機放大器40之間加入另一個加法電路，並在該加法電路中與抵 消信號相加。從揚聲器單元50向用戶的耳朵200輸出音樂和抵消音。 通過耳機外殼1耳朵200聽得見的噪聲用抵消音來消除，用戶能夠 僅聽到音樂。
本發明申請的消噪系統的特徵在於上述反相濾波器電路10。另 外，本發明申請的消噪方法的特徵在於上述反相濾波器電路10工作 的流程。因此，作為本發明申請的實施方式，說明反相濾波器電路 10的詳細情況。反相濾波器電路10實現與現有消噪系統中使用的濾 波器電路同樣的功能，還具有從麥克風單元60集音的噪聲信號中抽 取用於生成抵消信號的特定頻率成分的作用。反相濾波器電路10利 用反相放大電路12將現有的濾波器電路的輸出信號反相，所以為了 將反相濾波器電路IO作為低通濾波器發揮作用，濾波器電路11使 用高通濾波器。同樣地，為了將反相濾波器電路IO作為高通濾波器 發揮作用，濾波器電路11使用低通濾波器，為了作為帶通濾波器發 揮作用，濾波器電路ll使用陷波濾波器，為了作為陷波濾波器發揮 作用，濾波器電路11使用帶通濾波器。
在此，說明在濾波器電路11為高通濾波器時、即將反相濾波器 10作為低通濾波器發揮作用而輸出抵消信號的例子。首先，使用附 圖說明高通濾波器的相位特性。圖3是表示高通濾波器的相位特性的例子的曲線圖。在圖3中，橫軸用對數表示輸入信號的頻率(Hz)， 縱軸用常數表示輸入信號與輸出信號的相位位移(°)。截止頻率fo 設為200Hz。
將截止頻率fo的相位位移設為ero時，efo用"tan—1( 1 /(2兀f。CR))、 2兀&- 1 / CR，，來表示，所以相位位移efb變為taiT1 ( 1 ),在截止頻 率fo處，變成相位超前45。。也就是說，當濾波器電路ll的輸入信 號的頻率低時，輸出信號的相位從輸入信號的相位超前無限接近於 90。，截止頻率fo的相位變成超前45°。另外，隨著頻率變高，相位 的超前變得遲緩，在充分高於截止頻率fo的頻率下，幾乎變為同相 位(相位位移為0。)。在此，上述R是在作為高通濾波器的濾波器 電路11中使用的電阻的電阻值(R)，上述C是電容器的靜電電容 值(C )。
濾波器電路11的輸出信號被位於後級的反相放大電路12反相 (相位位移180。)並》文大到M倍後輸出。因而，著眼於相位特性時， 濾波器電路11的輸出信號(反相放大電路12的輸入信號)與反相 放大電路12的輸出信號的相位位移特性如圖3的曲線H2那樣，從 濾波器電路11的相位特性位移了 180°。
濾波器電路11的截止頻率fo也是反相濾波器電路10的截止頻
率f0。所以，反相型濾波器電路10的截止頻率fo的相位0fl)r根據反
相電路12的作用而用"-taiT1 (1/ (2兀f。CR) ) 、 2兀fo = 1 / CR，，來 表示，因此相位位移e他變為-tan—1 (1)，變成相位滯後45°。也 就是說，反相濾波器電路10的截止頻率fo的相位位移變成相對滯後 45°。這是反相放大電路12的放大率M為1的情況。
在放大率M為0以上且小於1時，上述式子用"-tan—1 (1/ (M2兀f。CR) ) 、 27tf0= 1/CR，，來表示。因此，反相濾波器電路10 的相位特性為，反相i文大電路12的放大率M為0以上且小於1時 的相位位移0他用taiT1 (M)來表示，相位的位移根據M的值在O。 至-45。的範圍內變化。在反相放大電路12的放大率M大於1時， 在充分高於截止頻率fo的頻率下，反相濾波器電路10的相位位移er相對於輸入信號的相位e變為同相位，所以不適於得到本發明的效
果。此時的相位特性0rM近似地用"taiT1 (M/ ( (M-l) 2兀fCR)、 M> 1、 f〉 〉fo，，來表示。
因此，從加法電路13輸出的上述反相放大電路12的輸出信號 與麥克風放大器20的輸出信號(噪聲信號)相加後的信號(抵消信 號)的相位特性0rM用"-tan-1 ( M2兀fCR/ ( 1 + ( 1 - M ) ( 2兀fCR) 2))"來表示。圖4表示基於該式使放大率M的值發生變化時的相 位特性的例子。在圖4中，橫軸是用對數表示頻率(f)，縱軸是用 常數表示麥克風放大器20的輸出信號與反相濾波器電路10的輸出 信號的相位位移erM (°)。
相位位移0。處直線地變化的曲線Pl是放大率M為0的情況。 在放大率M為0時，麥克風放大器20的輸出信號為反相濾波器電 路10的輸出信號，所以沒有發生相位位移。用點劃線表示的曲線P3 表示放大率M為1.5的情況。如已說明的那樣，在反相放大電路12 的放大率M大於1時，若超過截止頻率fQ (本實施例為200Hz)， 則接近於從麥克風放大器20輸入的噪聲信號的相位，所以反相濾波 器電路10的輸出信號的相對的相位變為超前。因此，曲線P3在高 於截止頻率fo的頻率下，相位位移轉變為超前。
用長虛線表示的曲線P4是放大率M為1的情況。在放大率M 為1時，濾波器電路11的相位特性被原樣反映出來，所以頻率越高， 相位越滯後。輸入到加法電路13的麥克風放大器20的輸出信號與 反相放大電路12的輸出信號在低頻率下幾乎為同相位，所以相位的 位移大致為0。，但隨著頻率變高相位滯後，這樣的濾波器電路的特 性被原樣表現出來，如曲線P4那樣，示出低頻率的相位位移大致變 為0°、隨著頻率變高相位位移大幅度滯後的趨勢。
用短虛線表示的曲線P2表示》丈大率M為0.75的情況。在該情 況下，反相放大電路12的輸出信號的電平比原信號(麥克風放大器 20的輸出信號)低(為0.75倍)。因此，在加法電路13中，將0.75 倍的反相信號與麥克風放大器20的輸出信號相加。在低於截止頻率fo的頻率下，麥克風放大器20的輸出信號與反相放大電路12的輸出 信號的相位位移量很少，接近於同相位，但隨著頻率變高，相位位 移緩慢地變為"滯後"。當超過截止頻率fo時，逐漸地相位位移接近 於同相位，所以變成當頻率變高時相位位移變為"超前"的特性，如 曲線P2那樣。由此，能夠得到頻率越高、相對地相位越超前的相位 特性。
接著，使用圖5說明上述反相濾波器IO的增益特性。在圖5中， 縱軸是反相濾波器IO的增益(dB)，橫軸是用對數表示反相濾波器 10的輸入信號的頻率(Hz)。在反相放大電路12的放大率M為0 時，不會完全放大濾波器電路11的輸出信號，所以增益變為0dB, 如曲線Gl那樣。放大率M為1.5時的增益特性如用雙點劃線表示的 曲線G3那樣。如先說明過的相位位移的特性那樣，當超過截止頻率 fo時，相位位移轉變為超前，所以利用比從麥克風放大器20輸入的 信號大的信號(放大率M為1.5倍)，抑制反相濾波器電路10的輸 出信號電平。因此，示出隨著頻率變高增益衰減的特性。
用長虛線表示的曲線G4表示放大率M為1時的增益特性。由 於濾波器電路11的相位特性被原樣反映出來，所以放大率M為1 倍時的相位位移變成頻率越高，相位越滯後。這與麥克風放大器20 的輸出信號的相位特性相同，所以加法電路13的輸出信號與反相放 大電路12的輸出信號的增益特性相同，變成頻率越高增益越衰減的 特性。
用短虛線表示的曲線G2表示放大率M為0.75時的增益特性。 此時的相位位移如已述那樣，在低頻率下相對地相位滯後，隨著頻 率變高，相位位移變少，(相對地相位超前)接近於同相位。因而， 在增益特性中，隨著頻率變高，增益的衰減由於反相放大電路12的 輸出信號而變遲緩，能夠得到如圖5所示那樣的增益特性。
在上述例子中，當放大率M為0.75時，能夠得到在低頻率下相 對地相位滯後、在高頻率下相對地相位超前的相位位移特性，而且， 能夠得到頻率越高、增益越衰減的增益特性。放大率M的最佳值在0以上且小於1之間，依賴於麥克風單元60和揚聲器單元50等的特性。
接著，說明本發明的消噪方法的實施方式。在圖2所示的消噪 單元100中，首先，將由麥克風單元60轉換為電信號的噪聲信號在 麥克風放大器20中放大到預定電平。接著，濾波器電路11在預定 的截止頻率中抽取噪聲信號所包含的預定頻率區域的信號。接著， 在反相放大電路12中，將上述抽取出的噪聲信號反相，如上所述， 用放大率M放大後輸出。接著，在加法電路13中，將從麥克風放 大器20輸出的噪聲信號與反相放大電路12的輸出信號相加後輸出。 該加法電路13的輸出信號成為抵消信號，所以用放大器30將其放 大，經由耳機放大器40從揚聲器單元50輸出，消除周圍噪聲。
接著，使用圖6說明本發明的消噪系統具有的耳機單元的另一 個結構例。在圖6中，NC單元100a具有結構與已說明的NC單元 100所具備的反相濾波器電路10不同的反相濾波器電路10a。因此， 說明該反相濾波器電路10a。反相濾波器電路10a包括抽取從麥克風 放大器20輸出的噪聲信號所包含的預定頻帶並輸出的濾波器電路 11、將濾波器電路11的輸出信號放大N倍後輸出的放大電路14以 及從麥克風放大器20輸出的噪聲信號中減去放大電路14的輸出信 號後輸出抵消信號的減法電路15。
在已說明的消噪系統的實施方式中，反相濾波器電路IO是將濾 波器電路11的輸出信號反相放大後與原信號(麥克風放大器20的 輸出信號)相加而得到抵消信號。與之相對，圖6所示的實施方式 的反相濾波器電路10a是將濾波器電路11的輸出信號不反相而放 大，並從原信號(麥克風放大器20的輸出信號)中將其減去而得到 抵消信號。相位位移的特性和增益特性與上述實施方式中的反相濾 波器電路10的特性相同。即，通過具有反相濾波器電路10a，能夠 得到本發明的消噪系統。
另外，在消噪方法的實施方式中也一樣，在減法電路15中，從 麥克風放大器20的輸出信號中減去將濾波器電路11的輸出信號不反相而用預定放大率M放大的放大電路14的輸出信號後輸出的信 號成為抵消信號，所以經由放大器30、耳機放大器40從揚聲器單元 50將其輸出，從而能夠消除周圍噪聲。
如上述那樣，通過具有反相濾波器10或者反相濾波器10a,能 夠生成具有在低頻率相位滯後、在高頻率相位超前的相位特性的抵 消信號。使反相濾波器10或者10a成為哪種濾波器電路特性取決於 濾波器電路11的選擇。即，如果濾波器電路11為低通濾波器，則 反相濾波器IO和10a作為高通濾波器而工作。另外，如果反相濾波 器10及10a作為帶通濾波器而工作時，濾波器電路11使用陷波濾 波器即可，作為陷波濾波器而工作時，濾波器電路11使用帶通濾波 器即可。
工業上的可利用性
本發明的消噪系統除了如上述那樣能夠用於消噪耳機之外，還 能夠用於消噪揚聲器等。
權利要求
1.一種消噪系統，包括將周圍噪聲集音並輸出噪聲信號的麥克風單元；生成用於消除上述噪聲的抵消信號並將其輸出的抵消信號生成裝置；以及輸出音頻信號和上述抵消信號的揚聲器單元，上述消噪系統的特徵在於，上述抵消信號生成裝置包括輸出上述噪聲信號所包含的預定的頻率區域的信號的濾波器電路；將上述濾波器電路的輸出信號反相來進行放大的放大率大於0且小於1的反相放大電路；以及輸出將上述反相放大電路的輸出信號與上述噪聲信號相加後的抵消信號的加法電路。
2. —種消噪系統，包括將周圍噪聲集音並輸出噪聲信號的麥克風單元； 生成用於消除上述噪聲的抵消信號並將其輸出的抵消信號生成 裝置；以及輸出音頻信號和上述抵消信號的揚聲器單元， 上述消噪系統的特徵在於， 上述抵消信號生成裝置包括輸出上述噪聲信號所包含的預定的頻率區域的信號的濾波器電路；將上述濾波器電路的輸出信號放大的放大率大於0且小於1的 ;改大電路；以及輸出從上述噪聲信號中減去上述放大電路的輸出信號後的抵消 信號的減法電路。
3. 根據權利要求l或2所述的消噪系統，其特徵在於，上述濾波器電路是低通濾波器。
4. 根據權利要求1或2所述的消噪系統，其特徵在於， 上述濾波器電路是高通濾波器。
5. 根據權利要求1或2所述的消噪系統，其特徵在於， 上述濾波器電路是帶通濾波器。
6. 根據權利要求1或2所述的消噪系統，其特徵在於， 上述濾波器電路是陷波濾波器。
全文摘要
本發明提供一種消噪系統，包括將周圍噪聲集音並輸出噪聲信號的麥克風單元；具有輸出噪聲信號所包含的預定的頻率區域的信號的濾波器電路、將上述濾波器電路的輸出信號反相併放大的放大率大於0且小於1的反相放大電路、將反相放大電路的輸出信號與噪聲信號相加後輸出的加法電路，生成並輸出用於消除噪聲的抵消信號的抵消信號生成裝置；以及輸出音頻信號和抵消信號的揚聲器單元。
文檔編號H04R1/00GK101656901SQ20091016483
公開日2010年2月24日 申請日期2009年8月7日 優先權日2008年8月21日
發明者木村富至 申請人:歐力天工股份有限公司