JP2007110535A - 騒音キャンセルヘッドフォン、及びそのばらつき調整方法 - Google Patents

騒音キャンセルヘッドフォン、及びそのばらつき調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】騒音キャンセルヘッドフォンは、ＡＤＣ、ＤＡＣの遅れにより応答周波数１ｋＨｚを実現するデジタル化が困難であった。本発明は、１ビット信号処理技術を使って応答周波数１ｋＨｚを実現し、フィードバック制御ループのゲインばらつきを自動的に調整し、最適な騒音低減効果を得ることを目的とする。
【解決手段】騒音キャンセルヘッドフォンにおいて、スピーカ４４とマイク４６を近接して設け、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、音楽信号とマイク４６からの帰還信号の偏差信号に応じた信号によりスピーカ４４から音声を出力し、スピーカ４４からの音声と騒音をマイク４６によって集音してフィードバックするように構成されるフィードバック制御回路と、騒音キャンセルスイッチ６２をＯＮする毎に、フィードバック制御回路の開ループゲインを予め設定したヘッドフォン装着時の目標値になるように調整する装着時ばらつき調整手段を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、騒音キャンセルヘッドフォンに係り、特に騒音キャンセルの制御ループを構成するデジタル信号処理回路の処理速度を高速化することにより、高音質の音声を再生することができる騒音キャンセルヘッドフォン、及びその制御ループゲインのばらつき調整方法に関する。
近年、周囲の騒音をキャンセルして音楽などを聴取することができる騒音キャンセルヘッドフォンが各社より製品化されている。これらの騒音キャンセルヘッドフォンは、周囲の騒音をマイクから入力して逆位相で打ち消し、低騒音化を実現するようになっている。騒音を逆位相で打ち消す方法として、大きく分けて、閉ループによるもの（例えば特許文献１）と、開ループによるもの（例えば特許文献２）がある。
図１０は、閉ループによる騒音キャンセルを実現する従来技術における制御構成の概略を示したものである。図１０を参照して閉ループによる騒音キャンセルの制御について簡単に説明する。なお、以下の説明では音響を含めて音声として記載する。
騒音キャンセル制御では、騒音をキャンセルする為に、吸音材などを利用した受動騒音制御だけでなく、電気的に制御して騒音と逆相の信号を音源から発生することにより騒音を直接打ち消す能動騒音制御を行っている。これにより、受動騒音制御だけではキャンセルできない低域分を能動騒音制御によりキャンセルすることができる。以下の図１０を参照して、従来の騒音低減制御のうち能動騒音制御について説明する。
図１０において、１は騒音キャンセルヘッドフォンの制御回路部である。２は騒音キャンセルヘッドフォンの音声再生部（以下ヘッドフォンという）を示す。また、３は音楽などの音声信号をアナログ音声信号として出力する音声信号再生装置であり、図１０ではシリコンプレーヤ（音楽データを記憶する記憶媒体が半導体メモリである携帯型オーディオ装置）となっている。制御回路部１とヘッドフォン２は、一体に構成されたものや別体として構成されたものがある。また、ヘッドフォン２はヘッドフォン型の他にイヤホン型のものもある。
音声信号再生装置３から入力されたアナログ音声信号は、制御回路部１で音声信号処理されてヘッドフォン２に出力され音声Ｓとして再生される。
制御回路部１は、補正回路４、信号増幅器５、アナログフィルタ６、切替スイッチ１７、ヘッドフォンアンプ７、マイクアンプ８、騒音キャンセルスイッチ９、電源スイッチ１０、電池１１などで構成されている。ヘッドフォン２は、スピーカ１３、マイク１４、ヘッドフォンハウジング１２、バンド１６などで構成されている。なお、１５は聴取者の耳を簡略化して描いたものである。
音声信号再生装置３の出力部は補正回路４の入力部に接続されている。また、補正回路４の出力部は信号増幅器５の正入力端子に接続されると共に切替スイッチ１７のｂ端子に接続される。また、信号増幅器５の出力部はアナログフィルタ６の入力部に接続される。アナログフィルタ６の出力部は切替スイッチ１７のａ端子に接続される。また、切替スイッチ１７はａ端子又はｂ端子がｃ端子に切替接続される切替スイッチとなっており、ｃ端子はヘッドフォンアンプ７の入力部に接続されている。また、ヘッドフォンアンプ７の出力部はスピーカ１３に接続されている。スピーカ１３とマイク１４はヘッドフォンハウジング１２内に近接して取り付けられている。ユーザがヘッドフォン２を装着した状態で、マイク１４はスピーカ１３からの音声Ｓとヘッドフォンハウジング１２を介してマイク１４に届いた周囲の騒音Ｎの両方を集音するようになっている。ここで、騒音はヘッドフォンハウジング１２を介してヘッドフォンハウジング１２内の耳空間に届くので、ヘッドフォンハウジング１２の外側の騒音をＮ’、内側の騒音をＮと表現している。
補正回路４は、音声信号再生装置３から入力された音声信号を補正して、スピーカ１３から出力される音声Ｓの可聴周波数範囲での周波数特性がほぼフラットの特性となるように設けられた補正回路である。また、信号増幅器５は、補正回路４から正入力端子に入力された音声信号と、マイクアンプ８から負入力端子に入力されたフィードバック信号の差分を増幅する偏差増幅器となっている。また、アナログフィルタ６は騒音を低減したい周波数帯域でゲインを大きくしたバンドパスフィルタとなっている。また、ヘッドフォンアンプ７は入力された信号を電力増幅してスピーカ１３に供給する。マイク１４は、スピーカ１３から出力された音声Ｓ及び騒音Ｎを集音して電気信号に変換し、マイクアンプ８に供給する。マイクアンプ８はマイク１４からの信号を増幅し、信号増幅器５の負入力端子にフィードバック信号として帰還させる。
このように制御回路部１、ヘッドフォン２、音声信号再生装置３で構成された音声再生システムは、切替スイッチ１７をａ端子側に切り替えたとき、信号増幅器５、アナログフィルタ６、ヘッドフォンアンプ７、スピーカ１３、マイク１４、マイクアンプ８により負帰還のフィードバックループを構成する。このとき、音声再生モードは騒音キャンセル制御モードとなる。また、切替スイッチ１７をｂ端子側に切り替えたとき、アナログフィルタ６の出力が遮断されてフィードバックループが解除され、補正回路４の出力が切替スイッチ１７のｂ、ｃ端子を介してヘッドフォンアンプ７の入力に接続される。このとき、音声再生モードは騒音キャンセル制御を行わない通常の音声再生モードとなる。
いま、騒音キャンセル制御モードにおけるフィードバックループを考える。図１０の音声再生システムの制御回路構成を、伝達関数を使ったブロック線図で表現すると図１１のようになる。
補正回路４の出力部ｘ（＝信号増幅器５の正入力端子であり、音楽信号Ｉが入力される）からスピーカ１３の出力部（＝音声Ｓが出力される）までの前向きのループゲインをＧ１、マイク１４の入力部ｙ（＝聴取者の耳空間部であり、音声Ｓと騒音Ｎの混合した音が入力される）から信号増幅器５の負入力端子までの後ろ向きのループゲインをＧ２とする。また、聴取者の耳空間部ｙに入力点ｚから騒音Ｎが外乱として入力される。
図１１において、１０１は前向きループゲインＧ１、１０２は後ろ向きループゲインＧ２、１０３はフィードバック信号加算部、１０４は騒音Ｎの加算点を示している。スピーカ１３からの音声Ｓは、音楽信号Ｉによる音と騒音Ｎによる音が混合している。また、耳空間部ｙでは、スピーカ１３からの音声Ｓと騒音Ｎが混合している。
補正回路４の出力部ｘを入力点としてマイク１４の入力部ｙを出力点とする閉ループゲインＨ１は制御理論から明らかなように次の式で表される（＊は乗算を意味する。以下同様）。
H1=G1/(1+G1*G2) ・・・・・・・・（１）
また、騒音Ｎの入力部ｚを入力点としマイク１４の入力部ｙを出力点とする閉ループゲインＨ２は次のようになる。
H2=1/(1+G1*G2) ・・・・・・・・（２）
音楽信号Ｉの入力と騒音Ｎの入力に対応する総合的な耳空間部ｙの音は、音声Ｓと騒音Ｎの合成になり、次のようになる。
S+N=H1*I+H2*N
={G1/(1+G1*G2)}*I+{1/(1+G1*G2)}*N ・・・・・・・・（３）
（３）式の第１項は音楽信号Ｉによる音声、第２項は騒音Ｎによる音声を示している。騒音をキャンセルするときは第２項を小さくすればよいことがわかる。
ゲインＧ１とゲインＧ２の積、すなわち開ループゲインＧ１＊Ｇ２が１に対して非常に大きくなったとき、補正回路４の出力部ｘからマイク１４の入力部ｙまでの閉ループゲインＨ１は（１）式から、
Ｈ１→１／Ｇ２ ・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
となり、また、騒音Ｎの入力部ｚからマイク１４の入力部ｙまでの閉ループゲインＨ２は（２）式から、
Ｈ２→１／Ｇ１＊Ｇ２→０ ・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
となる。したがって、（３）と（５）式から、図１１の伝達関数のブロック線図において開ループゲインＧ１＊Ｇ２を大きくすると騒音が低減されることがわかる。
また、このとき、フィードバック制御ループの安定性は開ループゲインＧ１＊Ｇ２により判定できることはよく知られたことであり、図１２を使って簡単に説明すると次のようになる。
図１２の（ａ）は開ループゲインＧ１＊Ｇ２のゲイン特性を表している。図示のように低域のカットオフ周波数が２０Ｈｚ〜３０Ｈｚ、高域のカットオフ周波数が８００Ｈｚ〜２ｋＨｚのバンドパス特性となっている。また、図１２の（ｂ）は開ループゲインＧ１＊Ｇ２の位相特性を表している。サーボ制御理論より、フィードバック制御ループが安定であるためには、ゲイン特性が０ｄＢになる周波数で位相余裕が約３０°以上有り、位相特性が１８０°になる周波数でゲイン余裕が約１０ｄＢ以上有ることが必用である。位相余裕、又はゲイン余裕がこれより小さいときは発振現象を起こしハウリングし異常状態となる。
上記のゲインＧ１はアナログフィルタ６のゲインを調整することにより行われている。ゲインＧ１は騒音低減のためには大きいほうがよいが、大きくするとフィードバック制御ループの安定性が損なわれて異常状態になる。また、ゲインＧ２の変動には、マイク１４、マイクアンプ８のハード的な特性に起因する変動要因と、聴取者のヘッドフォン装着状態に起因する変動要因がある。従来は安定性を確保するため、アナログフィルタ６の可変ボリュームによりゲイン調整してゲインＧ１を必要以上に小さく設定し、十分なゲイン余裕と位相余裕を得るようにしておき、聴取者のヘッドフォン装着状態によりゲインＧ２が大きく変わっても発振現象を起こさないようにしていた。
特開平６−３４３１９５号公報 特開平１１−１９６４８８号公報
上記従来技術では、聴取者のヘッドフォン装着状態によりゲインＧ２が大きく変わっても発振現象を起こさないようにアナログフィルタ６の可変ボリュームによりゲイン調整してゲインＧ１を必要以上に小さく設定し、十分なゲイン余裕と位相余裕を得るようにしていた。（４）式と（５）式を合わせて考えると、騒音低減の効果を大きく得るためにはゲインＧ１をなるべく大きく設定する必用がある。従来は聴取者のヘッドフォン装着状態によるゲインＧ２の変動に対応することができないのでゲインＧ１を必要以上に小さく設定し、十分なゲイン余裕と位相余裕を得るようにしていたものである。
本発明は安定性を確保できる範囲でゲインＧ１をなるべく大きく、しかもゲインＧ１、Ｇ２のばらつき、及びヘッドフォン装着状態におけるゲインＧ２のばらつきの影響が少なくなるように精度良く調整された状態で自動設定することを目的にするが、アナログ的に実現された従来のアナログフィルタ６の可変ボリュームの調整方法ではこれを実現することが困難である。そこで本発明ではゲインＧ１の調整機構をデジタル化して実現することを考える。
ところで、上記背景技術の欄で従来技術は騒音をキャンセル為に、吸音材などを利用した受動騒音制御だけでなく、騒音と逆相の信号を音源から発生することにより、騒音を直接打ち消す能動騒音制御を行っていることを述べたが、これはスピーカなどの動作遅れにより能動騒音制御の応答が高く取れないため、能動騒音制御で約１ｋＨｚ以下の騒音を低減し、それ以上の騒音は受動騒音制御で低減するようにしていることによるものであった。例えばスピーカ１３の動作遅れが一番大きく約１００μsecあり、その他の構成要素の遅れも入れて音声再生システムとしての応答周波数が約１ｋＨｚ以下となっているものである。
ゲインＧ１の調整機構をデジタル化してＰＣＭ音楽データをデジタル処理しようとした場合、マイク１４からのアナログフィードバック信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器（以下ＡＤＣという）と、デジタル音声信号を処理してアナログ信号の音声信号に変換しスピーカ１３に出力するためにデジタル／アナログ変換器（以下ＤＡＣという）が少なくとも１個ずつ必要となる。そこでＡＤＣとＤＡＣの遅れ時間を検討すると、ＡＤＣが約３４０μsec、ＤＡＣが約３４０μsecの遅れ時間を持っており、現状のスピーカなどの動作遅れ約１００μsecよりかなり大幅な遅れとなる。したがって、ＡＤＣやＤＡＣを使ったのでは応答が約１００Ｈｚ程度以下に落ちてしまい実用化することができない。
このように、従来技術ではデジタル制御で応答周波数１ｋＨｚを実現することは困難であり、このことが従来技術でデジタルフィルタが採用されなかった理由でもある。
本発明は上記問題点に鑑み、デジタル制御技術を使って応答周波数１ｋＨｚを実現し、Ｇ１、Ｇ２のばらつきを自動的に調整し、しかも聴取者が騒音キャンセル制御モードで動作させる毎にヘッドフォンの装着状態に応じてゲインＧ１を自動的に調整し、ゲイン余裕と位相余裕を必用以上に取らなくても、制御系が安定に動作し、最適な騒音低減効果を得ることを目的とする。
本発明の請求項１に係る発明の要旨は、音楽信号を入力して周囲の騒音がキャンセルされた音声を聴取することができる騒音キャンセルヘッドフォンにおいて、スピーカとマイクが近接して設けられており、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記音楽信号と前記マイクからの帰還信号の偏差信号に応じた信号により前記スピーカから音声を出力し、前記スピーカからの音声と騒音を前記マイクによって集音して前記帰還信号としてフィードバックするように構成されるフィードバック制御回路と、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィードバック制御回路の開ループゲインを予め設定されたヘッドフォン装着時の目標値になるように調整する装着時ばらつき調整手段を備えたことを特徴とする騒音キャンセルヘッドフォンに存する。
また、本発明の請求項２に係る発明の要旨は、音楽信号を入力して周囲の騒音がキャンセルされた音声を聴取することができる騒音キャンセルヘッドフォンにおいて、スピーカとマイクが近接して設けられており、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記音楽信号と前記マイクからの帰還信号の偏差信号に応じた信号により前記スピーカから音声を出力し、前記スピーカからの音声と騒音を前記マイクによって集音して前記帰還信号としてフィードバックするように構成されるフィードバック制御回路と、前記フィードバック制御回路の開ループゲインが予め設定した出荷時の目標値になるようなゲイン調整値を求めて不揮発性メモリに記憶する出荷時ばらつき調整手段と、電源をＯＮするごとに、前記不揮発性メモリに記憶されたゲイン調整値により前記フィードバック制御回路の開ループゲインを設定する電源ＯＮ時ゲイン設定手段と、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィードバック制御回路の開ループゲインを予め設定したヘッドフォン装着時の目標値になるように調整する装着時ばらつき調整手段を備えたことを特徴とする騒音キャンセルヘッドフォンに存する。
また、本発明の請求項３に係る発明の要旨は、前記フィードバック制御回路には、前記偏差信号入力部と前記スピーカの間にフィルタが設けられ、前記装着時ばらつき調整手段は、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィルタのゲインを調整して、前記フィードバック制御回路の開ループゲインを予め設定した目標値になるように調整することを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の騒音キャンセルヘッドフォンに存する。
また、本発明の請求項４に係る発明の要旨は、前記装着時ばらつき調整手段は、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィードバック制御回路のループをオープン状態にしてばらつき調整用開ループを形成する切替手段と、特定周波数の正弦波信号に対する前記ばらつき調整用開ループのゲインを測定し、予め設定した前記ばらつき調整用開ループの開ループゲイン調整目標値になるように前記フィルタのゲインを調整するゲイン調整手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の騒音キャンセルヘッドフォンに存する。
また、本発明の請求項５に係る発明の要旨は、前記正弦波信号の周波数は、騒音キャンセルすべき周波数帯域内の特定周波数であることを特徴とする請求項４に記載の騒音キャンセルヘッドフォンに存する。
また、本発明の請求項６に係る発明の要旨は、前記音楽信号は１ビット信号であり、前記帰還信号は前記マイクからのアナログ信号が１ビット信号に変換された信号であり、前記偏差信号は、前記音楽信号の１ビット信号と前記帰還信号の１ビット信号をデジタル的に引き算した１ビット信号であり、前記フィルタは１ビット信号処理によるデジタルフィルタであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の騒音キャンセルヘッドフォンに存する。
また、本発明の請求項７に係る発明の要旨は、音楽信号を入力して周囲の騒音がキャンセルされた音声を聴取することができる騒音キャンセルヘッドフォンにおいて、制御電源をＯＮ、ＯＦＦする電源スイッチと、出荷時のばらつき調整の際にＯＮされる出荷時調整スイッチと、騒音キャンセルモードと通常モードの切り替えを行うための騒音キャンセルスイッチと、ばらつき調整時に調整用信号として特定の周波数の正弦波信号を出力するばらつき調整用信号生成回路と、デジタルフィルタの出力信号に応じた信号により音声を再生するスピーカと、前記スピーカに近接して設けられ、前記スピーカで再生された音声と周囲からの騒音を集音して電気信号に変換して出力するマイクと、前記マイクからの信号を１ビット信号に変換して帰還させるフィードバック回路と、１ビット信号に変換された前記音楽信号と１ビット信号に変換された前記帰還信号の偏差信号をデジタル的に引き算して１ビット信号として入力し、該入力された１ビット信号の偏差信号を騒音キャンセル周波数帯域でパスさせる１ビット信号処理の前記デジタルフィルタと、前記デジタルフィルタの信号レベルを検出するレベル検出回路と、前記レベル検出回路で検出されたレベル検出値と予め設定した開ループゲイン調整目標値に基づき前記デジタルフィルタのゲイン調整値を求めて出力するレベル決め回路と、前記出荷時調整スイッチのＯＮ動作に応じて、前記レベル決め回路で求められたゲイン調整値を記憶する書き替え可能な不揮発性メモリと、前記電源スイッチのＯＮ動作に応じて、前記不揮発性メモリに記憶されたゲイン調整値により前記デジタルフィルタのゲインを調整する第１のゲイン調整手段と、前記騒音キャンセルスイッチのＯＮ動作に応じて、前記第１のゲイン調整手段の調整に加えて、前記レベル決め回路で求められたゲイン調整値で前記デジタルフィルタのゲインを調整する第２のゲイン調整手段を備えたことを特徴とする騒音キャンセルヘッドフォンに存する。
また、本発明の請求項８に係る発明の要旨は、音楽信号を入力して周囲の騒音がキャンセルされた音声をスピーカで聴取することができる騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法において、マイクを前記スピーカに近接して設け、前記音楽信号に前記マイクからの帰還信号を負極性でフィードバックして偏差信号を求め、該偏差信号で制御するフィードバック制御ループを形成し、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィードバック制御ループの開ループゲインを予め設定したヘッドフォン装着時の目標値になるように調整することを特徴とする騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法に存する。
また、本発明の請求項９に係る発明の要旨は、音楽信号を入力して周囲の騒音がキャンセルされた音声をスピーカで聴取することができる騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法において、マイクを前記スピーカに近接して設け、前記音楽信号に前記マイクからの帰還信号を負極性でフィードバックするフィードバック制御ループを形成し、出荷時調整の際、前記フィードバック制御ループの開ループゲインが予め設定した出荷時の目標値になるようなゲイン調整値を求めて記憶し、電源をＯＮするごとに、前記記憶されたゲイン調整値により前記フィードバック制御ループの開ループゲインを設定し、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィードバック制御ループの開ループゲインを予め設定したヘッドフォン装着時の目標値になるように調整することを特徴とする騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法に存する。
また、本発明の請求項１０に係る発明の要旨は、前記フィードバック制御ループに前記偏差信号を入力して特定の周波数帯域の周波数をパスさせるフィルタを設け、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィルタのゲインを調整して、前記フィードバック制御ループの開ループゲインを予め設定したヘッドフォン装着時の目標値になるように調整することを特徴とする請求項８又は請求項９のいずれかに記載の騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法に存する。
また、本発明の請求項１１に係る発明の要旨は、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィードバック制御ループをオープン状態にしてばらつき調整用開ループを形成し、特定周波数の正弦波信号に対する前記ばらつき調整用開ループのゲインを測定し、前記ばらつき調整用開ループのゲインが、予め設定した前記ばらつき調整用開ループの開ループゲイン調整目標値になるように、前記フィルタのゲインを調整することを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載の騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法に存する。
また、本発明の請求項１２に係る発明の要旨は、前記正弦波信号の周波数は、騒音キャンセルすべき周波数帯域内の特定周波数であることを特徴とする請求項１１に記載の騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法に存する。
また、本発明の請求項１３に係る発明の要旨は、前記音楽信号は１ビット信号であり、前記帰還信号は前記マイクからのアナログ信号が１ビット信号に変換された信号であり、前記偏差信号は、前記音楽信号の１ビット信号と前記帰還信号の１ビット信号をデジタル的に引き算した１ビット信号であり、前記フィルタは１ビット信号処理によるデジタルフィルタであることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法に存する。
本発明によれば、デジタル制御技術を使って応答周波数１ｋＨｚを実現し、Ｇ１、Ｇ２のばらつきを自動的に調整することができる。
また、本発明によれば、聴取者が騒音キャンセル制御モードで動作させる毎に、ばらつき調整を自動的に実行し、ヘッドフォンの装着状態に応じて変化するゲインＧ２を補正するようにゲインＧ１が自動調整される。これにより、ゲイン余裕と位相余裕を必用以上に取らなくても制御系が安定に動作し、最適な騒音低減効果を得ることができる。
次に、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明による騒音キャンセルヘッドフォンの制御構成の第１の実施の形態を示している。
まず、騒音キャンセルヘッドフォンの制御構成を説明する。
図１において、３１は騒音キャンセルヘッドフォンの制御回路部である。なお、ステレオ音声の場合、制御回路部３１と同じ構成をした左右の制御回路部があるが、左右における一方のみを示し、他方は図示を省略している。６４、６５はイヤホン型の音声再生部である。６４、６５はイヤホン型に限定されず、ヘッドフォン型であってもよい。以下６４、６５をヘッドフォンという。また、ヘッドフォン６４と制御回路部３１は、一体に構成、或いは別体として構成することができる。
３２、３３はシリコンプレーヤであるが、シリコンプレーヤ３２はＰＣＭのデジタル音楽信号が出力される。また、シリコンプレーヤ３３はアナログの音楽信号が出力される。
３４はシリコンプレーヤ３２からＰＣＭのデジタル音楽信号を取り込んで１ビット信号に変換するＰＣＭ／1bit変換器である。また、３５はシリコンプレーヤ３３からアナログ音楽信号を取り込んで１ビット信号に変換するアナログ／1bit変換器である。
３６はセレクタであり、入力された信号のいずれかを選択して出力する。セレクト信号は図示を省略しているが、シリコンプレーヤ３２、３３の接続状態によってセレクト信号を発生して切り替えるようにすればよい。
３７乃至３９はセレクタであり、入力された信号のいずれかを選択して出力する。セレクト信号は切替信号生成回路から出力される。
４０は補正回路であり、セレクタ３６で選択されたＰＣＭ／1bit変換器３４からの１ビット信号、或いはアナログ／1bit変換器３５からの１ビット信号を補正して、スピーカ１３から出力される音声の可聴周波数範囲での周波数特性が所望の特性となるように設けられた補正回路である。以下で説明する騒音キャンセル用のフィードバックループ制御回路の存在により周波数特性が可聴範囲でフラットな特性でなくなるため、これを補正回路４０により補正して可聴範囲でフラットな特性とする。補正回路４０はイコライザ機能を兼ねることも可能で、そのときは補正回路４０により聴取者の所望の特性になるように調整することができる。
４１はデジタルフィルタであり、図１０に示したアナログフィルタ６に代わるものであり、騒音を低減するために設けられている。デジタルフィルタ４１は、フィルタ係数を変えることにより、フィルタの特性が変えられるようになっている。デジタルフィルタ４１には、デジタルフィルタ４１のゲインを決めるデフォルト値α０が記憶されており、電源が投入されると、まずこのデフォルト値α０によりフィルタ係数が決められフィルタ係数レジスタが設定されるようになっている。また、フィルタ係数レジスタに設定された値は、外部から入力されるゲイン調整値により更新されるようになっている。なお、デフォルト値α０は、デジタルフィルタ４１内に設けたＲＯＭに記憶してもよいし、ハード的に設定する（例えば電源電圧と接地電位を使って１、０の信号を設定する）ようにしてもよい。
４２はスイッチングアンプであり、１ビットパルスの波高値を揃え、またスピーカ４６で音声を出力するための電力増幅を行うために設けられている。
また、４３はローパスフィルタであり、スイッチングアンプ４２で波高値が揃えられた１ビットパルスのパルス列の高周波分を濾波するために設けられている。ローパスフィルタ４３を通過した１ビット信号はパルス列の粗密に応じたアナログ信号となる。そして、ローパスフィルタ４３のアナログ音楽信号がスピーカ４４（４５）に供給されることにより音声が再生される。スイッチングアンプ４２とローパスフィルタ４３は、１ビット信号をアナログ信号に変換する１ビット信号Ｄ／Ａ変換部を構成する。
４６（４７）はマイクであり、スピーカ４４（４５）からの音声信号と周囲の騒音を集音して電気信号に変換する。４８乃至５１は信号線である。また、６６、６７は聴取者の耳を表している。（）書きした上記スピーカ（４５）、マイク（４７）は、ステレオ音声の場合の左右一方のスピーカ４４、マイク４６に対し、他方のものを示している。一方と他方は、基本的な制御動作は同じなので、他方の説明は省略する。
５２はマイクアンプであり、マイク４６からの電気信号を増幅して出力する。５３はマイクアンプ５２からのアナログ信号を１ビット信号のデジタル信号に変換する１ビット信号ＡＤ変換器である。
５４は補正回路４０の１ビット信号と１ビット信号ＡＤ変換器５３からフィードバックされてきた１ビット信号をデジタル的に引き算して、その差分として１ビット信号の偏差信号を出力するデジタル加算器である。
５５はデジタルフィルタ４１の出力から音楽信号のレベルをデジタル的に検出するレベル検出器である。このレベル検出器５５は、アップダウンカウンタを使って信号レベルを検出する。レベル検出器５５の動作は後述する。
５６はレベル決め回路（出荷時）であり、出荷時の信号レベル調整作業において、レベル検出器５５の出力信号（ばらつき調整用のレベル検出値）を入力し、ＥＥＰＲＯＭ５８にデジタルフィルタ４１のゲイン調整値を出力する。なお、後で詳述するが、騒音キャンセル機能を動作させるときに形成される閉ループ回路は、このばらつき調整用のレベル検出を行う際にはセレクタ３８で信号が遮断されるので開ループとなる（この開ループをばらつき調整用開ループと呼ぶことにする）。レベル決め回路（出荷時）５６には、出荷時調整の際に形成されるこのばらつき調整用開ループの開ループゲイン調整目標値Ａ０（具体的には例えば１５ｄＢ）が記憶されている。
５８はＥＥＰＲＯＭであり、このＥＥＰＲＯＭ５８は書き替え可能な不揮発性メモリである。ＥＥＰＲＯＭ５８には出荷時のばらつき調整作業において、レベル決め回路（出荷時）５６から送られてきたデジタルフィルタ４１のゲイン調整値が記憶される。
また、５７はレベル決め回路（装着時）であり、聴取者がヘッドフォンを装着し騒音キャンセル制御モードで動作させたときのレベル検出器５５の出力信号（ばらつき調整用のレベル検出値）を入力し、このレベル検出値を基にデジタルフィルタ４１のゲイン調整値を求めてセレクタ３７に出力する。これも後で詳述するが、出荷時調整と同様、ばらつき調整用開ループが形成される。レベル決め回路（出荷時）５７には、装着時調整の際に形成されるばらつき調整用開ループの開ループゲイン調整目標値Ａ１（具体的には例えば２０ｄＢ）が記憶されている。
５９はばらつき調整用の信号を生成するばらつき調整用信号生成回路で、本実施の形態では２００Ｈｚの正弦波信号を生成する２００Ｈｚ生成回路となっている。
６０は電池６３からの制御電源を入り切りする電源スイッチである。また、６１は出荷時ばらつき調整用の出荷時調整スイッチである、また、６２は騒音キャンセルモードに切り替える騒音キャンセルスイッチである。６８は切替信号生成回路であり、電源スイッチ６０、出荷時調整スイッチ６１、騒音キャンセルスイッチ６２からのＯＮ、ＯＦＦ信号を入力して、セレクタ３７、３８を切り替えるための信号、及びデジタルフィルタへの書き込み信号を生成する。
出荷時調整スイッチ６１がＯＮすると、出荷時調整スイッチ６１がＯＮしている間、セレクタ３７は切替信号生成回路６８からＥＥＰＲＯＭ５８の出力データを通過させ、また、騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮすると、セレクタ３７は騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮしたときから所定時間だけレベル決め回路（装着）５７の出力データを通過させる。
切替信号生成回路６８は出荷時調整スイッチ６１がＯＮすると、出荷時調整スイッチ６１がＯＮしている間、セレクタ３８を２００Ｈｚ生成回路５９側に切り替える信号を出力する。
また、切替信号生成回路６８は騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮすると、騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮしたときから所定時間だけセレクタ３８を２００Ｈｚ生成回路５９側に切り替える信号を出力する。セレクタ３８は２００Ｈｚ生成回路５９側に切り替えられると、２００Ｈｚ正弦波信号を通過させる。
また、セレクタ３９は騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮすると、騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮしている間、セレクタ３８からの信号を選択して通過させる。
デジタルフィルタ４１は、切替信号生成回路６８からの書き込み信号によりフィルタ係数を決めるレジスタの値を更新する。
これにより製品出荷時のゲイン調整値、あるいは騒音キャンセル制御モードで聴取するごとにデジタルフィルタ４１のゲインが自動的に更新され、デジタルフィルタ４１のゲインは常に最適な値となる。
次に、１ビット信号処理の遅れ時間について説明する。
フィードバックループの構成要素のうちデジタル的に動作するもので動作時間遅れの最も大きいものは、１ビット信号ＡＤ変換器５３である。そこで、１ビット信号生成としてΔΣ変調器による１ビット信号（例えば特開２００３−３１８６６５号公報、特開２００５−１５１５８９号公報などを参照）を考えると、１ビット信号ＡＤ変換器５３は、代表的な例において、７クロックで変換が完了する。このときΔΣ変調器のクロック周波数として２．８ＭＨｚを採用すると変換が完了するまでの経過時間は、
Ｔｄ＝７＊１／２．８ＭＨｚ
≒２．５μsec
となる。デジタルフィルタ４１、セレクタ３８、３９、スイッチングアンプ４２は１ビット信号Ａ／Ｄ変換器５３の遅れに対し無視できる。
制御ループ内にあるアナログ回路も含めて遅れ時間の最も大きなものを考えると、先にも述べたがスピーカの遅れ１００μsecが最も大きい。このスピーカの遅れ１００μsecに対して、２．８ＭＨｚクロックのΔΣ変調器による１ビット信号ＡＤ変換器５３の遅れ２．５μsecは無視できる程度に小さい。スイッチングアンプ４２とローパスフィルタ４３で構成される１ビット信号Ｄ／Ａ変換部の遅れ時間は１ビット信号ＡＤ変換器５３の遅れより小さくできる。したがって、２．８ＭＨｚクロックのΔΣ変調器による１ビット信号ＡＤ変換器５３を使用すれば、従来のアナログフィルタ６を使った応答１ｋＨｚとほぼ同じ程度の応答１ｋＨｚを実現することができる。
次に、レベル検出器５５の動作について説明する。
図２はレベル検出回路５５の構成例を示している。図２において、７１は１ビット信号をカウントするアップダウンカウンタである。ＣＫ端子にクロック信号clockが入力され、このクロック信号clockが入力されるごとにＵ／Ｄの入力端子に接続された１ビット信号をカウントし、出力端子Ｑに出力する。７２は最大値検出回路であり、アップダウンカウンタ７１の出力Ｑの最大値を検出する。７３は最大値出力部であり、最大値検出回路７２の値を次の最大値検出タイミングまでホールドして、レベル決め回路（出荷時）５６、及びレベル決め回路（装着時）５７にばらつき調整用のレベル検出値として出力する。
図３はレベル検出回路５５の動作を説明する図である。図３の（ａ）はアップダウンカウンタ７１に入力される１ビット信号のパルス列を示している。図３の（ｂ）はアップダウンカウンタ７１に入力されるリセット信号resetを示している。このリセット信号resetは、クロック信号clockを基に１０２４クロックごとにリセット信号発生器７４からアップダウンカウンタ７１のＲＥＳ端子に出力される。図３の（ｃ）は、アップダウンカウンタ７１のサンプリング期間ごとの最終カウント値を示している。図３の（ｄ）における実線（信号ａ）はアップダウンカウンタ７１のカウント値を仮想的にアナログ的に表現したものである。また、図３の（ｄ）における点線（信号ｂ）は１ビット信号が表す値を仮想的にアナログ値で表現したものである。
１ビット信号は信号レベル”１”と信号レベル”０”で表現されたものとなっているが、１ビット信号（例えば、ΔΣ変調器による１ビット信号）の特性として、信号のレベルが大きいときにはそのレベルに対応して信号レベル”１”の数が多く、信号のレベルが小さいときにはそのレベルに対応して信号レベル”０”の数が多くなっている。したがって、１ビット信号をアップダウンカウンタ７１でカウントすることにより、信号Ｂに比例した信号Ａが得られ、この信号の最大値を検出することにより１ビット信号の信号レベルが検出できる。図３の例では、仮想的に信号Ｂとして示した−６ｄＢのアナログ信号に対し、（ｃ）に示されたアップダウンカウンタ７１のカウント値の最終値５６０が最大値として最大値検出回路７２で検出される。予めアップダウンカウンタ７１のカウント値と１ビット信号が表す信号レベル（ｄＢ）を対応付けておけば、最大値検出回路７２の出力をレベル検出値とすることができ、ばらつき調整用のレベル検出値とすることができる。
ばらつき調整用のレベルを検出するときには、セレクタ３８で２００Ｈｚ生成回路からの２００Ｈｚ正弦波信号を選択し、デジタルフィルタ４１の出力をレベル検出回路５５で検出する。２００Ｈｚ正弦波信号は騒音キャンセルしようとしている騒音の周波数帯域２０Ｈｚ〜３０Ｈｚ乃至１ＫＨｚ〜２ｋＨｚの中で代表的な周波数を選定すればよい。後述するように５０Ｈｚ〜５００Ｈｚの範囲の任意の値に選ぶことができるが、１００Ｈｚ〜３００Ｈｚの範囲の値に選ぶと調整が容易になる。本実施の形態では２００Ｈｚとしている。
次に、ばらつき調整作業時のデジタルフィルタ４１のゲイン調整について説明する。デジタルフィルタ４１のゲイン調整は出荷時におけるばらつき調整と、聴取者がヘッドフォンを装着し騒音キャンセル機能を動作させたときのばらつき調整がある。出荷時におけるばらつき調整はヘッドフォン固有の制御ループゲインのばらつきを調整することを目的とし、聴取者がヘッドフォンを装着した状態で行うばらつき調整は、聴取者のヘッドフォン装着状態に起因する制御ループゲインのばらつきを調整することを目的とする。
まず、出荷時のばらつき調整について説明する。
出荷時の調整を行うときはヘッドフォンをＨＡＴＳと呼ばれるダミー人形に装着する。そしてセレクタ３８で２００Ｈｚ生成回路５９からの２００Ｈｚ正弦波信号を選択する。この２００Ｈｚ正弦波信号はスイッチングアンプ４２、ローパスフィルタ４３を介してスピーカ４４に入力され音声Ｓとして再生される。この音声Ｓはマイク４６で集音されるが、同時に騒音Ｎも集音される。マイク４６で集音された音声Ｓと騒音Ｎはアナログの電気信号に変えられてマイクアンプ５２に出力される。マイクアンプ５２で増幅された信号は１ビットＡ／Ｄ変換器５３で１ビット信号に変換され、加算器５４に出力される。加算器５４では補正回路４０からの１ビット信号と１ビットＡ／Ｄ変換器５３からの１ビット信号の差分を取りデジタルフィルタ４１に出力される。なお、出荷時の調整を行うときは補正回路４０からの１ビット信号の値は、音楽信号による影響を排除するため無信号の状態とされる。これにより、１ビットＡ／Ｄ変換器５３からの１ビット信号を極性反転した値の信号がそのままデジタルフィルタ４１に出力される。
デジタルフィルタ４１は２００Ｈｚを中心とするバンドパスフィルタ特性とされている。したがって入力された信号の低域成分と高域成分は遮断されて出力される。このデジタルフィルタ４１のバンドパスフィルタ特性により、２００Ｈｚ正弦波信号は通過され、その低域側と高域側の騒音信号は減衰し遮断される。このようにデジタルフィルタ４１は２００Ｈｚ正弦波信号を通過させ、それ以外の帯域の騒音信号を減衰させものとなるので、２００Ｈｚ正弦波信号の信号レベルをレベル検出回路５５で検出する際に、騒音Ｎの影響を小さくできる効果を奏する。
なお、騒音キャンセル機能を動作させるときに形成される閉ループ回路は、このレベル検出を行う際にはセレクタ３８で信号が遮断されるので開ループとなる。この開ループをばらつき調整用開ループと呼ぶことにする。
レベル検出回路５５で検出されたばらつき調整用のレベル検出値Ｂ０がレベル決め回路（出荷）５６に入力される。レベル決め回路（出荷時）５６は入力されたばらつき調整用検出レベルＢ０の値が所定の範囲に入っていない場合には不良品と判断する。
図４に出荷時のばらつき調整におけるレベル調整値のレベル決めの動作フローを示す。
まず、ステップＳ１として、例えば出荷時のばらつき調整用開ループの開ループゲイン調整目標値をＡ０（具体的には例えば１５ｄＢ）として、予めレベル決め回路（出荷時）５６内に記憶しておく。また、ばらつき調整用開ループの開ループゲインがこの開ループゲイン調整目標値Ａ０になるためのデジタルフィルタ４１のゲインは、設計値として予め求めることができるから、この設計値をデフォルト値α０としてデジタルフィルタ４１内に記憶しておく。
なお、出荷後の使用状態が不明なので、出荷時のばらつき調整用開ループゲインの開ループゲイン調整目標値Ａ０はハウリング防止の観点から安定限界のゲインより多少低めに設定するのがよい。また、上記開ループゲイン調整目標値Ａ０を１５ｄＢとしたのは一例であって、この目標値は制御回路の構成によってかわり、より詳しくはゲイン余裕が安定限界内に有るように設定される。
ステップＳ２において、出荷時調整スイッチ６１がＯＮされる。すると、ステップＳ３において、出荷時調整スイッチ６１からの信号を受けたセレクタ３８は２００Ｈｚ信号生成回路からの信号を選択する。
２００Ｈｚ信号生成回路から発した２００Ｈｚ正弦波信号は、ばらつき調整用開ループを一巡し、ステップＳ４においてその信号レベルがレベル検出回路５５で検出される。この検出された信号レベルをばらつき調整用のレベル検出値Ｂ０とする（例えば１０ｄＢが検出されたとする）。なお、２００Ｈｚ正弦波信号の一巡した値をレベル検出回路５５でレベルを検出することは、ばらつき調整用開ループのゲインを測定していることでもある。
レベル検出回路５５で検出されたレベル検出値Ｂ０はレベル決め回路（出荷時）５６に入力され、ステップＳ５において、その大きさＢ０が許容範囲（例えば１０ｄＢ〜２０ｄＢの範囲）にあるか否かが判定される。この判定はレベル決め回路（出荷時）５６で行われる。１０ｄＢ〜２０ｄＢの許容範囲にあると判定された場合には開ループゲイン調整目標値Ａ０（１５ｄＢ）との比率Ａ０／Ｂ０が求められ、レベル決め回路（出荷時）５６はこの比率Ａ０／Ｂ０をゲイン調整値としてＥＥＰＲＯＭ５８に出力する。
ステップＳ７において、レベル決め回路（出荷時）５６から出力されたゲイン調整値Ａ０／Ｂ０は、ＥＥＰＲＯＭ５８に記憶される。例えばＡ０＝１５ｄＢに対しＢ０＝１０ｄＢであればＡ０／Ｂ０＝１．５として記憶される。このＥＥＰＲＯＭ５８に記憶された値は電源がＯＦＦされてもその内容が保持され、出荷後に聴取者が電源ＯＮしたときにデジタルフィルタ４１のゲイン調整値としてデジタルフィルタ４１のレジスタに設定されるものである。
また、ステップＳ５において、レベル検出回路５５で検出されたレベルＢ０が１０ｄＢ〜２０ｄＢの範囲にないと判定された場合には、調整不可の不良品とする。不良品と判断されたとき、不良品であることをブザーを鳴らして知らせる。あるいは不良品と判断したことを外部に出力し、自動的に不良品として仕分けされるようにしておいてもよい。このようにして出荷時のレベル調整が行われたものは、ばらつき調整用開ループの開ループゲインが開ループゲイン調整目標値のＡ０に揃えられたことになる。
次に、聴取者がヘッドフォンを装着したときのばらつき調整について説明する。
実際に聴取者がヘッドフォンを装着した状態では、スピーカ４４、マイク４６、聴取者の耳６６との関係が個人により異なるので、ばらつき調整用開ループの開ループゲインの大きさが異なってくる。したがって、聴取者がヘッドフォンを装着したときのばらつき調整用開ループの開ループゲインは開ループゲイン調整目標値Ａ０を中心にばらつくことになる。
聴取者がヘッドフォンを装着したときのレベル調整に対する基本的な考えは出荷時のレベル調整と同じであるが、具体的な調整の仕方が異なっている。
例えばヘッドフォン装着時のばらつき調整用開ループの開ループゲイン調整目標値としてＡ１（具体的には例えば２０ｄＢ）を予めレベル決め回路（装着時）５７内に記憶しておく。そして、電源スイッチ６０がＯＮになるとデジタルフィルタ４１のフィルタ係数の値はデフォルト値α０で決められる値になる。電源スイッチ６０がＯＮの信号を受けて、切替信号生成回路６８は、所定時間後にＥＥＰＲＯＭ５８を選択する信号をセレクタ３７に送る。これによりＥＥＰＲＯＭ５８に記憶されていた出荷時のゲイン調整値Ａ０／Ｂ０がデジタルフィルタ４１に出力され、デジタルフィルタ４１のゲインはＡ０／Ｂ０によって更新される。この状態からヘッドフォン装着時のばらつき調整が行われる。
聴取者がヘッドフォンを装着したときのばらつき調整の開始は、騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮとなったときである。騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮになると、切替信号生成回路６８は所定時間の間、セレクタ３８が２００Ｈｚ生成回路５９を選択する信号を出力する。
したがって、出荷時調整と同様にセレクタ３８で２００Ｈｚ生成回路５９からの２００Ｈｚ正弦波信号が選択されるが、セレクタ３８で２００Ｈｚ生成回路５９からの２００Ｈｚ正弦波信号が選択されるタイミングは、出荷時調整と異なり、騒音キャンセルスイッチがＯＮになってから所定時間の間に限られる。そして、所定時間の間はばらつき調整用開ループが形成されてデジタルフィルタのゲイン調整が行われ、この所定時間が経過した後は騒音キャンセルモードで聴取できるように騒音キャンセル制御のフィードバック回路が形成される。
ばらつき調整用開ループが形成されている間は、２００Ｈｚ生成回路５９からの２００Ｈｚ正弦波信号はスイッチングアンプ４２、ローパスフィルタ４３を介してスピーカ４４に入力され音声Ｓとして再生される。この音声Ｓはマイク４６で集音されるが、同時に騒音Ｎも集音される。マイク４６で音声Ｓと騒音Ｎはアナログの電気信号に変えられてマイクアンプ５２に出力される。マイクアンプ５２で増幅された信号は１ビットＡ／Ｄ変換器５３で１ビット信号に変換され、加算器５４に出力される。加算器５４では補正回路４０からの１ビット信号と１ビットＡ／Ｄ変換器５３からの１ビット信号の差分を取りデジタルフィルタ４１に出力される。なお、出荷時の調整と同様に、補正回路４０からの１ビット信号の値は、音楽信号による影響を排除するため無信号の状態とされる。これにより、１ビットＡ／Ｄ変換器５３からの１ビット信号を極性反転した値の信号がそのままデジタルフィルタ４１に出力される。
デジタルフィルタ４１はその特性にしたがって前記１ビット信号の差分信号を濾波して出力する。デジタルフィルタ４１の出力信号はレベル検出回路５５によりレベル検出値Ｂ１として検出される。レベル検出回路５５により検出されたレベル検出値Ｂ１はレベル決め回路（装着時）５７に入力される。
レベル決め回路（装着時）５７には装着時調整の際に形成されるばらつき調整用開ループの開ループゲイン調整目標値Ａ１が記憶されているので、レベル決め（装着時）５７は、開ループゲイン調整目標値Ａ１とレベル検出回路５５により検出されたレベル検出値Ｂ１との比率Ａ１／Ｂ１を求めて、セレクタ３７にゲイン調整値として出力する。したがって、デジタルフィルタ４１のフィルタ係数の値はゲイン調整値Ａ１／Ｂ１により更新される。結局、騒音キャンセルモードでのデジタルフィルタ４１の最終的なゲインは、α０＊（Ａ０／Ｂ０）＊（Ａ１／Ｂ１）となる。
以下、図５のフローチャートを参照して、聴取者がヘッドフォンを装着したときのばらつき調整の動作を説明する。
まず、ステップＳ１１として、レベル決め回路（装着時）５７に、予めばらつき調整用開ループの開ループゲイン調整目標値Ａ１を記憶させる。例えば具体的には例えば２０ｄＢを記憶させておく。なお、上記開ループゲイン調整目標値Ａ１を２０ｄＢとしたのは一例であって、ゲイン余裕が安定限界内に有る範囲で任意に選ぶことができる。
次に、ステップＳ１２において、電源スイッチ６０をＯＮさせる。電源スイッチ６０がＯＮすると、ステップＳ１３に進み、デジタルフィルタ４１には、ゲイン設定値としてデフォルト値α０が設定される。また、電源スイッチ６０のＯＮ信号を受けて、切替信号生成回路６８は、所定時間後にＥＥＰＲＯＭ５８を選択する信号をセレクタ３７に送る。これによりＥＥＰＲＯＭ５８に記憶されていた出荷時のレベル調整値Ａ０／Ｂ０がデジタルフィルタ４１に出力され、デジタルフィルタ４１のゲインはＡ０／Ｂ０によって更新される。このときデジタルフィルタ４１のゲインはα０のＡ０／Ｂ０倍に更新される。
ステップＳ１４においてヘッドフォンが聴取者に装着される。騒音キャンセルモードのレベル調整は、聴取者の装着状態によるばらつきを補正するものであるから、必ずヘッドフォンが装着された状態でレベル調整を行うようにする。
ステップＳ１５において、騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮされると、ステップＳ１６において、騒音キャンセルスイッチ６２からの信号を受けたセレクタ３８は２００Ｈｚ信号生成回路からの信号を選択する。
ステップＳ１７において、ばらつき調整用開ループを一巡した２００Ｈｚ正弦波信号のレベル検出値Ｂ１としてレベル検出回路５５で検出される。レベル検出回路５５で検出されたレベル検出値Ｂ１はレベル決め回路（装着時）５７に入力される。
ステップＳ１８において、予め記憶して置いた開ループゲイン調整目標値Ａ１（２０ｄＢ）との比率Ａ１／Ｂ１を求め、この比率Ａ１／Ｂ１をゲイン調整値としてレベル決め回路（装着時）５７からセレクタ３７に出力する。
騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮされると、ステップＳ１９において、切替信号生成回路６８はセレクタ３７に対して所定時間だけレベル決め回路（装着時）５７を選択する信号を出力している。この間に、レベル決め回路（装着時）５７から出力されたゲイン調整値Ａ１／Ｂ１はセレクタ３７を介してデジタルフィルタ４１に入力される。デジタルフィルタ４１は入力されたゲイン調整値Ａ１／Ｂ１を基にデジタルフィルタ４１のゲインを更新する。このときデジタルフィルタ４１のゲインはα０＊Ａ０／Ｂ０＊Ａ１／Ｂ１となる。その結果、ばらつき調整用開ループの開ループゲインは開ループゲイン調整目標値のＡ１になる。
ステップＳ２０において、騒音キャンセル制御ループが形成され、聴取者は騒音キャンセルモードとして騒音が抑制された音声を聞くことができる。
騒音キャンセル制御ループが形成されるタイミングは、スイッチ６２がＯＮされてから上記処理が済んで開ループゲイン調整目標値Ａ１が設定された以後の所定時間にすることができるが、開ループゲイン調整目標値Ａ１されるまでの処理は短時間に終了する。
ここで、聴取者はこの調整中に２００Ｈｚの音声を聞くことになる。この２００Ｈｚの音声は騒音キャンセルモードになってばらつき調整が行われている間に聞くことができる。したがって、この２００Ｈｚの音声を騒音キャンセルモードになったことと、ばらつき調整が開始されたことを聴取者に知らせるためのビープ音として利用することができる。このビープ音を聴取者に効果的に認識させるためにはある程度長い時間、例えば２００ｍｓ程度の間にするとよい。この時間は聴取者がビープ音を効果的に認識する時間として２００ｍｓに限らず任意の値に設定することができる。
（第２の実施の形態）
次に、上記ばらつき調整におけるレベル検出を効果的に行うことのできるデジタルフィルタ１４の特性設定について説明する。
ばらつき調整を行うとき、デジタルフィルタ１４の特性は、聴取時のデジタルフィルタ１４の特性とすることもできるが、マイク４６は騒音Ｎも集音するので、レベル検出回路５５で検出された値に騒音の影響が出てしまう。
そこで、本実施の形態では、特定の周波数、例えば２００Ｈｚ正弦波信号を使ってばらつき調整のレベル検出をおこなうとき、騒音の影響を少なくするように、デジタルフィルタ１４の特性をモディファイする。
図６は、デジタルフィルタ１４の特性をモディファイして、騒音キャンセルモードのフィードバックループの開ループゲイン特性と、ばらつき調整を行うときの開ループ特性とを変化させたときの開ループゲイン特性を示している。
図６において２０１は騒音キャンセルモードで聴取しているときのフィードバックループの開ループゲイン特性である。また、２０２はばらつき調整用のレベルを検出しているときのばらつき調整用開ループの開ループゲイン特性である。
騒音キャンセルモードで聴取しているときのフィードバックループの開ループゲイン特性２０１は、騒音を低減したい周波数帯域に合ったバンドパスフィルタの特性を有している。本実施の形態では、低域のカットオフ周波数が２０Ｈｚ〜３０Ｈｚ、高域のカットオフ周波数が８００Ｈｚ〜２ｋＨｚのバンドパス特性となっている。これに対し、ばらつき調整用のレベルを検出しているときのばらつき調整用開ループの開ループゲイン特性２０２は、図で示したように、低周波側、高周波側のカットオフ周波数間の幅を調整用周波数である２００Ｈｚを中心として狭くしてある。
このような特性とすることにより、レベル検出回路の検出信号は、調整用周波数２００Ｈｚを中心として、低周波側と高周波側の騒音の影響が少ない値として検出できるようになる。
デジタルフィルタ１４の特性をモディファイするには、騒音キャンセルモードで聴取しているときのフィードバックループの開ループゲイン特性２０１に対するフィルタ係数と、ばらつき調整用のレベルを検出しているときのばらつき調整用開ループの開ループゲイン特性２０２に対するフィルタ係数の両方をデジタルフィルタ１４内に記憶しておき、例えばセレクタ３７への切替信号と、出荷時調整スイッチ６１のＯＮ／ＯＦＦ信号のＯＲ信号を使って選択するようにすればよい。この切替信号のタイムシーケンスの例を図７、図８に示す。
図７は、出荷時のばらつき調整におけるデジタルフィルタ１４の特性のモディファイ状態を示したものである。ここで、騒音キャンセルモードで聴取しているときのフィードバックループの開ループゲイン特性２０１をワイドバンド、ばらつき調整用のレベルを検出しているときのばらつき調整用開ループの開ループゲイン特性２０２をナローバンドと呼ぶことにする。
図７の信号は、上から順に、電源スイッチ６０のＯＮ、ＯＦＦ信号、出荷時調整スイッチ６１のＯＮ、ＯＦＦ信号、騒音キャンセルスイッチ６２のＯＮ、ＯＦＦ信号、セレクタ３７、３８、３９のセレクト信号、セレクタ３７と出荷時調整スイッチ６１のＯＲ信号、ＥＥＰＲＯＭ５８へのゲイン調整値書き込み信号ＷＲ１、デジタルフィルタ４１へのゲイン調整値書き込み信号ＷＲ２、デジタルフィルタ４１のゲイン状態を示している。
ＥＥＰＲＯＭ５８へのゲイン調整値書き込み信号ＷＲ１は出荷時調整スイッチ６１のＯＮから所定時間τ０が経過したとき切替信号生成回路６８からＥＥＰＲＯＭ５８に出力され、ＥＥＰＲＯＭ５８にレベル決め回路（出荷時）５６からのレベル調整値が書き込まれる。
デジタルフィルタ４１の特性はセレクタ３７と出荷時調整スイッチ６１のＯＲ信号により切り替えられ、図７では出荷時調整スイッチ６１がＯＮになる前はワイドバンド、ＯＮのときナローバンドになっていることが示されている。また、電源スイッチがＯＮされるとデジタルスイッチ４１のゲイン状態はα０となる。デジタルフィルタ４１のフィルタ係数のレジスタは動作クロック（動作クロック周波数は、例えば２．８ＭＨｚ）ごとに更新されるようになっているので、電源が投入されるとフィルタ係数のレジスタ値を更新してゲインがデフォルトのα０になるように設定される。
図７に示したセレクタ３７、３８、３９のセレクト信号、セレクタ３７と出荷時調整スイッチ６１のＯＲ信号、ＥＥＰＲＯＭ５８へのゲイン調整値書き込み信号ＷＲ１、デジタルフィルタ４１へのゲイン調整値書き込み信号ＷＲ２は、電源スイッチ６０のＯＮ、ＯＦＦ信号、出荷時調整スイッチ６１のＯＮ、ＯＦＦ信号、騒音キャンセルスイッチ６２のＯＮ、ＯＦＦ信号を基に、切替信号生成回路６８によって作られる。
図８は、ヘッドフォン装着時のばらつき調整におけるデジタルフィルタ１４の特性のモディファイ状態を示したものである。図８の信号は、図７と同じである。
電源スイッチがＯＮされるとデジタルスイッチ４１のゲイン状態はデフォルトのα０となる。すなわち、デジタルフィルタ４１のフィルタ係数のレジスタは動作クロックごとに更新されるようになっているので、電源が投入されるとフィルタ係数のレジスタ値を更新して、まず、ゲインがデフォルトのα０になるように設定される。
次に、電源スイッチ６０のＯＮから所定時間τ１が経過した時点で、デジタルフィルタ４１へのゲイン調整値書き込み信号ＷＲ２が出力される。このとき、セレクタ３７はＥＥＰＲＯＭ５８を選択しているので、ＥＥＰＲＯＭ５８に記憶されている出荷時のレベル調整値が書き込まれる。これによりデジタルフィルタ４１はゲインをデフォルト値α０からＡ０／Ｂ０倍に更新する。このときデジタルフィルタ４１の特性はワイドバンドである。
次に、騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮされると、所定時間τ２の時間経過後にデジタルフィルタ４１へのゲイン調整値書き込み信号ＷＲ２が出力される。このときセレクタ３７はレベル決め回路（装着時）５７を選択しているので、レベル決め回路（装着時）５７からのゲイン調整値Ａ１／Ｂ１がセレクタ３７を介してデジタルフィルタ４１に書き込まれる。これによりデジタルフィルタ４１はゲインを、先に更新されたα０＊Ａ０／Ｂ０を更にＡ１／Ｂ１倍して、α０＊Ａ０／Ｂ０＊Ａ１／Ｂ１となるように更新する。このときデジタルフィルタ４１の特性は２００Ｈｚ正弦波信号を使ったばらつき調整中なのでナローバンドとなっている。
デジタルフィルタ４１の特性はセレクタ３７と出荷時スイッチ６１のＯＲ信号となっているので、所定時間τ３後にセレクタ３７が０になったときワイドバンドに切り替わる。
ここで、所定時間τ３は、聴取者に上記したビープ音が聞こえる期間である。このビープ音を聴取者に効果的に認識させるためには、ある程度長い時間、例えば２００ｍｓ程度の間にすることは既に述べた。
このように、デジタルフィルタ４１の特性は２００Ｈｚ正弦波信号を使ったばらつき調整中はナローバンドに切り替わり、通常の聴取時や騒音キャンセルモードでの聴取時にはワイドバンドになる。このように、騒音キャンセルモードでの聴取時には騒音キャンセルしたい帯域幅のデジタルフィルタ４１の特性が得られ、また、２００Ｈｚ正弦波信号を使ったばらつき調整中は通常より帯域幅の狭い特性が得られる。したがって騒音キャンセルモードでの聴取時には効果的に騒音が低減できると共に、２００Ｈｚ正弦波信号を使ったばらつき調整中は騒音の影響を受けないようにしてレベル検出が行える。
なお、図７、図８において、デジタルフィルタ４１の特性をナローバンドに切り替えなければ、実施の形態１と同じになる。
図９は、ばらつき調整用開ループの開ループゲイン特性を実測したデータの一例を示したものである。低周波のカットオフ周波数が１０Ｈｚ、高周波のカットオフ周波数が１ｋＨｚとなっている。また、１００Ｈｚ〜２００Ｈｚで２０ｄＢのゲインとなっている。この特性は一例であって、種々の要因によってばらつきを生じる。多くのデータを解析した結果、ばらつき調整の際にレベル検出回路５５によってレベル検出値Ｂ０、Ｂ１を、精度よく検出するには５０Ｈｚ乃至５００Ｈｚの周波数範囲が良いことがわかった。ゲインの変動が少なくしかも大きな値として得られる周波数範囲として１００Ｈｚ乃至３００Ｈｚとすれば、更に精度よく検出することができることがわかった。本発明では上記実施の形態として、２００Ｈｚとして、２００Ｈｚ生成回路の信号を発生するようにしている。勿論、この周波数として５０Ｈｚ乃至５００Ｈｚの範囲のものを採用することが可能であり、更に精度よく検出するためには１００Ｈｚ乃至３００Ｈｚとすればよい。
上記実施の形態における説明では、デジタルフィルタ４１はバンドパス特性を有するものとしたが、デジタルフィルタ４１をローパス特性、あるいはハイパス特性とすることもできる。即ち、スピーカ４４やマイク４６はハイパス特性を有しており、またローパスフィルタ４３がフィードバックループ内の要素として備わっているので、これらの特性を利用することにより、デジタルフィルタ４１をローパス特性、あるいはハイパス特性としてもトータルとしてバンドバス特性を得ることができる。この場合、ローパス特性、あるいはハイパス特性としたデジタルフィルタ４１のゲイン特性、位相特性を調整することにより、上記実施の形態と同様に制御系の安定を図ることになる。
以上、具体的な実施の形態によって本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更して実施することができることは言うまでもない。
本発明は、騒音キャンセルヘッドフォンに限らず、騒音を抑制しようとする装置に広く利用できる。例えば高速道路などの騒音対策用の装置などにも応用が可能である。
本発明による、騒音キャンセルヘッドフォンの第１の実施の形態を示す制御回路構成図である。 本発明による、第１の実施の形態のレベル検出回路の詳細構成図である。 本発明による、第１の実施の形態のレベル検出回路の動作説明図である。 本発明による、第１の実施の形態の出荷時のばらつき調整のフローチャートである。 本発明による、第１の実施の形態のヘッドフォン装着時のばらつき調整のフローチャートである。 本発明による、第２の実施の形態のばらつき調整時のデジタルフィルタのモディファイの一例を示す図である。 本発明による、第２の実施の形態の出荷時のばらつき調整時のタイミングチャートを示す。 本発明による、第２の実施の形態のヘッドフォン装着時のばらつき調整時のタイミングチャートを示す。 本発明による、ばらつき調整用開ループのゲイン特性の一例を示す。 従来技術による、騒音キャンセルヘッドフォンの制御回路構成の例を示す図である。 図１０の従来技術の制御回路を伝達関数のブロック線図で表した図である。 騒音キャンセルヘッドフォンのフィードバック制御の安定性を説明する図である。
符号の説明
１、３１・・・制御回路部
２、６４、６５・・・ヘッドフォン（音声再生部）
３、３２、３３・・・シリコンプレーヤ（音声信号再生装置）
４・・・補正回路
５・・・信号増幅器
６・・・アナログフィルタ
７・・・ヘッドフォンアンプ
８、５２・・・マイクアンプ
９、６２・・・騒音キャンセルスイッチ
１０・・・電源スイッチ
１１、６３・・・電池
１２・・・ヘッドフォンハウジング
１３、４４、４５・・・スピーカ
１４、４６、４７・・・マイク
１５、６６、６７・・・耳
１６・・・バンド
１７・・・切替スイッチ
３４・・・ＰＣＭ／1bit変換器
３５・・・アナログ／1bit変換器
３６〜３９・・・セレクタ
４０・・・補正回路
４１・・・デジタルフィルタ
４２・・・スイッチングアンプ
４３・・・ローパスフィルタ
４８〜５１・・・信号線
５３・・・１ビット信号ＡＤ変換器
５４・・・デジタル加算器
５５・・・レベル検出器
５６・・・レベル決め回路（出荷時）
５７・・・レベル決め回路（装着時）
５８・・・ＥＥＰＲＯＭ（不揮発性メモリ）
５９・・・２００Ｈｚ生成回路（ばらつき調整用信号生成回路）
６０・・・電源スイッチ
６１・・・出荷時調整スイッチ
６８・・・切替信号生成回路
７１・・・アップダウンカウンタ
７２・・・最大値検出回路
７３・・・最大値出力部
７４・・・リセット信号発生器
１０１・・・前向きループゲインＧ１
１０２・・・後ろ向きループゲインＧ２
１０３・・・フィードバック信号加算部
１０４・・・加算点

Claims (13)

  1. 音楽信号を入力して周囲の騒音がキャンセルされた音声を聴取することができる騒音キャンセルヘッドフォンにおいて、
    スピーカとマイクが近接して設けられており、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記音楽信号と前記マイクからの帰還信号の偏差信号に応じた信号により前記スピーカから音声を出力し、前記スピーカからの音声と騒音を前記マイクによって集音して前記帰還信号としてフィードバックするように構成されるフィードバック制御回路と、
    騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィードバック制御回路の開ループゲインを予め設定されたヘッドフォン装着時の目標値になるように調整する装着時ばらつき調整手段を備えたことを特徴とする騒音キャンセルヘッドフォン。
  2. 音楽信号を入力して周囲の騒音がキャンセルされた音声を聴取することができる騒音キャンセルヘッドフォンにおいて、
    スピーカとマイクが近接して設けられており、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記音楽信号と前記マイクからの帰還信号の偏差信号に応じた信号により前記スピーカから音声を出力し、前記スピーカからの音声と騒音を前記マイクによって集音して前記帰還信号としてフィードバックするように構成されるフィードバック制御回路と、
    前記フィードバック制御回路の開ループゲインが予め設定した出荷時の目標値になるようなゲイン調整値を求めて不揮発性メモリに記憶する出荷時ばらつき調整手段と、
    電源をＯＮするごとに、前記不揮発性メモリに記憶されたゲイン調整値により前記フィードバック制御回路の開ループゲインを設定する電源ＯＮ時ゲイン設定手段と、
    騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィードバック制御回路の開ループゲインを予め設定したヘッドフォン装着時の目標値になるように調整する装着時ばらつき調整手段を備えたことを特徴とする騒音キャンセルヘッドフォン。
  3. 前記フィードバック制御回路には、前記偏差信号入力部と前記スピーカの間にフィルタが設けられ、
    前記装着時ばらつき調整手段は、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィルタのゲインを調整して、前記フィードバック制御回路の開ループゲインを予め設定した目標値になるように調整することを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の騒音キャンセルヘッドフォン。
  4. 前記装着時ばらつき調整手段は、騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィードバック制御回路のループをオープン状態にしてばらつき調整用開ループを形成する切替手段と、
    特定周波数の正弦波信号に対する前記ばらつき調整用開ループのゲインを測定し、予め設定した前記ばらつき調整用開ループの開ループゲイン調整目標値になるように前記フィルタのゲインを調整するゲイン調整手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の騒音キャンセルヘッドフォン。
  5. 前記正弦波信号の周波数は、騒音キャンセルすべき周波数帯域内の特定周波数であることを特徴とする請求項４に記載の騒音キャンセルヘッドフォン。
  6. 前記音楽信号は１ビット信号であり、
    前記帰還信号は前記マイクからのアナログ信号が１ビット信号に変換された信号であり、
    前記偏差信号は、前記音楽信号の１ビット信号と前記帰還信号の１ビット信号をデジタル的に引き算した１ビット信号であり、
    前記フィルタは１ビット信号処理によるデジタルフィルタである
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の騒音キャンセルヘッドフォン。
  7. 音楽信号を入力して周囲の騒音がキャンセルされた音声を聴取することができる騒音キャンセルヘッドフォンにおいて、
    制御電源をＯＮ、ＯＦＦする電源スイッチと、
    出荷時のばらつき調整の際にＯＮされる出荷時調整スイッチと、
    騒音キャンセルモードと通常モードの切り替えを行うための騒音キャンセルスイッチと、
    ばらつき調整時に調整用信号として特定の周波数の正弦波信号を出力するばらつき調整用信号生成回路と、
    デジタルフィルタの出力信号に応じた信号により音声を再生するスピーカと、
    前記スピーカに近接して設けられ、前記スピーカで再生された音声と周囲からの騒音を集音して電気信号に変換して出力するマイクと、
    前記マイクからの信号を１ビット信号に変換して帰還させるフィードバック回路と、
    １ビット信号に変換された前記音楽信号と１ビット信号に変換された前記帰還信号の偏差信号をデジタル的に引き算して１ビット信号として入力し、該入力された１ビット信号の偏差信号を騒音キャンセル周波数帯域でパスさせる１ビット信号処理の前記デジタルフィルタと、
    前記デジタルフィルタの信号レベルを検出するレベル検出回路と、
    前記レベル検出回路で検出されたレベル検出値と予め設定した開ループゲイン調整目標値に基づき前記デジタルフィルタのゲイン調整値を求めて出力するレベル決め回路と、
    前記出荷時調整スイッチのＯＮ動作に応じて、前記レベル決め回路で求められたゲイン調整値を記憶する書き替え可能な不揮発性メモリと、
    前記電源スイッチのＯＮ動作に応じて、前記不揮発性メモリに記憶されたゲイン調整値により前記デジタルフィルタのゲインを調整する第１のゲイン調整手段と、
    前記騒音キャンセルスイッチのＯＮ動作に応じて、前記第１のゲイン調整手段の調整に加えて、前記レベル決め回路で求められたゲイン調整値で前記デジタルフィルタのゲインを調整する第２のゲイン調整手段を備えたことを特徴とする騒音キャンセルヘッドフォン。
  8. 音楽信号を入力して周囲の騒音がキャンセルされた音声をスピーカで聴取することができる騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法において、
    マイクを前記スピーカに近接して設け、
    前記音楽信号に前記マイクからの帰還信号を負極性でフィードバックして偏差信号を求め、該偏差信号で制御するフィードバック制御ループを形成し、
    騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィードバック制御ループの開ループゲインを予め設定したヘッドフォン装着時の目標値になるように調整することを特徴とする騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法。
  9. 音楽信号を入力して周囲の騒音がキャンセルされた音声をスピーカで聴取することができる騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法において、
    マイクを前記スピーカに近接して設け、
    前記音楽信号に前記マイクからの帰還信号を負極性でフィードバックするフィードバック制御ループを形成し、
    出荷時調整の際、前記フィードバック制御ループの開ループゲインが予め設定した出荷時の目標値になるようなゲイン調整値を求めて記憶し、
    電源をＯＮするごとに、前記記憶されたゲイン調整値により前記フィードバック制御ループの開ループゲインを設定し、
    騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィードバック制御ループの開ループゲインを予め設定したヘッドフォン装着時の目標値になるように調整することを特徴とする騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法。
  10. 前記フィードバック制御ループに前記偏差信号を入力して特定の周波数帯域の周波数をパスさせるフィルタを設け、
    騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィルタのゲインを調整して、前記フィードバック制御ループの開ループゲインを予め設定したヘッドフォン装着時の目標値になるように調整することを特徴とする請求項８又は請求項９のいずれかに記載の騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法。
  11. 騒音キャンセルモードに切り替えるごとに、前記フィードバック制御ループをオープン状態にしてばらつき調整用開ループを形成し、
    特定周波数の正弦波信号に対する前記ばらつき調整用開ループのゲインを測定し、
    前記ばらつき調整用開ループのゲインが、予め設定した前記ばらつき調整用開ループの開ループゲイン調整目標値になるように、前記フィルタのゲインを調整する
    ことを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載の騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法。
  12. 前記正弦波信号の周波数は、騒音キャンセルすべき周波数帯域内の特定周波数であることを特徴とする請求項１１に記載の騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法。
  13. 前記音楽信号は１ビット信号であり、
    前記帰還信号は前記マイクからのアナログ信号が１ビット信号に変換された信号であり、
    前記偏差信号は、前記音楽信号の１ビット信号と前記帰還信号の１ビット信号をデジタル的に引き算した１ビット信号であり、
    前記フィルタは１ビット信号処理によるデジタルフィルタである
    ことを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の騒音キャンセルヘッドフォンのばらつき調整方法。
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