DE69125601T2

DE69125601T2 - Geräuschverminderndes system

Info

Publication number: DE69125601T2
Application number: DE69125601T
Authority: DE
Inventors: Graham Paul Eatwell; Andrew John Langley; Colin Fraser Ross
Original assignee: Noise Cancellation Technologies Inc
Current assignee: Noise Cancellation Technologies Inc
Priority date: 1990-02-21
Filing date: 1991-02-20
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2011-02-21
Also published as: EP0516695B1; WO1991013429A1; CA2076390C; AU639761B2; EP0516695A1; DE69125601D1; ATE151554T1; AU7336091A; CA2076390A1; JPH07500677A; GB9003938D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das selektive Dämpfen von Geräusch, wobei tonale Geräusche stärker als Breitband-(Zufalls-) Geräusche gedämpft werden. Insbesondere können die Töne durch eine oder mehrere Geräuschquellen erzeugt werden, von denen jede Geräusch bei einer Grundfrequenz und möglicherweise harmonischen Frequenzen erzeugt.
Die Töne erreichen einen Bereich, in dem sie eine Störung darstellen und die Fähigkeit einer Person, anderen Schall zu hören, der mehr willkürlicher Art ist (z.B. Sprachsignale) vermindern. Die Erfindung bezieht sich auf ein aktives Geräuschsteuersystem, das eine stärkere Dämpfung der tonalen Geräusche als zufallsbedingten Schalls in dem Bereich ergibt und keine Signalverkettung mit der Quelle oder den Quellen tonalen Geräusches erforderlich macht. In diesem Zusammenhang schließt tonales Geräusch schmal bandiges, zufallsbedingtes Geräusch, und Geräusch schließt Vibrationen mit ein.

Erörterung des Standes der Technik

Kopfhörer bzw. Ohrschützer, die selektiv das durch eine einzelne rotierende Maschine erzeugtes Geräusch aufheben, sind bekannt (Chaplin - GB 21 04 754); dabei ist jedoch eine Verkettung durch Kabel oder Ultraschall/Infrarot-Übertragung zur Quelle des sich wiederholenden Geräusches erforderlich, um ein Triggersignal zu erzeugen. Für viele Maschinen macht das System ein Bindeglied pro Maschine erforderlich. Dieses Bindeglied oder Bindeglieder können unzweckmäßig oder unbequem sein - wenn sie in Form von Kabeln ausgebildet sind, beschränken sie die Bewegung des Trägers, und wenn Sie drahtlos durch Übertragung arbeiten, können sie unzuverlässig sein, wenn der Träger sich in Bereiche bewegt, in denen die Übertragung verzerrt wird. GB 21 04 754 beschreibt die Möglichkeit der Verwendung eines lokalen Mikrophons, um ein Signal zu erzielen, das eine phasenverriegelte Schleife antreibt, um ein Triggersignal zu erzeugen, gibt jedoch an, daß dies nur wirksam ist, wenn das sich wiederholende Geräusch besonders regelmäßig ist. Wie beschrieben, ist diese Methode nicht in der Lage, Mehrfachquellen von tonalen Geräuschen zu handhaben.
Aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 31, Nr.8 (Januar 1989), Seiten 256 - 258 ist ferner ein System für eine aktive Geräuschaufhebung bekannt, die durch Verwendung eines oder mehrerer Sensoren, die Signale erzeugen, welche zur Erzielung eines einen Wandler spei senden Ausgangssignals verarbeitet werden, tonales Geräusch stärker als zufallsbedingtes Geräusch schwächt. Das System ist jedoch ebenfalls vom Vorhandensein eines Bezugssignals oder Triggersignals abhängig, das die Frequenz einer einzelnen Geräuschquelle angibt. Eine adaptive Verzögerungsvorrichtung wird verwendet, um eine Verzögerung zu erzielen, die so eingestellt ist, daß der Ausgang des Systems in hohem Maße auf das tonale Geräusch nur für einen einzelnen Ton bezogen ist.
Aus "Adaptive Signal Processing" von B. Widrow et al, Seiten 349 und 350 ist eine Anordnung zum Empfangen eines Eingangssignals bekannt, das sowohl tonales als auch breitbandiges Geräusch enthält und das so betätigbar ist, daß mindestens ein Teil der breitbandigen Komponente des Signals entfernt wird.
Derzeit ist die selektive Dämpfung von tonalen Geräuschen in einem Bereich ohne die Notwendigkeit von Triggersignalen, die aus der Quelle des tonalen Geräusches abgeleitet werden, das Mehrfach-Quellen beaufschlagen kann, nicht bekannt.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung ist ein aktives Steuersystem zum selektiven Dämpfen von tonalem Geräusch mehr als von Breitband-Geräusch, das einen Hörbereich beeinflußt, mit
einer Wandlervorrichtung zum Erzeugen von Schall im Hörbereich, die mit dem Geräusch in diesem Bereich zusammenwirkt und mindestens eine teilweise Aufhebung des Geräusches ergibt,
einer Sensorvorrichtung mit einem Sensor im Hörbereich, die ein erstes Signal, das auf das Restgeräusch (gedämpifes Geräusch) im Bereich bezogen ist, und ein zweites Signal, das mindestens zum Teil auf das Geräusch bezogen ist, das den Hörbereich mit Ausnahme einer selektiven Dämpfung beeinflußt, liefert, und
einer Signalverarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten der ersten und zweiten Signale (oder daraus abgeleiteter Signale),
dadurch gekennzeichnet, daß
sowohl die ersten als die zweiten Signale für Tongeräusch und Breitband-Geräusch repräsentativ sind,
die Signalverarbeitungsvorrichtung ein adaptives Filter, das mit einem Signal gespeist wird, welches aus mindestens dem zweiten Signal hervorgeht und Signale zum Antrieb der Wandlervorrichtung erzeugt, sowie eine Schaltungsanordnung zum Einstellen der adaptiven Charakteristik des Filters üir eine Minimierung der Korrelation zwischen dem Eingang in den Filter und dem ersten Signal aufweist,
die Signalverarbeitungsvorrichtung eine Vorrichtung zum Subtrahieren eines Teils des Signals, das auf dem Effekt der Wandlervorrichtung beruht, von dem zweiten Signal vor Einführung des Signals in den adaptiven Filter aufweist, und
eine Vorrichtung zum Einführen einer effektiven Verzögerung in den Pfad des zweiten Signals oder eines daraus abgeleiteten Signals über den adaptiven Filter in die Wandlervorrichtung, wobei die effektive Verzögerung plus die akustische Verzögerung von der Wandlervorrichtung zum Sensor im Hörbereich größer ist als die Korrelationsdauer des Geräusches, das nicht gedämpft werden soll, wobei die Wandlervorrichtung so betätigbar ist, daß sie Schall zur Dämpfung des Tongeräusches in stärkerem Maße als des Breitband-Geräusches erzeugt.
Die Sensorvorrichtung kann zweckmäßigerweise einen ersten Sensor im Hörbereich aufweisen, um das erste Signal zu erzeugen, ferner einen zweiten Sensor, der im Hörbereich liegen kann oder auch nicht, um das zweite Signal zu erzeugen.
Die Verarbeitung in der Verarbeitunsvorrichtung kann eine Querbeziehung des effektiv verzögerten Signals (oder Signalen, die daraus abgeleitet sind, oder von denen die Signale selbst abgeleitet sind, und die selbst durch Filtern modifiziert werden können) und des Überwachungssignals (oder Signalen, die daraus abgeleitet sind, oder von denen die Signale selbst abgeleitet sind und die selbst durch Filtern modifiziert werden können), umfassen.
Die Verarbeitung in der Verarbeitungsvorrichtung kann das Berechnen des Kreuzspektrums zwischen dem effektiv verzögerten Signal (oder Signalen, die daraus abgeleitet sind oder von denen die Signale selbst abgeleitet sind und die selbst durch Filtern modifiziert werden können) und dem Überwachungssignal (oder Signalen, die daraus abgeleitet sind, oder von denen die Signale selbst abgeleitet sind und die selbst durch Filtern modifiziert werden können) umfassen.
Das Signal, das zumindest teilweise auf den ungesteuerten Schall im Hörbereich bezogen ist, wo eine selektive Dämpfung erforderlich ist, kann aus einem Sensor erhalten werden, der nahe dem Hörbereich angeordnet ist, wo eine selektive Dämpfung erforderlich ist.
Alternativ kann das Signal, das mindestens teilweise auf den ungesteuerten Schall im Hörbereich bezogen ist, wo eine selektive Dämpfung erforderlich ist, durch Subtrahieren der Signale, die die Wandlervorrichtung antreiben (oder daraus abgeleitete Signale, oder von denen die Signale selbst abgeleitet sind und die selbst durch Filtern modifiziert werden können), von dem Monitorsignal erhalten werden.
Die Verzögerungsvorrichtung kann effektiv das Signal, das empfangen wird, durch Verzögern des aufgenommenen Signals verzögert werden. Vorteilhafterweise wird diese Verzögerung durch das adaptive Filter, das selbst auf das Spektrum oder auf eine Auto- Korrelation des Eingangs in die Verzögerungsvorrichtung anspricht, eingestellt, so daß die Summe dieser Verzögerung plus einer Verzögerung im Übertragungsvorgang aus dem Wandler zum Sensor, der das Überwachungssignal ergibt, größer ist als die Korrelationsdauer der Geräusche, die gedämpft werden sollen, und kürzer als die Korrelationsdauer der zu dämpfenden Geräusche. Dies bedeutet, daß das System nicht in der Lage ist, Geräusche mit Kurzzeit-Querbeziehungen zu dämpfen (d.h. Breitband- Zufallssignale), und trotzdem in der Lage ist, Geräusche mit Langzeit-Querbeziehungen zu dämpfen.
Bei einer alternativen Methode wird die effektive Verzögerung durch Verwendung von Schmalband-Filtern in Serie mit dem adaptiven Filter realisiert; die Schmalband-Filter sind dabei in der Lage, Signal bei Frequenzen zurückzuweisen, die verschieden von den tonalen Frequenzen sind, die gedämpft werden sollen. Die Schmalband-Filter können starr oder abstimmbar ausgebildet sein, so daß die Mittenfrequenzen so eingestellt werden können, daß sie den Frequenzen der zu unterdrückenden Töne entsprechen, und ihre Bandbreite kann so eingestellt werden, daß diese tonalen Geräusche enthalten sind, wobei die schmalbandigen Filter durch das adaptive Filter eingestellt werden, das selbst auf das Spektrum oder eine Auto-Korrelation des Eingangs in die Verzögerungsvorrichtung anspricht.
Das adaptive Filter kann ein oder mehrere parallele adaptive Filterabschnitte aufweisen, deren jeder eine Charakteristik hat, die mindestens teilweise durch Minimieren der Querbeziehung zwischen seinem Eingang und den Monitorsignalen bestimmt wird. Wenn die Verzögerungsvorrichtung schmalbandige Filter enthält, werden die individuellen Filterausgänge einem eines jeden der parallelen adaptiven Filterabschnitte des adaptiven Filters zugeführt. jeder adaptive Filterabschnitt kann ein begrenzter Impulsansprech-Filter der j-ten Ordnung sein, wobei die Koeffizienten mit einem Gradienten- Abfallalgorithmus eingestellt werden.
Wenn ein getrennter Sensor verwendet wird, um das Signal für die Eingabe in die Verzögerungsvorrichtung zu erzeugen, wird dieser Sensor vorteil hafterweise so positioniert, daß er gegen Geräusch unempfindlich ist, das von den Wandlern erzeugt wird, oder der Einfluß des Wandlers auf das Signal, das er erzeugt, durch elektronische Subtraktion reduziert wird.
Das System kann in einem Ohrschutz oder in einen Kopfhörer eingebaut werden. Entweder wird ein System verwendet, oder es werden alternativ zwei Syseme verwendet, so daß die beruhigte Zone im allgemeinen eines oder beide Ohren umfaßt.
Wenn das System in einem Kopfhörer oder einen Ohrschutz eingebaut ist, können die Sensoren, die das Überwachungssignal liefern, Wandler sein, die dazu dienen, den unstetigen Druck an einer Stelle, die nahe jedem Ohr positioniert ist, beispielsweise ein Mikrophon, das in unmittelbarer Nähe eines der Ohren angeordnet ist, herzuleiten. Die Sensoren, die das Signal als Eingang in die erste Schaltvorrichtung ergeben, können ein Mikrophon sein, das an oder in der Nähe der Oberseite des Ohrschützers angeordnet ist, oder alternativ ein Mikrophon, das in der Nähe der Rückseite des Gehäuses eines oder beider Ohrstücke angeordnet ist; als weitere Alternative ist kein Sensor erforderlich, um speziell dieses Signal zu erzeugen, wobei das Signal aus dem Überwachungssignal abgeleitet wird, wie beschrieben. Der Wandler kann eine beliebige Vorrichtung sein, die in der Lage ist, unstetige Druckschwankungen zu erzeugen, z.B. ein Lautsprecher. Die Wandler können in unmittelbarer Nähe des Ohres befestigt sein, damit sie den unstetigen Druck in dem Bereich um eines oder beide Ohren herum beeinflussen, beispielsweise können die Wandler im Gehäuse eines oder beider Ohrschützer befestigt sein.
Der Ohrschutz oder Kopfhörer kann auf der Rückseite offen sein, damit die gewünschten Sprachsignale auf einfache Weise eindringen können; er kann Teil eines Nachrichten-Kopfhörers sein, bei dem erwünschte Töne über die Lautsprecher reproduziert werden. Zusätzlich kann ein effektiv verzögertes und adaptives Filter in der vorbeschriebenen Form in den die Sprache aufnehmenden Mikrophonkanal eingebaut sein, um die Hintergrund-Tongeräusche, die vom Mikrophon aufgenommen werden, zu dämpfen.
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, bei der das Sensorsignal aus einem Sensor in dem zu steuernden Bereich erzielt wird,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung, bei der das Sensorsignal aus einem Sensor in dem zu steuernden Bereich erzielt wird,
Fig. 5 ein Beispiel für Auto-Korrelationen für ein Zufallsgeräusch und für Tongeräusch,
Fig. 6 eine Ausführungsform der Erfindung, die in einen Kopfhörer oder einen Ohrschutz eingebaut ist,
Fig. 7 eine andere Ausführungsform der Erfindung, die in einen Kopfhörer oder einen Ohrschutz eingebaut ist, und
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die in einen Kopfhörer oder einen Kopfschutz eingebaut ist.
Fig. 1 zeigt einen Sensor 1, der ein Signal erzeugt, das für den Schall im Bereich 2 repräsentativ ist. Dieses Signal 3 wird in einer ersten Schaltanordnung 4 verzögert, und das resultierende Signal wird über ein adaptives Filter 5 in einen Wandler 6 eingeführt, der Schall erzeugt, der den Schall im Bereich 2 störend beeinflußt. Die Koeffizienten des adaptiven Filters 5 werden durch eine zweite Schaltanordnung 26 in Übereinstimmung mit einem adaptiven Algorithmus eingestellt, der nachstehend beschrieben wird und der ein Überwachungssignal 7 aus einem Sensor 8 in dem zu steuernden Bereich 2 und den Eingang 9 in den adaptiven Filter 5 verwendet. Die erste Schaltanordnung 4 wird durch die erste Anpassungsvorrichtung 10 in Übereinstimmung mit dem Spektrum oder der Auto-Korrelation des Signals 3 angepaßt. Die Verzögerung wird so eingestellt, daß sie größer ist als die Korrelationsdauer des Schalls, der ungedämpft belassen werden soll und trotzdem kleiner ist als die Korrelationsdauer des zu dämpfenden Schalls. Diese Verzögerung kann abhängig von der Frequenz gemacht werden, wenn eine bestimme Frequenzselektivität erforderlich ist.
Der adaptive Algorithmus der zweiten Schaltanordnung 26 ist ein adaptiver Algorithmus, der das adaptive Filter einstellt, um die Korrelation zwischen dem Eingang des Filters und dem Überwachungssignal zu minimieren. Diese können vom Frequenzdomänentyp sein, die die Berechnung von Kreuzspekten einschließen, oder vom Zeitdomänentyp, die eine Querkorrelation einschließen. Viele Algorithmen dieser Art sind in der Literaturstelle WIDROW und STEARNS "Adaptive Signalverarbeitung" beschrieben. Ein solcher Zeitdomänenalgorithmus wird nachstehend erläutert.
Das Eingangssignal 9 wird durch die Funktion u(t), und der Ausgang des adaptiven Filterabschnittes 5 durch die Funktion y(t) bezeichnet. Normalerweise liegen die Signale in abgetasteter, digitaler Form vor und sind durch einen Analog/Digital-Wandler entweder vor oder nach der Verzögerungseinheit umgewandelt worden. Die abgetastete Version des Eingangs und des Ausgangs werden als u(k) und y(k) repräsentiert, wobei k die Zeitkonstante darstellt. Die Signale werden hinter dem adaptiven Filter 5 in analoge Form zurückgewandelt. Der Ausgang y (k) ist auf den Eingang nach der Gleichung
bezogen, wobei b(i) den i-ten Koeffizienten des Filters darstellt.
Der Ausgang des Sensors 8, das Monitorsignal, ist w(k) und dieses besteht aus zwei Komponenten v(k), dem ungesteuerten Geräusch, und der Komponente aufgrund des Wandlers 6.
wobei c die Wirkung der Wandlercharakteristik darstellt. Das Geräusch in dem zu steuernden Bereich wird dadurch minimiert, daß die Koeffizienten b (i) adaptiert werden, wobei ein Gradienten-Abstiegs-Algorithmus verwendet wird (zu dessen Ableitung wird auf die Literaturstelle von WIDROW & STEARNS "Adaptive Signal Processing", veröffentlicht 1985 durch Prentice Hall hingewiesen). wobei
und bj+1 (i) die nächste Aktualisierung des Filterkoeffizienten b&sub1; (i) ist.
Der Ausdruck r(k-i) w(k) kann als einzelne Probenschätzung der Querkorrelation zwischen den beiden Signalen r und w interpretiert werden. Es sind andere Näherungen möglich, z.B.
wobei N eine beliebige ganze Zahl sein kann.
Ein spezielles neues Merkmal nach vorliegender Erfindung ist die Fähigkeit der Schaltanordnung 11, das tonale Geräusch in stärkerem Maße als die breitwandigen Zufallsgeräusche zu reduzieren. Dieses Merkmal wird nachstehend erläutert. Der vorbeschriebene adaptive Filterabschnitt führt die Korrelation (für positive Zeitverzögerungen) zwischen dem Eingang und dem Monitorsignal auf Null, indem die Koeffizienten des Filters so eingestellt werden, daß ein Aufhebungsgeräusch erzeugt wird, um jedes Geräusch zu eliminieren, das zu der Korrelation zwischen den beiden beiträgt. Durch Einführen einer Verzögerung in das Eingangssignal ist keine Korrelation mehr zwischen beiden (für positive Zeitverzögerungen) für breitbandige Geräusche mit kürzeren Korrelationszeiten als die Verzögerung vorhanden, so daß der adaptive Filterabschnitt nichts unternimmt. Andererseits hat Schall mit einer langen Korrelationsdauer, die wesentlich größer ist als die Verzögerung, eine Querkorrelation zwischen dem verzögerten Eingang und dem Monitorsignal, und damit tendiert das adaptive Filter dazu, diese zur Eliminierung der Korrelation zu löschen. Fig. 5a zeigt eine typische Querkorrelation des Eingangs in die erste Schaltanordnung und des Monitorsignals, wenn ihre Sensoren nahe beeinander liegen und breitbandiges Geräusch aufnehmen. Fig. 5b zeigt die typische Querkorrelation, wenn ihre Sensoren einen schmal bandigen (tonalen) Schall aufnehmen. Die Einführung einer Verzögerung D verschiebt die Querkorrelation so, daß der Ursprung an der mit D markierten Stelle liegt. Da das adaptive Filter nur in der Lage ist, Schall mit einem erheblichen Pegel an Querkorrelation rechts vom Ursprung zu steuern, wird nur das schmalbandige Signal gesteuert. Wenn das System eine Kombination vieler Geräusche aufnimmt, wird es alle jene mit einer Querkorrelation jenseits des Punktes D eliminieren und somit alle Töne ausschalten.
Es ist erwünscht, daß das Signal 3 nicht mit Geräusch, das durch den Sensor 1 vom Wandler 6 aufgenommen wird, vermischt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Sensor 1 richtungsabhängig ausgebildet ist, so daß er für Schall aus dem Wand-1er unempfindlich ist, oder durch Positionieren in der Weise, daß er unempfindlich wird, oder durch Anordnen eines zusätzlichen Filters, das das Wandlersignal als einen Eingang nimmt und dessen Ausgangssignal verwendet wird, um den Einfluß des Wandlers von dem Sensorsignal in einer Weise ähnlich der für das Eliminieren des Effekts des durch den Wandler erzeugten Geräusches auf das Monitorsignal beschriebenen zu subtrahieren.

Andere Ausführunsformen

Fig. 2 zeigt eine Anordnung ähnlich der Fig. 1, jedoch mit einer unterschiedlichen inneren Ausbildung der Schaltanordnung 11. Das Signal 3 aus dem Sensor wird einem oder mehreren Schmalbandfiltern in einer ersten Schaltanordnung 12 zugeführt, dessen Ausgänge 16, und zwar jeweils einer jedem der paral laien adaptiven Filterabschnitte des adaptiven Filters 14, zugeführt werden. Der Ausgang aller parallelen Abschnitte wird so kombiniert, daß der Antrieb für den Wandler 6 gebildet wird. Die Anpassung der individuellen parallel adaptiven Filterabschnitte des adaptiven Filters 14 wird durch die zweite Schaltanordnung 15 in Abhängigkeit von dem Monitorsignal 7 und jedem der Schmalbandfilterausgänge 16 erreicht. Die zweite Schaltanordnung verwendet den vorbeschriebenen adaptiven Algorithmus, wobei die Koeffizienten eines jeden der parallelen adaptiven Filterabschn itte in Abhängigkeit von dem entsprechenden Eingang und dem Monitorsignal adaptiert werden.
Die Schmalbandfilter in einer ersten Schaltanordnung 12 sind entweder für starre Frequenz oder abstimmbar ausgebildet. Wenn sie mit starrer Frequenz arbeiten, sind sie in ausreichender Anzahl und engem Frequenzabstand vorgesehen, so daß ein Tonsignal einer beliebigen Frequenz im interessierenden Bereich durch eines dieser Filter geht. Das neue Merkmal nach dieser Ausführungsform, das den Auswählvorgang ermöglicht, wird nachstehend beschrieben.
Wenn ein Tongeräusch der ersten Schaltanordnung mit einer Bandbreite kleiner als der Bandbreite der Schmalbandfilter zugeführt wird, wird ein Ausgang aus einem der Filter erhalten, das eine verzögerte (und damit phasenverschobene) Version des Eingangs ist. Weil die Querkorrelation der Sensor- und Monitorsignale eine lange Korrelationsdauer trotz der durch das Filter eingeführten Verzögerung hat, hat dieser Ausgang eine Korrelation (für positive Zeitverzögerungen) mit dem Monitorsignal und damit wird der entsprechende parallele adaptive Filterabschnitt des adaptiven Filters 14 angepaßt, um ein Ausgangssignal zur Dämpfung des Tongeräusches zu erzeugen.
Wenn ein Breitbandsignal der ersten Schaltanordnung zugeführt wird, die eine Bandbreite besitzt, welche wesentlich größer ist als die Bandbreite des Schmalbandfilters, wird ein Ausgang an jedem der Filter in der Bandbreite des ursprünglichen Signals erzeugt, die Ausgänge werden jedoch verzögerte Versionen des Eingangs (verzögert um eine Zeit, die dem reziproken Wert der Bandbreite der Schmalbandfilter entspricht), und wegen der kurzen Korrelationsdauer des originalen Breitbandsignales wird dieses (effektiv) verzögerte Signal eine geringe Querkorrelation mit dem Monitorsignal haben, und damit werden die parallelen adaptiven Filterabschnitte einen geringen Ausgang erzeugen und das Geräusch wird ungedämpft.
Die breitbandigen Filter können abstimmbar ausgebildet sein, um die Komplexität des Systems zu minimieren, indem die Anzahl von Schmalbandfiltern reduziert wird. Wenn nur einige wenige Töne gedämpft werden sollen, kann es zweckmäßig sein, nur einige wenige Schmalbandfilter zu verwenden, und zwar eines für jeden Ton. Dies kann erreicht werden, wenn das Spektrum des Signals am Eingang in die erste Schaltanordnung überwacht wird, um die Anzahl und die Frequenz der Töne in dem Signal zu identifizieren, und die Schmalbandfilter so eingestellt werden, daß sie diesen Frequenzen entsprechen. Die Schmalbandfilter werden kontinuierlich durch die erste Adaptionseinheit 13 eingestellt, um ihre Mittenfrequenz nahe der Frequenz des entsprechenden Tones aufrecht zu erhalten. Ihre Bandbreite wird so eingestellt, daß sichergestellt ist, daß sie größer ist als der Ton, der gedämpft werden soll, aber nicht zu breit, damit Breitbandsignale mit nicht ausreichender Verzögerung durchgelassen werden. Diese Verarbeitung erfolgt automatisch.
Fig. 3 zeigt, wie das Sensorsignal aus dem Sensor 8 in dem zu steuernden Bereich 2 abgeleitet werden kann. Der Ausgang 17 aus der Schaltanordnung 11, die in dieser Figur ähnlich der nach Fig. list, wird einem Filter 18 aufgegeben. Die Charakteristik dieses Filters wird so eingestellt, daß sie der Übertragungsfunktion zwischen Signal 17 und Signal 7 entspricht. Dies ist identisch mit dem Filter c(i), das in der ersten Anpassungseinheit 6 verwendet wird. Der Ausgang des Filters 18 wird von dem Monitorsignal 7 subtrahiert, um ein äquivalentes Signal 3 zu erhalten. Die Charakterstik des Filters 18 kann aktualisiert werden, um sie als eine exakte Darstellung der Übertragungsfunktion aufrecht zu erhalten.
Fig. 4 zeigt die äquivalente Schaltung, bei der der Eingang in die erste Schaltanordnung und Monitorsignale aus dem gleichen Sensor für die Schaltanordnung 11 abgeleitet werden, die Schmalbandfilter verwendet.
Fig. 6 zeigt das System in einem Ohrschutz oder Kopfhörer eingebaut. Es sind zwei Systeme, jeweils eines für jedes Ohr, in einem tragbaren Behälter 20 vorhanden, der die Batterie 21 für die Energiespeisung enthält. Der Ohrschutz kann ein offener Schutz sein, damit der gewünschte Schall das Ohr unbehindert erreichen kann. Der Sensor 1, der den Eingang in die erste Schaltanordnung erzeugt, ist ein auf dem Gehäuse des Ohrstückes (bzw. Ohrmuschel) befestigtes Mikrophon 19, und der Sensor 8, der die Monitorsignale erzeugt, ist ein im Ohrstück nahe dem Ohr aufgenommenes Mikrophon. Der Wandler 6 ist ein Lautsprecher, der in das Gehäuse des Ohrteiles eingebaut ist.
Fig. 7 zeigt ein System, bei dem ein Mikrophon 22 verwendet wird, um den Eingang in die erste Schaltanordnung für beide Schaltungen 11 zu erzielen.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform, bei der kein getrennter Sensor vorhanden ist, um einen Eingang in die erste Schaltanordnung zu erzielen (der Eingang wird aus den Monitorsignalen in der vorbeschriebenen Weise abgeleitet).
Ein zusätzlicher Eingang kann einem oder jedem der Lautsprecher aufgegeben werden, die erwünschte Kommunikationssignale für den Träger führen, und diese Signale werden in den für den Träger hörbaren Schall umgewandelt. Dieser Schall bleibt durch die Schaltanordnung 11 unbeeinflußt. Wenn der Ohrschutz einen Teil eines Nachrichten- Kopfhörers darstellt, wird ein Mikrophon mit dem Kopfhörer befestigt, um die Sprache des Trägers zu empfangen. In diesem Fall kann es erwünscht sein, einen effektiv verzögerten und adaptiven Filterabschnitt in den Stimm-Kommunikationskanal einzusetzen, um die Hintergrund-Tongeräusche zu eliminieren, die durch das Sprachmikrophon aufgenommen werden.
Die effektive Verzögerung kann dadurch erreicht werden, daß eine Verzögerung in das Signal eingeführt wird, und zwar entweder vor, während oder nach dem adaptiven Filtern, oder eine Kombination davon. So kann nach den Figuren 1 - 3 ein Teil oder die gesamte Verzögerung, die durch die Vorrichtung 4 eingeführt wird, in das Filter 5 eingebaut werden, oder durch eine diskrete Vorrichtung, die zwischen Filter 5 und Wandler 6 angeordnet ist, erzielt werden. Die zweite Schaltung 76 muß natürlich entsprechend eingestellt werden.
In der vorstehenden Beschreibung und den Patentansprüchen wird auf eine Kreuzkorrelation der beiden Signale hingewiesen Dieser Ausdruck wird wie folgt definiert: Die Kreuzkorrelation (c) zweier digital abgefragter Signale r(i) und w(i) (wobei die Versetzung zwischen den beiden Kreuzkorrelationssignalen n ist), ist gegeben durch:
wobei N eine beliebige Zahl sein kann, und, wie oben angegeben, n die Anzahl von abgetasteten Stellen ist, um die ein Signal von dem anderen versetzt ist.

Zusammenfassung

Es wird ein aktives Steuersystem zum Dämpfen von Tongeräusch in einem definierten Bereich beschrieben. In der Grundform weist das System Sensoren (1, 8) zum Erzeugen von Signalen auf, die das Restgeräusch in dem Bereich nach der Dämpfung und den ungesteuerten Schall, der den Bereich beeinflußt, angibt, ferner Signalverarbeitungsschaltungen (10, 26) zur Verarbeitung der erzeugten Signale in unterschiedlicher Weise je nach dem Tongehalt, ein adaptives Filter (5), das mit mindestens einem der erzeugten Signale gespeist wird, dessen Charakterstik durch die Verarbeitungsschaltung (10) gesteuert wird, einen Wandler (6) zur Erzeugung einer Tongeräusche dämpfenden Störung in dem Bereich, und eine Verzögerungsvorrichtung (4) zur Verzögerung von Signalen, die sich auf das ungesteuerte Geräusch vor oder nach oder während der adaptiven Filterung beziehen. Das System wird direkt in einem persönlichen Kopfhörer oder Ohrschutz angewendet.

Claims

1. Aktives Steuersystem zum sei ektiven Dämpfen von Tongeräusch mehr als Breitband- Geräusch, das einen Hörbereich (2) beeinflußt, mit

einer Wandlervorrichtung (6) zum Erzeugen von Schall im Hörbereich (2), der mit dem Geräusch in diesem Bereich zusammenwirkt und mindestens eine teilweise Aufhebung des Geräusches ergibt,

einer Sensorvorrichtung mit einem Sensor (8) im Hörbereich (2), die ein erstes Signal (7), das auf das Restgeräusch (gedämpftes Geräusch) im Bereich bezogen ist, und ein zweites Signal (8), das mindestens zum Teil auf das Geräusch bezogen ist, das den Hörbereich (2) mit Ausnahme einer selektiven Dämpfung beeinflußt, liefert, einer Signalverarbeitungsvorrichtung (11) zum Verarbeiten der ersten und zweiten Signale (oder daraus abgeleiteter Signale), dadurch gekennzeichnet, daß

sowohl die ersten als die zweiten Signale für Tongeräusch und Breitband-Geräusch repräsentativ sind,

die Signalverarbeitungsvorrichtung ein adaptives Filter (5), das mit einem Signal gespeist wird, welches aus mindestens dem zweiten Signal (3) hervorgeht und Signale zum Antrieb der Wandlervorrichtung (6) erzeugt, sowie eine Schaltungsanordnung (26) zum Einstellen der adaptiven Charakterstik des Filters für eine Minimierung der Korrelation zwischen dem Eingang (9) in den Filter und dem ersten Signal (7) aufweist,

die Signalverarbeitungsvorrichtung (11) eine Vorrichtung zum Subtrahieren den Teil des Signals (3), der auf dem Effekt der Wandlervorrichtung (6) beruht, von dem zweiten Signal (3) vor dem Einführen des Signals in den adaptiven Filter (5) aufweist, und

eine Vorrichtung (4) zum Einführen einer effektiven Verzögerung in den Pfad des zweiten Signales (3) oder eines daraus abgeleiteten Signals über den adaptiven Filter (5) in die Wandlervorrichtung (6), wobei die effektive Verzögerung plus die akustische Verzögerung von der Wandlervorrichtung zum Sensor im Hörbereich größer ist als die Korrelationsdauer des Geräusches, das nicht gedämpft werden soll, wobei die Wandlervorrichtung so betätigbar ist, daß sie Schall zur Dämpfung des Tongeräusches mehr als des Breitband-Geräusches erzeugt.

2. Aktives Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorvorrichtung den Sensor (8) zur Erzeugung des ersten Signals (7) und einen zweiten Sensor (1) zur Erzeugung des zweiten Signals (3) aufweist.

3. Aktives Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor (1) ebenfalls im Hörbereich wirksam ist.

4. Aktives Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor (1) in einem Bereich angeordnet ist, der von Schall aus dem Wandler unbeeinflußt ist.

5. Aktives Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung dem Signal (7) aufgegeben wird, das dem adaptiven Filter (5) aufgegeben werden soll.

6. Aktives Steuersystem nach einem der Anspriiche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung in den adaptiven Filter (5) eingebaut ist.

7. Aktives Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung dem Signal (3) aufgegeben wird, das zum Antrieb der Wandlervorrichtung benutzt wird.

8. Aktives Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsvorrichtung (26) dazu dient, eine Querkorrelation des ersten Signals (7) oder eines daraus abgeleiteten Signais, und des Signals (9), das dem adaptiven Filter (oder einem Signal, das davon abgeleitet ist, oder von dem das dem adaptiven Filter aufgegebene Signal abgeleitet wird, und das selbst durch den Filtervorgang modifiziert wird), aufgegeben wird, zu erzeugen.

9. Aktives Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsvorrichtung (26) dazu dient, Querspektren des ersten Signals (7) oder eines davon abgeleiteten Signals, und des Signals (9), das dem adaptiven Filter aufgegeben wird (oder eines Signals, das daraus abgeleitet wird, oder von dem das dem adaptiven Filter aufgegebene Signal abgeleitet wird und das selbst durch den Filtervorgang modifiziert wird) zu berechnen.

10. Aktives Steuersystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Verzögerung durch Benutzung von Schmalbandfiltern (12) in Serie mit dem adaptiven Filter realisiert wird, wobei die Schmalbandfilter in der Lage sind, Signale bei Frequenzen zurückzuweisen, die verschieden von den zu dämpfenden Tonfrequenzen sind.

11. Aktives Steuersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Satz von parallelen Schmalbandfiltern (12) verwendet wird.

12. Aktives Steuersystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dem adaptiven Filter (5) aufgegebene Signal unempfindlich gegenüber der Wandlervorrichtung (6) gemacht wird, indem eine Kombination des zweiten Signals (3) (oder eines daraus abgeleiteten Signals) und des der Wandlervorrichtung (6) zugeführten Signals (oder eines Signals, das daraus abgeleitet ist oder von dem das Signal abgeleitet ist) oder des ersten Signals (oder eines daraus abgeleiteten Signals) verwendet wird.

13. Aktive Hörvorrichtung, Kopfhörer oder defensiver Gehörschutz mit einem aktiven Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Tongeräusch am Ohr des Hörers stärker als Umgebungsgeräusch reduziert wird.

14. Aktive Hörvorrichtung, Kopfhörer oder defensiver Gehörschutz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein getrenntes Steuersystem an jede der das Ohr abdeckenden Vorrichtungen angeschaltet ist.

15. Aktive Hörvorrichtung, Kopfhörer oder defensiver Gehörschutz nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor bzw. die Sensoren (1, 8) ein Mikrophon ist bzw. Mikrophone sind, der bzw. die am Kopfband des Kopfhörers oder an der Außenseite des Gehäuses der Wandlervorrichtung angeodnet ist bzw. sind.

16. Aktive Hörvorrichtung, Kopfhörer oder defensiver Gehörschutz nach Anspruch 13, 14 oder 15 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Ohr ein einzelner Sensor (8) verwendet wird.

17. Aktive Hörvorrichtung, Kopfhörer oder defensiver Gehörschutz nach einem der Ansprüche 13 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlervorrichtung (6) so befestigt ist, daß sie im Betrieb nahe den Ohren des Trägers angeordnet ist.

18. Aktive Hörvorrichtung, Kopfhörer oder defensiver Gehörschutz nach einem der Ansprüche 13 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wandlervorrichtung (6) in einem geschlossenen Hohlraum befestigt ist, der durch eine das Ohr umschließende Schale (19) gebildet ist.

19. Aktive Hörvorrichtung, Kopfhörer oder defensiver Gehörschutz nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialeigenschaften der Schale (19) so gewählt sind, daß sie die Übertragung von Schall in einem ausgewählten Frequenzbereich verstärken.

20. Aktive Hörvorrichtung, Kopfhörer oder defensiver Gehörschutz nach einem der Ansprüche 13 - 19, in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querkorrelation über eine einzelne Probe oder über eine Anzahl von Proben direkt oder rekursiv berechnet wird.