DE69125601T2 - NOISE REDUCING SYSTEM - Google Patents
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Abstract
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.The invention relates to selectively attenuating noise, whereby tonal sounds are attenuated more than broadband (random) noises. In particular, the tones may be generated by one or more noise sources, each of which produces noise at a fundamental frequency and possibly harmonic frequencies.
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.The tones reach a range where they constitute a disturbance and reduce a person's ability to hear other sounds that are more random in nature (e.g., speech signals). The invention relates to an active noise control system that provides greater attenuation of tonal noise than random sound in the range and does not require signal chaining to the source or sources of tonal noise. In this context, tonal noise includes narrow-band, random noise, and noise includes vibrations.
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.Headphones or ear defenders which selectively cancel the noise generated by a single rotating machine are known (Chaplin - GB 21 04 754), but require a daisy chain or ultrasonic/infrared transmission to the source of the repetitive noise to generate a trigger signal. For many machines the system requires one link per machine. This link or links can be inconvenient or inconvenient - if they are in the form of cables they restrict the wearer's movement and if using wireless transmission they can be unreliable if the wearer moves into areas where the transmission is distorted. GB 21 04 754 describes the possibility of using a local microphone to obtain a signal which drives a phase-locked loop to generate a trigger signal, but states that this is only effective if the repetitive noise is particularly regular. As described, this method is not able to handle multiple sources of tonal noise.
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.From IBM Technical Disclosure Bulletin, Volume 31, No. 8 (January 1989), pages 256 - 258 there is also known a system for active noise cancellation which attenuates tonal noise more than random noise by using one or more sensors which generate signals which are processed to produce an output signal feeding a transducer. However, the system is also dependent on the presence of a reference signal or trigger signal which indicates the frequency of a single noise source. An adaptive delay device is used to achieve a delay which is set so that the output of the system is highly related to the tonal noise for a single tone only.
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.From "Adaptive Signal Processing" by B. Widrow et al, pages 349 and 350, an arrangement is known for receiving an input signal which contains both tonal and broadband noise and which is operable to remove at least part of the broadband component of the signal.
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.Currently, selective attenuation of tonal noise in a range without the need for trigger signals derived from the source of the tonal noise, which may affect multiple sources, is unknown.
Gemäß der Erfindung ist ein aktives Steuersystem zum selektiven Dämpfen von tonalem Geräusch mehr als von Breitband-Geräusch, das einen Hörbereich beeinflußt, mitAccording to the invention, an active control system for selectively attenuating tonal noise more than broadband noise affecting a hearing range is provided, comprising
einer Wandlervorrichtung zum Erzeugen von Schall im Hörbereich, die mit dem Geräusch in diesem Bereich zusammenwirkt und mindestens eine teilweise Aufhebung des Geräusches ergibt,a transducer device for generating sound in the audible range, which interacts with the noise in this range and results in at least a partial cancellation of the noise,
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, unda sensor device having a sensor in the hearing range that provides a first signal related to the residual noise (attenuated noise) in the range and a second signal related at least in part to the noise affecting the hearing range with the exception of selective attenuation, and
einer Signalverarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten der ersten und zweiten Signale (oder daraus abgeleiteter Signale),a signal processing device for processing the first and second signals (or signals derived therefrom),
dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that
sowohl die ersten als die zweiten Signale für Tongeräusch und Breitband-Geräusch repräsentativ sind,both the first and the second signals are representative of tone noise and broadband noise,
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,the signal processing device comprises an adaptive filter which is fed with a signal which results from at least the second signal and generates signals for driving the converter device, and a circuit arrangement for adjusting the adaptive characteristic of the filter to minimize the correlation between the input to the filter and the first signal,
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, undthe signal processing device comprises a device for subtracting a part of the signal which is based on the effect of the converter device from the second signal before introducing the signal into the adaptive filter, and
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.means for introducing an effective delay into the path of the second signal or a signal derived therefrom through the adaptive filter into the transducer means, the effective delay plus the acoustic delay from the transducer means to the sensor in the audible range being greater than the correlation period of the sound not to be attenuated, the transducer means being operable to produce sound for attenuating the tone noise to a greater extent than the broadband noise.
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.The sensor device can expediently have a first sensor in the audible range to generate the first signal, and a second sensor, which may or may not be in the audible range, to generate the second signal.
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.The processing in the processing device may involve a cross-relation of the effectively delayed signal (or signals derived therefrom or from which the signals themselves, and which may themselves be modified by filtering) and the monitoring signal (or signals derived therefrom, or from which the signals themselves are derived, and which may themselves be modified by filtering).
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.The processing in the processing device may comprise calculating the cross spectrum between the effectively delayed signal (or signals derived therefrom or from which the signals themselves are derived and which themselves may be modified by filtering) and the monitoring signal (or signals derived therefrom or from which the signals themselves are derived and which themselves may be modified by filtering).
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.The signal, which is at least partially related to the uncontrolled sound in the hearing area where selective attenuation is required, can be obtained from a sensor located near the hearing area where selective attenuation is required.
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.Alternatively, the signal related at least in part to the uncontrolled sound in the audible range where selective attenuation is required may be obtained by subtracting from the monitor signal the signals driving the transducer device (or signals derived therefrom, or from which the signals themselves are derived and which may themselves be modified by filtering).
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.The delay device can effectively delay the signal being received by delaying the received signal. Advantageously, this delay is adjusted by the adaptive filter, which itself is responsive to the spectrum or to an auto-correlation of the input to the delay device, so that the sum of this delay plus a delay in the transmission process from the transducer to the sensor giving the monitoring signal is greater than the correlation period of the noises to be attenuated and shorter than the correlation period of the noises to be attenuated. This means that the system is not in the Capable of attenuating sounds with short-term cross-relationships (ie, broadband random signals), and yet capable of attenuating sounds with long-term cross-relationships.
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.In an alternative approach, the effective delay is achieved by using narrowband filters in series with the adaptive filter, the narrowband filters being able to reject signals at frequencies other than the tonal frequencies to be attenuated. The narrowband filters may be fixed or tunable so that the center frequencies can be set to correspond to the frequencies of the tones to be rejected and their bandwidth can be set to include these tonal noises, the narrowband filters being set by the adaptive filter which is itself responsive to the spectrum or auto-correlation of the input to the delay device.
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.The adaptive filter may comprise one or more parallel adaptive filter sections, each having a characteristic determined at least in part by minimizing the cross-relationship between its input and the monitor signals. If the delay device comprises narrowband filters, the individual filter outputs are fed to one of each of the parallel adaptive filter sections of the adaptive filter. Each adaptive filter section may be a j-th order finite impulse response filter, with the coefficients adjusted using a gradient descent algorithm.
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.If a separate sensor is used to generate the signal for input to the delay device, this sensor is advantageously positioned so that it is insensitive to noise generated by the transducers or the influence of the transducer on the signal it generates is reduced by electronic subtraction.
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.The system can be built into an ear protector or a headset. Either one system is used or alternatively two systems are used, so that the quiet zone generally covers one or both ears.
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.When the system is incorporated in a headset or earmuff, the sensors providing the monitoring signal may be transducers designed to sense the unsteady pressure at a location positioned near each ear, for example a microphone located in close proximity to one of the ears. The sensors providing the signal as input to the first switching device may be a microphone located at or near the top of the earmuff, or alternatively a microphone located near the back of the housing of one or both earpieces; as a further alternative, no sensor is required to specifically generate this signal, the signal being derived from the monitoring signal as described. The transducer may be any device capable of generating unsteady pressure fluctuations, for example a loudspeaker. The transducers may be mounted in close proximity to the ear so that they affect the unsteady pressure in the area around one or both ears, for example the transducers may be mounted in the housing of one or both ear protectors.
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.The earmuff or earphone may be open at the back to allow the desired speech signals to enter easily; it may be part of a news headset in which desired sounds are reproduced through the loudspeakers. In addition, an effective delayed and adaptive filter in the form described above may be incorporated into the microphone channel picking up the speech to attenuate the background sound noise picked up by the microphone.
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:The invention is explained below in conjunction with the drawing using exemplary embodiments. It shows:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,Fig. 1 is a block diagram of an embodiment of the invention,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung,Fig. 2 is a block diagram of another embodiment of the invention,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, bei der das Sensorsignal aus einem Sensor in dem zu steuernden Bereich erzielt wird,Fig. 3 is a block diagram of an embodiment of the invention in which the sensor signal is obtained from a sensor in the area to be controlled,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung, bei der das Sensorsignal aus einem Sensor in dem zu steuernden Bereich erzielt wird,Fig. 4 is a block diagram of a modified embodiment of the invention in which the sensor signal is obtained from a sensor in the area to be controlled,
Fig. 5 ein Beispiel für Auto-Korrelationen für ein Zufallsgeräusch und für Tongeräusch,Fig. 5 an example of auto-correlations for a random noise and for tone noise,
Fig. 6 eine Ausführungsform der Erfindung, die in einen Kopfhörer oder einen Ohrschutz eingebaut ist,Fig. 6 an embodiment of the invention incorporated into a headset or ear protector,
Fig. 7 eine andere Ausführungsform der Erfindung, die in einen Kopfhörer oder einen Ohrschutz eingebaut ist, undFig. 7 shows another embodiment of the invention incorporated into a headset or ear protector, and
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die in einen Kopfhörer oder einen Kopfschutz eingebaut ist.Fig. 8 shows another embodiment of the invention incorporated into a headset or head protector.
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.Fig. 1 shows a sensor 1 which generates a signal representative of the sound in the area 2. This signal 3 is delayed in a first circuit 4 and the resulting signal is introduced via an adaptive filter 5 into a transducer 6 which generates sound which interferes with the sound in the area 2. The coefficients of the adaptive filter 5 are adjusted by a second circuit 26 in accordance with an adaptive algorithm, described below, which uses a monitoring signal 7 from a sensor 8 in the area 2 to be controlled and the input 9 to the adaptive filter 5. The first circuit 4 is adjusted by the first adjustment device 10 in accordance with the spectrum or auto-correlation of the signal 3. The delay is adjusted so that that it is longer than the correlation period of the sound that is to be left undamped and yet smaller than the correlation period of the sound to be dampened. This delay can be made dependent on the frequency if a certain frequency selectivity is required.
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.The adaptive algorithm of the second circuitry 26 is an adaptive algorithm that adjusts the adaptive filter to minimize the correlation between the input of the filter and the monitor signal. These may be of the frequency domain type, involving the calculation of cross-spectrums, or of the time domain type, involving cross-correlation. Many algorithms of this type are described in the reference WIDROW and STEARNS "Adaptive Signal Processing". One such time domain algorithm is explained below.
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 The input signal 9 is denoted by the function u(t), and the output of the adaptive filter section 5 by the function y(t). Normally the signals are in sampled, digital form and have been converted by an analogue/digital converter either before or after the delay unit. The sampled version of the input and the output are represented as u(k) and y(k), where k represents the time constant. The signals are converted back to analogue form after the adaptive filter 5. The output y(k) is related to the input according to the equation
bezogen, wobei b(i) den i-ten Koeffizienten des Filters darstellt., where b(i) represents the i-th coefficient of the filter.
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. The output of the sensor 8, the monitor signal, is w(k) and this consists of two components v(k), the uncontrolled noise, and the component due to the transducer 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). wobeiwhere c is the effect of the transducer characteristic. The noise in the region to be controlled is minimized by adapting the coefficients b (i) using a gradient descent algorithm (for the derivation of which reference is made to the reference by WIDROW & STEARNS "Adaptive Signal Processing", published in 1985 by Prentice Hall). where
und bj+1 (i) die nächste Aktualisierung des Filterkoeffizienten b&sub1; (i) ist.and bj+1 (i) is the next update of the filter coefficient b₁ (i).
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. The expression r(ki) w(k) can be interpreted as a single sample estimate of the cross-correlation between the two signals r and w. Other approximations are possible, e.g.
wobei N eine beliebige ganze Zahl sein kann.where N can be any integer.
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.A particular novel feature of the present invention is the ability of the circuitry 11 to reduce the tonal noise to a greater extent than the wideband random noise. This feature is explained below. The adaptive filter section described above drives the correlation (for positive time delays) between the input and the monitor signal to zero by adjusting the coefficients of the filter to produce a cancellation noise to eliminate any noise contributing to the correlation between the two. By introducing a delay into the input signal, there is no longer any correlation between the two (for positive time delays) for wideband noises with correlation times shorter than the delay, so that the adaptive filter section does nothing. On the other hand, sound with a long correlation time, which is significantly is greater than the delay, a cross-correlation will occur between the delayed input and the monitor signal, and thus the adaptive filter will tend to cancel this to eliminate the correlation. Fig. 5a shows a typical cross-correlation of the input to the first circuit and the monitor signal when its sensors are close together and picking up a broadband sound. Fig. 5b shows the typical cross-correlation when its sensors are picking up a narrow-band (tonal) sound. The introduction of a delay D shifts the cross-correlation so that the origin is at the point marked D. Since the adaptive filter is only able to control sound with a significant level of cross-correlation to the right of the origin, only the narrow-band signal will be controlled. If the system is picking up a combination of many sounds, it will eliminate all those with a cross-correlation beyond the point D, thus eliminating all tones.
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.It is desirable that the signal 3 not be mixed with noise picked up by the sensor 1 from the transducer 6. This can be achieved by making the sensor 1 directional so that it is insensitive to sound from the transducer, or by positioning it so that it becomes insensitive, or by arranging an additional filter which takes the transducer signal as an input and whose output is used to subtract the influence of the transducer from the sensor signal in a manner similar to that described for eliminating the effect of the noise generated by the transducer on the monitor signal.
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.Fig. 2 shows an arrangement similar to Fig. 1, but with a different internal design of the circuit arrangement 11. The signal 3 from the sensor is fed to one or more narrow band filters in a first circuit arrangement 12, the outputs 16 of which are fed, one each to each of the parallel adaptive filter sections of the adaptive filter 14. The output of all parallel sections is combined so that the drive for the converter 6 is formed. The adaptation of the individual parallel adaptive filter sections of the adaptive filter 14 is achieved by the second circuit arrangement 15 in dependence on the monitor signal 7 and each of the narrowband filter outputs 16. The second circuit arrangement uses the adaptive algorithm described above, the coefficients of each of the parallel adaptive filter sections being adapted in dependence on the corresponding input and the monitor signal.
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.The narrow band filters in a first circuit arrangement 12 are either fixed frequency or tunable. When fixed frequency they are provided in sufficient number and closely spaced frequency so that an audio signal of any frequency in the range of interest passes through one of these filters. The new feature of this embodiment which enables the selection process is described below.
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.When a tone noise is fed to the first circuitry with a bandwidth smaller than the bandwidth of the narrowband filters, an output is obtained from one of the filters which is a delayed (and hence phase-shifted) version of the input. Because the cross-correlation of the sensor and monitor signals has a long correlation period despite the delay introduced by the filter, this output has a correlation (for positive time delays) with the monitor signal and thus the corresponding parallel adaptive filter section of the adaptive filter 14 is adapted to produce an output signal for attenuating the tone noise.
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.If a wideband signal is fed to the first circuitry having a bandwidth substantially greater than the bandwidth of the narrowband filter, an output will be produced at each of the filters in the bandwidth of the original signal, but the outputs will be delayed versions of the input (delayed by a time equal to the reciprocal of the bandwidth of the narrowband filters), and because of the short correlation period of the original wideband signal, this (effectively) delayed signal will have a low cross-correlation with the monitor signal, and thus the parallel adaptive filter sections will produce a low output and the noise will be unattenuated.
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.The wideband filters may be made tunable to minimize the complexity of the system by reducing the number of narrowband filters. If only a few tones are to be attenuated, it may be convenient to use only a few narrowband filters, one for each tone. This can be achieved by monitoring the spectrum of the signal at the input to the first circuitry to identify the number and frequency of tones in the signal and adjusting the narrowband filters to correspond to those frequencies. The narrowband filters are continuously adjusted by the first adaptation unit 13 to maintain their center frequency close to the frequency of the corresponding tone. Their bandwidth is adjusted to ensure that it is wider than the tone to be attenuated, but not too wide so that wideband signals are passed with insufficient delay. This processing is automatic.
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. 3 shows how the sensor signal can be derived from the sensor 8 in the area 2 to be controlled. The output 17 from the circuit arrangement 11, which in this figure is similar to that of Fig. 1, is fed to a filter 18. The characteristic of this filter is set to correspond to the transfer function between signal 17 and signal 7. This is identical to the filter c(i) used in the first adaptation unit 6. The output of the filter 18 is subtracted from the monitor signal 7 to obtain an equivalent signal 3. The characteristic of the filter 18 can be updated to maintain it as an exact representation of the transfer function.
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. 4 shows the equivalent circuit where the input to the first circuitry and monitor signals from the same sensor are derived for the circuitry 11 which uses narrow band filters.
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. 6 shows the system incorporated in an earmuff or headset. There are two systems, one for each ear, in a portable container 20 which contains the battery 21 for power supply. The earmuff may be an open protector so that the desired sound can reach the ear unhindered. The sensor 1 which generates the input to the first circuit arrangement is a microphone 19 mounted on the housing of the earpiece (or pinna), and the sensor 8 which generates the monitor signals is a microphone housed in the earpiece near the ear. The transducer 6 is a loudspeaker built into the housing of the earpiece.
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. 7 shows a system in which a microphone 22 is used to provide the input to the first switching arrangement for both circuits 11.
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).Fig. 8 shows an embodiment in which no separate sensor is present to obtain an input to the first circuit arrangement (the input is derived from the monitor signals in the manner described above).
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.An additional input may be given to one or each of the loudspeakers carrying desired communication signals for the wearer, and these signals are converted into sound audible to the wearer. This sound is unaffected by the circuitry 11. When the ear protector forms part of a communication headset, a microphone is attached to the headset to receive the wearer's speech. In this case, it may be desirable to insert an effectively delayed and adaptive filter section into the voice communication channel to eliminate the background audio noise picked up by the speech microphone.
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.The effective delay may be achieved by introducing a delay into the signal either before, during or after the adaptive filtering, or a combination thereof. Thus, according to Figures 1 - 3, part or all of the delay introduced by the device 4 may be incorporated into the filter 5, or by a discrete device inserted between the filter 5 and converter 6. The second circuit 76 must of course be adjusted accordingly.
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: In the above description and the claims, reference is made to a cross-correlation of the two signals. This expression is defined as follows: The cross-correlation (c) of two digitally sampled signals r(i) and w(i) (where the offset between the two cross-correlation signals is n) is given by:
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.where N can be any number and, as stated above, n is the number of sampled locations by which one signal is offset from the other.
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.An active control system for attenuating audio noise in a defined area is described. In its basic form, the system comprises sensors (1, 8) for generating signals indicative of the residual noise in the area after attenuation and the uncontrolled sound affecting the area, signal processing circuits (10, 26) for processing the generated signals in different ways depending on the audio content, an adaptive filter (5) fed with at least one of the generated signals, the characteristics of which are controlled by the processing circuit (10), a transducer (6) for generating an audio noise attenuating perturbation in the area, and a delay device (4) for delaying signals relating to the uncontrolled noise before or after or during the adaptive filtering. The system is directly applied in a personal headset or ear protector.
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