JP2009273069A - ノイズキャンセリング装置およびノイズキャンセリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロホンで集音した信号をスピーカユニットから発生させて騒音を低減させる場合に、低減させる帯域以外でノイズが増大することを防止する。
【解決手段】マイクロホン１により集音された信号がマイクアンプ８およびバンドパスフィルタ３を介して加算部４の加算器４ｃに供給される。加算部４の出力信号がアンプ５を介してスピーカユニット２に供給される。スピーカユニット２からノイズと逆相の音波が放射されるので、スピーカの音波とマイクロホン１の位置でのノイズとが打ち消しあう。スピーカユニット２のヌルエリアに配置されたマイクロホン６により取り出された信号がマイクアンプ９およびバンドパスフィルタ７を介して加算部４の加算器４ｃに供給され、ノイズキャンセリングによって増大したノイズがキャンセルされる。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば車載音響装置に適用されるノイズキャンセリング装置およびノイズキャンセリング方法に関する。

携帯型オーディオ再生装置の普及に伴い、屋外でオーディオ信号を聴取する機会が増加している。例えばバス、電車等の乗り物の中でオーディオ信号が再生される。乗り物の中では、ノイズが多く、再生オーディオ信号のレベルを大きくすることが多く、その結果、音漏れが大きくなり、周囲の人に迷惑がかかることがある。この問題は、ノイズキャンセリングヘッドホンを使用すると避けることができる。

ノイズキャンセリングヘッドホンとして、フィードバック方式が知られている。この方式は、ヘッドホンの内部にマイクロホンを設置し、マイクロホンで集音した信号の内で主として低域成分の位相を反転した逆位相の信号をヘッドホンのドライバーユニットに供給し、ノイズ成分（環境騒音）をキャンセルするものである。

車載用のノイズキャンセリング装置は、マイクロホンで検出した車内の騒音信号をスピーカを駆動する増幅器にフィードバックし、スピーカによって騒音と逆位相の音波を発生させ、マイクロホンの近傍の騒音を減少させるものである。例えば下記の特許文献１には、車内の騒音を低減させるノイズキャンセリング装置が記載されている。

特開平１０−３３３６８７号公報

上述した特許文献１に記載されているように、自動車のノイズの周波数成分は、数百Hz以下の低域成分である。自動車以外の電車、航空機等におけるノイズの成分も同様に主として低域成分である。また、マイクロホンで検知した周囲のノイズの位相を反転してキャンセルする場合、周波数が高くなると、位相の管理が難しくなる。このような点からマイクロホンで集音した信号の内で、主として低域成分をフィルタによって取り出し、フィルタの出力信号の位相を反転してスピーカに供給するようになされている。

図６は、マイクロホン、スピーカおよび聴取者の耳の位置がほぼ同一とした場合のノイズキャンセリング装置の効果を示す。図６において、参照符号１０１がノイズキャンセリングを行わない場合に観測されるノイズの周波数特性を示す。ノイズが主として低域に分布している。ノイズキャンセリングを行うと、参照符号１０２で示す特性のように、低域に分布しているノイズ成分が低減される。

しかしながら、図６において、（８００Hz〜１．２ｋHz）のフィルタのカットオフ周波数付近で、参照符号１０３で示すように、ノイズのレベルがノイズキャンセリングを行う前に比して増大する。中域におけるノイズのレベルの増大は、聴取者にとって耳障りとなる。このような問題は、マイクロホンで集音した信号の内で低域成分を取り出すためのフィルタの位相特性に起因する。１次ローパスフィルタ、２次ローパスフィルタ等のアナログフィルタは、直線位相ではなく、入力信号に対して出力信号の位相が周波数変化に応じて変化する。したがって、フィルタを介することによって、上述した周波数範囲において、ノイズに対する逆相の関係が成り立たなくなり、ノイズキャンセリングの結果、ノイズが増大する問題が生じる。

したがって、この発明の目的は、上述した従来のノイズキャンセリング装置の問題点を解決することができるノイズキャンセリング装置およびノイズキャンセリング方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、スピーカユニットと、
スピーカユニットから放射される音を集音する第１のマイクロホンと、
第１のマイクロホンにより集音された成分の主として低域成分を取り出す第１のフィルタと、
スピーカユニットの振動板の前後両面から放射される音が打ち消しあうヌルエリアに配置された第２のマイクロホンと、
第２のマイクロホンにより集音された信号から不要信号を取り出す第２のフィルタと、
第１のフィルタから得られる信号の低域成分を位相反転してスピーカユニットに供給し、第２のフィルタから得られる不要信号を位相反転してスピーカユニットに供給する信号経路とを有するノイズキャンセリング装置である。

この発明は、第１のマイクロホンにより集音された信号の主として低域成分を第１のフィルタによって取り出し、
スピーカユニットの振動板の前後両面から放射される音が打ち消しあうヌルエリアに配置された第２のマイクロホンにより集音された信号から不要信号を第２のフィルタによって取り出し、
第１のフィルタから得られる信号の低域成分を位相反転してスピーカユニットに供給し、第２のフィルタから得られる不要信号を位相反転してスピーカユニットに供給するノイズキャンセリング方法である。

好ましくは、不要信号は、第１のフィルタにおいて生じる位相変化によってノイズが増加する周波数の成分とされる。

この発明によれば、第２のフィルタによって、第２のマイクロホンにより集音された成分の中で、ノイズキャンセリング後の騒音の不要信号と同様の周波数の信号を取り出すことができる。取り出された不要信号を反転してスピーカユニットに供給するので、ノイズキャンセリングの結果、ある周波数付近のノイズが増大する問題を解決することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、この発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、実施の形態に限定されないものとする。

この発明の一実施の形態について図１を参照して説明する。第１のマイクロホン１とスピーカユニット２と聴取者の耳（図示しない）とがほぼ同一位置と仮定する。スピーカユニット２は、コーン状の振動坂がエッジを介してフレームに取り付けられたダイナミック型スピーカである。スピーカユニットは、通常、キャビネットのバッフル板に取り付けられる。しかしながら、この発明では、スピーカユニット２がキャビネットに収納されず、ユニット単体で使用される。

マイクロホン１により集音された信号がマイクアンプ８に供給される。マイクアンプ８により増幅されると共に位相反転された信号が第１のフィルタとしてのバンドパスフィルタ３に供給される。バンドパスフィルタ３は、キャンセルしたい騒音の周波数の成分を分離するためのもので、主として低域成分例えば６０Hz〜１ｋHzの成分を取り出す。バンドパスフィルタ３の出力信号が加算部４に供給される。加算部４は、二つの入力の信号レベルをそれぞれ調整するレベル調整器４ａおよび４ｂと、加算器４ｃとから構成される。加算部４の出力信号がアンプ５を介してスピーカユニット２に供給される。アンプ５は、ボリューム、イコライザといったプリアンプの機能と信号レベルを増幅するパワーアンプ機能を兼ね備えたプリメインアンプ（インテグレーテッドアンプ）である。なお、ノイズキャンセルのみでなく、所望の音楽等を聴きたい場合には、加算部４に対して正相でもって聴取する音楽等のオーディオ信号が供給される。

スピーカユニット２からノイズと逆相の音波が放射されるので、スピーカの音波とマイクロホン１の位置でのノイズとが打ち消しあい、ノイズをキャンセルすることができる。しかしながら、上述したように、バンドパスフィルタ３の位相特性によって、バンドパスフィルタ３の入力信号と出力信号との間で位相変化が生じる。この位相変化によって、ノイズのキャンセル効果が阻害され、フィルタのカットオフ周波数付近では、ノイズが増大する問題が生じる。

この問題に対処するために、スピーカユニット２の振動板の前後両面から放射される音が打ち消しあうヌルエリアに第２のマイクロホン６を配置する。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、スピーカユニット２は、コーン型の振動板１１がエッジ１２を介してフレーム１３に取り付けられている。フレーム１３の後部の円筒部１４には、磁気回路が収納されている。

かかるスピーカユニット２の振動板１１が磁気回路によってピストン運動を行うことによって空気中に音を放射する。振動板１１の前方に発生する音とその後方に発生する音の疎密の関係が逆となる。すなわち、振動板１１の前方に正相の音が発生すると共に，その後方に逆相の音が発生する。その結果、スピーカユニット２の周囲にドットを付したリング状の空間として示すヌルエリア１５が生じる。ヌルエリア１５に第２のマイクロホン６が設置される。マイクロホン６は、図２Ａおよび図２Ｂの何れの向きに設置しても良い。

第２のマイクロホン６は、スピーカユニット２が発生する音を集音することができない。したがって、スピーカユニット２によるノイズキャンセリングがヌルエリア１５では、機能しないことになる。但し、ヌルエリアが形成されるのは、比較的低域においてであり、中高域では、ヌルエリアが形成されず、マイクロホン６によってノイズキャンセル後の中高域成分が集音されることになる。すなわち、マイクロホン６により集音されるのは、低域では、スピーカユニット２の放射する音以外に存在するノイズであり、中高域では、ノイズキャンセリング後のノイズである。

第２のマイクロホン６により取り出された信号がマイクアンプ９に供給される。マイクアンプ９により増幅されると共に位相反転された信号が第２のフィルタとしてのバンドパスフィルタ７に供給される。バンドパスフィルタ７は、ノイズキャンセリングを行った場合に、ノイズが増加する帯域の成分を分離するためのものである。図６に示す例では、（８００Hz〜１．２ｋHz）の付近でノイズが増加するので、バンドパスフィルタ７は、この帯域の成分を分離する特性とされている。好ましくは、ノイズキャンセリング後の（８００Hz〜１．２ｋHz）の付近のノイズの周波数特性と同様の周波数特性をバンドパスフィルタ７が持つようになされる。バンドパスフィルタ７は、独立に制御することができるので、ノイズキャンセリング回路の特性に対して影響を与えない。

バンドパスフィルタ７の出力信号が加算部４の加算器４ｃに対してレベル調整器４ｂを介して供給される。加算器４ｃには、上述したように、バンドパスフィルタ３の出力信号が供給されている。スピーカユニット２が音を放射している場合には、マイクロホン１により検出される信号は、ノイズキャンセリング後の信号である。したがって、バンドパスフィルタ３の位相変化の影響によって上述した（８００Hz〜１．２ｋHz）の付近でのノイズが増大している。増大したノイズがバンドパスフィルタ７の出力信号によってキャンセルことになる。

この発明の一実施の形態においては、第２のマイクロホン６によってノイズキャンセリング後の中高域成分を取り出して、バンドパスフィルタ３の出力信号に加算しているので、図３に示すように、従来発生した（８００Hz〜１．２ｋHz）の付近のノイズを低減することができる。

図４を参照して第１および第２のマイクロホンおよびスピーカユニットを車のシートに取り付ける場合の構成について説明する。車のシートのバックレスト２１の上部に対してヘッドレスト２２が取り付けられている。ヘッドレスト２２を支持する２本の支持軸３０ａおよび３０ｂに対してスピーカ取り付け用の水平アーム２３が固定される。

水平アーム２３は、バックレスト２１の上部の幅よりやや短いものとされ、水平アーム２３の両端部から前方にアーム２４ａおよび２４ｂが突出され、各アームに対してそれぞれスピーカユニット２５ａおよび２５ｂが取り付けられる。スピーカユニット２５ａおよび２５ｂは、それぞれ前述の説明におけるスピーカユニット２に相当するものであり、ステレオのために２個のスピーカユニットが使用される。スピーカユニット２５ａおよび２５ｂは、リング状のスピーカ取り付けリング２６ａおよび２６ｂによってそれぞれ取り付けられている。

スピーカ取り付けリング２６ａの上部に対してマイク取り付けアーム２７ａおよび２７ｂがそれぞれ取り付けられ、マイク取り付けアーム２７ａおよび２７ｂによってマイクロホン２８ａおよび２８ｂがそれぞれ支持される。マイクロホン２８ａおよび２８ｂは、前述の説明における第１のマイクロホン１に相当するものである。マイクロホン２８ａおよび２８ｂがスピーカユニット２５ａおよび２５ｂの前方に位置し、シートに腰掛けたユーザの耳の近くで音を集音するようになされる。

第２のマイクロホン６に相当するマイクロホン２９ａおよび２９ｂがスピーカユニット２５ａおよび２５ｂのそれぞれの下方に設けられる。マイクロホン２９ａおよび２９ｂは、スピーカユニット２５ａおよび２５ｂのヌルエリアに配置される。図５に略線的に示すように、スピーカユニット２５ａ、２５ｂおよびマイクロホン等（図示せず）は、全体的にヘッドレスト２１に取り付けられた収納体３１により収納されて取り付けられる。収納体３１は、布製、または合成樹脂製成型体であり、パッド材料が充填されると共に、スピーカユニット２５ａおよび２５ｂの前面付近が布製のグリルとされた構成を有する。

この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば図４および図５は、スピーカユニットおよびマイクロホンの設置の一例を示すものであり、他の機構によってスピーカユニットおよびマイクロホンを設置するようにしても良い。

この発明の一実施の形態のブロック図である。 スピーカユニットのヌルエリアの説明に使用する略線図である。 この発明の一実施の形態におけるノイズキャンセリング後の騒音の周波数特性を示すグラフである。 この発明の一実施の形態におけるスピーカユニットおよびマイクロホンの取り付け構成の一例を示す斜視図である。 この発明の一実施の形態におけるスピーカユニットおよびマイクロホンの取り付け構成の一例を示す斜視図である。 従来のノイズキャンセリング後の騒音の周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１・・・第１のマイクロホン
２・・・スピーカユニット
３・・・バンドパスフィルタ
４・・・加算部
６・・・第２のマイクロホン
７・・・バンドパスフィルタ
８，９・・・マイクアンプ
１５・・・ヌルエリア

Claims (4)

1. スピーカユニットと、
   上記スピーカユニットから放射される音を集音する第１のマイクロホンと、
   上記第１のマイクロホンにより集音された信号の主として低域成分を取り出す第１のフィルタと、
   上記スピーカユニットの振動板の前後両面から放射される音が打ち消しあうヌルエリアに配置された第２のマイクロホンと、
   上記第２のマイクロホンにより集音された信号から不要信号を取り出す第２のフィルタと、
   上記第１のフィルタから得られる上記信号の低域成分を位相反転して上記スピーカユニットに供給し、上記第２のフィルタから得られる上記不要信号を位相反転して上記スピーカユニットに供給する信号経路とを有するノイズキャンセリング装置。
2. 上記不要信号は、上記第１のフィルタにおいて生じる位相変化によってノイズが増加する周波数の成分である請求項１記載のノイズキャンセリング装置。
3. 第１のマイクロホンにより集音された信号の主として低域成分を第１のフィルタによって取り出し、
   上記スピーカユニットの振動板の前後両面から放射される音が打ち消しあうヌルエリアに配置された第２のマイクロホンにより集音された信号から不要信号を第２のフィルタによって取り出し、
   上記第１のフィルタから得られる上記信号の低域成分を位相反転して上記スピーカユニットに供給し、上記第２のフィルタから得られる上記不要信号を位相反転して上記スピーカユニットに供給するノイズキャンセリング方法。
4. 上記不要信号は、上記第１のフィルタにおいて生じる位相変化によってノイズが増加する周波数の成分である請求項３記載のノイズキャンセリング方法。

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