JP2008518512A - ユーザ嗜好に合わせた知的音響信号処理方法及びその装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、入力信号に応じてユーザの外耳道内で音波発生要素又はスピーカのアレイの出力を選択的に調整することができ、入力信号のうちの少なくとも1つが少なくとも部分的に減衰されていることを特徴とする「高性能耳栓」を対象とする。

Description

本発明は、音響制御装置及びその方法を対象とする。特に、入力信号に応じて音波発生要素のアレイの出力を選択的に調整することができ、入力信号のうちの少なくとも1つが少なくとも部分的に減衰されていることを特徴とする「高性能耳栓」を対象とする。
以下の特許が注目される。即ち、デュアメルに2004年7月27日に発行された米国特許第6,768,803号「選択的に音響信号をフィルタリングする方法及びその装置」である。
仕事場所の騒音が重要な音声「情報」を消すだけでなく、人間の「聴覚」系に永久的身体的損害を生じさせ得ることは周知である。例えば、重建設業界では、音声遮断「耳覆い」を着用することが一般的な解決法である。この問題は、公演芸術の分野において、特に「大音量」のジャズ及びヘビーロックの音楽団体においても存在する。通常の解決法は、耳栓を使用することである。耳栓は、小さくてゴムまたはスポンジの機器であり、耳道に挿入されて音声を「遮断する」。しかしながら、かかる機器は、どちらかといえば、音響信号の全てを遮断するかまたは減衰させて、聴取者が聞くことや知覚することができないレベルまで特定の信号を低減するか除去する。
スティーヴ・J.・シャーマンがニューヨークタイムズ紙の記事において示唆したように、同様の問題が、クラッシック音楽業界に存在する。しかしながら、この問題は、減衰の方向性の制御だけでなく聴取者によって所望される減衰量に関する制御の欠如も含む、従来の補聴器または耳栓の固有の限界のために扱われてこなかった。換言すれば、演奏家達は自分たちの後のパーカッション部門または金管楽器部門をより大きく減衰するが、より高いかまたは非減衰レベルで自分たちの側面に木管楽器または前面にストリングスを保持することを望むかもしれない。いかなる生の音楽演奏においても、自分の周囲で起こっていることを正確に「聞く」ことは重要なことである。これは、より良いバランス、音の品質の調和、演奏するタイミングに関する「端緒」などのためであるかもしれない。この「可聴情報」が重要であるだけでなく、それが来る場所または方向も重要である。
上記したように、従来の耳覆い及び耳栓に関する取り組み方法は、音質が変更されるということだけでなく、なんらかの指向性が消失されるということである。音の正確な音響演奏を提供し、音響信号の振幅または同様の信号特性が指向性により制御されてもよいことを特徴とする。
マイクロエレクトロニクスの出現は、音響情報または信号の知覚及び配信のための新規な選択肢を提供する。マイクロエレクトロニクスは、小規模の回路構成及び電気機械システムを物理的に可能にする。本発明の1つの態様に従って、極小マイクロマシン技術(MEMS)マイクロホンアレイを提供し、複数の方向(例えば前方/後方、左側/右側、上方、下方など)から来る音波または振動を検出する。それらの固有の指向性を用いて、MEMSマイクロホンアレイからさまざまな信号を受信するので、MEMSスピーカまたは「オーディオ変換器」の同様のアレイが用いられて、(おそらく単に特定の方向のみならず他の方向からの信号を減衰させるよう調整済みの)出力を生成してもよい。このように、システムは、ユーザ調整された減少された音レベルにおける以外の同じ可聴情報を有する同じ方向からであるという印象を与えながら、音源の指向性に基づく選択的な減衰以外の可聴情報の全てをユーザに供給する。
本発明に基づいて、音響フィルタリング装置が提供される。それは、処理されるべき入力音響信号を受信し、かつ該入力音響信号との相互作用に応じて振動を明らかにして各々が複数の方向のうちの1つからの音響入力を表している入力信号または複数の入力信号を生成するマイクロホンまたはマイクロホンアレイを含んでいる入力センサと、該入力信号に応じて少なくとも1つの出力信号を生成するとともに、該出力音響信号スペクトルレベルは概して入力音響信号スペクトルレベルを反射するような一様の周波数応答によって特徴づけられている信号処理デバイスと、該音響信号処理デバイスによって生成される該出力音響信号を発生する音響出力ポートと、を含む。
本発明の別の態様によれば、ユーザ嗜好に従って音響信号を処理する音響信号処理システムが提供される。それは、各々が複数の方向のうちの1つからの音響入力を表している複数の入力信号を音響振動に応じて生成する少なくとも1つのマイクロホンアレイと、該複数の入力信号に応じて少なくとも1つの出力信号を生成し、出力音響信号スペクトルレベルが入力音響信号スペクトルレベルを概して反射するような一様の周波数応答によって特徴づけられる信号処理デバイスと、該信号処理デバイスからの該出力信号に応じて該出力音響信号を生成する少なくとも1つのスピーカと、を含む。
本発明の更なる態様によれば、ユーザによって知覚される音を制御する方法が提供される。それは、マイクロマシン技術によるマイクロホンアレイを用いて、入力音響信号を受信し、該アレイに対して複数の方向の各々から該音響入力を表す複数の入力信号を生成するステップと、該入力信号を処理して、該出力信号スペクトルレベルが概して入力音響信号スペクトルレベルを反射するように少なくとも1つの出力信号を生成するステップと、少なくとも1つの出力に応じて出力スピーカによって、ユーザの外耳道内に直接音響信号を生成するステップと、を含む。
ここで説明した技術は、ユーザによって受信される可聴または音響入力を制御し、その結果音響情報の完全な損失または排除なしに音響に不利な環境において機能することをユーザに可能にする、サイズを小さくした方法を提供するので有利である。本発明の技術は、それらが様々な代替物を提供するので有利である。その各々は、適当な状況において役立つ。本発明の結果として、ミュージシャン、建設作業者などが職場体験が改善され、騒音による難聴が減少するのを見出すことが期待される。
発明の実施の形態
本発明が好適実施例に関連して説明される。しかしながら、説明された実施例によって本発明が限定されることは意図されていないということが理解されるだろう。むしろ、添付の請求項によって画定されるような本発明の精神及び範囲の中に含まれてもよい全ての代替案、変化形及び同等物を対象とするということが意図されている。
本発明の一般的な理解のために、図面が参照される。図面において、同様の参照番号が同一の要素を示すように初めから終わりまで用いられている。
図1を参照すると、クラッシック音楽などによって用いられるのに適した音響フィルタリング装置用の本発明の典型的な実施例が、そこに描かれている。一実施例では、装置は処理されるべき入力音響信号を受信する入力センサ20を含む。センサ20は、それぞれ位置A、Bからの音を検知する方向指向性マイクロホン24A、24Bのアレイを含む。図に示すように、マイクロホン24A及び24Bは、ユーザの耳18に対して前方位置(A)及び後方位置(B)の方から来る音響振動の指向性を検出するために用いられてもよい。マイクロホンアレイ20などの入力センサが、音響振動を明らかにして、該センサ20に関して各々が複数の方向のうちの1つからの音響入力を表している複数の入力信号(少なくともA及びB)を生成するのに役立つであろうということが理解される。
示されていないが、追加のマイクロホン24を含むセンサ20についての様々な構成が用いられてもよいということが理解される。配列された様々なマイクロホンの指向性は、配列されたマイクロホンを分離するかまたは切り離すためにバッフル又は類似した手段を使用して高められてもよいということが理解される。マイクロホンアレイに関して説明されたが、本発明はユーザの各々の耳に対して動作する単一のマイクロホンだけが使用されてもよい。つまり、用語マイクロホンアレイは1つまたはそれ以上のマイクロホンを含んでいてもよい。もちろん、同じことが、ユーザの各々の耳で用いられるスピーカに対してあてはまる。1つまたはそれ以上のスピーカが各々の耳で用いられてもよい。
一実施例では、マイクロホン24は耳栓などの小型装置に取り付けるかまたはその中に組み込むのに適しているマイクロエレクトロニクス機器またはMEMS型機器であることが望ましい。MEMS及び/または圧電性物質が、本発明のマイクロホン素子またはスピーカ素子に用いられてもよいということが、同様に意図される。ユーザが装着可能な装置に関連して説明されたが、本発明の様々な態様が、本発明の大型の種類において用いられてもよく、従って、かかる縮尺は本発明の固有の限定でないということが理解されるだろう。
次に図2を参照すると、本発明の様々な実施例は、ユーザの必要性に応じてシステムを取り付けて用いられてもよいということが理解されるだろう。図に示したように、ミュージシャン16は、自分の耳(または両耳)へ挿入される本発明の1つ以上の構成要素を有し、制御及び処理モジュール(30,40)がペンダントとして取り付けられたネックレスまたはストラップ70を装着するだろう。あるいは、多くの場合、ネックレス/ペンダントの組合せが所望されないと分かったら、図3の実施例は、モジュールが取り付けられて彼の/彼女の腕、胴、その他の周りにシステムをユーザが装着することを可能にするベルトまたはストラップ80を示す。説明されたシステムの様々な構成要素が衣服または他の衣類(例えば、ポケット、ベスト、キャップ、帽子)及び、使用を容易にすることができるものなどの中へまたはその上に組み込まれてもよいということが、同様に理解されるだろう。
本開示は、音響信号処理デバイスがミュージシャンによって用いられる実施例を対象としているが、かかるデバイスは、特にユーザが、部分的に減衰される音の指向性だけでなく、場合により音の周波数帯域をも制御することを所望するかまたは必要とするような用途といった他の用途において用いられてもよいということも意図される。例えば、本発明は、音または特定の周波数に非常に敏感である学習障害を有する人によって用いられることが意図される。それによってその人は本発明を用いて中断されないやり方で学習または演奏することができるように暗騒音を減少させることができる。
図1に示すように、マイクロホンまたは類似した音響検知手段24A、Bの各々は、信号処理デバイス30へ回路基板上のワイヤまたは配線を介して転送されるかまたは送信される出力信号を生成する。信号処理デバイスは、入力可聴信号に応じて、少なくとも1つの出力信号を生成する。本発明は、以下に詳細に説明されるように、信号処理部がユーザの選択、調整、または嗜好に応じて動作して、出力信号がユーザの嗜好に従って調整されてもよいということが意図される。一実施例では、信号処理デバイスは、出力音響信号スペクトルレベルが概して入力音響信号のスペクトルレベルの反射であるとともに、その指向性を維持するように、一様な周波数応答を提供する。
信号処理デバイスは、音量レベルを調節する従来の補聴器において用いられるような簡単な一組の電位差計、アナログ回路設計の当業者にとって周知の従来の回路設計において通常用いられる適当な抵抗及びコンデンサとともに、出力スピーカ、ヘッドセット、または「小型イヤホン」を駆動することができる演算増幅器などの適切なアンプを含んでもよい。典型的な設計の更なる詳細が、図4と関連して以下に説明されるだろう。装置は、たとえ50Hzから15KHzまでの減少された範囲が受容可能と判明しても、約20Hzから20KHzの完全な周波数帯域にわたって音響信号に応答することが望ましい。一実施例では、様々な構成要素製造業者が、適当なマイクロホン及び/または小型イヤホンを供給してもよい。例えば、ノールズエレクトロニクスLLCの一事業部であるノールズアコースティックは、かかるマイクロホン素子(シソニック、例えばモデルSP0103)及びスピーカ素子についての広範囲の選択を有する。信号処理デバイスはMEMS型デバイス(マイクロホン及び/またはスピーカ)とインタフェースするのに適していなければならず、かかるデバイスへ/デバイスからの信号を調整するのに適している駆動回路を含まなければならない点に注意することも重要である。
再び図1を参照すると、音響出力ポート50が、スピーカ54A、Bまたは同様の素子のアレイの形で設けられ、信号処理デバイス30によって生成される出力音響信号を放出する。特に、本発明は、1乃至15kHzを可聴で、カーネギー・メロン大学のジョン・J.ニューマン・Jr.及びカイガム・J・ガブリエルによって製造されたCMOS−MEMSマイクロマシン技術を用いているプロトタイプのイヤホンの使用を意図する。他にノールズバランスドアーマチャースピーカなどの小型スピーカ組立て品及びシュールEシリーズイヤホンなどの「小型イヤホン」があり得る。一実施例では、本発明はユーザの耳道に挿入される標準でかつ/または成形の部分を含む。標準または成形の材質はユーザの耳の外耳道を塞ぎ、スピーカまたは出力ポート50によって処理されて出力されるものを除き周囲の音をユーザが知覚するのを実質的に妨げる。
本発明の実施例の基本的構成を説明すると、「高性能耳栓」装置に組み込まれるかまたは内蔵されてもよいという追加の特徴にここで注意が向けられる。より具体的には、ユーザ制御機器40は、本発明に対する調整機能を設けることを目的とする。一実施例では、出力音響信号が複数の方向のうちの少なくとも1つからの減衰した信号を含むような態様にて、信号処理デバイスが入力信号を処理する。減衰のレベル及び方向を制御するために、バランス/減衰器または類似した信号方向調整が音量または減衰制御と組み合わせて用いられてもよいということが意図される。例えば、かかるデバイスが用いられて、ユーザ(例えば位置B)の後に位置するトロンボーンの音量を減じるが(より高い信号の減衰)、しかし一方、ユーザの前(例えば位置A)でオーケストラのバランスから信号の音量を減らさなくてもよい。
上記したように、出力ポート50は小型の(例えばMEMS)スピーカのアレイから成り、その各々が信号処理部30によって生成される複数の出力信号のうちの1つを受信するかそれに応答することが望ましい。
説明のために、図1の拡大した構成において示されているが、本発明が現在の「耳栓」が適合するのとほぼ同じ方法で耳道19の近くまたは内側で適合することが理想である。代わりに、最大寸法は、現在の小型の商用補聴器または類似した装置の寸法であって、プロセッサ及びスピーカアレイから離間している1つ以上の指向性マイクロホンを含んでいてもよい。1つの目的は、かかる装置が、ユーザの快適さに最小の影響を及ぼすのと同様に、本質的に聴衆に見えないままであるということである。
本発明の実施例及びその様々な用途を説明したが、本発明の別の実施例でより詳細な説明がなされる図3及び図4にここで注意が向けられる。ここで再び、図はユーザの嗜好に従って音響信号を処理する音響信号処理システムを表す。各々の小型イヤホン50L及び50R(L及びRはそれぞれ左側及び右側を示している)に関して、少なくとも1つのマイクロホンアレイ24A、24Bが配置されている。理解されるように、各々のマイクロホンまたはマイクロホンアレイは、マイクロホンによって受信される音響振動に応じて複数の入力信号を生成する。各々の入力信号は、該マイクロホンアレイに対して複数の方向のうちの1つからの音響入力を表す。
より具体的には、ユーザの左耳のアレイ24A−Bは、ユーザの左側から知覚できる音響エネルギ(例えば、音、騒音)を検知するだろう。一実施例では、マイクロホン24A−Bは、上記したようなマイクロマシン技術によるシステムである。さらに、マイクロホン24A、24Bがそれぞれ前方及び後方へ指向されるように、小型イヤホン50Lが指向されてもよい。図3に表されるシステムは、小型イヤホン上に、バッフル130を更に含み、バッフルがマイクロホンアレイの第1のマイクロホン(24A)と第2のマイクロホン(24B)とを分離することを特徴とする。マイクロホンの各々の独立した動作をよりよく保証するために音響エネルギを移動させないことが望ましいものであるにもかかわらず、バッフルが弾力材で製造されてもよいということが更に理解されるだろう。さらに、バッフル130は、後述される構成要素がその上に搭載されていてもよくて、RTVシリコンゴムまたは同様のエッジ接続手段によってなされる接続を場合によっては含んでいる回路基板に統合されるかまたは回路基板を含んでもよい。具体的に示されていないが、バッフル130の1つ以上の表面132は、少なくとも1つの方向からの音響エネルギをマイクロホンの方へ集中させるかまたは方向づけるために放物線形状であってもよい。各々の側面上に2つのマイクロホンで示されているが、本発明はそのように限定されるべきでなく、ユーザの指向性感覚を向上するために各々の小型イヤホン上に3つ以上のアレイ状マイクロホンを含んでもよい、ということが同様に理解されるべきである。
少なくとも1つのスピーカ54だけでなく、マイクロホンと関係する増幅及び駆動回路が同様に各々の小型イヤホン(50L、50R)に含まれる(図4を参照せよ)。図4に関連してここでより詳細に説明される信号処理デバイス30からの出力信号に応じて、スピーカ54は出力音響信号を生成する働きをする。図4に示されているように、信号処理回路30及びユーザ制御機器40は、マイクロホン24A、24B(左及び右)の入力を処理して、スピーカ54に対して出力信号を生成する働きをする。図4の概略図が、平行するチャネル(左及び右)を示し、その両方が演算増幅器(オペアンプ)150を利用する。電力は複数の電池170から供給され(図3)、入力電圧保護はダイオード174によって設けられる。それは、保護ダイオードの目的で役に立つだけでなく、システムの作動表示も設ける。
電池170は様々なタイプであってよい。本発明はさらに、システムを作動するために印加される電力がニッケルベースタイプまたはリチウム‐イオンタイプのバッテリ(または複数のバッテリ)から供給される、充電式電池のアレイを用いることを意図する。かかる実施例において、システムは、バッテリを置換しなければならないということなしにシステムの継続的な使用を容易にするために組み込まれてもよい集積回路などの1つ以上の市販の構成要素(例えば、カリフォルニア州ミルピタスのリニアテクノロジー社から市販されているバッテリ充電部品)を含む。かかるデバイス及びその用途が、移動電話、携帯情報端末、ラップトップコンピュータ及び様々な他の電子装置及びゲームについて公知であるということが理解されるだろう。
以下の表は、図4において示された様々な構成要素の一覧及び該様々な構成要素に対する典型的な値を含む。
Figure 2008518512
信号処理デバイス30は、マイクロホン24からの複数の入力信号に応じて、各チャネル(左及び右)の望ましくは1つの出力信号を生成する働きをする。ただし、単一のチャンネルシステムが、限定された機能の用途において経費の理由で用いられてもよい。信号処理デバイスは、出力音響信号スペクトルレベルが概して入力音響信号のスペクトルレベルの反射であるような、一様の周波数応答によって特徴づけられる。信号処理デバイス30が複数の方向のうちの少なくとも1つ(例えば正面、後部)から少なくとも1つの部分的に減衰された信号を有する出力音響信号を生成する働きをすることは、信号処理デバイス30の更なる特徴である。用いられる構成要素の特徴は、システムによって実施される減衰量を選択するかまたは制御するために更に用いられてもよいということが理解される。(図4の回路の前部及び後部に対してリンクされた)二重の電位差計R1/R9及びR2/R10は、信号処理デバイス30にユーザ調節可能な制御に応じて出力信号を減衰する働きをすることをもたらすということがより重要である。理解されるように、出力信号(左右)が複数のスピーカ54L及び54Rに方向付けられて、スピーカの各々が複数の出力信号の1つを受信して応答する。
概括すると、本発明は、高性能な耳栓を用いるユーザの聴覚の入力を制御する方法及び装置である。従って、本発明によって、音響制御の方法及び装置が提供されるということが明らかである。本発明はその好適な実施例とともに説明されるが、多くの代替物、変化形、及び変化物が当業者に理解できるということが明らかである。従って、添付の請求の範囲の精神及び広範な範囲内で、すべてのかかる代替物、変化形、及び変化物を包含することを意図する。
最初に示されて補正されるかもしれない請求項は、現在予期されておらずまたは認められていない変化物、代替物、変化形、改良、同等物、及び実質的同等物、並びに、例えば出願人/特許権者及びその他の者から提起されてもよい変化物、代替物、変化形、改良、同等物、及び実質的同等物を含めて、ここで開示された実施例及び示唆の変化物、代替物、変化形、改良、同等物、及び実質的同等物を含む。
本発明の実施例の典型的な組み立て型の説明図である。 ユーザ制御機器をミュージシャンがネックレスで装着している、本発明の説明例である。 ユーザ制御機器をユーザが装着するベルトに取り付けた本発明の別の実施例である。 本発明の態様に従って音響信号を処理するために用いられてもよい回路の図である。

Claims (16)

  1. 音響制御装置であって、
    処理されるべき入力音響信号を受信し、かつ前記入力音響信号との相互作用に応じて振動を明らかにして各々が複数の方向のうちの1つからの音響入力を表している複数の入力信号を生成するマイクロホンアレイを含んでいる入力センサと、
    前記入力信号に応じて少なくとも1つの出力信号を生成するとともに、前記出力音響信号スペクトルレベルは概して入力音響信号スペクトルレベルを反射するような一様の周波数応答によって特徴づけられている信号処理デバイスと、
    前記音響信号処理デバイスによって生成される前記出力音響信号を発生する音響出力ポートと、
    を含む装置。
  2. 前記信号処理デバイスは、前記複数の方向のうちの少なくとも1つからの減衰された信号を前記出力音響信号が含むような態様にて、前記入力信号を処理することを特徴とする請求項1記載の装置。
  3. 前記信号処理デバイスは複数の出力信号を生成し、前記出力ポートは、各々が前記複数の出力信号のうちの1つを受信して応答する小型スピーカのアレイを含んでいることを特徴とする請求項1記載の装置。
  4. 前記信号処理デバイスは、可調制御部からの信号に応じて少なくとも1つの出力信号を減衰させる働きをすることを特徴とする請求項1記載の装置。
  5. 前記入力センサは、マイクロマシン技術によるマイクロホンを含むことを特徴とする請求項1記載の装置。
  6. ユーザ嗜好に従って音響信号を処理する音響信号処理システムであって、
    各々が複数の方向のうちの1つからの音響入力を表している複数の入力信号を音響振動に応じて生成する少なくとも1つのマイクロホンアレイと、
    前記複数の入力信号に応じて少なくとも1つの出力信号を生成し、出力音響信号スペクトルレベルが入力音響信号スペクトルレベルを概して反射するような一様の周波数応答によって特徴づけられる信号処理デバイスと、
    前記信号処理デバイスからの前記出力信号に応じて前記出力音響信号を生成する少なくとも1つのスピーカと、
    を含むシステム。
  7. 前記信号処理デバイスは、前記複数の方向のうちの少なくとも1つからの少なくとも部分的に減衰された信号を含む前記出力音響信号を生成する働きをすることを特徴とする請求項6記載のシステム。
  8. 前記信号処理デバイスは、ユーザ可調制御に応じて前記信号を減衰させる働きをすることを特徴とする請求項7記載のシステム。
  9. 前記信号処理デバイスは、複数の出力信号を生成し、前記スピーカの各々が前記複数の出力信号のうちの1つを受信して応答することを特徴とする請求項6記載のシステム。
  10. 前記マイクロホンアレイ及び前記スピーカが、ユーザの耳に近接して配置するのに適すように、小型イヤホン内に配置されていることを特徴とする請求項6記載のシステム。
  11. 前記小型イヤホンが、前記小型イヤホンから伸長するバッフルを含み、前記バッフルが前記マイクロホンアレイの第1のマイクロホンと第2のマイクロホンとを隔てていることを特徴とする請求項10記載のシステム。
  12. 前記バッフルの少なくとも1つの表面が、放物線形状であって、少なくとも1つの方向からの音響エネルギを前記マイクロホンに集中させることを特徴とする請求項11記載のシステム。
  13. 前記マイクロホンが、マイクロマシン技術によるシステムであることを特徴とする請求項6記載のシステム。
  14. ユーザによって知覚される音を制御する方法であって、
    マイクロマシン技術によるマイクロホンアレイを用いて、入力音響信号を受信し、前記アレイに対して複数の方向の各々から前記音響入力を表す複数の入力信号を生成するステップと、
    前記入力信号を処理して、前記出力信号スペクトルレベルが概して入力音響信号スペクトルレベルを反射するように少なくとも1つの出力信号を生成するステップと、
    少なくとも1つの出力に応じて出力スピーカによって、ユーザの外耳道内に直接音響信号を生成するステップと、
    を含む方法。
  15. ユーザの外耳道を閉塞し、前記出力スピーカによってもたらされる音以外の周囲の音の知覚を実質的に防げるステップをさらに含む請求項14記載の方法。
  16. 前記出力信号が、前記複数の方向のうちの少なくとも1つからの部分的に減衰された入力を含むように調節可能であることを特徴とする請求項14記載の方法。
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