JP2007240704A - 騒音キャンセルヘッドフォン、及びその特性ばらつき調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音キャンセルヘッドフォンでは視聴者のヘッドフォン装着状態により、騒音キャンセルフィードバックループの伝達関数が大きく変わってしまいハウリング現象を起こすことがある。従来、補正回路の伝達関数をゲイン変化及びカットオフ周波数の両方で調整し安定化を図っていたが、調整が難しいという問題があった。
【解決手段】本発明の騒音キャンセルヘッドフォンは、音声信号のゲインを補正する補正回路２１と、スピーカ１３の音声と周囲の騒音をマイク１４で集音しフィルタ回路２２を通して補正回路の出力と差分を取り該差分信号でスピーカから音声が出力されるように構成されたゲインＧ_１１、Ｇ_２２のフィードバック制御回路と、補正回路とフィルタ回路の合成されたゲイン特性がほぼフラットになるように、フィードバック制御回路のゲインＧ_２２の変化に対応して補正回路とフィルタ回路のゲインを調整するばらつき調整回路２３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、騒音キャンセルヘッドフォン、及びその特性ばらつき調整方法に係り、特に騒音キャンセル制御ループの伝達関数の特性調整をゲイン特性のみで調整することができる騒音キャンセルヘッドフォン、及びその特性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視聴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、スピーカから出力される騒音を逆位相で打ち消し、低騒音化を実現するようになっている。騒音キャンセルヘッドフォンに関する従来技術としては、特開平６−３４３１９５号公報（特許文献１）、特開平１１−１９６４８８号公報（特許文献２）などを挙げることができる。

図１４は、フィードバック制御により騒音キャンセルを実現するヘッドフォンの従来技術例を示したものである。図１４を参照してフィードバック制御による騒音キャンセル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位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１４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１４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１４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、ヘッドフォンアンプ７、マイクアンプ８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は視聴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。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。この負帰還のフィードバックループにより騒音がキャンセルされるようになっている。

いま、騒音キャンセル制御におけるフィードバックループを考える。図１４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１５のようになる。

図１５において、１０１は、騒音キャンセルのフィードバックループにおける前向きの伝達関数Ｇ_１、１０２は後ろ向きの伝達関数Ｇ_２、１０３はフィードバック信号加算部を示している。ここで、補正回路４の出力部ｘからスピーカ１３の入力部ｙまでを前向きの伝達関数をＧ_１、スピーカ１３の入力部ｙから信号増幅器５の負入力端子までを後ろ向きの伝達関数をＧ_２としている。

補正回路４の出力部ｘを入力点としてスピーカ１３の入力部ｙを出力点とする閉ループ伝達関数Ｈ_１は制御理論から明らかなように次の式で表される。
H₁=G₁/(1+G₁*G₂) ・・・・・・・・（１）

次に補正回路４について説明する。

図１６は騒音キャンセルフィードバックループの前向きの伝達関数Ｇ_１、後ろ向きの伝達関数Ｇ_２、開ループ伝達関数Ｇ_１＊Ｇ_２、及び閉ループ伝達関数Ｈ_１の各ゲイン特性をボード線図で表したもので、補正回路４が無いとき閉ループ伝達関数Ｈ_１（太い実線で示した）がどうなるかを示している。Ｇ_１＊Ｇ_２は開ループ伝達関数のゲイン特性を表しており、制御帯域において最大約２０ｄＢのゲインが得られている例を示している。このときのカットオフ周波数は１ｋＨｚのｆ_ｃａで示される点となっている。図から分かるように、閉ループ伝達関数Ｈ_１のゲイン特性は視聴範囲の周波数帯域においてフラットな特性にはなっていない。

したがってこのままでは音声信号が歪んで再生されてしまう。そこで、音声信号に対するゲイン特性がほぼフラットになるように補正回路４により補正を行うのである。

図１７は、補正回路４の調整により、音声信号に対するゲイン特性をフラットな特性とした場合の特性図を描いたものである。図１７は騒音キャンセルフィードバックループの閉ループ伝達関数Ｈ_１、補正回路４の伝達関数Ｇ_EQ、及び閉ループ伝達関数Ｈ_１と補正回路４の伝達関数Ｇ_EQを合成したＨ_１＊Ｇ_EQの各ゲイン特性を示している。

図１７のように、ゲイン特性がフラットでない閉ループ伝達関数Ｈ_１を補正回路４の伝達関数Ｇ_EQで補償し、特性曲線Ｈ_１＊Ｇ_EQで示すようにフラットなゲイン特性とし、歪みのない音声を再生する。

図１７から分かるように、閉ループ伝達関数Ｈ_１が補正回路４の伝達関数Ｇ_EQで補償され、Ｈ_１＊Ｇ_EQのゲイン特性は２０Ｈｚ以上の可聴周波数範囲でほぼ１（＝０ｄＢ）となっている。このとき補正回路４の伝達関数Ｇ_EQは、カットオフ周波数ｆ_ｃａ＝１ｋＨｚ以上の周波数領域で閉ループ伝達関数Ｈ_１の右肩下がりゲイン特性を補償するように右肩上がりのゲイン特性となっている（点線ａで示した部分）。

従来、補正回路４の伝達関数Ｇ_EQは、制御帯域（図１７に示す２０Ｈｚ〜１ｋＨｚ）のゲイン特性と、カットオフ周波数ｆ_ｃａ以上（１ｋＨｚ〜）の点線ａで示したゲイン特性を調整してフラットなゲイン特性が得られるようにしていた。なお、この補正回路４はイコライザの機能を兼ねて設けられることもある。この場合にはフラットなゲイン特性のみでなく、視聴者の好みのゲイン特性に調整される。
特開平６−３４３１９５号公報 特開平１１−１９６４８８号公報

騒音キャンセルヘッドフォンでは視聴者のヘッドフォン装着状態により、伝達関数Ｇ_２が大きく変わってしまいハウリング現象を起こすなど制御が不安定になるという問題がある。このため、出荷時に最適に調整されたとしても、視聴者が実際にヘッドフォンを装着したときに、装着状態に合わせて騒音キャンセルフィードバックループの伝達関数のゲイン特性を調整してやる必要がある。従来、視聴者がヘッドフォンを装着したときのこの調整は、アナログフィルタ６のゲインを調整して、開ループ伝達関数Ｇ_１＊Ｇ_２がほぼ同じになるようにしていた。

図１８は視聴者がヘッドフォンを装着したときの伝達関数Ｇ_２のばらつきを調整する従来の制御回路構成を示したものである。図１８において、１８はばらつき調整回路を示しており、伝達関数Ｇ_２のばらつきに応じて、アナログフィルタ６のゲインが調整される。

このようにすると開ループ伝達関数Ｇ_１＊Ｇ_２が出荷時に調整された安定な状態に保たれることになる。しかし、伝達関数Ｇ_２の変化を伝達関数Ｇ_１で補正するように調整するので、閉ループ伝達関数Ｈ_１が調整前後で異なった周波数特性となってしまう。そこで、補正回路４の伝達関数Ｇ_EQも対応して調整される。

図１９、図２０はこのときの調整の様子を示したものである。

図１９は騒音キャンセルフィードバックループの前向きの伝達関数Ｇ_１、後ろ向きの伝達関数Ｇ_２、開ループ伝達関数Ｇ_１＊Ｇ_２、及び閉ループ伝達関数Ｈ_１の各ゲイン特性をボード線図で表したもので、補正回路４が無いとき閉ループ伝達関数Ｈ_１（太い実線で示した）がどうなるかを示している。

図１９に示した伝達関数Ｇ_２のゲインは、図１６で示した伝達関数Ｇ_２のゲインより小さくなった場合を示している。伝達関数Ｇ_２のゲインは視聴者のヘッドフォン装着状態により変化する。

図１９は、例として、図１６のものに対して５ｄＢ小さくなり、開ループ伝達関数Ｇ_１＊Ｇ_２が約１５ｄＢとなった場合を示している。開ループ伝達関数Ｇ_１＊Ｇ_２のカットオフ周波数は、図１６の場合ｆｃａ＝１ｋＨｚであるのに対し、ｆ_ｃｂ＝８００Ｈｚの点に移動している。また、このとき閉ループ伝達関数Ｈ_１の制御帯域（３０Ｈｚ〜８００Ｈｚ）におけるゲインは、伝達関数Ｇ_２のゲインが小さくなった分大きくなっている（（４）式よりＨ_１≒１／Ｇ_２の関係がある）。

図２０は、伝達関数Ｇ_２のゲイン変化により閉ループ伝達関数Ｈ_１が変化したとき、この変化を補償してフラットな特性にしようとしたときの様子を示したものである。

図２０は騒音キャンセルフィードバックループの閉ループ伝達関数Ｈ_１、補正回路４の伝達関数Ｇ_EQ、及び閉ループ伝達関数Ｈ_１と補正回路４の伝達関数Ｇ_EQを合成したＨ_１＊Ｇ_EQの各ゲイン特性を示している。

ここで、図２０で示した補正回路４の伝達関数Ｇ_EQをゲインのみ変化させて閉ループ伝達関数Ｈ_１の特性を補正しようとした場合、太い実線のＨ_１＊Ｇ_EQ特性グラフで示されるように、カットオフ周波数ｆ_ｃｂ（＝８００Ｈｚ）とｆ_ｃａ（＝１ｋＨｚ）の間において段差を生じてしまう。これは、閉ループ伝達関数Ｈ_１のゲイン特性がカットオフ周波数ｆ_ｃｂ＝８００Ｈｚの点から周波数の増加に伴ってゲインが下がる特性になっているのに対し、補正回路４の伝達関数Ｇ_EQのゲイン特性はカットオフ周波数ｆ_ｃａ＝１ｋＨｚの点から周波数の増加に伴ってゲインが上がる特性（点線ａ）になっているためである。

そこで、閉ループ伝達関数Ｈ_１と補正回路４の伝達関数Ｇ_EQを合成した伝達関数Ｈ_１＊Ｇ_EQのゲイン特性をフラットにするために、補正回路４の伝達関数Ｇ_EQのゲイン特性をカットオフ周波数ｆ_ｃｂ＝８００Ｈｚの点から右肩上がりになるように設定する（一点鎖線ｂで示す）。補正回路４のゲイン特性をこのような特性にすると、閉ループ伝達関数Ｈ_１と補正回路４の伝達関数Ｇ_EQを合成したゲイン特性として、太い一点鎖線ｃで示したフラットな特性を得ることができる。

しかしながら、補正回路４の伝達関数Ｇ_EQをゲイン変化及びカットオフ周波数の変化の両方に合わせて調整するのは、調整が難しいという問題がある。

本発明は上記問題点に鑑み、視聴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るときに、ヘッドフォンの装着状態に応じてばらつく伝達関数の特性をゲインのみで調整し、最適な騒音低減効果を得ることを目的とする。

本発明の騒音キャンセルヘッドフォンは、音声信号を入力して周囲の騒音がキャンセルされた音声を視聴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、前記音声信号を入力し該音声信号のゲイン特性を補正して出力する補正回路と、スピーカからの音声と周囲の騒音をマイクによって集音し、前記マイクの出力をフィルタ回路を通して前記補正回路の出力と差分を取るようにフィードバックし、該差分に比例した信号を前記スピーカに出力するように構成された騒音キャンセルフィードバック制御回路と、前記補正回路と前記フィルタ回路の合成されたゲイン特性が周波数に対しほぼフラットになるように、前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲインの変化に対応して前記補正回路と前記フィルタ回路のゲイン特性を調整するばらつき調整回路を備えたことを特徴とする。
また、本発明の騒音キャンセルヘッドフォンは、前記ばらつき調整回路は、前記補正回路のゲインを、前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲインが１以上のとき前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲインと同じ値に設定し、１より小さいときは１に設定することを特徴とする。
また、本発明の騒音キャンセルヘッドフォンは、前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の信号を前記フィルタ回路の出力部と前記スピーカの入力部との間において遮断しばらつき調整用開ループを生成する手段と、前記ばらつき調整用開ループが生成された際に騒音キャンセル周波数帯域の特定の周波数の信号を前記スピーカに出力するばらつき調整用信号生成回路と、前記フィルタの出力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に基づき前記フィルタと前記補正回路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。
また、本発明の騒音キャンセルヘッドフォンは、出荷時調整スイッチがＯＮされたとき、前記レベル検出回路で検出した信号レベルを基に第１のゲイン調整値を求めて記憶する第１ゲイン調整値記憶手段と、騒音キャンセルスイッチがＯＮされたとき、前記レベル検出回路で検出した信号レベルを基に第２のゲイン調整値を求めて記憶する第２ゲイン調整値記憶手段と、前記第１ゲイン調整値記憶手段と前記第２ゲイン調整値記憶手段に記憶された第１、第２のゲイン調整値の積の値により前記補正回路のゲインを調整する補正回路ゲイン調整手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明の騒音キャンセルヘッドフォンは、前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向きゲインを予め測定して基準ゲイン特性として記憶し、該記憶された前記基準ゲイン特性のゲインを前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向きゲインの変化に対応してシフトして前記補正回路のゲインとして設定する手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明の騒音キャンセルヘッドフォンの特性ばらつき調整方法は、音声信号を入力し該音声信号のゲイン特性を補正して出力する補正回路と騒音をキャンセルする騒音キャンセルフィードバック制御回路が設けられ、周囲の騒音がキャンセルされた音声を視聴することができる騒音キャンセルヘッドフォンの特性ばらつき調整方法において、騒音キャンセル周波数帯域の特定の周波数の信号をスピーカに入力し、前記スピーカからの音声をマイクによって集音し、前記マイクの出力をフィルタ回路を通して前記補正回路の出力と差分を取るようにフィードバックし、前記フィルタ回路の出力信号レベルに基づいて前記補正回路のゲイン特性と前記フィルタ回路のゲイン特性を調整し、前記騒音キャンセル周波数帯域の特定の周波数の信号の代わりに前記補正回路の出力と前記フィルタ回路の出力の差分を前記スピーカに入力した際、前記スピーカから出力される音声の周波数特性がほぼフラットになるようにしたことを特徴とする。
また、本発明の騒音キャンセルヘッドフォンの特性ばらつき調整方法は、前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の前向き伝達関数のゲインを１に設定し、前記補正回路のゲインを、前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲインが１以上のとき前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向きゲインと同じ値に設定し、１より小さいときは１に設定することを特徴とする。
また、本発明の騒音キャンセルヘッドフォンの特性ばらつき調整方法は、前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の閉ループを前記フィルタ回路の出力部と前記スピーカの入力部との間において信号を遮断し、前記騒音キャンセル周波数帯域の特定の周波数の信号を前記スピーカに出力し、前記フィルタの信号レベルを検出し、前記信号レベルの検出値に基づき前記フィルタと前記補正回路のゲインを調整することを特徴とする。
また、本発明の騒音キャンセルヘッドフォンの特性ばらつき調整方法は、出荷時調整スイッチがＯＮされたとき、前記信号レベルを基に第１のゲイン調整値を求めて記憶し、騒音キャンセルスイッチがＯＮされたとき、前記信号レベルを基に第２のゲイン調整値を求めて記憶し、記憶された前記第１、第２のゲイン調整値の積の値により前記補正回路のゲインを調整することを特徴とする。
また、本発明の騒音キャンセルヘッドフォンの特性ばらつき調整方法は、前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲイン特性を予め測定して基準ゲイン特性として記憶し、記憶された前記基準ゲイン特性のゲインを前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲインの変化に対応してシフトして前記補正回路の伝達関数として設定することを特徴とする。

本発明によれば、ヘッドフォンの装着状態に応じてばらつく伝達関数の特性をゲインのみで調整でき、最適な騒音低減効果を得ることができる。

以下、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。

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、２０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出力する音声信号再生装置であり、図１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２０とヘッドフォン２は、一体あるいは別体として構成することができる。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とすることができる。

音声信号再生装置３から入力された音声信号は、制御回路部２０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２０は、補正回路２１、信号増幅器５、ヘッドフォンアンプ７、マイクアンプ８、フィルタ２２、ばらつき調整回路２３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は視聴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２１の入力部に接続されている。また、補正回路２１の出力部は信号増幅器５の正入力端子に接続されている。また、信号増幅器５の出力部はヘッドフォンアンプ７を介してスピーカ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。

補正回路２１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、フィルタ２２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、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、フィードバック信号として帰還させる。

ばらつき補正回路２３は、製品ばらつきを出荷時に調整し、更に視聴者が音声を再生するときの視聴者のヘッドフォン装着状態に依存して変わる伝達関数を補正するために設けられている。

このように制御回路部２０、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、信号増幅器５、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、フィルタ２２により負帰還のフィードバックループを構成する。

ここで、補正回路２１の出力部からスピーカ１３の入力部までの前向きの伝達関数をＧ_１１、スピーカ１３の入力から信号増幅器５の負入力端子までの後ろ向きの伝達関数をＧ_２２とする。また、視聴者の耳空間部にヘッドフォンハウジング１２を介して騒音Ｎが外乱として入力される。

図１と図１８を比較すると分かるように、図１８の従来技術によるアナログフィルタ６が前向きの伝達関数Ｇ_１の経路に設けられているのに対し、本実施の形態ではフィルタ２２が後ろ向きの伝達関数Ｇ_２２の経路に設けられている。この点が第１の特徴である。

また、従来技術による図１８の補正回路４はゲイン及びカットオフ周波数の両方を補正するのに対し、本実施の形態による図１の補正回路２１はゲインのみ補正するようになっている。この点が第２の特徴である。

図１の制御回路部２０の制御構成を伝達関数を用いて表すと図２のように表すことができる。図２において、１２２はフィードバックループの後ろ向きの伝達関数Ｇ_２２、１０３はフィードバック信号加算部、１０５は補正回路２１の伝達関数Ｇ’_EQを示している。スピーカ１３からの音声Ｓは、音声信号Ｉによる音と騒音Ｎによる音が混合している。また、ヘッドフォンの耳空間部では、スピーカ１３からの音声Ｓと騒音Ｎが混合している。伝達関数Ｇ_１１のゲインは視聴周波数範囲でほぼ一定で、この値をｋと置いてもよいが、簡単化のためｋ＝１（０ｄＢ）としている。

補正回路４の出力部ｘを入力点とし、マイク１４の入力部ｙを出力点とする音声信号に対する閉ループ伝達関数Ｈ_１１は次の式で表される。
H₁₁=1/(1+G₂₂) ・・・・・・・・（２）

また、騒音Ｎの入力部を入力点とし、マイク１４の入力部ｙを出力点とする騒音に対する閉ループ伝達関数Ｈ_２２は次のようになる。
H₂₂=1/(1+G₂₂) ・・・・・・・・（３）
（３）式は伝達関数Ｇ_２２のゲインを大きくすると騒音が低減されることを表している。

音声信号も、伝達関数Ｇ_２２のゲインを大きくすると閉ループ伝達関数Ｈ_１１の特性により小さな値になる。そこで、音声信号が小さくならないように閉ループ伝達関数Ｈ_１１の特性を補正回路２１の特性により補償する。以下の説明で明らかとなるように、補正回路２１の伝達関数のゲインは、制御帯域（図３〜図６の図中の記載参照）において伝達関数Ｇ_２２と同じゲインに設定され、制御帯域外において１（０ｄＢ）に設定される。

図３は騒音キャンセルフィードバックループの伝達関数Ｇ_２２と、閉ループ伝達関数Ｈ_１１のゲイン特性をボード線図で表したものである。伝達関数Ｇ_２２は２０Ｈｚから１ｋＨｚの制御帯域において１（０ｄＢ）以上のゲインを有し、最大ゲインとして約２０ｄＢが得られた例を示している。伝達関数Ｇ_２２はバンドパス特性となっている。

閉ループ伝達関数Ｈ_１１のゲイン特性は（２）式から求めることができ、２０Ｈｚから１ｋＨｚの制御帯域においてＨ_１１≒１／Ｇ_２２であり、下に凸の特性となっている。また（２）式から、２０Ｈｚより低い周波数帯域と１ｋＨｚより高い周波数帯域ではゲインが約１（０ｄＢ）となることが分かる。

図４は、音声信号のゲイン特性が周波数に対してフラットになるように、補正回路２１により補正する様子を示したものである。図４に示されるように、補正回路２１の伝達関数Ｇ’_EQのゲインは、２０Ｈｚから１ｋＨｚの制御帯域において伝達関数Ｇ_２２と同じ値に設定される。また、また２０Ｈｚより低い周波数帯域と１ｋＨｚより高い周波数帯域ではゲインが１（０ｄＢ）に設定される。

補正回路２１の伝達関数Ｇ’_EQのゲインがこのように設定されているので、補正回路２１の伝達関数Ｇ’_EQと閉ループ伝達関数Ｈ_１１を合成した伝達関数Ｈ_１１＊Ｇ’_EQのゲイン特性は、２０Ｈｚから１ｋＨｚの制御帯域において、Ｈ_１１＊Ｇ’_EQ≒１／Ｇ_２２＊Ｇ_２２＝１（＝０ｄＢ）となる。

また、２０Ｈｚより低い周波数帯域と１ｋＨｚより高い周波数帯域では、Ｈ_１１＊Ｇ’_EQ≒１／１＊１＝１（＝０ｄＢ）となる。

このように、補正回路２１の伝達関数Ｇ’_EQと閉ループ伝達関数Ｈ_１１を合成した伝達関数Ｈ_１１＊Ｇ’_EQのゲイン特性は全周波数範囲において１（０ｄＢ）となり、フラットな特性が得られる。

次に、視聴者のヘッドフォン装着状態により伝達関数Ｇ_２２が変化した場合の調整について説明する。

図５は視聴者のヘッドフォン装着状態により伝達関数Ｇ_２２が図３で示したものより５ｄＢほど小さくなった例を示している。

図５において、伝達関数Ｇ_２２は３０Ｈｚから８００Ｈｚの制御帯域において１以上（０ｄＢ以上）のゲインを有し、最大ゲインとして１５ｄＢとなっている。

閉ループ伝達関数Ｈ_１１のゲイン特性は図３のときと同様に（２）式から求めることができ、３０Ｈｚから８００Ｈｚの制御帯域においてＨ_１１≒１／Ｇ_２２であり、下に凸の特性となっている。また、３０Ｈｚより低い周波数帯域と８００Ｈｚより高い周波数帯域ではゲインが１（０ｄＢ）となる。

図６は、音声信号のゲイン特性が周波数に対してフラットな特性になるように、補正回路２１により補正する様子を示したものである。図６に示されるように、補正回路２１の伝達関数Ｇ’_EQのゲインは、３０Ｈｚから８００Ｈｚの制御帯域において伝達関数Ｇ_２２と同じ値に設定される。また、３０Ｈｚより低い周波数帯域と８００Ｈｚより高い周波数帯域ではゲインが１（０ｄＢ）に設定される。

補正回路２１の伝達関数Ｇ’_EQのゲインがこのように設定されるので、補正回路２１の伝達関数Ｇ’_EQと閉ループ伝達関数Ｈ_１１を合成した伝達関数Ｈ_１１＊Ｇ’_EQのゲイン特性は、３０Ｈｚから８００Ｈｚ制御帯域において、Ｈ_１１＊Ｇ’_EQ≒１／Ｇ_２２＊Ｇ_２２＝１（＝０ｄＢ）となる。

また、３０Ｈｚより低い周波数帯域と８００Ｈｚより高い周波数帯域では、Ｈ_１１＊Ｇ’_EQ≒１／１＊１＝１（＝０ｄＢ）となる。

このように、補正回路２１の伝達関数Ｇ’_EQと閉ループ伝達関数Ｈ_１１を合成した伝達関数Ｈ_１１＊Ｇ’_EQのゲイン特性は全周波数範囲において１（０ｄＢ）となり、周波数に対してフラットなゲイン特性が得られる。

上記図４、図６の説明から分かるように、補正回路２１の伝達関数Ｇ’_EQのゲイン特性は、伝達関数Ｇ_２２のゲイン特性が１（０ｄＢ）以上の場合にはＧ’_EQ＝Ｇ_２２として設定され、また、伝達関数Ｇ_２２のゲイン特性が１（０ｄＢ）より小さい場合には１（０ｄＢ）として設定される。

ここで、補正回路２１の伝達関数Ｇ’_EQのゲイン特性の設定について更に説明する。
まず、伝達関数Ｇ_２２のゲイン特性は予め実測して求められる。これは、ダミー人形などにヘッドフォンを装着して求められる。この実測された伝達関数Ｇ_２２のゲイン特性を基準ゲイン特性ということにする。基準ゲイン特性の一例を図７に示す。

これに対し、視聴者のヘッドフォン装着状態に応じて変化する伝達関数Ｇ_２２は、近似的に基準ゲイン特性がゲイン軸方向に上下にシフトする特性になっていると考えて良い。したがって、上記実測して求められた基準ゲイン特性を記憶手段に記憶しておき、例えば、視聴者のヘッドフォン装着状態における伝達関数Ｇ_２２の最大ゲインの変化を調べ、このゲイン変化分で基準ゲイン特性を上下にシフトするだけで、実際の伝達関数Ｇ_２２のゲイン特性を近似的に得ることができる。

したがって、補正回路２１の伝達関数Ｇ’_EQのゲイン特性を設定する場合には、伝達関数Ｇ_２２の基準ゲイン特性を視聴者のヘッドフォン装着状態のゲイン変化分だけ上下にシフトし、この上下にシフトして求めた特性のゲインの値が１（０ｄＢ）以下の部分を１（０ｄＢ）、１（０ｄＢ）以上の部分を（基準ゲイン特性のゲイン）＋（ヘッドフォン装着状態のゲイン変化分）として設定すれば良い。

視聴者のヘッドフォン装着状態のゲイン変化分は、後述するように、実際に視聴者がヘッドフォンを装着した状態で騒音キャンセルスイッチをＯＮ操作したとき求められる。

次に、本実施の形態を更に詳細な制御構成として示した図８を参照して説明する。本実施の形態はΔΣ変調器による１ビット信号によりデジタル信号処理される（ΔΣ変調器による１ビット信号については、例えば特開２００３−３１８６６５号公報、特開２００５−１５１５８９号公報などを参照）。

図８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、他方は図示及び説明を省略している。６４はイヤホン型の音声再生部である。６４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のデジタル音声信号が出力される。また、シリコンプレーヤ３３はアナログの音声信号が出力される。

３４はシリコンプレーヤ３２からＰＣＭのデジタル音声信号を取り込んで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からアナログ音声信号を取り込んで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６８と騒音キャンセルスイッチ６２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ゲイン特性が可聴範囲で周波数に対してフラットな特性でなくなるため、これを補正回路４０により補償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により視聴者の所望の特性になるように調整することができる。

なお、補正回路４０はデジタルフィルタとして構成されている。補正回路４０は、デジタルフィルタの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。補正回路４０には予めフィードバックループの伝達関数Ｇ_２２の基準ゲイン特性が実測され記憶されている。そして、この基準ゲイン特性を、ばらつき調整によりゲイン軸方向にゲイン調整値だけ上下にシフトさせて、その結果、ゲインが１（０ｄＢ）以上となったときはそのゲインが設定され、１（０ｄＢ）より小さくなったときは１（０ｄＢ）が設定される。

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のアナログ音声信号がスピーカ４４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はマイクであり、スピーカ４４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、４９は信号線である。また、６６は視聴者の耳を表している。

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。

４１はデジタルフィルタであり、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α_０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α_０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α_０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。

５４は補正回路４０の１ビット信号とデジタルフィルタ４１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の出力から音声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Ａ_０（具体的には例えば１５ｄＢ）が記憶されている。

ＥＥＰＲＯＭ５８は書き換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、視聴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Ａ_１（具体的には例えば２０ｄＢ）が記憶されている。

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４１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からの切替信号を受けてＥＥＰＲＯＭ５８の出力データを通過させる。また、騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮすると、セレクタ３７は切替信号生成回路６８からの切替信号を受けて、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視聴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、レベル検出器５５の動作について説明する。

図９はレベル検出回路５５の構成例を示している。図９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１０はレベル検出回路５５の動作を説明する図である。図１０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１０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１０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１０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１０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１０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５９からの２００Ｈｚ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及び補正回路２１のゲイン調整について説明する。

ばらつき調整は出荷時におけるばらつき調整と、視聴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、視聴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、視聴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（Head and Torso Simulator）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信号を選択する。この２００Ｈｚ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、デジタルフィルタ４１に出力される。またデジタルフィルタ４１の出力は、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ビット信号とデジタルフィルタ４１からの１ビット信号の差分を取りセレクタ３８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、音声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、デジタルフィルタ４１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セレクタ３８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Ｂ_０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Ｂ_０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１１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Ａ_０（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Ａ_０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α_０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Ａ_０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Ａ_０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５９からの信号を選択する。

２００Ｈｚ信号生成回路５９から発した２００Ｈｚ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Ｂ_０とする（例えば１０ｄＢが検出されたとする）。

レベル検出回路５５で検出されたレベル検出値Ｂ_０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Ｂ_０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Ａ_０（１５ｄＢ）との比率Ａ_０／Ｂ_０が求められ、レベル決め回路（出荷時）５６はこの比率Ａ_０／Ｂ_０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Ａ_０／Ｂ_０は、ＥＥＰＲＯＭ５８に記憶される。例えばＡ_０＝１５ｄＢに対しＢ_０＝１０ｄＢであればＡ_０／Ｂ_０＝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、出荷後に視聴者が電源ＯＮしたときにデジタルフィルタ４１及び補正回路４０のゲイン調整値としてデジタルフィルタ４１及び補正回路４０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Ｂ_０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Ａ_０に揃えられたことになる。

次に、視聴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。

実際に視聴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、視聴者の耳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、視聴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Ａ_０を中心にばらつくことになる。

視聴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Ａ_１（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α_０で決められる値に初期設定される。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Ａ_０／Ｂ_０がデジタルフィルタ４１、及び補正回路４０に出力される。これにより、デジタルフィルタ４１のゲインはＡ_０／Ｂ_０によって更新され、補正回路４０にゲイン調整値Ａ_０／Ｂ_０が記憶される。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。

視聴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視聴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、デジタルフィルタ４１に出力される。また、デジタルフィルタ４１の出力は加算器５４に出力される。加算器５４では補正回路４０からの１ビット信号とデジタルフィルタ４１からの１ビット信号の差分を取りセレクタ３８に出力される。但し、セレクタ３８は２００Ｈｚ生成回路５９を選択しているので、加算器５４からの信号はセレクタ３９には伝わらない。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、音声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、デジタルフィルタ４１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加算器５４から出力される。

デジタルフィルタ４１はその特性にしたがって１ビットＡ／Ｄ変換器５３の出力信号（１ビット信号）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Ｂ_１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Ｂ_１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Ａ_１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Ａ_１とレベル検出回路５５により検出されたレベル検出値Ｂ_１との比率Ａ_１／Ｂ_１を求めて、セレクタ３７及び補正回路４０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Ａ_１／Ｂ_１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、α_０＊（Ａ_０／Ｂ_０）＊（Ａ_１／Ｂ_１）となる。

また、補正回路４０には、電源投入時にＥＥＰＲＯＭ５８から入力されたゲイン調整値（Ａ_０／Ｂ_０）が先に記憶されており、更に、騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮ操作されたときに求められたゲイン調整値（Ａ_１／Ｂ_１）がレベル決め回路（装着時）５７から入力されて記憶されることになる。補正回路４０はこれらのゲイン調整値を使って最終的なゲイン調整値（Ａ_０／Ｂ_０）＊（Ａ_１／Ｂ_１）とし、予め記憶されている伝達関数Ｇ_２２の基準ゲイン特性を（Ａ_０／Ｂ_０）＊（Ａ_１／Ｂ_１）倍し、その結果、ゲインが１（０ｄＢ）以上となった周波数帯域ではゲインが（Ａ_０／Ｂ_０）＊（Ａ_１／Ｂ_１）倍されるようにフィルタ係数を設定し、ゲインが１（０ｄＢ）より小さい周波数帯域ではゲインが１（０ｄＢ）となるようにフィルタ係数が設定される。

以下、図１２のフローチャートを参照して、視聴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Ａ_１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Ａ_１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α_０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Ａ_０／Ｂ_０がデジタルフィルタ４１及び補正回路２１に出力され、デジタルフィルタ４１のゲインはＡ_０／Ｂ_０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α_０のＡ_０／Ｂ_０倍に更新される。また、補正回路４０にレベル調整値Ａ_０／Ｂ_０が記憶される。

ステップＳ１４においてヘッドフォンが視聴者に装着される。騒音キャンセルモードのレベル調整は、視聴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、レベル検出回路５５で２００Ｈｚ信号のレベルをレベル検出値Ｂ_１として検出する。レベル検出回路５５で検出されたレベル検出値Ｂ_１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Ａ_１（２０ｄＢ）との比率Ａ_１／Ｂ_１を求め、この比率Ａ_１／Ｂ_１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及び補正回路４０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Ａ_１／Ｂ_１はセレクタ３７を介してデジタルフィルタ４１及び補正回路４０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Ａ_１／Ｂ_１を基にゲインを更新する。このときデジタルフィルタ４１のゲインはα_０＊Ａ_０／Ｂ_０＊Ａ_１／Ｂ_１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Ａ_１になる。

また、補正回路４０には電源投入時に記憶されたゲイン調整値（Ａ_０／Ｂ_０）と騒音キャンセルスイッチ６２がＯＮ操作されたときに求められたゲイン調整値（Ａ_１／Ｂ_１）が記憶されることになる。補正回路４０はこれらのゲイン調整値を使って最終的なゲイン調整値は（Ａ_０／Ｂ_０）＊（Ａ_１／Ｂ_１）とし、予め記憶されている伝達関数Ｇ_２２の基準ゲイン特性を（Ａ_０／Ｂ_０）＊（Ａ_１／Ｂ_１）倍し、その結果、ゲインが１（０ｄＢ）以上となった周波数帯域ではゲインが（Ａ_０／Ｂ_０）＊（Ａ_１／Ｂ_１）倍されるようにフィルタ係数を設定し、ゲインが１（０ｄＢ）より小さい周波数帯域ではゲインが１（０ｄＢ）となるようにフィルタ係数が設定する。

その結果、補正回路４０と騒音キャンセルフィードバックの閉ループ伝達関数を総合した伝達関数Ｇ_ＥＱ＊Ｈ_１１はフラットな周波数特性になる。

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、視聴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Ａ_１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Ａ_１されるまでの処理は短時間に終了する。

ここで、視聴者はこの調整中に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視聴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。このビープ音を視聴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。この時間は視聴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。

以上の実施の形態における説明では、補正回路２１、４０の周波数特性を、２０〜３０Ｈｚ以下の周波数帯域においてゲインを１（０ｄＢ）になるように設定したが、この周波数帯域は可聴周波数範囲を外れるので、図１３（ｃ）のＧ”_ＥＱで示した特性のように、２０〜３０Ｈｚ以下の周波数帯域において伝達関数Ｇ_２２と同じゲインとなるように設定しても良い。

また、上記実施の形態では騒音キャンセルフィードバックループの前向きの伝達関数Ｇ１１を簡単化のために１と置いたが、ｋと置いて一般化して同様に実施できる。この場合は、前記補正回路のゲインを、前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲインが１／ｋ（-20logk(dB)）以上のとき騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲインと同じ値に設定し、１／ｋより小さいときは１／ｋ（-20logk(dB)）に設定する

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実施の形態を示す制御回路構成図である。 本発明による、実施の形態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。 本発明による、実施の形態の騒音キャンセルフィードバック制御をボード線図により説明する図である。 本発明による、実施の形態の補正回路の制御をボード線図により説明する図である。 本発明による、実施の形態の騒音キャンセルフィードバック制御をボード線図により説明する図である。 本発明による、実施の形態の補正回路の制御をボード線図により説明する図である。 本発明による、騒音キャンセルヘッドフォンの実施の形態を示すより詳細な制御回路構成図である。 本発明による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、ばらつき調整用開ループのゲイン特性の一例を示す。 本発明による、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、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、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、補正回路の伝達関数の他の実施の形態を示す図である。 従来技術の騒音キャンセルヘッドフォンの制御回路構成例を示す図である。 従来技術の騒音キャンセルヘッドフォン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。 従来技術の騒音キャンセルフィードバック制御をボード線図により説明す 従来技術の補正回路の制御をボード線図により説明する図である。 従来技術のばらつき制御回路を備えた騒音キャンセルヘッドフォンの制御回路構成例を示す図である。 従来技術のばらつき制御回路を備えた騒音キャンセルヘッドフォンの騒音キャンセルフィードバック制御をボード線図により説明する図である。 従来技術のばらつき制御回路を備えた騒音キャンセルヘッドフォンの補正回路の制御をボード線図により説明する図である。

符号の説明

１、２０、３１・・・制御回路部
２、６４・・・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、２１、４０・・・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
６２・・・騒音キャンセルスイッチ
６３・・・電池
１２・・・ヘッドフォンハウジング
１３、４４・・・スピーカ
１４、４６・・・マイク
１５、６６・・・耳
１６・・・バンド
２２・・・フィルタ
２３・・・ばらつき調整回路
３４・・・ＰＣＭ／1bit変換器
３５・・・アナログ／1bit変換器
３６〜３９・・・セレクタ
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
４８〜４９・・・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
５９・・・２００Ｈｚ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・・・伝達関数Ｇ_１
１０２・・・伝達関数Ｇ_２
１０３・・・フィードバック信号加算部
１０４・・・伝達関数Ｇ_ＥＱ
１０５・・・伝達関数Ｇ’_ＥＱ
１２２・・・伝達関数Ｇ_２２

Claims (10)

1. 音声信号を入力して周囲の騒音がキャンセルされた音声を視聴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、
   前記音声信号を入力し該音声信号のゲイン特性を補正して出力する補正回路と、
   スピーカからの音声と周囲の騒音をマイクによって集音し、前記マイクの出力をフィルタ回路を通して前記補正回路の出力と差分を取るようにフィードバックし、該差分に比例した信号を前記スピーカに出力するように構成された騒音キャンセルフィードバック制御回路と、
   前記補正回路と前記フィルタ回路の合成されたゲイン特性が周波数に対しほぼフラットになるように、前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲインの変化に対応して前記補正回路と前記フィルタ回路のゲイン特性を調整するばらつき調整回路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. 前記ばらつき調整回路は、前記補正回路のゲインを、前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲインが１以上のとき前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲインと同じ値に設定し、１より小さいときは１に設定することを特徴とする請求項１に記載の騒音キャンセルヘッドフォン。
3. 前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の信号を前記フィルタ回路の出力部と前記スピーカの入力部との間において遮断しばらつき調整用開ループを生成する手段と、
   前記ばらつき調整用開ループが生成された際に騒音キャンセル周波数帯域の特定の周波数の信号を前記スピーカに出力するばらつき調整用信号生成回路と、
   前記フィルタの出力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に基づき前記フィルタと前記補正回路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、又は請求項２に記載の騒音キャンセルヘッドフォン。
4. 出荷時調整スイッチがＯＮされたとき、前記レベル検出回路で検出した信号レベルを基に第１のゲイン調整値を求めて記憶する第１ゲイン調整値記憶手段と、
   騒音キャンセルスイッチがＯＮされたとき、前記レベル検出回路で検出した信号レベルを基に第２のゲイン調整値を求めて記憶する第２ゲイン調整値記憶手段と、
   前記第１ゲイン調整値記憶手段と前記第２ゲイン調整値記憶手段に記憶された第１、第２のゲイン調整値の積の値により前記補正回路のゲインを調整する補正回路ゲイン調整手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の騒音キャンセルヘッドフォン。
5. 前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向きゲインを予め測定して基準ゲイン特性として記憶し、該記憶された前記基準ゲイン特性のゲインを前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向きゲインの変化に対応してシフトして前記補正回路のゲインとして設定する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の騒音キャンセルヘッドフォン。
6. 音声信号を入力し該音声信号のゲイン特性を補正して出力する補正回路と騒音をキャンセルする騒音キャンセルフィードバック制御回路が設けられ、周囲の騒音がキャンセルされた音声を視聴することができる騒音キャンセルヘッドフォンの特性ばらつき調整方法において、
   騒音キャンセル周波数帯域の特定の周波数の信号をスピーカに入力し、
   前記スピーカからの音声をマイクによって集音し、
   前記マイクの出力をフィルタ回路を通して前記補正回路の出力と差分を取るようにフィードバックし、
   前記フィルタ回路の出力信号レベルに基づいて前記補正回路のゲイン特性と前記フィルタ回路のゲイン特性を調整し、
   前記騒音キャンセル周波数帯域の特定の周波数の信号の代わりに前記補正回路の出力と前記フィルタ回路の出力の差分を前記スピーカに入力した際、前記スピーカから出力される音声の周波数特性がほぼフラットになるようにしたことを特徴とする騒音キャンセルヘッドフォンの特性ばらつき調整方法。
7. 前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の前向き伝達関数のゲインを１に設定し、
   前記補正回路のゲインを、前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲインが１以上のとき前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向きゲインと同じ値に設定し、１より小さいときは１に設定することを特徴とする請求項６に記載の騒音キャンセルヘッドフォンの特性ばらつき調整方法。
8. 前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の閉ループを前記フィルタ回路の出力部と前記スピーカの入力部との間において信号を遮断し、
   前記騒音キャンセル周波数帯域の特定の周波数の信号を前記スピーカに出力し、
   前記フィルタの信号レベルを検出し、
   前記信号レベルの検出値に基づき前記フィルタと前記補正回路のゲインを調整することを特徴とする請求項６、又は請求項７に記載の騒音キャンセルヘッドフォンの特性ばらつき調整方法。
9. 出荷時調整スイッチがＯＮされたとき、前記信号レベルを基に第１のゲイン調整値を求めて記憶し、
   騒音キャンセルスイッチがＯＮされたとき、前記信号レベルを基に第２のゲイン調整値を求めて記憶し、
   記憶された前記第１、第２のゲイン調整値の積の値により前記補正回路のゲインを調整することを特徴とする請求項８に記載の騒音キャンセルヘッドフォンの特性ばらつき調整方法。
10. 前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲイン特性を予め測定して基準ゲイン特性として記憶し、
    記憶された前記基準ゲイン特性のゲインを前記騒音キャンセルフィードバック制御回路の後ろ向き伝達関数のゲインの変化に対応してシフトして前記補正回路の伝達関数として設定することを特徴とする請求項６乃至請求項９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騒音キャンセルヘッドフォンの特性ばらつき調整方法。

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