ハウリングキャンセラの改良

ハウリングキャンセラの改良

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お知らせ（2012.1.23）

ハウリング・キャンセラ実験キットCANCELLER KITを近日発売予定です．　どなたでも手軽にハウリング抑圧手法の実験、技術習得、デモンストレーションが出来ます．
当社出荷価格は220万円（税込231万円）です．　製品の詳細は当社までお問い合わせ下さい → TEL (042)357-0621
アカデミック・ディスカウント価格に関しても当社まで直接お問い合わせ下さい．
なお、本製品は当社の所有する知的財産権・工業所有権を販売、譲渡、ライセンスするものではありません．

PDF資料 howling_txt.pdf （692KB）
PDF資料 howling_txt_data.pdf （下記のwavファイルを埋込済，9751KB）
- 添付ファイル1：実験結果WAVファイル howling_data1.wav （3446KB）
- 添付ファイル2：実験結果WMVファイル howling_data2.wmv （4085KB）
WMVファイルをうまく再生出来ない場合は，AVIファイル howling_data2.avi （60695KB）をご利用ください．
録画時に使用した機材の関係でWMVファイル，AVIファイルともに画質はよくありません．

ハウリングキャンセラのシミュレーション・プログラム
- Scilab用のハウリングキャンセラのシミュレーション・プログラムです．　もっとも基本的な構成のシミュレーションです．　シミュレーション実行の高速化、使用メモリ容量削減の工夫は一切おこなっていません．
- 一部修正を加えればMATLABでも実行できるはずです．
- 下記のzipファイルにはテスト用の音声データのwavファイルも含まれています．（フォード大統領の大統領就任時の演説の冒頭部分、サンプリング周波数8kHz）
- ハウリングキャンセラのシミュレーション・プログラム scilab_canceller.zip (708KB)

ハウリングキャンセラのデモ・プログラム
- TI (Texax Instruments) 製のDSP評価ボード C6713 DSK を使って簡単にハウリング・キャンセラの実験が出来ます．　大学、高専等での実験、デモにご利用ください．　
- 教育機関であれば日本TIのユニバーシティ・プログラムの窓口経由で C6713 DSK を入手可能です．　条件を満たせば日本TIのアカデミック・ディスカウント、ドネーションの制度を利用出来ます．
- 残響室、音響実験用の防音室が無くても、残響時間が短めの部屋（音響的な配慮をした設計の講義室等）で実験可能です．
  
  拡声システムの構成
  無響室内での実験用の構成．　残響のある部屋でも拡声系の開ループ利得を小さめ（6dB程度）にすれば、この構成での実験が可能です．
  
  補聴器の構成（またはメガホン型拡声器の構成）
  残響のある普通の部屋でもこの構成で実験可能です．

2009年11月18～20日のET2009(Embedded Technology 2009）において、DSPボード・FPGAボード等を取り扱っている立野電脳（株）のブース内でハウリングキャンセラのデモをおこないました．

デモ展示内容は下記の東京都立産業技術センターでのデモと同じ構成です．
スピーカの直前にマイクを配置しています．
開ループ利得は25dBです．
極端に利得を大きく取っていることと、暗騒音が大きいためにスピーカからの再生音の品位はあまり良くありませんでしたが、ハウリングは完全に抑圧されています．

2009年9月11～12日の東京都立産業技術研究センター西が丘本部の施設公開で当社の改良手法を用いたハウリングキャンセラのデモが実施されました．
マイクとスピーカの間隔は数cm程度です．　超大型（！？）のオープン・フィッティング型の補聴器のモデルになっています．
マイク／スピーカのそばで小声で喋ると、スピーカから自分の声が大きく増幅されて聞こえてきます．
システムの開ループ利得は周波数1kHzで20dBです．（ハウリングキャンセラが無ければすぐに発振します）

ハウリングの性質
- 拡声装置，補聴器等のハウリングは，音響的な正のフィードバックによりその伝達特性が発振条件を満たした時に発生します．　下図において拡声システム（電気系）の伝達特性をH_E(ω)，音響系の伝達特性をH_A(ω)とすると，以下の２つの条件をともに満たした周波数ωでハウリングが生じます．
  条件A　開ループ利得が１を超える　　1 < |H_E(ω)H_A(ω)|
  条件B　位相回転が2π（360度）の整数倍になる　　∠ H_E(ω)H_A(ω) = 2nπ
- 一般的な拡声装置ではスピーカとマイク間の距離が大きく，電気信号と比較して音波の伝播速度が遅いために音響系での位相回転が大きくなります．　したがって，利得が過剰な場合にはあらゆる周波数でハウリング（発振現象）が生ずる可能性があります．
- 発振条件が満たされれば，マイクに音声を入力しなくても室内の暗騒音やアンプの内部雑音を励振信号としてハウリングが発生します．　実際に無響室内で観測したハウリング音の波形を以下に示します．　(a)が波形，(b)がそのスペクトログラムです．
  - ハウリングの振幅ははじめ指数関数的に関数的に増大しますが無限大に発散はせず，やがて振幅一定の定常状態（飽和状態）に達します．
  - システムの開ループ利得 |H_E(ω)H_A(ω)| は周波数約800Hzでわずかに0dBを超える程度なので，ハウリング音の立ち上がり部分は周波数約800Hzの正弦波です．　しかし，飽和状態では波形がクリップして整数倍の周波数の歪成分が発生しています．
- ハウリングが飽和する原因は拡声システムが飽和特性（非線形性）を有しているからです．　マイクの振動膜，スピーカのボイスコイルとコーン紙の変位量は有限であり，アンプの電源電圧も有限です．　したがって，拡声システムは本質的に有限振幅特性を有しています．
- 現実の拡声システムでは観測困難ですが，（非線形特性を組み込んだ）コンピュータ・シミュレーションでは，条件設定によっては下図のような特異なハウリング波形が発生することがあります．　このような波形でも定常状態で振幅が飽和することは変わりありません．
  
  かなり恣意的な伝達特性の設定でシミュレーションをすると，下図のように定常状態に達するまでにさらに波形が変動する場合があります．
- ご興味のある方は下記のScilabのシミュレーション・プログラムを試してみてください．　動作確認はScilab4.1.2でおこなっています．　下記の拡張子sceのファイルはScilabのソース・プログラムですので，実行にはScilabのシステム本体をパソコンにインストールする必要があります．
  
  howling_sim001.sce
  
  波形スペクトログラム
  
  howling_sim002.sce
  
  波形スペクトログラム
  
  howling_sim003.sce
  
  波形スペクトログラム
  
  シミュレーション・プログラムの処理の概略は下図のようになっています．　FIRフィルタとリミッタ回路を組み合わせてフィードバックをかけているだけです．　exitation signalはハウリングを起こすための励振信号です．
  
  　
ハウリングキャンセラ無しの拡声システムの性質
- 最初の図に戻ると，ハウリングキャンセラ無しの拡声システムでハウリングが発生する原因はスピーカ～マイク間の音響系の結合（フィードバック）が生じるからです．　スピーカとマイクの距離は大きいほうがハウリングは発生しにくくなります．（ |H_A(ω)| をできる限り小さくする）　スピーカ～マイク間の音響信号の伝達を遮断すればハウリングは発生しません．　フィードバック・パスを切断すると |H_A(ω)| =0 となります．
ハウリングキャンセラ付きの拡声システムの性質
- 現在研究が進められているハウリング抑圧の手法として，ノッチフィルタや櫛形フィルタを用いたものなどがありますが，もっとも汎用性が高いと考えられるのは適応フィルタを用いたハウリングキャンセラです．　一般的な適応フィルタを用いたハウリングキャンセラを組み込んだ拡声システムの構成を以下に示します．
- ハウリングキャンセラ付きの拡声システムは，システム同定の構成の適応システムの出力から遅延（delay）を経て入力側にフィードバックがかかった構成になっています．　delayは適応システムの出力信号と入力信号間に生ずる相関を減じて，収束特性の低下を防ぐためのものです．　delayの代わりに（聴感上の違和感の無い程度の）周波数シフト，ピッチシフト等の処理を用いてもかまいません．　拡声システムの入力はマイクではなくパワーアンプの入力端子，出力はスピーカではなくマイクアンプの出力端子となります．　拡声対象の音声は適応システムへの加法性雑音としてマイクに入力されます．
- フィードバック・パスを切断すれば，システム全体の安定性が保障されます．　ただし，引き換えに拡声システムの拡声機能は失われます．（マイクアンプの出力とパワーアンプの入力間の接続が切断されるため）
- ハウリングキャンセラ付きの拡声システムにおいては，スピーカ～マイク間の音響系の信号経路はフィードバック・パスではありません．　音響系の信号の結合の有無はハウリング発生条件やシステムの安定性とは無関係です．
  - スピーカとマイク間の信号経路を切断しても，適応フィルタ（Adaptive Filter）を経由した閉じたループが形成されるために，システムの安定性を保証することはできません．
  - 一方，スピーカ～マイク間の音響系の信号結合があっても，適応システム（Adaptive System）の利得が1以下であれば，系の安定性は満たされるのでハウリングは発生しません．
- 上図に示した従来の適応フィルタを用いたハウリングキャンセラは，広い周波数帯域で開ループ利得が1を超える状況で発生して，飽和状態に達したハウリングを抑圧することは困難です．　何故ならば，適応フィルタは系の線形性を仮定した処理であるにもかかわらず，飽和状態では拡声システムの非線形性（有限振幅特性）により非線形な歪が発生するからです．　拡声システムを構成するパワーアンプ，スピーカ，マイク，マイクアンプだけでなく，D/A変換器とA/D変換器も有限振幅特性を有していることに注意してください．
システムの非線形性を考慮したハウリングキャンセラの構成
シミュレーション結果
無響室内での実験結果

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