JP2007028354A - ノイズキャンセルヘッドホン - Google Patents

Abstract

【課題】環境騒音を打ち消すためのマイクロホンがスピーカから伝播される音波の影響を受けないようにし、その際に生じる逆位相の音波と使用者の耳に届く生の環境騒音との位相の狂いを補償し、環境騒音の打ち消し効果を高めるノイズキャンセルヘッドホンを得る。
【解決手段】スピーカと、環境騒音を検出するマイクロホン１４ａ、１４ｂによって検出された環境騒音と逆位相の音響信号を生成してスピーカを駆動する信号処理回路を備える。ヘッドホン筐体はこれを使用者の頭部に装着するためのヘッドバンド１２と連結され、ヘッドバンド１２にマイクロホン１４ａ、１４ｂが組み込まれ、ヘッドホンが使用者の頭部に装着されたときの使用者の耳の位置からマイクロホンまでの距離が離れることによって使用者の耳に入る環境騒音とこの環境騒音と逆位相のスピーカから伝播される音波との位相ずれを補償する位相補償手段１６を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、ノイズキャンセルヘッドホンに関するもので、特に、キャンセルしようとする騒音ないしは雑音（以下「環境騒音」という）を検出するマイクロホンの配置位置および環境騒音をキャンセルすべくスピーカから伝播される音波の位相補償に特徴を有するものである。

近年、携帯型のオーディオ機器が普及し、屋外や電車、バスなどの乗り物内などにおいてヘッドホンで音楽を聴く機会が多くなった。屋外では自動車、電車、周囲の人の話し声、その他多くの騒音源があり、電車やバスの中では、電車やバス自体が騒音源となって、ヘッドホンの筐体あるいはヘッドホンの耳当てを通して環境騒音が進入する。環境騒音が進入すると、スピーカから再生される音楽などの音波が環境騒音で打ち消され、良好な音質での再生が阻害される。また、環境騒音が大きい場合は、再生音量を上げがちになり、ヘッドホンのスピーカによる再生音がヘッドホンの外側に漏れ、電車などの乗り物の中では、この音漏れが周囲の人にとっては不愉快な騒音となることがある。

そこで、最近では、外部から進入する環境騒音をキャンセルしてオーディオプレーヤなどの再生音のみをスピーカから発するようにしたノイズキャンセルヘッドホンが普及しつつある。ノイズキャンセルヘッドホンは、ヘッドホンに外部から進入してくる環境騒音をマイクロホンで検知し、検知した環境騒音の位相と逆位相の音を生成してスピーカを駆動し、進入してくる環境騒音を打ち消すことを原理としている。

図３は従来のノイズキャンセルヘッドホンの一例を示す。図３において、ヘッドホン筐体１内には、ＣＤプレーヤ、ＨＤＤプレーヤ、その他適宜のオーディオプレーヤによって駆動され音楽などが再生されて音波を伝播するスピーカ２が組み込まれている。ヘッドホン筐体１内にはまた、このヘッドホン筐体１内に外部から進入する環境騒音を検出するマイクロホン３が組み込まれている。マイクロホン３で検出され電気信号に変換された環境騒音の信号は、図示されない信号処理回路で処理されて上記環境騒音の信号と逆位相の信号が生成され、この逆位相の信号によってスピーカ２が駆動されるようになっている。その結果、ヘッドホン筐体１内に進入する環境騒音が、スピーカ２から伝播される上記逆位相の音波で打ち消され、環境騒音が低減ないしは除去される。

ヘッドホン筐体１はスピーカ２から音波が伝播される側が開放されていて、この開放側の外周縁に沿って柔軟性のある材質からなる耳当て４が固着されている。ヘッドホンは上記耳当て４で使用者５の耳を囲んだ状態で使用者５の頭部の側面に押し当てて使用する。外部の環境騒音はヘッドホン筐体１を通して進入するものもあるが、主に耳当て４を通して進入する。図３において符号６で示す矢印は外部から騒音が進入する様子を示している。環境騒音は、耳当て４を通ることによって減衰しながらヘッドホン内に進入し、マイクロホン３で検出される。

図４は、従来のノイズキャンセルヘッドホンの信号処理系統の例を示す。図４において、符号７はヘッドホン使用者の耳を示す。ヘッドホン使用者の耳７には上記のように主に耳当て４を通して環境騒音Ｎが進入する。環境騒音Ｎは前記マイクロホン３によって検出され電気信号に変換される。この環境騒音Ｎの電気信号は逆位相の電気信号−Ｎに変換され、加算器８において、オーディオプレーヤなどの音源で再生されあるいは生成された音楽などのオーディオ信号と加算され、この加算信号でスピーカ２を駆動するようになっている。環境信号Ｎは、これにマイクロホン３で検出され生成された逆位相の信号−Ｎが加算されることによって打ち消され、上記オーディオ信号のみがスピーカ２から再生されて伝播されることになる。

ノイズキャンセルヘッドホンに関しては各種の技術が公開されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照）。

特開平２００４−１６３８７５公報 特開平２０００−５９８７６公報 特開平６−２３３３８８号公報 特開昭５７−９１０９６号公報 実開平５−３６９９１号公報

図３、図４に示すような従来のノイズキャンセルヘッドホンによれば、使用者５の頭部と、耳当て４と、ヘッドホン筐体１で形成される空間内に進入する環境騒音をマイクロホン３で検出し、この検出信号から環境騒音を打ち消すための信号を生成するようになっている。上記の空間は密閉された状態で使用されるため、スピーカ２から伝播される音波がマイクロホン３で受音され、受音された音波がまたスピーカ２から伝播されることになり、ハウリングが発生しやすい条件が揃っている。そこで、ハウリングを起こさないように、スピーカ２の出力レベルを減衰させ、あるいはマイクロホン３の受音信号レベルを減衰させることによって対応している。しかし、かかる対応では環境騒音の打ち消し効果が低下する難点がある。

なお、特許文献２記載の発明のように、環境騒音をキャンセルするためのマイクロホンを、ヘッドホン筐体に、外側に向けて取り付けたものもある。かかる構成のノイズキャンセルヘッドホンによれば、マイクロホンを密閉空間の外側の環境騒音を検出するためハウリングの問題はない。しかし、それでもマイクロホンがスピーカの近くに配置されており、また、マイクロホンがスピーカとともにヘッドホン筐体で保持されているため、マイクロホンがスピーカから放射される音波の影響を受けやすい条件になっていることに変わりがない。また、マイクロホンがスピーカから幾分離れることになるため、前記環境騒音Ｎを検出してこれを打ち消すために生成されスピーカから放射され伝播される逆位相の音波と、使用者の耳に届く生の環境騒音との間に位相の狂いが生じ、環境騒音のキャンセルが万全ではないという難点がある。

本発明は、このような従来のノイズキャンセルヘッドホンの問題点に鑑みてなされたもので、環境騒音を打ち消すためのマイクロホンがスピーカから放射され伝播される音波の影響を受けることがないようにしたノイズキャンセルヘッドホンを提供することを目的とする。
本発明はまた、環境騒音をキャンセルするために伝播される逆位相の音波と使用者の耳に届く生の環境騒音との位相の狂いを補償することによって、環境騒音の打ち消し効果を高めることができるノイズキャンセルヘッドホンを提供することを目的とする。

本発明は、ヘッドホン筐体と、このヘッドホン筐体に組み込まれ音響信号により駆動されて音波を伝播するスピーカと、環境騒音を検出するマイクロホンと、このマイクロホンによって検出された環境騒音と逆位相の音響信号を生成して上記スピーカを駆動する信号処理回路を備えたノイズキャンセルヘッドホンであって、ヘッドホンを使用者の頭部に装着するためにヘッドホン筐体に連結されたヘッドバンドを有し、このヘッドバンドに上記マイクロホンが組み込まれていることを最も主要な特徴とする。
本発明はまた、ヘッドホンが使用者の頭部に装着されたときの使用者の耳の位置から上記マイクロホンまでの距離が離れることによって使用者の耳に入る環境騒音とこの環境騒音と逆位相になるべき上記スピーカから伝播される音波との位相のずれを補償する位相補償手段を有していることを特徴とする。

環境騒音を検出してこれを打ち消すためのマイクロホンは、これをヘッドバンドに組み込んだため、ヘッドホン筐体内に組み込んだスピーカから伝播される音波を上記マイクロホンが検出してハウリングを起こすことは全くありえないと考えてよく環境騒音の打ち消し効果を高めることができる。
また、スピーカとマイクロホンの距離を離すことによって、使用者の耳に入る環境騒音とこの環境騒音と逆位相になってスピーカから伝播される音波との間に位相のずれが生じるが、この位相ずれは位相補償手段によって解消され、環境騒音の打ち消し効果をさらに高めることができる。

以下、本発明にかかるノイズキャンセルヘッドホンの実施例を、図１、図２を参照しながら説明する。
図１において、符号１０ａ、１０ｂはそれぞれヘッドホンを示している。ヘッドホン１０ａは使用者５にとって右側に装着するヘッドホンであり、ヘッドホン１０ｂは使用者にとって左側に装着するヘッドホンである。各ヘッドホン１０ａ、１０ｂは、図２で説明したようなヘッドホン筐体と、このヘッドホン筐体内に組み込まれたスピーカを有している。また、ヘッドホン筐体は上記スピーカから音波が放射される側が開放されていて、この開放側の外周縁に沿って柔軟性のある材質からなる耳当てが固着されている。各ヘッドホン１０ａ、１０ｂはヘッドバンド１２の各端部に連結されている。ヘッドバンド１２は使用者の頭部に各ヘッドホン１０ａ、１０ｂを装着するためのもので、各ヘッドホン１０ａ、１０ｂのヘッドホン筐体がヘッドバンド１２の両端部に連結されている。ヘッドバンド１２は、使用者５の頭頂部をまたぎ、各ヘッドホン１０ａ、１０ｂが使用者５の両耳を覆った形で使用者５の頭部に装着される。

上記ヘッドバンド１２には二つのマイクロホン１４ａ、１４ｂが組み込まれている。マイクロホン１４ａは、ヘッドホン１０ａに対応するもので、ヘッドバンド１２の長さ方向中央からヘッドホン１０ａ寄りの位置に組み込まれている。マイクロホン１４ｂは、ヘッドホン１０ｂに対応するもので、ヘッドバンド１２の長さ方向中央からヘッドホン１０ｂ寄りの位置に組み込まれている。各マイクロホン１４ａ、１４ｂは環境騒音を検出するためのもので、各マイクロホン１４ａ、１４ｂで検出され電気信号に変換された環境騒音信号は、後で説明する信号処理回路によって環境騒音と逆位相信号の信号に変換され、この逆位相の信号で上記スピーカを駆動することにより、各ヘッドホン１０ａ、１０ｂと使用者５の頭部とで形成される空間内の騒音を打ち消すようになっている。マイクロホン１４ａで検出された環境騒音信号の逆位相でヘッドホン１０ａのスピーカを駆動し、マイクロホン１４ｂで検出された環境騒音信号の逆位相でヘッドホン１０ｂのスピーカを駆動するようになっている。

各マイクロホン１４ａ、１４ｂは各ヘッドホン１０ａ、１０ｂの筐体外に組み込んであるため、各ヘッドホン１０ａ、１０ｂのスピーカから伝播される音波を検出することはなく、ハウリングを起こすことはない。また、各マイクロホン１４ａ、１４ｂは各ヘッドホン１０ａ、１０ｂの筐体から離れた位置であるヘッドバンド１２に組み込まれているため、ヘッドホン筐体の振動や、各マイクロホンから発せられる音波を検出することがほぼ完全になくなり、ハウリング防止効果がより堅固なものとなる。その結果、環境騒音の打ち消し効果が向上し、より音質のよい音楽などを楽しむことができる。

上記のように、各マイクロホン１４ａ、１４ｂは、ヘッドバンド１２に組み込まれることによって、ヘッドホン１０ａ、１０ｂが使用者５の頭部に装着されたときの使用者５の耳の位置から上記マイクロホン１４ａ、１４ｂまでの距離が離れることになり、使用者５の耳に入る環境騒音とこの環境騒音に対し逆位相となる上記スピーカから伝播される音波との間に位相の狂いないしはずれが生じる。この位相の狂いないしはずれは環境騒音キャンセル効果の阻害要因となる。そこで本発明にかかるノイズキャンセルヘッドホンの実施例では、図２に示すような構成の信号処理系統が採用されている。この信号処理系統の特徴は、上記位相の狂いないしはずれを補償する位相補償手段を有していることである。

図２において、ヘッドホン使用者の耳７には前述のように主に耳当てを通して環境騒音Ｎが進入する。環境騒音Ｎはマイクロホン１４ａ、１４ｂによって検出され電気信号に変換される。この電気信号は環境騒音Ｎをキャンセルするために逆位相の−Ｎの信号に変換されるが、上記のように、スピーカ２の位置と各マイクロホン１４ａ、１４ｂとの間に距離があることにより位相ずれを生ずるので、マイクロホン受音信号位相補償回路１６によって上記位相ずれに相当する分の位相補償を行う。位相補償された上記逆位相の−Ｎの信号は、加算器８において、オーディオプレーヤなどの音源で再生されあるいは生成された音楽などのオーディオ信号と加算される。この加算信号はさらに位相補償回路１８で、スピーカ２に入力する電気信号と使用者５の耳までの空気伝播の位相が補償され、補償後の信号でスピーカ２を駆動するようになっている。

このように、環境信号Ｎは、これにマイクロホン３で検出され生成された逆位相の信号−Ｎが加算されることによって打ち消され、上記オーディオ信号のみがスピーカ２から再生されて伝播されることになる。これに加えて、マイクロホン１４ａ、１４ｂとヘッドホン使用者の耳との間に距離があることによって生じる生の環境騒音とキャンセル信号との位相のずれが補償され、スピーカと使用者の耳とが離れていることによって生じる位相のずれが補償されるため、各マイクロホン１４ａ、１４ｂがヘッドバンド１２に組み込まれたことによる環境騒音キャンセル効果の低下を回避することができ、環境騒音の打ち消し効果を高めることができる。

環境騒音は使用者の頭部の左右でそれほど大きく異なるものではない。そこで、環境騒音をキャンセルするためのマイクロホンは、ヘッドバンド１２に１個だけ組み込み、１個のマイクロホンで検出した環境騒音の逆位相信号で左右両側のスピーカを駆動して環境騒音をキャンセルするようにしてもよい。

ヘッドホンは、片側の耳にのみ装着して使用するモノラルタイプがあり、モノラルタイプでもヘッドバンドによって使用者の頭部に装着することができるようにしたものがある。このようなタイプのヘッドホンにも本発明を適用することによって環境騒音を打ち消すことができる。

マイクロホン１４ａ、１４ｂは、これに使用者などの手や身体の一部、その他が直接接触することがないように、あるいは衝撃などが直接マイクロホンに加わることがないように保護部材で覆うことが望ましい。その場合、保護部材の材質を、マイクロホンをヘッドホン筐体内に組み込んだときの音響的減衰特性に近い減衰特性を持つ素材にするとよい。このようにすることによって、使用者５の耳に各ヘッドホン１０ａ、１０ｂが装着されているときの環境騒音の聞こえ方に近い聞こえ方でマイクロホンに環境騒音が入るので、スピーカからマイクロホンが離れているにもかかわらず、環境騒音の打ち消し精度を高めることができる。

本発明は、図１に示すような使用者の耳を覆うタイプのヘッドホンに限らず、オープンエアタイプといわれるヘッドホンであっても、ヘッダバンドを有するタイプのものであれば適用可能である。

本発明にかかるノイズキャンセルヘッドホンの実施例を使用状態で概念的に示す正面図である。 本発明にかかるノイズキャンセルヘッドホンに適用される信号処理系統の例を示すブロック図である。 従来のノイズキャンセルヘッドホンの例を模式的に示す正面図である。 上記従来のノイズキャンセルヘッドホンに適用される信号処理系統の例を示すブロック図である。

符号の説明

２ スピーカ
１０ａ ヘッドホン
１０ｂ ヘッドホン
１２ ヘッドバンド
１４ａ マイクロホン
１４ｂ マイクロホン
１６ マイクロホン受音信号位相補償回路

Claims (9)

1. ヘッドホン筐体と、このヘッドホン筐体に組み込まれ音響信号により駆動されて音波を放射するスピーカと、環境騒音を検出するマイクロホンと、このマイクロホンによって検出された環境騒音と逆位相の音響信号を生成して上記スピーカを駆動する信号処理回路を備えたノイズキャンセルヘッドホンであって、
   上記ヘッドホン筐体はこれを使用者の頭部に装着するためのヘッドバンドと連結されており、
   上記ヘッドバンドに上記マイクロホンが組み込まれていることを特徴とするノイズキャンセルヘッドホン。
2. ヘッドホン筐体と、このヘッドホン筐体に組み込まれ音響信号により駆動されて音波を伝播するスピーカと、環境騒音を検出するマイクロホンと、このマイクロホンによって検出された環境騒音と逆位相の音響信号を生成して上記スピーカを駆動する信号処理回路を備えたノイズキャンセルヘッドホンであって、
   上記ヘッドホンを使用者の頭部に装着するために上記ヘッドホン筐体に連結されたヘッドバンドを有し、
   上記ヘッドバンドに上記マイクロホンが組み込まれ、
   ヘッドホンが使用者の頭部に装着されたときの使用者の耳の位置から上記マイクロホンまでの距離が離れることによって使用者の耳に入る環境騒音とこの環境騒音と逆位相になるべき上記スピーカから伝播される音波との位相のずれを補償する位相補償手段を有していることを特徴とするノイズキャンセルヘッドホン。
3. 使用者の頭部の左右に装着すべき左右のヘッドホン体を備え、左右のヘッドホンは一つのヘッドバンドの両端部に連結され、このヘッドバンドにマイクロホンが組み込まれている請求項１または２記載のノイズキャンセルヘッドホン。
4. ヘッドバンドに左右のヘッドホンに対応して左右のマイクロホンが組み込まれている請求項３記載のノイズキャンセルヘッドホン。
5. マイクロホンは、保護部材で覆われている請求項１から４のいずれかに記載のノイズキャンセルヘッドホン。
6. 保護部材は、マイクロホンをヘッドホン筐体内に組み込んだときの音響的減衰特性に近い減衰特性を持つ素材からなる請求項５記載のノイズキャンセルヘッドホン。
   
7. 位相補償手段は、マイクロホンによる受音信号の位相補償回路を含む請求項２記載のノイズキャンセルヘッドホン。
8. 位相補償手段は、スピーカに入力する電気信号の位相補償回路を含む請求項１または７記載のノイズキャンセルヘッドホン。
9. スピーカに入力する電気信号の位相補償回路は、スピーカから耳までの空気伝播によって生じる位相のずれを補償する回路である請求項８記載のノイズキャンセルヘッドホン。

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