JP2009141679A - ヘッドホンおよびノイズキャンセリング回路、方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高帯域のノイズを抑制する。
【解決手段】スピーカアンプ２６は、入力されたオーディオ信号Ｓ１にマイクロホン１６によって集音された音声信号Ｓ２を位相反転して重畳し、スピーカ１４を駆動する。フィルタ４０は、スピーカアンプ２６とスピーカ１４の間に設けられており、通過特性が可変に構成される。フィルタ４０は、スピーカアンプ２６の出力信号に影響を及ぼさない状態と、スピーカアンプ２６の出力をフィルタリングする状態が切替可能に構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヘッドホンのノイズキャンセリング技術に関する。

人混みや電車などの騒音の中で、快適な再生環境を提供するために、ノイズキャンセリング機能付きのヘッドホンが開発されている。ノイズキャンセリングは、マイクロホンによって周囲の騒音（環境音）を集音し、位相を反転してスピーカから再生すべき音声信号に重畳する。その結果、スピーカから出力される環境音の成分と、実際の環境音が相殺され、人間の耳には音声（オーディオ）信号の成分のみが知覚される。
特開平８−１２３４３８号公報 特開平２−００８０９８号公報 特開２００７−１１０５３６号公報

図１（ａ）〜（ｃ）は、ノイズキャンセリング機能付きヘッドホンの内部回路の構成例およびその特性を示す図である。図１（ａ）の回路が、左右の耳に装着される２つの筐体それぞれに搭載される。ヘッドホン２００は、マイクロホン１６、ノイズキャンセリング回路２０ａ、スピーカ１４を備える。マイクロホン１６は、環境音を集音する。ノイズキャンセリング回路２０ａのマイクアンプ２２はマイクロホン１６により集音された環境音に応じた信号（環境音信号）を増幅する。位相調節回路２４は、増幅された環境音信号の位相を補償する。スピーカアンプ２６は、スピーカ１４から出力すべきオーディオ信号Ｓ１に、位相が調節された環境音信号を位相反転して重畳し、スピーカ１４を駆動する。

図１（ｂ）は、マイクロホン１６により集音された環境音信号と、スピーカ１４から出力される環境音信号の位相差を示す図である。理想的なノイズキャンセリングを行うためには、全ての周波数帯域において、位相差が１８０度に均一に補償されることが望ましい。しかしながら実際の位相特性は、ある周波数以上で、たとえば１ｋＨｚ付近から位相が回転し始める。その結果、スピーカ１４から出力される高周波帯域の成分はキャンセルされずに実際の環境音と足し合わされ、却って増幅されてノイズとなる。

図１（ｃ）は、スピーカ１４から出力されるノイズの通過特性の一例を示す図である。ノイズは主にマイクアンプ２２、位相調節回路２４、スピーカアンプ２６に使用される能動素子から発生し、周波数が高くなるほど大きくなる傾向がある。

これらのノイズは、特に無音状態において人間の聴覚を刺激する。

本発明は係る状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、高帯域のノイズを抑制可能なノイズキャンセリング技術の提供にある。

本発明のある態様は、音源から出力されるオーディオ電気信号を音響信号に変換するヘッドホンに関する。このヘッドホンは、スピーカと、マイクロホンと、入力されたオーディオ信号にマイクロホンにより集音された音声信号を位相反転して重畳するスピーカアンプと、スピーカアンプとスピーカの間に設けられ、通過特性が可変に構成されるフィルタと、を備える。

「ヘッドホン」とは、人間の耳に対して音響信号を与えるデバイスをいい、そのサイズは問わない。したがって「ヘッドホン」は、イヤホンや通話用のヘッドセットなどを含む。この態様によれば、再生環境に応じてフィルタの通過特性を切りかえることにより、不快なノイズを除去できる。

フィルタは、少なくともオーディオ帯域を通過させる第１状態と、ノイズの低減を目的として設計された通過特性を有する第２状態と、の少なくとも２状態で切替可能に構成されてもよい。

フィルタは、第２状態において、ローパスフィルタとして機能してもよい。

フィルタは、第１状態において、スピーカアンプの出力信号をそのまま通過するように構成されてもよい。

フィルタは、スピーカアンプとスピーカの間に設けられた抵抗と、スピーカと抵抗の接続点と、固定電圧端子の間に直列に設けられたキャパシタおよびスイッチと、を含んでもよい。
この場合、スイッチをオフすることによりフィルタを無効化でき、スピーカアンプの出力をスピーカへと供給できる。

フィルタは、第１、第２状態でカットオフ周波数が切りかえ可能なローパスフィルタであってもよい。ローパスフィルタの第２状態におけるカットオフ周波数は、可聴帯域の上限周波数より低く設定してもよい。

ある態様のヘッドホンは、オーディオ信号のレベルを判定するレベル検波回路をさらに備えてもよい。レベル検波回路の判定結果にもとづいて、フィルタの状態を切りかえてもよい。
オーディオ信号のレベルが小さいとき、あるいはオーディオ信号が入力されていないとき、人間の耳は高周波のノイズを知覚しやすくなる。そこでオーディオ信号のレベルに応じてフィルタの状態を自動的に切りかえることにより、スピーカからのノイズを好適に抑制できる。

本発明の別の態様は、ノイズキャンセリング回路である。このノイズキャンセリング回路は、マイクロホンにより集音された音声信号を増幅するマイクアンプと、マイクアンプの出力信号の位相を調節する位相調節回路と、入力されたオーディオ信号に、位相調節回路の出力信号を重畳して出力するスピーカアンプと、オーディオ信号のレベルを判定するレベル検波回路と、を備える。レベル検波回路の判定結果に応じた信号を、スピーカアンプの後段の本ノイズキャンセリング回路の外部に配置されるフィルタの帯域を切りかえるために出力する。

ノイズキャンセリング回路は、一端が接地され、制御端子にレベル検波回路の判定結果に応じた信号が入力されるフィルタ制御スイッチをさらに備えてもよい。フィルタ制御スイッチの他端は、フィルタに接続されてもよい。

本発明のさらに別の態様は、ノイズキャンセリング方法である。この方法は、マイクロホンにより集音された環境音信号を増幅するステップと、増幅された環境音信号の位相を調節するステップと、入力されたオーディオ信号に位相が調節された環境音信号をスピーカアンプにより重畳するステップと、オーディオ信号のレベルを判定するステップと、オーディオ信号のレベルが所定のしきい値より高いとき、スピーカアンプの出力をスピーカに出力し、しきい値より低いとき、スピーカアンプの出力をフィルタリングしてスピーカに出力するステップと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、高帯域のノイズを抑制できる。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが部材Ｂに接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図２は、実施の形態に係るノイズキャンセリング回路２０を備えたヘッドホン１００の内部構成を示す回路図である。ヘッドホン１００は、音源（不図示）から出力されるオーディオ電気信号を音響信号に変換する。なお図２には左右チャンネルの一方のみが示される。

ヘッドホン１００は、スピーカ１４、マイクロホン１６、ノイズキャンセリング回路２０、フィルタ４０を備える。

スピーカ１４から出力すべきオーディオ信号Ｓ１は、ノイズキャンセリング回路２０のオーディオ入力端子Ｐ１に入力される。マイクロホン１６は、周囲の騒音（環境音）を集音する。マイクロホン１６により集音された信号（環境音信号という）Ｓ２はノイズキャンセリング回路２０のマイク入力端子Ｐ２に入力される。

ノイズキャンセリング回路２０は、マイクアンプ２２、位相調節回路２４、スピーカアンプ２６、レベル検波回路２８を含み、一つの半導体基板上に集積化された機能ＩＣである。

マイクアンプ２２はマイクロホン１６により集音された環境音信号Ｓ２を増幅する。位相調節回路２４は、増幅された環境音信号Ｓ３の位相の通過特性を補償する。スピーカアンプ２６は、オーディオ信号Ｓ１に、位相が調節された環境音信号Ｓ４を位相反転して重畳した信号を、オーディオ出力端子Ｐ３から出力する。スピーカ１４はオーディオ出力端子Ｐ３からの信号によって駆動される。

ノイズキャンセリング回路２０の外部には、スピーカアンプ２６とスピーカ１４の間に、スピーカアンプ２６の出力信号Ｓ５をフィルタリングするフィルタ４０が設けられる。

フィルタ４０は、通過特性が可変に構成される。具体的には、フィルタ４０は、少なくともオーディオ帯域（一般には可聴帯域２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度）を通過させる第１状態と、ノイズの低減を目的として設計された通過特性を有する第２状態と、の少なくとも２状態で切替可能に構成される。

第２状態における帯域は、オーディオ帯域より狭く設計される。第２状態の帯域は、以下の条件のいずれか、またはいくつかの組み合わせを満たすように設計することが好ましい。
条件１． 位相調節回路２４による位相調節が不完全な帯域を遮断する。
条件２． ノイズキャンセリング回路２０内部の能動素子において発生し、オーディオ出力端子Ｐ３から出力されるノイズ成分が許容量を超える帯域を遮断する。
条件３． 人間の耳の聴覚特性を考慮し、人間がノイズと知覚しやすい帯域を遮断する。

条件１に従う場合、図１（ｂ）の位相特性にもとづいて帯域が決定される。図１（ｂ）の位相特性では、１ｋＨｚ前後で位相が回転し始めるから、フィルタ４０を１ｋＨｚ以上の帯域を遮断するように設計する。

条件２に従う場合、ノイズキャンセリング回路２０のオーディオ出力端子Ｐ３から出力されるノイズの通過特性にもとづいて帯域を設計する。このノイズは、周波数が高くなるほど大きくなる傾向があり、図１（ｃ）に示すノイズは１ｋＨｚを超えた当たりから急激に増加する。そこでフィルタ４０の通過特性を、ノイズキャンセリング回路２０により発生するノイズを好適に除去できるように設計する。たとえば、図１（ｃ）の場合、１ｋＨｚ以上の帯域を遮断するように設計すればよい。

図２のフィルタ４０は、無効化、有効化が切替可能に構成されてもよい。フィルタ４０は無効化された状態において、スピーカアンプ２６の出力に影響を及ぼさずにそのまま出力する。この状態は、オーディオ帯域を透過させる第１状態に相当する。フィルタ４０が有効化されると、ノイズ低減に最適化された通過特性を有するフィルタとして機能する。

この機能を実現するために、フィルタ４０は抵抗Ｒ１、キャパシタＣ１、フィルタ制御スイッチＳＷ１を含むローパスフィルタとして構成される。
抵抗Ｒ１は、スピーカアンプ２６の出力端子とスピーカ１４の入力端子の間に設けられる。キャパシタＣ１およびフィルタ制御スイッチＳＷ１は、スピーカ１４と抵抗Ｒ１の接続点Ｎ１と、固定電圧端子（接地端子）の間に直列に設けられる。フィルタ４０は、フィルタ制御スイッチＳＷ１がオフのときに無効化され、オーディオ帯域を通過させる第１状態に設定される。フィルタ制御スイッチＳＷ１がオンすると、フィルタ４０はノイズを除去するためのローパスフィルタとして機能する。

ローパスフィルタのカットオフ周波数は、上述の条件１．または（及び）条件２に従いって設計すればよい。図１（ａ）および図３を考慮すると、カットオフ周波数を１ｋＨｚ程度とすれば、条件１、２（及び３）を同時に満たすことができる。

一般的にはフィルタ４０のカットオフ周波数は、可聴帯域の上限周波数（１５ｋ〜２０ｋＨｚ）より低く設定すればよく、好ましくは、数百Ｈｚ〜数ｋＨｚの範囲に設定する。

なおフィルタ４０の構成は図２のそれに限定されず、さまざまな形式のフィルタを利用できる。ローパスフィルタに代えて、バンドパスフィルタやバンドエリミネーションフィルタとして構成してもよい。

レベル検波回路２８は、オーディオ信号Ｓ１のレベルを判定する。具体的には、レベル検波回路２８は検波回路とコンパレータを含み、検波回路によってオーディオ信号Ｓ１を振幅に応じたレベルを有するＤＣ信号に変換し、これをコンパレータによりしきい値と比較する。比較結果は、フィルタ制御端子Ｐ４からフィルタ４０へと出力される。

フィルタ４０の状態は、フィルタ制御端子Ｐ４からの制御信号Ｓ６に応じて切りかえられる。すなわち、オーディオ信号Ｓ１のレベルがしきい値より大きいとき、フィルタ制御スイッチＳＷ１はオフする。言い換えれば、オーディオ信号Ｓ１が有意なレベルを有するとき、つまりオーディオの再生時においてフィルタ４０は無効化され、オーディオ帯域を通過させる。

オーディオ信号Ｓ１がしきい値より小さいとき、フィルタ制御スイッチＳＷ１はオンする。言い換えれば、オーディオ信号Ｓ１が有意なレベルを有さないとき、つまりオーディオの非再生時においてフィルタ４０は有効化され、ノイズを遮断する。

以上がヘッドホン１００の構成である。次にヘッドホン１００の動作を説明する。

１． オーディオの再生状態
レベル検波回路２８によってオーディオ信号Ｓ１の再生中と判定されると、フィルタ４０が第１状態に設定される。この場合、ノイズキャンセリング回路２０により発生されるノイズや、環境音信号Ｓ３のうち位相が良好に補償できなことによるノイズが、スピーカ１４から出力されることになる。しかしながら、高周波のノイズはオーディオ信号に埋もれるため、人間の耳に知覚されにくい。第１状態では、オーディオ信号Ｓ１の再生中に、人間の耳に知覚されやすい低周波の環境信号を好適にキャンセルすることにより、良好なオーディオ再生が可能となる。

２． オーディオの非再生状態
オーディオ信号Ｓ１の非再生状態（無音状態）において、フィルタ４０は第２状態に設定される。この場合、ノイズキャンセリング回路２０において発生するノイズや、環境音信号Ｓ３のうち位相を良好に補償できなことに起因するノイズが、フィルタ４０によって遮断される。

図３（ａ）〜（ｃ）は、オーディオの非再生状態におけるヘッドホン１００の遮音特性を示す図である。図３（ａ）は実線は、ノイズキャンセリング回路２０による遮音特性を、破線は筐体による遮音特性を示す。図３（ｂ）はノイズキャンセリング回路２０に発生するノイズを、図３（ｃ）は、マイクロホン１６により集音された環境音信号と、スピーカ１４から出力される環境音信号の位相差を示す。

筐体は、周波数が高いほど良好な遮音特性を有している。スピーカ１４からは、マイクロホン１６により集音された環境音のうち、フィルタ４０のカットオフ周波数ｆｃ以下の成分のみが位相反転されて出力され、カットオフ周波数ｆｃ以上の帯域は遮断される。カットオフ周波数ｆｃ以下の帯域において、フィルタ４０を通過する位相反転された環境音信号は、筐体を通過する環境音と相殺しあい、良好なノイズキャンセリングが実現される。また、カットオフ周波数ｆｃ以上の帯域では、ノイズキャンセリング回路２０によるノイズキャンセリングはローパスフィルタによって実質的に無効化されるが、筐体自体が有する遮音性によって、人間の耳に到達する環境音を遮断できる。

ユーザによっては、ノイズキャンセリング機能付きのヘッドホンを、オーディオ再生の目的のみでなく、耳栓として使用する場合もある。この用途にも、実施の形態に係るヘッドホン１００はきわめて有用である。

実施の形態によれば、無音状態（非再生時）におけるノイズが良好に遮断できる。したがって、ノイズキャンセリング回路２０の内部に用いる能動素子、たとえばマイクアンプ２２やスピーカアンプ２６に低ノイズの高価なデバイスが不要となる。したがって、ノイズキャンセリング回路２０をコストを下げることが可能となる。

また従来では、位相調節回路２４によってなるべく高い周波数まで位相補償するために、複雑な回路を用いる必要があったが、実施の形態では、フィルタ４０によって、位相補償が適切でない周波数帯域を遮断するため、位相調節回路２４の構成を簡素化にできる。図４は、位相調節回路２４の構成例を示す図である。入力端子Ｐ１０と出力端子Ｐ１１の間には、キャパシタＣ１０が設けられ、キャパシタＣ１０と並列に抵抗Ｒ１０、Ｒ１１が直列に接続される。抵抗Ｒ１０、Ｒ１１の接続点の接地端子の間には、キャパシタＣ１１が設けられる。必要に応じて、図４の位相調節回路２４を複数個、縦続接続してもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。以下、変形例を説明する。

実施の形態では、フィルタ４０をノイズキャンセリング回路２０の外部に設ける場合を説明したが、その一部の素子をノイズキャンセリング回路２０内に集積化してもよい。たとえばフィルタ制御スイッチＳＷ１をＭＯＳＦＥＴを用いて構成し、ノイズキャンセリング回路２０の内部に設けてもよい。

フィルタ制御スイッチＳＷ１をユーザの指示にもとづいてオン、オフさせてもよい。この場合、フィルタ制御スイッチＳＷ１を機械的なスイッチで構成してもよい。

フィルタ４０は、カットオフ周波数が切替可能なローパスフィルタで構成してもよい。第１のカットオフ周波数は、オーディオ帯域に影響を及ぼさない値に設定する。第２のカットオフ周波数は、上述の条件１〜３を考慮してすればよい。

以上、実施の形態にもとづき、本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎないことはいうまでもなく、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を離脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能であることはいうまでもない。

図１（ａ）〜（ｃ）は、ノイズキャンセリング機能付きヘッドホンの内部回路の構成例およびその特性を示す図である。 実施の形態に係るノイズキャンセリング回路を備えたヘッドホンの内部構成を示す回路図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係るヘッドホンの遮音特性を示す図である。 位相調節回路の構成例を示す図である。

符号の説明

１００…ヘッドホン、１４…スピーカ、１６…マイクロホン、２０…ノイズキャンセリング回路、２２…マイクアンプ、２４…位相調節回路、２６…スピーカアンプ、２８…レベル検波回路、４０…フィルタ、Ｐ１…オーディオ入力端子、Ｐ２…マイク入力端子、Ｐ３…オーディオ出力端子、Ｐ４…フィルタ制御端子、Ｒ１…抵抗、Ｃ１…キャパシタ、ＳＷ１…フィルタ制御スイッチ。

Claims (10)

1. 音源から出力されるオーディオ電気信号を音響信号に変換するヘッドホンであって、
   スピーカと、
   マイクロホンと、
   入力されたオーディオ信号に前記マイクロホンにより集音された音声信号を位相反転して重畳するスピーカアンプと、
   前記スピーカアンプと前記スピーカの間に設けられ、通過特性が可変に構成されたフィルタと、
   を備えることを特徴とするヘッドホン。
2. 前記フィルタは、少なくともオーディオ帯域を通過させる第１状態と、ノイズの低減を目的として設計された通過特性を有する第２状態と、の少なくとも２状態で切替可能に構成されることを特徴とする請求項１に記載のヘッドホン。
3. 前記フィルタは、前記第２状態において、ローパスフィルタとして機能することを特徴とする請求項２に記載のヘッドホン。
4. 前記フィルタは、前記第１状態において、前記スピーカアンプの出力信号をそのまま通過するように構成されることを特徴とする請求項２または３に記載のヘッドホン。
5. 前記フィルタは、
   前記スピーカアンプと前記スピーカの間に設けられた抵抗と、
   前記スピーカと前記抵抗の接続点と、固定電圧端子の間に直列に設けられたキャパシタおよびスイッチと、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載のヘッドホン。
6. 前記フィルタは、前記第１、第２状態でカットオフ周波数が切りかえ可能なローパスフィルタであることを特徴とする請求項２に記載のヘッドホン。
7. 前記オーディオ信号のレベルを判定するレベル検波回路をさらに備え、
   前記レベル検波回路の判定結果にもとづいて、前記フィルタの状態を切りかえることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のヘッドホン。
8. マイクロホンにより集音された音声信号を増幅するマイクアンプと、
   前記マイクアンプの出力信号の位相を調節する位相調節回路と、
   入力されたオーディオ信号に、前記位相調節回路の出力信号を重畳して出力するスピーカアンプと、
   前記オーディオ信号のレベルを判定するレベル検波回路と、
   を備え、
   前記レベル検波回路の判定結果に応じた信号を、前記スピーカアンプの後段に、本ノイズキャンセリング回路の外部に配置されるフィルタの帯域を切りかえるために出力することを特徴とするノイズキャンセリング回路。
9. 一端が接地され、制御端子に前記レベル検波回路の判定結果に応じた信号が入力されるフィルタ制御スイッチをさらに備え、
   前記フィルタ制御スイッチの他端は、前記フィルタに接続されることを特徴とする請求項８に記載のノイズキャンセリング回路。
10. マイクロホンにより集音された環境音信号を増幅するステップと、
    増幅された前記環境音信号の位相を調節するステップと、
    入力されたオーディオ信号に位相が調節された前記環境音信号をスピーカアンプにより重畳するステップと、
    前記オーディオ信号のレベルを判定するステップと、
    前記オーディオ信号のレベルが所定のしきい値より高いとき、前記スピーカアンプの出力をスピーカに出力し、しきい値より低いとき、前記スピーカアンプの出力をフィルタリングして前記スピーカに出力するステップと、
    を備えることを特徴とするノイズキャンセリング方法。

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